Tài liệu Kỹ thuật viba truyền dẫn số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG ThS. HOÀNG QUANG TRUNG KỸ THUẬT VIBA SỐ TẬP BÀI GIẢNG (Lưu hành nội bộ) THÁI NGUYÊN - 2011 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIBA SỐ 1.1. Giới thiệu HTTT siêu cao tần (microwave) víi m«i tr−êng truyÒn dÉn v« tuyÕn trªn gi¶i sãng cùc ng¾n, bao gåm c¸c lo¹i hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh, th«ng tin v« tuyÕn tiÕp søc (radio-relay) vμ th«ng tin di ®éng; C¸c hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh cã dung l−îng trung b×nh song bï l¹i cã cù ly liªn l¹c tõ lín ®Õn rÊt lín. C¸c hÖ thèng nμy ®−îc sö dông lμm trôc xuyªn lôc ®Þa hoÆc phôc vô cho c¸c tuyÕn khã triÓn khai c¸c lo¹i h×nh liªn l¹c kh¸c (nh− tuyÕn liªn l¹c ®Êt liÒn-h¶i ®¶o, ®Êt liÒn-c¸c giμn khoan dÇu, ®Êt liÒn-c¸c tμu viÔn d−¬ng...). Ngoμi ra, c¸c hÖ thèng vÖ tinh ®Þa tÜnh cßn ®−îc sö dông cho c¸c hÖ thèng ph¸t qu¶ng b¸ truyÒn h×nh. Trong t−¬ng lai gÇn, khi hÖ thèng c¸c vÖ tinh quü ®¹o thÊp vμ trung b×nh ®−îc triÓn khai, c¸c hÖ thèng vÖ tinh cã thÓ ®−îc sö dông cho c¶ th«ng tin di ®éng phñ sãng toμn cÇu. C¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng phôc vô c¸c ®Çu cuèi di ®éng, nãi chung cã dung l−îng thÊp. Kh¶ n¨ng di ®éng lμ −u thÕ lín nhÊt cña c¸c hÖ thèng nμy.C¸c hÖ thèng v« tuyÕn tiÕp søc mÆt ®Êt (terrestrial radio-relay) cã dung l−îng tõ thÊp tíi cao, cã kh¶ n¨ng thay thÕ tèt c¸c tuyÕn c¸p ®ång trôc trong c¸c m¹ng néi h¹t lÉn ®−êng trôc. Víi thêi gian triÓn khai t−¬ng ®èi thÊp, tÝnh c¬ ®éng cña c¸c hÖ thèng v« tuyÕn tiÕp søc mÆt ®Êt h¬n h¼n mét sè lo¹i hÖ thèng kh¸c. Mét −u ®iÓm n÷a cña c¸c hÖ thèng nμy lμ rÊt dÔ triÓn khai, ngay c¶ trong c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh g©y nhiÒu trë ng¹i cho viÖc triÓn khai c¸c lo¹i hÖ thèng dung l−îng cao kh¸c nh− trong c¸c ®« thÞ, hoÆc qua c¸c vïng cã ®Þa h×nh rõng nói víi cù ly chÆng liªn l¹c lªn ®Õn 70 km, trung b×nh lμ tõ 40 dÕn 45 km. 2 Truyền dẫn viba tần nhìn thẳng (LOS-Line Of Sight) cung cấp kết nối băng rộng tương đối qua một tuyến đơn hay một chuỗi các tuyến nối đuôi. Một tuyến kết nối một thiết bị đầu cuối vô tuyến tới một tuyến khác hoặc trạm lặp. Tuyến Viba tầm nhìn thẳng được minh họa như hình 1.1. Khoảng cách của tuyến phụ thuộc vào độ cao của antenna. Hình 1.1. Mô hình truyền viba chuyển tiếp 3 1.2. Hệ thống thông tin viba Th«ng tin sãng cùc ng¾n gi÷a hai ®iÓm b¾t ®Çu xuÊt hiÖn vμo nh÷ng n¨m 30 cña thÕ kû tr−íc tuy nhiªn lóc bÊy giê do khã kh¨n vÒ mÆt kü thuËt nªn chØ lμm viÖc ë d¶I sãng mÐt do vËy −u ®iÓm cña th«ng tin siªu cao tÇn ch−a ®−îc ph¸t huy. N¨m 1935 ®−¬ng th«ng tin VTTS ®Çu tiªn ®−îc thμnh lËp ë Newyooc vμ Philadenphi chuyÓn tiÕp qua 6 ®Þa ®iÓm vμ chuyÒn ®−îc 5 kªnh tho¹i. Vμ TTVTTS bïng næ sau chiÕn tranh thÕ giíi lÇn thø hai. HÖ thèng vi ba sè b¾t ®Çu h×nh thμnh tõ ®Çu nh÷ng n¨m 50 vμ ph¸t triÓn m¹nh mÏ cïng víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt viÔn th«ng. Hình 1.2. Mô