Tổng quan
Các yêu cầu về quy chuẩn máy thu
Trong những năm qua, nhiều yêu cầu quy chuẩn liên quan đến máy thu DAB đã được tiêu chuẩn hóa Bảng 1.1 cung cấp cái nhìn tổng quan về các tiêu chuẩn này.
EN 50248 là kết quả của sự hợp tác giữa ngành công nghiệp máy thu và các chuyên gia từ Eureka 147 Một trong những vấn đề quan trọng được thảo luận là độ nhạy tối thiểu của máy thu Trong bản nháp trước đó, độ nhạy tối thiểu được xác định là 91 dBm cho băng tần III và 92 dBm cho băng tần L, trong khi các đài truyền hình giả định rằng độ nhạy trong kênh AWGN là 99 dBm Quy hoạch mạng đã được thống nhất tại Hội nghị.
Wiesbaden của CEPT, dựa trên tiêu chuẩn ITU P.370, được áp dụng để lập kế hoạch mạng TV Để đảm bảo phủ sóng TV, một ăng-ten cố định ở độ cao 10 m thường được giả định Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu chi tiết về phạm vi phủ sóng của DAB tại Hội nghị Wiesbaden, hệ số hiệu chỉnh 10 dB đã được áp dụng để điều chỉnh cho chiều cao ăng-ten lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1,50 m, thường được sử dụng cho điện thoại di động trong các phương tiện.
Bảng 1.1 Yêu cầu của máy thu định mức
Dựa trên nền tảng này, ITU vẫn yêu cầu máy thu có độ nhạy rất tốt.
Mặc dù băng tần III thường có độ phủ sóng tốt với mức thu khoảng 70 dBm, nhưng băng tần L thường gặp phải tình trạng độ phủ sóng ở mức giới hạn.
Tầm nhìn và địa hình ảnh hưởng lớn đến khả năng thu băng tần L, với khả năng thu có thể vượt quá 50 km trong điều kiện ít vật cản Tuy nhiên, trong khu vực có tòa nhà cao tầng hoặc thung lũng, khoảng cách thu sóng có thể giảm xuống vài km Theo ITU P.370, mức thu sóng thay đổi theo vị trí máy thu, với độ cao ăng ten 10m, được ước tính là 5,5 dB.
Do ảnh hưởng của địa hình, mức tiếp nhận "thế giới thực" có thể cao hơn nhiều, đôi khi lên đến 20 dB Việc cải thiện độ nhạy của máy thu chỉ bằng 3 dB sẽ không mang lại hiệu quả đáng kể, trong khi việc tăng gấp đôi công suất truyền lại có tác dụng lớn hơn Hệ thống DAB hỗ trợ mạng tần số đơn (SFN), cho phép lắp đặt nhiều máy phát và bộ đệm khoảng trống trên cùng một tần số, từ đó đạt được vùng phủ sóng tốt ngay cả trong băng tần L.
Tổng quan về kiến trúc máy thu
Sơ đồ khối của một máy thu DAB điển hình được trình bày trong Hình 1.1 Tín hiệu nhận từ ăng-ten được xử lý tại đầu cuối tần số vô tuyến (RF), sau đó được lọc và trộn để tạo ra tần số trung gian hoặc trực tiếp tới băng tần phức hợp Tín hiệu kết quả sẽ được chuyển đổi sang miền kỹ thuật số thông qua các bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và tiếp tục được xử lý trong giao diện kỹ thuật số.
Hình 1.1 Sơ đồ khối máy thu
Tín hiệu dải cơ sở phức hợp kỹ thuật số Tín hiệu băng gốc này được phân bổ thêm OFDM demodu bằng cách áp dụng FFT (Fast Fourier
Transform) Sau đó, mỗi sóng mang được giải điều chế một cách khác biệt
DQPSK được sử dụng để khử xen kẽ theo thời gian và tần số, sau đó tín hiệu được giải mã bằng bộ giải mã Viterbi, giúp giảm thiểu lỗi truyền dẫn nhờ khai thác phần dư thừa từ máy phát Sau khi giải mã, dữ liệu nguồn như dịch vụ âm thanh và thông tin FIC sẽ được xử lý thêm Kênh phụ âm thanh được giải mã bởi bộ giải mã âm thanh, trong khi luồng dữ liệu có thể được chuyển đến bộ giải mã bên ngoài qua giao diện dữ liệu máy thu (RDI) hoặc các giao diện khác.
Các bước xử lý chi tiết sẽ được trình bày trong các phần 1.2 (Mặt trước RF), 8.3 (Xử lý băng gốc kỹ thuật số), 8.4 (Bộ giải mã âm thanh) và 8.5.
Mặt trước RF
Yêu cầu
Tín hiệu COFDM có thể được coi là nhiễu trắng trong giới hạn băng tần, bởi vì nó bao gồm nhiều sóng mang độc lập được điều chế với tốc độ ký hiệu chậm Do các sóng mang này không có mối liên hệ nào với nhau, tín hiệu COFDM hoạt động tương tự như nhiễu.
