I Tổng quan về công nghệ DVB S 1 1 KN chung về truyền hình số vệ tinh Truyền hình số qua vệ tinh phát triển vào năm 1995 nhưng vào thời điểm đó chỉ chiếm một thị phần nhỏ Đến cuối năm 1998 chỉ có 0 3%.
I Tổng quan công nghệ DVB-S 1.1 KN chung truyền hình số vệ tinh Truyền hình số qua vệ tinh phát triển vào năm 1995 vào thời điểm chiếm thị phần nhỏ Đến cuối năm 1998 có 0.3% hộ gia đình thu tín hiệu truyền hình số vệ tinh DTH Đến số hộ gia đình sử dụng truyền hình số qua vệ tinh phát triển hầu giới Chỉ tính đến cuối năm 2004 riêng khu vực Châu Á có 25 triệu hộ gia đình sử dụng truyền hình số qua vệ tinh Truyền dẫn số vệ tinh truyền dẫn thông tin thông qua vệ tinh số Truyền hình qua vệ tinh phương pháp phủ sóng có hiệu so với phương pháp khác 1.1 Khái niệm DVB-S DVB-S (Digital Video Broadcasting — Satellite) hệ thống truyền hình số truyền dẫn thơng qua vệ tinh Tính đến nay, có tiêu chuẩn DVB-S: Tiêu chuẩn DVB-S đời vào năm 1994, sử dụng phổ biến để truyền tín hiệu truyền hình quảng bá qua vệ tinh Vào năm 1997, tiêu chuẩn DVB-DSNG đời sở kế thừa tiêu chuẩn DVB-S DVB-S2 hệ thứ truyền hình số phát qua vệ tinh, phát triển từ năm 2003, phiên V1.2.1 tháng năm 2009 DVB-S2 kết hợp chức truyền hình quảng bá DVB-S ứng dụng chuyên nghiệp DVB-DSNG tiêu chuẩn 1.2.Sơ đồ khối: Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số qua vệ tinh 1/ Khối mã hóa tín hiệu ghép kênh: Có nhiệm vụ tạo dịng truyền tải TS Tín hiệu truyền hình tương tự biến đổi sang tín hiệu số, sau nén theo tiêu chuẩn MPEG -2 Dòng bit thu dòng sở ES phân vào gói dịng truyền tải TS Các biện pháp khóa mã áp dụng để tăng tính bảo mật cho hệ thống 2/ Khối điều chế: Sau tạo thành dòng truyền tải MPEG-2, tín hiệu đưa đến khối điều chế tín hiệu số Khối điều chế có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu truyền hình số MPEG-2 thành tín hiệu trung tần IF (Intermediate Frequency 70/140 MHz) Tùy thuộc vào tiêu chuẩn khác mà kiểu điều chế sử dụng khác Các kiểu điều chế áp dụng tiêu chuẩn DVB-S QPSK, BPSK, 8PSK hay 16PSK; DVB-S2 QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK Hệ thống thu có chức ngược lại so với hệ thống phát Tín hiệu RF sau qua anten thu đưa tới khối LNB (Low Noise Block) khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) chuyển xuống trung tần Tín hiệu trung tần giải điều chế tương ứng với phương pháp điều chế bên phát tạo thành dòng truyền tải Cuối dòng truyền tải giải nén, giải ghép kênh để thu hình ảnh truyền hình 1.3.Các ứng dụng truyền hình qua vệ tinh: Việc chuyển đổi sang phát truyền hình số qua vệ tinh tạo nhiều dịch vụ kết hợp với việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tinh tương lai như: Hình 2: Một số ứng dụng truyền hình số qua vệ tinh Truyền hình trực tiếp từ vệ tinh tới hộ gia đình (DTH): Cung cấp kênh truyền hình mà người xem thu trực tiếp chương trình truyền