hình hệ thống viba 4 Mô hình chức năng của hệ thống viba được minh họa như hình 1.2. Các trạm đầu cuối là các tổng đài nội bộ thực hiện chức năng chuyển mạch tạo kết nối giữa các thuê bao trên khoảng cách xa. Cụ thể một số lượng lớn các thuê bao (khoảng 2000 thuê bao) có thể được hợp nhất để truyền trên một tuyến viba. Tại đó, tín hiệu được chuyển sang tần số sóng viba (vào khoảng vài GHz tới vài chục GHz) và được truyền qua khoảng cách từ 30 đến 60 Km từ trạm A đến anten nhận của trạm lặp. Trạm lặp đơn giản là các bộ khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp sử dụng tần sóng viba. Trạm đầu cuối B nhận tín hiệu sóng viba, xử lý rồi phân bổ vào các kênh riêng rẽ. 5 Hình 1.3. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống viba tầm nhìn thẳng 6 Dải tần số hoạt động của các hệ thống viba: Th«ng tin siªu cao tÇn lμm viÖc ë d¶i sãng cùc ng¾n dïng ®Ó truyÒn tÝn hiÖu cã d¶i tÇn réng. VÒ lý thuyÕt, gi¶i sãng dïng cho c¸c hÖ thèng vi ba lμ tõ 60MHz cho tíi 60/80GHz. Trong thùc tÕ, ®èi víi c¸c hÖ thèng vi ba ë d¹ng th−¬ng phÈm th−êng lμm viÖc trªn gi¶i sãng tõ 60MHz ®Õn 20 GHz, c¸c hÖ thèng c«ng t¸c víi gi¶i tÇn sè cao h¬n (6080 GHz) hiÖn vÉn ®ang cßn trong giai ®o¹n thö nghiÖm. 7 1.3. Phân loại hệ thống Theo dung l−îng (tèc ®é bÝt tæng céng B ë ®Çu vμo) c¸c hÖ thèng vi ba sè ®−îc ph©n thμnh: - C¸c hÖ thèng dung l−îng thÊp: B < 10 Mb/s; - C¸c hÖ thèng dung l−îng trung b×nh: B = (10 - 100 Mb/s); - C¸c hÖ thèng dung l−îng cao: B > 100 Mb/s. Theo cù ly liªn l¹c (haul) - TuyÕn dμi (cù ly liªn l¹c lín hon 400km): th−êng lμ nh÷ng ®−êng trôc cã dung l−îng lín so s¸nh ®−îc víi c¸p quang. D¶i tÇn ®−îc sö dông réng r·i tõ 4 ®Õn 6 GHz. - TuyÕn ng¾n (cù ly liªn l¹c d−íi 400km): dung l−îng thÊp, th«ng th−êng 1DS1, 4DS1, 1E1, 4E1 dïng ®Ó nèi c¸c trung t©m chuyÓn m¹ch di ®éng. D¶i tÇn th−êng sö dông kho¶ng 15 GHz v× ë d¶i tÇn nμy cho phÐp thu gän kÝch th−íc cña an ten vμ thiÕt bÞ. Do chÆng ng¾n nªn kh«ng cÇn ph©n tËp ®Ó chèng l¹i hiÖn t−îng pha®ing. Nguyªn nh©n g©y gi¸n ®o¹n liªn l¹c chñ yÕu g©y do m−a nªn cÇn cã hÖ sè khuyÕch ®¹i lín vμ chÆng ng¾n. Víi chÆng lín h¬n th−êng sö dông d¶i tÇn L6GHz, U6GHz hoÆc 11GHz dung l−îng thÊp. D¶i tÇn nμy kh«ng chÞu ¶nh h−ëng pha ®ing do m−a nªn cã thÓ b¶o ®¶m cù ly liªn l¹c xa h¬n. 8 1.4. Ưu, nhược điểm của viba số Ưu điểm: + Do lμm viÖc ë d¶i sãng siªu cao tÇn nªn ®¶m b¶o ®−îc viÖc truyÒn nh÷ng tÝn hiÖu d¶i réng. + §é réng d¶i tÇn siªu cao kho¶ng 30GHz do ®ã nhiÒu ®μi cã thÓ lμm viÖc ®ång thêi. + HÇu nh− kh«ng bÞ can nhiÔu khÝ quyÓn vμ c«ng nghiÖp + Trong d¶i sãng SCT dÔ dμng t¹o ra c¸c hÖ thèng an ten cã tÝnh ®Þnh h−íng cao, bóp sãng hÑp nhê vËy m¸y ph¸t cã thÓ gi¶m c«ng suÊt vμ trªn cïng mét ph¹m vi ta cã thÓ triÓn khai nhiÒu hÖ thèng cïng lμm viÖc mμ kh«ng g©y nhiÔu lÉn nhau. + TriÓn khai nhanh vμ gi¸ thμnh rÎ h¬n so víi c¸c hÖ thèng th«ng tin dïng c¸p (c¸p quang hoÆc c¸p ®ång trôc) v× viÖc triÓn khai hÖ thèng c¸p lμ rÊt tèn kÐm vμ trong khu vùc ®«ng d©n c− cã nhiÒu c«ng tr×nh x©y dùng th× viÖc triÓn khai mét hÖ thèng c¸p lμ rÊt khã kh¨n. + DÔ dμng qu¶n lý v× hÖ thèng vi ba chØ giíi h¹n qu¶n lý trong ph¹m vi cña tr¹m v« tuyÕn däc theo trôc (trong khi ®ã hÖ thèng c¸p ph¶i qu¶n lý toμn bé tuyÕn c¸p vμ ®ÆcbiÖt ph¶i ®èi ®Çu víi nguy c¬ ®øt c¸p). 