Trong miền tần số, phổ tín hiệu Gaussian bị giới hạn bởi sự phân bổ của các sóng mang phụ, tạo nên hình dạng tương tự như "đầu Simpson", phản ánh đặc điểm của tín hiệu.
WCDMA (CDMA băng tần rộng) gặp phải vấn đề do bộ lọc không đủ và bộ truyền không tuyến tính, dẫn đến hiện tượng "sidelobes" trong phổ tín hiệu Hiện tượng này hạn chế khả năng từ chối kênh lân cận của hệ thống Hình 1.2 minh họa phổ tín hiệu DAB nhận được.
Các tính chất đặc biệt của COFDM yêu cầu máy thu mạch phải đáp ứng một số tiêu chí nhất định về RF, như sẽ được trình bày chi tiết trong các phần phụ sau đây.
Khác với các hệ thống điều chế pha như FM, GSM và AMPS, bộ khuếch đại giới hạn không thể được sử dụng vì tín hiệu sẽ bị cắt, dẫn đến mất mát thông tin biên độ Việc sử dụng bộ khuếch đại giới hạn giúp loại bỏ nhu cầu kiểm soát độ lợi, từ đó đơn giản hóa thiết kế hệ thống một cách đáng kể.
Máy thu COFDM cần một đường dẫn tín hiệu với độ tuyến tính cao từ ăng-ten đến bộ giải điều chế, được nhận dạng dưới dạng FFT trong miền kỹ thuật số Điều này tương tự như các hệ thống khác dựa trên "bao không cố định".
Hình 2.1 Tín hiệu DAB trong miền tần số Các gợn sóng được tạo ra bởi sự lan truyền
Do hoạt động di động, biên độ tín hiệu trung bình có thể thay đổi khoảng 20 dB, vì vậy việc thiết kế AGC (Kiểm soát độ lợi tự động) cho máy thu COFDM là rất quan trọng Một lược đồ đặc biệt, được gọi là ký hiệu null, có thể ngắt tín hiệu đã truyền trong 1 ms trong chế độ truyền.
DAB I, được sử dụng để đồng bộ hóa Cần phải đặc biệt cẩn thận để tạm dừng mạch AGC trong quá trình nhận ký hiệu Null.
Hệ thống Eureka 147 DAB có thể sử dụng tần số tương tự như tín hiệu TV analog, cho phép bộ chỉnh TV thông thường hoạt động như một bộ thu DAB cho Băng tần III Trong các bộ thu sóng TV, nhiễu pha VCO thường không ảnh hưởng nhiều, vì thông tin tín hiệu chủ yếu nằm trong biên độ, trong khi giai đoạn không chứa thông tin Đối với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của âm thanh FM, nhiễu pha cũng không quan trọng, do hầu hết các máy thu tương tự sử dụng sóng mang ổn định của tín hiệu đã truyền để tạo ra sóng mang âm 5–5.5 MHz theo tiêu chuẩn TV CCITT được áp dụng tại nhiều quốc gia.
Tín hiệu COFDM được tạo thành từ nhiều sóng mang riêng lẻ được điều chế theo pha, trong đó VCO với độ nhiễu pha thấp là yếu tố quan trọng để chuyển đổi tín hiệu từ tần số đầu vào thành tần số trung gian (IF) phù hợp Mặc dù các pha tuyệt đối không quan trọng do việc điều chế pha vi sai, nhưng hệ thống chỉ có thể hoạt động hiệu quả khi sai số pha RMS tổng nhỏ hơn mức cho phép.
Để đảm bảo hệ thống không bị ảnh hưởng bởi 10 độ, việc sử dụng các mạch VCO và PLL hiệu suất cao là rất cần thiết Những mạch này cần phải vượt qua các thông số kỹ thuật của các hệ thống tương tự để duy trì hiệu suất ổn định.
1.3 Dải động rộng.
DAB là hệ thống phát sóng sử dụng công nghệ SFN, cho phép tái sử dụng cùng một tần số trong các ô phát sóng Khác với mạng di động truyền thống, ô phát sóng trong Băng tần III có đường kính lên đến 50 km, trong khi đó, ô trong dải L có đường kính khoảng 15 km.
Công suất truyền của hệ thống DAB Canada có thể lên đến 10 kW, trong khi các trạm gốc của mạng di động thường chỉ sử dụng tối đa 10 kW.
W Điều này có nghĩa là máy thu phải điều chỉnh tín hiệu lớn hơn ở đầu vào, theo sự khác biệt về công suất truyền này Trong khi máy thu CDMA được thiết kế cho công suất đầu vào tối đa là 25 dBm, và Máy thu DAB phải hoạt động ở mức tối đa 15 dBm ở đầu vào trong băng tần L Trong Băng tần III, mức đầu vào tối đa thậm chí còn quan trọng hơn Trong trường hợp này, không chỉ DAB Máy phát có mức công suất vừa phải khoảng 1–4 kW TV mạnh các trạm chiếm cùng một dải tần, với công suất truyền dẫn hiệu quả là thường là
Mặc dù tín hiệu TV chủ yếu phân cực ngang và DAB dọc, sự khác biệt này chỉ tạo ra một số tách biệt Tuy nhiên, có thể xảy ra tình trạng nhiễu gần đó mạnh hơn tới 10 dB so với tín hiệu mạnh nhất trong băng tần L Theo tiêu chuẩn EN 50248, mức đầu vào tối đa được giả định là 5 dBm khi hoạt động trong chế độ mạch tuyến tính.