hình từ vệ tinh anten thu có đường kính từ 60cm đến 90cm Truyền dẫn tín hiệu đến trạm phát lại mặt đất: Phương thức áp dụng hiệu Đài THVN để đưa tín hiệu chương trình VTV1, VTV2, VTV3, VTV5 đến khoảng 100 trạm phát lại mặt đất THVN tỉnh thành phố hàng ngàn máy phát lại công suất nhỏ khác huyện, xã nước Truyền hình độ phân giải cao (HDTV): Cung cấp kênh truyền hình có độ phân giải cao HDTV độ rộng băng tần phát đáp mà hệ thống tương tự thực Truyền dẫn tín hiệu truyền hình lưu động (SNG): Truyền tin nhanh từ trường studio, truyền hình trực tiếp chương trình ca nhạc, thể thao, kiện trị, văn hóa, … Internet: Cung cấp đường truyền dịch vụ đến thuê bao dịch vụ … số Cung cấp dịch vụ truyền hình đến (SMATV-Satellite Master Antenna Television) liệu tốc tịa độ cao nhà từ lớn, nhà khu cung cấp chung cư Cung cấp tín hiệu truyền hình đến đầu cuối dịch vụ truyền hình cáp (CATV-Cable Television) để đưa đến thuê bao truyền hình cáp 1.4 Các đặc điểm bản: Phương pháp truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh có đặc điểm riêng phụ thuộc vào mục đích truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh Do đặc điểm truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh có đặc điểm truyền dẫn tầm nhìn thẳng, hệ số định hướng anten lớn, tín hiệu bị ảnh hưởng phản xạ nhiều đường Tuy nhiên công suất vệ tinh hữu hạn, đồng thời cự ly thông tin lớn, suy giảm đường truyền lớn, dễ bị ảnh hưởng mưa băng tần Ku tỷ số C/N đường truyền không cao so với phương pháp truyền dẫn khác, ví dụ truyền hình cáp hay truyền hình số mặt đất Chính lý mà hiệu suất sử dụng băng thông không cao so với phương pháp truyền dẫn khác II CÔNG NGHỆ DVB - S2 2.1 Sơ đồ khối chức năng: 2.1 Sơ đồi khối hệ thống DVB-S2: 2.1.1 Sơ đồi khối thích nghi kiểu truyền dẫn: Hình 2.1.1 Sơ đồi khối thích nghi kiểu truyền dẫn: Khối thích nghi kiểu truyền dẫn thực việc thích nghi giao diện đầu vào, mã hóa CRC-8 để phát lỗi, đồng kết hợp dòng bit (trong trường hợp đầu vào đa chương trình), chia nhỏ dịng bit thành DATA FIELD Cuối cùng, tín hiệu báo hiệu thêm vào để thơng báo cho phía thu biết thơng tin liệu cấu trúc khung Định dạng chuỗi bit đầu khối thích nghi kiểu truyền dẫn bao gồm trường BBHEADER (80 bit) trường liệu DATA FIELD có kích thước khơng cố định 2.1.1.1 Khối giao diện đầu vào (Input Interface) Theo định nghĩa, đầu vào hệ thống DVB-S2 là: - Một nhiều dòng truyền tải (TS) MPEG - Một nhiều dịng liệu chung, dịng bit liên tục dạng gói Do DVB-S2 chấp nhận nhiều dạng đầu vào khác nên dạng đầu vào cần phải nhận biết chuyển dạng chung DVB-S2 phân loại đầu vào dựa độ dài dòng bit gán giá trị độ dài gói UPL (User Packets Length) tương ứng sau: - Dòng truyền tải TS: Giá trị UPL cố định (188 x 8) bit (độ dài gói MPEG) Byte ln byte đồng (47HEX) - Dịng liệu chung: Có thể dòng bit liên tục (được gán UPL = 0D), dạng gói liệu Trong trường