9 Nhược điểm: D¶i sãng SCT cã nh−îc ®iÓm lμ chØ truyÒn ®−îc ch¾c ch¾n trong tÇm nh×n th¼ng cù ly kh«ng qu¸ 50 km. V× vËy khi muèn th«ng tin ®i xa cÇn thùc hiÖn chuyÓn tiÕp nhiÒu lÇn. Cã tèc ®é nhá h¬n nhiÒu so víi hÖ thèng c¸p quang vμ hiÖn nay ë ®−êng trôc chØ cßn sö dông ë nh÷ng khu vùc ch−a kÐo ®−îc c¸p quang do ®Þa h×nh phøc t¹p. ChÞu t¸c ®éng cña ®−êng truyÒn: hÊp thô do h¬i n−íc vμ «xi, suy hao do m−a vμ hiÖn t−îng pha ®inh ®Æc biÖt ®èi víi c¸c hÖ thèng b¨ng réng ph¶i chÞu t¸c ®éng cña pha ®inh ®a ®−êng chän läc theo tÇn sè. 10 1.5. Các chỉ tiêu đặc trưng đối với các hệ thống vi ba số 1.5.1. Tỷ số lỗi thấp CCITT đã đề nghị một chỉ tiêu thiết kế tỷ số lỗi 10 -10 trên Km với hệ thống truyền dẫn nối số chuẩn giả định 25000Km. Đối với HRDP 2500Km cho một tỷ số lỗi 2,5x10-7 trừ tác động của thiết bị ghép kênh. Trong các hệ thống viba số, tỷ số lỗi này sẽ phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế hiện nay, đạt được đối với ít nhât là 99% thời gian. Do đó giá trị thấp của tỷ lệ lỗi khoảng 10-7 là thích hợp cho truyền dẫn số chuẩn giả định 2500Km. CCITT đã khuyến nghị là tỷ lệ lỗi bit đối với một đoạn bậc cao 25000Km trong đường chuẩn giả định dài nhất không lớn hơn 10-6 trong hơn 4% của tạp âm phút trong tháng bất kỳ. 1.5.2. Tỷ số lỗi cao Khoảng thời gian mà tỷ số lỗi cao có thể vượt quá, làm ảnh hưởng rất lớn đến thiết kế một hệ thống. Một yêu cầu là tỷ số lỗi cao không được vượt quá 0,01% của tháng bất kỳ đối với một mạch 2500Km, sẽ có tác động đến tính kinh tế của một hệ thống thực. Tuy vậy, một yêu cầu là tỷ số lỗi này không được vượt quá 0,1% của tháng bất kỳ sẽ tạo nên một hệ thống kinh tế hơn, nhưng người ta không so sánh với các hệ thống viba FDM-FM hiện có. Các số liệu mà nó được chấp nhận, cũng là phù hợp, ở một nơi nào đó trong hai cực trị này và là 0,054% của tháng bất kỳ khi sử dụng thời gian hợp thành một giây. 11 1.5.3. Chỉ tiêu giây không lỗi trong một thời gian dài Tỷ lệ lỗi bit (BER) không cho một đánh giá chính xác đặc tính của mạch số liệu trừ khi biết phân bố của lỗi. Tiêu chuẩn tỷ số lỗi của khối đánh giá tốt hơn, nhưng lại đòi hỏi về cỡ của khối số liệu và tốc độ số liệu, mà chúng lại thay đổi từ ngườ sử dụng này sang người sử dụng khác. Các chỉ tiêu giây không lỗi (EFS) là một phương pháp trong đó có thể giải quyết được các giới hạn trên. CCITT đã công bố rằng đối với truyền đưa số liệu thì sẽ đạt tới mục tiêu EFS 95% đối với đoạn chuyển mạch nội hạt nối chuẩn giả định 25000Km, một giá trị 99,5% EFS đối với HRDP 2500Km là phù hợp. Thực tế đây không phải là mối tương quan đơn giản giữ đặc tính BER và đặc tính EFS trong thời gian dài đối với một hệ thống vô tuyến trong thời gian fading nhiều tia, vì EFC là một hàm của tốc độ fading, trong lúc đó BER không phụ thuộc vào tốc độ fading. 