Mặc dù yêu cầu về tín hiệu cho thiết bị cố định cao hơn so với điện thoại di động, nhưng mức tín hiệu tối đa cho khả năng thu sóng FM thường không vượt quá 2 Vpp tại ăng-ten đầu vào trong những tình huống quan trọng Khi tần số tăng, khẩu độ ăng-ten giảm, dẫn đến mức tín hiệu nhận được cũng nhỏ hơn.
Khái niệm và kiến trúc mặt trước tương tự
Tín hiệu OFDM có những đặc tính tín hiệu đặc biệt, nhưng hai dải tần (xem Bảng 8.3) cũng đặt ra những hạn chế nhất định cho việc thiết kế máy thu.
Các tần số trung tâm của cả hai dải cách nhau bởi hệ số 7–8 Không giống như
TV hoặc bộ chỉnh DVB-T có khả năng bao phủ dải tần số cần thiết nhờ vào kiến trúc chuyển đổi đơn, nhưng không thể mở rộng bộ dò.
Bảng 2.1: Các mức đầu vào tối đa như được xác định trong [EN 50248]
Hai dải tần hẹp không yêu cầu hỗ trợ thu sóng ở tần số trung gian, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế các kiến trúc máy thu "băng tần kép" đặc biệt.
2.1 Chuyển đổi trực tiếp / Zero-IF.
Một cách tiếp cận phổ biến trong thiết kế máy thu đa băng tần là không sử dụng tần số trung gian (IF) và chuyển tín hiệu xuống IF bằng không, giúp tránh các tần số thu giả và yêu cầu bộ lọc đặc biệt Phương pháp này đang được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay GSM ba băng tần, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về bộ lọc IF Thay vào đó, hai hoặc ba bộ lọc lựa chọn dải tần có thể chuyển đổi được được sử dụng trước bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) Kiến trúc tương tự cũng đang được nghiên cứu cho DAB.
Kiến trúc này yêu cầu các bộ lọc thông thấp hoàn hảo cho đường dẫn tín hiệu I và Q, đặc biệt trong các hệ thống truyền dẫn có băng thông nhỏ như GSM và IS95, nơi tốc độ lấy mẫu cho bộ lọc và bộ ADC là thấp Đối với tín hiệu dải rộng, cần có bộ lọc thông thấp phức tạp hơn và hai bộ ADC độc lập với độ kết hợp tốt Tuy nhiên, điều này thường tạo ra sự đánh đổi thiết kế không có lợi cho các khái niệm zero-IF, và theo kiến thức của tác giả, hiện chưa có bộ thu DAB nào trên thị trường sử dụng kiến trúc zero-IF.
Hình 2.2 Bộ thu DAB Zero-IF
Gần đây, một chip băng tần cơ sở zero-IF hoàn toàn tích hợp cho ''cdmaOne'' (băng thông IS.95: 1,2 MHz) đã được công bố, cho thấy sự tiến bộ trong khái niệm IF không và tích hợp CMOS tín hiệu hỗn hợp Sự phát triển mới của máy thu IF-DAB bằng không với giao diện trước RF-CMOS, tương tự như công nghệ ''Bluetooth'', đang được mong đợi.
Một trong những vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng nhất của máy thu zero-IF là sự truyền qua của tín hiệu LO (tín hiệu sóng mang cục bộ) qua đầu vào ăng ten, dẫn đến sự chênh lệch DC (điện áp một chiều) trong tín hiệu IQ (tín hiệu pha và biên độ), gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu được.
Để xử lý tín hiệu một cách hiệu quả, cần loại bỏ thành phần DC, ví dụ như thông qua việc sử dụng điện dung Mặc dù không phải tất cả các sơ đồ điều chế đều cho phép điều này, nhưng COFDM hoàn toàn thích hợp cho phương pháp này.
2.2 Bộ thu dựa trên khái niệm bộ thu sóng TV.
Vì bộ thu sóng TV dành cho Băng tần III luôn sẵn có, hầu hết các bộ thu
DAB sử dụng bộ thu sóng TV được sửa đổi cho Băng tần III, với tần số trung gian (IF) tương tự là 38,912 MHz Sự lựa chọn IF này được xác định bởi yêu cầu loại bỏ hình ảnh giả Khi sử dụng IF là 38 MHz, tần số thu nhận hình ảnh giả cho đầu dưới của Băng tần III (174 MHz) sẽ cao hơn băng tần trên của băng tần TV.
Việc xác định tần số trong Băng tần III giúp ngăn chặn các đài TV/DAB mạnh gây nhiễu cho các đài ở tần số thấp hơn Khi một tần số ở đầu trên của Băng tần III được điều chỉnh, tần số thu nhận hình ảnh giả sẽ di chuyển ra khỏi Băng tần III Đặc biệt, nếu sử dụng bộ thu sóng TV truyền thống để thu sóng DAB, cần thay thế bộ lọc IF bằng bộ lọc chọn kênh.