1.5.4. Chỉ tiêu đột biến lỗi Khi sử dụng với các thiết bị tách kênh số thì sự xuất hiện của các đột biến lỗi trong các hệ thống viba số dung lượng lớn sẽ gây ra các ảnh hưởng không mong muốn đối với mạng lưới. Do đó, CCIR đã công bố một giới hạn về kích thước cho phép và khoảng thời gian của các đột biến lỗi này, chủ yếu để điều khiển giai đoạn ban đầu của nhiều cuộc gọi được lấy ra trong mạng điện thoại. 12 1.6. Các chỉ tiêu đặc tính lỗi 1.6.1. Đường truyền số chuẩn giả định (HRDP) Để xác định các chuẩn đặc tính lỗi của một hệ thống viba số, một điểm cần thiết là phải hiểu định nghĩa đường truyền số chuẩn giả định. Điều này sẽ cho một sự hướng dẫn để thiết kế thiết bị và các hệ thống sử dụng trong các mạng thông tin quốc tế. Độ dài của đường truyền đối với các hệ thống có tốc độ bit trên ghép số bậc thứ cấp (2048 kbit/s hoặc 1554 kbit/s) là 2500 Km. Dưới đây là ví dụ về đường truyền số chuẩn giả định HRDP gồm 9 bộ ghép kênh số tại mức phân bậc theo khuyến nghị của CCITT và bao gồm 9 đoạn vô tuyến số giống nhau liên tiếp cùng độ dài. 13 2500 Km 1 2 64 Kbit/s 3 4 64 Kbit/s 5 6 7 8 64 Kbit/s 9 64 Kbit/s - ThiÕt bÞ ghÐp kªnh sè bËc nhÊt - ThiÕt bÞ ghÐp kªnh sè bËc kh¸c t¹i c¸c n-íc ph©n bËc do CCITT khuyÕn nghÞ §o¹n v« tuyÕn sè §-êng truyÒn dÉn sè chuÈn gi¶ ®Þnh ®èi víi c¸c hÖ thèng viba cã dung l-îng trªn møc thø cÊp (Theo KhuyÕn nghÞ 566-1, CCIR) 14 1.6.2. Các đoạn vô tuyến số Theo khuyến nghị 556 của CCIR, một đoạn vô tuyến số bao gồm hai thiết bị đầu cuối vô tuyến liên tiếp và môi trường truyền dẫn liên kết giữa chúng, cung cấp toàn bộ các phương thức phát và thu giữa hai khung phân bố số liên tiếp. Do việc bổ sung các bit mào đầu kể cả trong thiết bị vô tuyến, nên tốc độ bit từng đoạn vô tuyến số có thể khác so với mức phân cấp do CCITT khuyến nghị hoặc khác so với việc ghép tổng hợp của nó. 1.6.3. Các tỷ số lỗi bit cho phép Do ảnh hưởng lan truyền và các ảnh hưởng khác, nên đặc tính tỷ lệ lỗi bit được biểu thị bằng ký hiệu thống kê là phần trăm thời gian. Trong khi thiết lập các chỉ tiêu BER, một số yếu tố khác được đưa vào xem xét, đó là độ đo lỗi bit yêu cầu trong một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào độ lớn tỷ số lỗi do hiện tượng đột biến lỗi đó và cần phải đưa trượt vào tính toán. Điều đó có thể nói rằng, trong khi hoạt động bình thường, sẽ xuất hiện các khoảng chu kỳ tỷ số lỗi bit cao, chúng sẽ gây ra các gián đoạn ngắn, chủ yếu do các điều kiện truyền lan bất lợi làm giảm mức tín hiệu mong muốn hoặc tăng mức tín hiệu tạp âm. HRDP tương ứng với mạch chỉ tiêu chất lượng bậc cao được định rõ trong Khuyến nghị G.821 của CCITT, nó cũng tạo nên một phần của ISDN và đối với nó CCITT đã xác lập một quy luật chia độ cho phép suy giảm tổng cộng của mạch số chuẩn giả định. Sự chia này là: 15 1). Ít hơn 0.00016%/km tương ứng với 25000 km của những khoảng thời gian 1 phút có tỷ lệ lỗi bit xấu hơn 10-6 . (chỉ tiêu các phút suy giảm). 