DAB thích hợp và VCO phải được '' nâng cấp '' để có hiệu suất nhiễu pha tốt hơn.
Dải L có thể được mở rộng bằng cách chuyển đổi khối xuống, với chiều rộng nhỏ hơn so với dải III Điều này cho phép chuyển đổi dải L hoàn chỉnh với LO được thiết lập ở tần số cố định xuống dải.
III Khái niệm này, được mô tả trong Hình 2.3, ban đầu được phát triển bên trong dự án JESSI [Jongepier, 1996] Nó được sử dụng trong hầu hết các máy thu thương mại vì có sẵn một số bộ chip dựa trên khái niệm này.
Tuy nhiên, khái niệm bộ chỉnh này gây ra một số vấn đề, đặc biệt là ở dải L:
IF 38,912 MHz là khá cao để xử lý trực tiếp bởi ADC; thường là IF thứ hai (thứ ba trong trường hợp L-band) IF được yêu cầu.
Tần số IF đầu tiên để thu băng tần L (Băng tần III) thường bị ảnh hưởng bởi các bộ giao thoa mạnh mẽ Chẳng hạn, khi một đài băng tần L có công suất 95 dBm cần điều chỉnh với một đài truyền hình phát sóng 5 dBm trên cùng tần số, yêu cầu cách ly lên tới 90 dB là cần thiết Tuy nhiên, việc đạt được mức cách ly này là một thách thức kỹ thuật lớn.
Phải sử dụng bộ lọc từ chối hình ảnh có thể điều chỉnh ('' bộ lọc theo dõi
Các bộ lọc thường có kích thước lớn và có khả năng điều chỉnh thông số Vì vậy, việc điều chỉnh các bộ lọc này có thể được thực hiện thủ công hoặc qua hệ thống điều chỉnh điện tử, dựa trên dữ liệu căn chỉnh đã được lưu trữ.
Các bộ thu sóng TV này được tối ưu hóa đặc biệt để cải thiện khả năng thu sóng, với thiết kế đã được kiểm nghiệm qua thời gian, cho phép chúng tiếp nhận sóng Band III một cách hiệu quả.
Xu hướng, Phát triển trong tương lai
Sự bùng nổ công nghệ không dây gần đây đã dẫn đến sự phát triển của nhiều công nghệ mới, theo "định luật Viterbi", mang lại giải pháp chi phí thấp cho các hệ thống không dây Những tiến bộ kỹ thuật này nhằm giảm chi phí hệ thống bằng cách tối giản số lượng thành phần và hệ số hình.
Bộ lọc FBAR đã mở ra một cuộc cạnh tranh giá rẻ trên thị trường bộ lọc cho hệ thống không dây, cung cấp một lựa chọn mới cho bộ lọc chọn trước hoặc bộ lọc IF với chi phí thấp và kích thước nhỏ gọn Hai loại chip triển khai, dựa trên công nghệ giao tiếp RF và bộ xử lý băng tần cơ sở kỹ thuật số, hiện đã có sẵn cho hầu hết các hệ thống không dây.
Các VCO tích hợp đã được giới thiệu thành công trong các sản phẩm và đã loại bỏ các mô-đun VCO bên ngoài.
Các bộ lọc SAW có thể được thay thế bằng bộ lọc FBAR trong các hệ thống tích hợp ''Hệ thống trong một gói'', mang lại lợi ích không cần nguồn điện hoạt động cho các thiết kế bộ thu nâng cao Trong lĩnh vực Bluetooth, chip đơn tích hợp cả bộ thu phát RF và bộ xử lý băng tần cơ sở kỹ thuật số đã chiếm ưu thế trên thị trường, với yêu cầu độ nhạy tối thiểu chỉ 70 dBm Đối với bộ thu DAB gia đình, độ nhạy 70 dBm cũng đủ để có vùng phủ sóng tín hiệu tốt, nhưng thiết kế này không đủ hiệu suất cho việc thu sóng di động khi lái xe Tính khả thi của giao diện người dùng CMOS đã được chứng minh cho nhiều ứng dụng không dây.
Bluetooth, GSM, CDMA và WLAN (ví dụ IEEE 802.11).
Một số bộ thu phát 5 GHz cho IEEE 802.11a, hoạt động ở tần số cao tới
Tần số 5,2 GHz đã được nghiên cứu và báo cáo trong nhiều tài liệu [Su, 2002], [Cho, 2003], [Etz, 2003] Công nghệ CMOS hiện đang chiếm ưu thế trong việc phát triển các đầu thu hoạt động ở tần số lên đến 5 GHz, mặc dù vẫn tồn tại một số hạn chế so với công nghệ SiGe Tuy nhiên, lợi thế về kinh tế từ quy mô sản xuất của các quy trình CMOS lớn là điều không thể phủ nhận.
Các yêu cầu về hiệu suất cho bộ thu FM cao hơn nhiều so với bộ thu phát sóng kỹ thuật số, với dải động 120 dB cho máy thu FM so với 90 dB cho DAB Theo ''Định luật Viterbi'', máy thu DAB sản xuất hàng loạt sẽ vượt trội hơn máy thu FM hiện đại về chất lượng thu, giá cả và hiệu suất ''Định luật Moore'' dự đoán rằng việc triển khai các thuật toán kỹ thuật số phức tạp sẽ trở nên khả thi và tiết kiệm Tương tự, sự phát triển của máy thu truyền hình kỹ thuật số cũng đang diễn ra mạnh mẽ với việc triển khai DVB-T, ISDB-T và ATSC.
Thách thức lớn nhất trong thiết kế bộ thu là phát triển một hệ thống có khả năng thích ứng với "tiêu chuẩn balkanisation" của các dịch vụ không dây di động, bao gồm cả mặt trước tương tự và bộ xử lý băng tần cơ sở kỹ thuật số Trong lĩnh vực phát sóng âm thanh kỹ thuật số, đã có sáu hệ thống khác nhau hoạt động trên toàn cầu, mở ra cơ hội cho các máy thu đa tiêu chuẩn Bộ thu tương lai tại châu Âu cần hỗ trợ các chuẩn FM, DAB, DRM và DVB-T, đồng thời tích hợp giao diện Bluetooth hoặc WLAN để kết nối với các hệ thống khác trong nhà hoặc xe hơi Khái niệm "radio phần mềm" đã được đề xuất để giải quyết vấn đề tích hợp nhiều hệ thống, nhưng tiến bộ trong lĩnh vực này vẫn còn hạn chế do sự phát triển chậm chạp của công nghệ ADC tốc độ cao và độ phân giải cao.
Xử lý băng gốc kỹ thuật số
Mặt trước kỹ thuật số
Đầu cuối RF cung cấp hai loại giao diện khác nhau cho việc xử lý băng tần cơ sở, tùy thuộc vào kiến trúc của máy thu tổng thể được lựa chọn.
3.1a, b) Giao diện I / Q: Trong kiến trúc này, việc tạo ra các thành phần trong pha (I) và vuông góc (Q) của tín hiệu băng gốc phức hợp được thực hiện trong miền tương tự Loại giao diện này tự nhiên xuất hiện trong các khái niệm máy thu zero-IF, được cho là một con đường để tích hợp cao các giao diện RF cho
Một nhược điểm đáng chú ý của phương pháp này là yêu cầu chất lượng cao đối với cân bằng biên độ và pha, đặc biệt trên băng thông tín hiệu 1,536.
Trong dự án JESSI, các vấn đề về tần số đã dẫn đến quyết định tập trung vào khái niệm IF Giao diện IF là nơi mà tín hiệu IF cuối cùng từ mặt trước RF được đưa vào ADC, với hiệu chỉnh tần số thực hiện thông qua hệ số nhân phức tạp từ bộ dao động điều khiển số (NCO) Sau khi tín hiệu được chuyển, các bộ lọc thông thấp tần số không sử dụng sẽ cung cấp hình ảnh và triệt tiêu kênh lân cận.
Hình 3.1: Các kiến trúc và giao diện máy thu: a) giao diện tần số trung gian; b) giao diện cùng pha (I) / vuông góc (Q)
Cuối cùng, tín hiệu được phân rã theo tốc độ lấy mẫu Fc = 2.048 MHz.
Nhờ vào việc triển khai kỹ thuật số trong kiến trúc này, các vấn đề về mất cân bằng pha và biên độ được giải quyết một cách dễ dàng Chúng tôi sẽ tập trung vào giao diện IF trong phần tiếp theo Để giảm thiểu chi phí triển khai phần cứng, tốc độ lấy mẫu của ADC thường được lựa chọn là bội số nguyên, N, của tần số lấy mẫu tín hiệu băng tần phức hợp Fc = 2.048 MHz.
Lựa chọn tần số lấy mẫu ADC thực tế cần cân nhắc giữa lọc tương tự và kỹ thuật số Thời gian miễn phí lấy mẫu tối thiểu cho khái niệm IF là N = 2 với FADC = 4.096 MHz, được đề xuất trong các khái niệm JESSI ban đầu Một lợi thế của khái niệm IF là có thể tùy chỉnh theo nhu cầu của kiến trúc front-end, miễn là IF tương thích với ADC về băng thông đầu vào và tốc độ lấy mẫu Tuy nhiên, các giải pháp hấp dẫn hơn về chi phí phần cứng có thể đạt được nếu các mối quan hệ giữa tốc độ lấy mẫu ADC và IF được đảm bảo.
Giải điều chế OFDM
Việc giải điều chế các ký hiệu OFDM được thực hiện bằng cách áp dụng
FFTs được sử dụng để tính toán độ trễ biên độ phức tạp của các sóng mang trong phổ DAB Những biên độ này mang thông tin quan trọng của dữ liệu được điều chế bằng phương pháp DQPSK.
Một tổng quan đầy đủ về giải điều chế OFDM bao gồm chức năng đồng bộ hóa được cho trong Hình 8.8 Theo các chế độ truyền DAB khác nhau I –
Chiều dài FFT cần thay đổi từ 256, 512, 1024 đến 2048, như được chỉ ra trong Bảng 2.3 Việc này có thể thực hiện hiệu quả thông qua phép nhân phức với biên độ liên hợp phức được lưu trữ của Thuật toán Radix.