2). Ít hơn 0.000128%/km, tương ứng với 25000 km của những khoảng thời gian 1 giây để có một số lỗi bất kỳ. (chỉ tiêu các giây lỗi trầm trọng). 3). Ít hơn 0.05% của khoảng thời gian 1 giây để có một tỷ số lỗi xấu hơn 10 đối với HRDP 2500 km. (chỉ tiêu các giây lỗi). -3 Ví dụ đối với HRDP 2500 km sẽ sử dụng như sau: -6 1. Ít hơn 0.4% cho các khoảng thời gian 1 phút là có tỷ lệ lỗi bit xấu hơn 10 . 2. Ít hơn 0.32% cho các khoảng thời gian 1 giây có một số lỗi nào đó (tương đương với 99.68% của các giây không lỗi). 3. Ít hơn 0.05% của khoảng thời gian 1 giây để có tỷ lệ lỗi bit xấu hơn là 10-3. 16 1.7. Cấu hình mạng viba Thường các mạng vi ba số được nối cùng với các trạm chuyển mạch như là một bộ phận của mạng trung kế quốc gia hoặc trung kế riêng, hoặc là nối các tuyến nhánh xuất phát từ trung tâm thu thập thông tin khác nhau đến trạm chính. (ứng dụng trong các trung tâm chuyển mạch hoặc tổ chức các mạng Internet). 1.7.1 Viba số điểm nối điểm Mạng vi ba số điểm nối điểm hiện nay được sử dụng phổ biến. Trong các mạng đường dài thường dùng cáp sợi quang còn các mạng quy mô nhỏ hơn như từ tỉnh đến các huyện hoặc các ngành kinh tế khác người ta thường sử dụng cấu hình vi ba số điểm-điểm dung lượng trung bình hoặc cao nhằm thoả mãn nhu cầu của các thông tin và đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu. Ngoài ra, trong một số trường hợp, viba dung lượng thấp là giải pháp hấp dẫn để cung cấp trung kế cho các mạng nội hạt, mạng thông tin di động. 17 1.7.2 Vi ba số đa điểm Mạng vi ba số này trở thành phổ biến trong một số vùng ngoại ô và nông thôn. Mạng bao gồm một trạm trung tâm phát thông tin trên một an ten đẳng hướng phục vụ cho một số trạm ngoại vi bao quanh. Nếu các trạm ngoại vi này nằm trong phạm vi (bán kính) truyền dẫn cho phép thì không cần dùng các trạm lặp, nếu khoảng cách xa hơn thì sẽ sử dụng các trạm lặp để đưa tín hiệu đến các trạm ngoại vi. Từ đây thông tin sẽ được truyền đến các thuê bao. Thiết bị vi ba trạm ngoại vi có thể đặt ngoài trời, trên cột.v.v... mỗi trạm ngoại vi có thể được lắp đặt thiết bị cho nhiều trung kế. Khi mật độ cao có thể bổ sung thêm thiết bị; được thiết kế để hoạt động trong các băng tần 1,5GHz 1,8GHz và 2,4GHz sử dụng một sóng mang cho hệ thống hoàn chỉnh. Hiện nay các hệ thống điểm nối đến đa điểm 19GHz đã được chế tạo và lắp đặt ở Châu Âu để cung cấp các dịch vụ số liệu (Kbit/s) Internet trong mạng nội hạt khoảng cách 10Km. Trạm trung tâm phát tốc độ bit khoảng 8,2Mb/s và địa chỉ mỗi trạm lại sử dụng kỹ thuật TDMA. 18 Hình 1.5: Cấu hình viba điểm-điểm, điểm-đa điểm 19 1.8. Các kỹ thuật điều chế sử dụng trong viba số 1.8.1. Điều chế và giải điều chế số 1.8.2. Các phương thức điều chế số trong viba Trong viba số chủ yếu sử dụng các phương thức điều chế M-PSK và M-QAM đa mức. 1.9. Các mã truyền dẫn sử dụng trong viba số Trong viba số chủ yếu sử dụng các mã HDB3 và CMI. 20