Hai FFT nổi tiếng sử dụng điều khiển đơn giản từ bộ nhớ FFT địa chỉ Để giải quyết vấn đề lệch tần số có thể xảy ra trong tín hiệu băng tần cơ sở, cần thiết phải sử dụng AFC (Điều khiển tần số tĩnh tự động) Hình 4.1a minh họa rằng sự dịch chuyển tần số được bù đắp thông qua một giai đoạn trộn phức tạp kết hợp với một NCO.
Một giải pháp hấp dẫn hơn nữa, tránh được giai đoạn trộn phức tạp, tận dụng thuật toán FFT đã sửa đổi và được mô tả trong phần 8.6.2.2.
Giải điều chế DQPSK
Giải điều chế vi sai của sóng mang thường được thực hiện thông qua việc áp dụng phép nhân phức với biên độ liên hợp phức của ký hiệu OFDM.
Hình 3.2: Giải điều chế OFDM
Quá trình khởi tạo được thực hiện thông qua ký hiệu tham chiếu pha (TFPR) Hình 4.1a cung cấp cái nhìn tổng quan về các bước xử lý thuật toán và chỉ ra độ rộng từ điển thường gặp trong các đề cập đến phần cứng.
Hình 4.1b minh họa khả năng ánh xạ các biên độ đã được giải điều chế thành các giá trị quyết định mềm, phục vụ cho thuật toán giải mã Viterbi Tham số s được áp dụng để điều chỉnh đường đặc tính tương ứng với mức tín hiệu thực trong chuỗi máy thu.
Hủy xen kẽ
Để đối phó với nhiễu đường truyền, hai cơ chế đan xen được sử dụng:
Sự xen kẽ tần số là quá trình sắp xếp lại các dòng bit kỹ thuật số trên sóng mang, giúp loại bỏ ảnh hưởng của sự tắt dần có chọn lọc Phương pháp này chỉ áp dụng cho một ký hiệu trong hệ thống OFDM.
Thời gian xen kẽ được sử dụng để phân phối các cụm lỗi dài nhằm tang khả năng sửa lỗi của bộ giải mã kênh.
Việc khử xen kẽ tần số có thể được thực hiện bằng cách xác định đầu ra của FFT theo các bảng xen kẽ.
Hình 4.1: Giải điều chế vi sai: a) sơ đồ khối; b) ánh xạ quyết định mềm có thể có
Việc hủy xen kẽ thời gian đòi hỏi một lượng bộ nhớ lớn, vì dữ liệu của mỗi kênh phụ được trải rộng trên 16 CIF, với mỗi CIF chứa thông tin trong 24 ms Do đó, bộ nhớ cần thiết cho quá trình xen kẽ cao gấp 16 lần dung lượng dữ liệu đã được giải mã.
Chúng tôi kiểm tra một kênh âm thanh với tốc độ bit 192 kbit/s, trong đó một khung âm thanh kéo dài 24 ms tương đương 576 byte Với thời gian rời đi được thiết lập trước bộ giải mã Viterbi, mỗi bit thông tin được biểu diễn bằng giá trị quyết định mềm, thường là một số 4 bit Do đó, bộ nhớ cần thiết để giải mã kênh phụ này là 36864 byte.
Dung lượng bộ nhớ tối đa cần thiết để xử lý dữ liệu đầu ra của giải điều chế DQPSK là 442 kbyte (3,54 Mbits) Tuy nhiên, nếu sử dụng bộ nhớ tại chỗ một cách hợp lý, dung lượng này có thể giảm xuống còn 221 kbyte (1,77 Mbit) cho bộ giải mã DAB toàn luồng.
Giải mã Viterbi
Để khắc phục lỗi do biến dạng kênh, DAB áp dụng mã tích chập bị thủng mạnh (RCPC) với độ dài hạn chế là 7 và tốc độ mã điều chỉnh Mã này được đánh thủng để tạo ra nhiều tốc độ mã khác nhau, giúp điều chỉnh tầm quan trọng của các bit thông tin phù hợp với đặc tính của kênh Thuật toán Viterbi được sử dụng để giải mã các mã này.
Thuật toán Viterbi, theo Proakis (1995), đạt hiệu suất tối ưu dựa trên tiêu chí khả năng xảy ra tối đa Đầu vào cho bộ giải mã Viterbi có thể là các bit quyết định cứng.
0 '' hoặc '' 1 '', được gọi là quyết định khó Đạt được hiệu suất tốt hơn (cải thiện
Hiệu suất tối ưu của bộ giải mã Viterbi trong việc quyết định mềm đạt được khi mỗi giá trị đầu vào được biểu diễn bằng 16 bit, với mức độ không đảm bảo của đầu vào được xác định thông qua các giá trị trung gian Mặc dù việc giảm số lượng bit xuống còn 4 bit có thể làm giảm hiệu suất, nhưng sự suy giảm này vẫn không đáng kể.
Khử xáo trộn phân tán năng lượng là nhiệm vụ có thể thực hiện hiệu quả bằng mô-đun giải mã Viterbi Tỷ lệ lỗi bit (BER) trên kênh có thể được ước tính thông qua việc mã hóa lại chuỗi đã giải mã hoặc một tập con của chuỗi, sau đó so sánh với dòng bit nhận được Thông tin này cung cấp độ tin cậy bổ sung cho quá trình truyền dữ liệu.
6 Đồng bộ hóa. Đồng bộ hóa bộ thu DAB được thực hiện theo một số bước:
Đồng bộ thời gian hoặc khung thô
Đồng bộ tần số thô về độ chính xác của sóng mang
Đồng bộ tần số nhỏ về độ chính xác của sóng mang phụ
Đồng bộ hóa thời gian trong truyền dẫn DAB sử dụng ký hiệu Null để đạt được hiệu quả cao Ký hiệu này cho phép phát hiện tín hiệu với mức giảm đơn giản, hỗ trợ đồng bộ hóa khung Quá trình bắt đầu bằng việc ước tính công suất trong khoảng thời gian ngắn, sau đó đưa vào bộ lọc phù hợp, thường là một cửa sổ hình chữ nhật có độ dài tương ứng với ký hiệu Null Cuối cùng, bộ dò ngưỡng xác định thời điểm bắt đầu của khung DAB, từ đó đảm bảo việc đồng bộ hóa diễn ra chính xác.
AGC được sử dụng để tối ưu hóa quy mô trong đường dẫn tín hiệu FFT, bao gồm các giai đoạn FFT Đồng bộ hóa tần số thô và mịn có thể thực hiện qua ký hiệu TFPR trong miền tần số, yêu cầu đồng bộ thời gian thô chính xác Hiệu số tần số được tính toán bằng cách sử dụng các chuỗi CAZAC khác nhau trong ký hiệu TFPR, giúp cung cấp phạm vi theo dõi hiệu quả.
AFC hỗ trợ khoảng +32 nhà cung cấp dịch vụ, cho phép đối phó hiệu quả với các bộ dao động tham chiếu giá rẻ trong giao diện RF Đồng bộ hóa thời gian được thực hiện thông qua việc tính toán đáp ứng xung kênh dựa trên ký hiệu TFPR thực nhận và ký hiệu TFPR được lưu trữ trong máy thu Tất cả các bước này đều nhằm cải tiến thuật toán và chứa các thông số phản ánh kinh nghiệm của nhà sản xuất máy thu trong lĩnh vực này Do đó, việc đồng bộ hóa chủ yếu được thực hiện qua phần mềm trên bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP).
IV Bộ giải mã âm thanh.
Trong Chương 3, chúng ta đã thảo luận về sơ đồ mã hóa âm thanh trong DAB, sử dụng MPEG-1 và MPEG-2 Layer II [IS 11172], [IS 13818] Hệ thống này cho phép phát hiện lỗi truyền dẫn ở những phần nhạy cảm nhất của luồng bit, giúp che giấu lỗi hiệu quả Thêm vào đó, cơ chế giảm dải động của tín hiệu âm thanh được giải mã tại bộ thu rất có ích, đặc biệt trong các môi trường ồn ào như xe cộ.
1 Kiến trúc bộ giải mã âm thanh
Bộ giải mã âm thanh DAB dựa trên bộ giải mã MPEG-1 và MPEG-2
Lớp II cho phép tính toán và sử dụng thông tin trạng thái lỗi của luồng bit âm thanh như ISO-CRC và SCF-CRC, điều này cần thiết để đảm bảo khả năng che giấu lỗi hiệu quả Bộ giải mã cũng cần có khả năng giải mã thông tin điều khiển dải động (DRC) Tuy nhiên, các phần mở rộng DAB cho tiêu chuẩn âm thanh MPEG không phải là quy chuẩn bắt buộc, và các nhà sản xuất máy thu có thể lựa chọn không khai thác thông tin này Sơ đồ khối của bộ giải mã âm thanh DAB được trình bày trong Hình 4.1.
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ giải mã âm thanh
Khung âm thanh bao gồm dữ liệu tiêu đề, thông tin bên, mẫu dải phụ, thông tin phát hiện lỗi và dữ liệu bổ sung như PAD và X-PAD Đầu tiên, tiêu đề được giải mã để trích xuất thông tin như tốc độ bit và chế độ âm thanh, từ đó chọn bảng cần thiết để diễn giải thông tin bên Thông tin bên chứa lượng tử hóa trong bộ mã hóa và hệ số tỷ lệ cho từng băng tần con Trong mã hóa âm thanh MPEG Layer II, tín hiệu âm thanh được chuyển đổi thành miền tần số và phân tách thành 32 dải con đều nhau.
Quá trình nghịch đảo trong ngân hàng bộ lọc tổng hợp bao gồm việc tái tạo 32 mẫu dải con trong miền tần số thành 32 mẫu liên tiếp của một kênh trong miền thời gian Sau khi áp dụng IMDCT 32 điểm và thực hiện quá trình cửa sổ, tín hiệu âm thanh cuối cùng được chuyển đến bộ chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số sang tín hiệu tương tự (DAC) thông qua giao thức I2S.
Bộ lọc tổng hợp là một công việc tính toán phức tạp, đòi hỏi nhiều nỗ lực Mặc dù có một số thuật toán cung cấp giải pháp tối ưu hơn cho các phép toán nhân và cộng, nhưng việc xử lý địa chỉ lại trở nên khó khăn hơn.
Tiêu chuẩn TS 101 757 kiểm tra sự phù hợp của bộ giải mã âm thanh DAB, xác định các yêu cầu tiêu chuẩn dựa trên quy trình của MPEG trong các phần 4 của IS 11172 và IS 13818 Tiêu chuẩn này cũng nêu rõ quy trình kiểm tra và các luồng bit cần thiết để xác minh tính tương thích của bộ giải mã với các yêu cầu trong EN 300 401.
Nguyên tắc cơ bản của thử nghiệm được mô tả trong Hình 4.2.
Quy trình kiểm tra sự phù hợp âm thanh bao gồm việc tính toán các tiêu chí tuân thủ, trong đó định nghĩa sự khác biệt giữa hai mẫu đầu ra liên quan (d(n)) và năng lượng lỗi (RMS) của chúng.
Bộ giải mã được thử nghiệm giải mã luồng bit thử nghiệm Đầu ra
Xtest được ghi lại qua kỹ thuật số và so sánh từng mẫu với đầu ra tham chiếu (xref) Hai chứng chỉ cho bộ giải mã âm thanh DAB đã được xác định.
'' Bộ giải mã âm thanh DAB chính xác đầy đủ '', nghiêm ngặt hơn
'' Bộ giải mã âm thanh DAB '', thoải mái hơn
3 Mạch tích hợp cho DAB
Bộ giải mã âm thanh
Yêu cầu tiêu chuẩn
Kiểm tra sự phù hợp đối với Âm thanh DAB theo tiêu chuẩn TS 101 757 xác định các yêu cầu tiêu chuẩn cho bộ giải mã âm thanh DAB, dựa trên quy trình của MPEG, cụ thể là Phần 4 của IS 11172 và IS 13818 Tiêu chuẩn này cũng quy định quy trình kiểm tra và các luồng bit liên quan, nhằm xác minh khả năng của bộ giải mã âm thanh trong việc đáp ứng các yêu cầu đã nêu trong EN 300 401.
Nguyên tắc cơ bản của thử nghiệm được mô tả trong Hình 4.2.
Quy trình kiểm tra sự phù hợp âm thanh bao gồm việc tính toán các tiêu chí tuân thủ, trong đó định nghĩa sự khác biệt giữa hai mẫu đầu ra liên quan (d(n)) và năng lượng lỗi (RMS) của chúng là rất quan trọng.
Bộ giải mã được thử nghiệm giải mã luồng bit thử nghiệm Đầu ra
Xtest được ghi lại bằng kỹ thuật số và so sánh với đầu ra tham chiếu xref theo từng mẫu Hai chứng chỉ cho bộ giải mã âm thanh DAB đã được xác định.
'' Bộ giải mã âm thanh DAB chính xác đầy đủ '', nghiêm ngặt hơn
'' Bộ giải mã âm thanh DAB '', thoải mái hơn.
Mạch tích hợp cho DAB
Bộ chip là yếu tố quan trọng trong việc phát triển các máy thu DAB, bắt đầu từ tiêu chuẩn hóa DAB năm 1986 Sự cung cấp các mạch tích hợp cao (ICs) đã đóng vai trò then chốt cho sự thành công của tiêu chuẩn này Hiện nay, với mức độ tích hợp cao, một bộ thu phát sóng DAB và FM hoàn chỉnh có thể được chế tạo chỉ với hai mạch tích hợp (chip RF và chip băng tần).
AES Special publication (1996) Gilchrist, N.H.G and Grewin, C (eds)
Collected papers on digital audio bit-rate reduction, AES, New York.
Collins, G.W (2000) Fundamentals of Digital Television Transmission John
De Gaudenzi, R and Luise, M (eds) (1994) Audio and Video Digital
Broadcasting Systems and Techniques Elsevier, Amsterdam.
Eureka 147 Project (1997) Digital Audio Broadcasting Brochure prepared for
ITU-R Special Publication (1995) Terrestrial and satellite digital sound broadcasting to vehicular, portable and fixed receivers in the VHF/UHF bands Radiocommunication Bureau, Geneva.
Lauterbach, T (ed.) (1996) Digital Audio Broadcasting: Grundlagen,
Anwendungen und Einfu¨hrung von DAB, Franzis-Verlag, Mu¨nchen.
Lauterbach, T (2002) Das Digitale Radio DAB In: Medienwissenschaft, 3.
Teilband Ein Handbuch zur Entwicklung der Medien und
Kommunikationsformen Edited by J.-F Leonhard, H.-W Ludwig, D.
Schwarze, E Straòner Verlag Walter de Gruyter, Berlin/New York
Menneer, P (1996) The Market for DAB – Sources and Findings of existing
Market Research Studies, Prepared for EuroDAB Forum, Geneva.
Stojmenovic, I (ed.) (2002) Handbook of Wireless Networks and Mobile
Computing John Wiley & Sohns, Inc., New York.