hợp gói, độ dài gói khơng đổi nhỏ 64K UPL gán độ dài gói, khơng thỏa mãn điều kiện đầu vào xem liên tục (UPL = 0D) Đối với gói liệu khơng phải dịng truyền tải, byte đồng byte gói byte không bị thay đổi Nếu không, byte đồng 0D thêm vào phía trước gói đồng thời giá trị UPL tăng thêm bit - Tín hiệu điều khiển ACM (ACM Command): Nếu hệ thống làm việc chế độ mã hóa điều chế thích nghi ACM, tín hiệu điều khiển sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ đầu vào cho phù hợp với điều kiện truyền dẫn 2.1.1.2 Bộ mã hóa CRC-8 Mã hóa CRC sử dụng cho dạng liệu gói Nếu UPL = 0D khối bỏ qua không xử lý Trường hợp UPL ≠ 0, dịng bit đầu vào có dạng chuỗi gói liệu người dùng UP (User Packet) với độ dài UPL, bắt đầu byte đồng (byte đồng hệ thống gán khơng có) Nếu vậy, phần mang thơng tin có ích gói UP (ngoại trừ byte đồng bộ) đưa vào mã hóa CRC, với đa thức sinh: g(X) = (X5 + X4 + X3 + X2 + 1)(X2 + X + 1)(X + 1) = X8 + X7 + X6 + X4 + X2 + Đầu mã hóa CRC phần dư phép tính: [ X8u(X): g(X) ], u(X) gói đầu vào sau trừ bit byte đồng Giá trị thay cho byte đồng gói UP tiếp theo, byte đồng bị thay copy vào trường SYNC BBHEADER Hình 2.2: Hoạt động mã hóa CRC-8 2.1.1.3 Khối Merger/Slicer Đầu vào Merger/Slicer dịng bit liên tục gói UP Khối Merger/Slicer gồm thành phần, thực nhiệm vụ khác nhau: • Slicer: Đọc dịng liệu vào (trường hợp có nhiều đầu vào đọc số dòng đầu vào) chia thành khối DATA FIELD có kích thước DFL (Data Field Length) Giá trị DFL phải thỏa mãn: (K bch-80) ≥ DFL ≥ Trong KBCH độ dài khối bit trước mã hóa BCH (nhận giá trị khác nhau, tùy theo tỷ lệ mã áp dụng), 80 bit kích thước trường BBHEADER • Merger: Liên kết khối DATA FIELD dịng đầu vào Trong trường hợp có dịng liệu đầu vào khối khối Merger trở nên không cần thiết bỏ qua Tùy thuộc vào ứng dụng, việc phân chia bit vào trường DATA FIELD thực theo cách: - Lấp đầy kích thước tối đa DATA FIELD, tương ứng với độ dài bit yêu cầu trước mã hóa BCH trừ 80 bit BBHEADER (Kbch-80) Như vậy, gói UP bị chia vào nhiều DATA FIELD khác - Ngược lại, phân chia cho DATA FIELD chứa số nguyên UP Do gói UP bị chia vào DATA FIELD khác byte đồng thay trường sửa lỗi CRC-8, nên để thực đồng phía phát cần số bit tính từ đầu DATA FIELD bit bắt đầu trường CRC-8 Khoảng cách chứa trường SYNCD BBHEADER Hình 2.3: Định dạng đầu sau khối thích nghi kiểu truyền dẫn 2.1.1.4 Chèn BBHEADER Một trường BBHEADER có độ dài cố định (10 byte) thêm vào phần đầu DATA FIELD nhằm xác định cấu trúc DATA FIELD BBHEADER gồm thành phần: 1) MATYPE (2 byte): mơ tả định dạng dịng liệu đầu vào, phương pháp thích nghi kiểu truyền dẫn, chế độ làm việc CCM hay ACM, hệ số roll-off α Trong đó: • Byte (MATYPE-1) gồm thành phần: - TS/GS-Transport Stream/Generic Stream: Đầu vào dòng truyền tải hay dòng liệu chung (2 bit) - SIS/MIS-Single Input Stream/Multiple Input Stream: Một hay nhiều dòng liệu đầu vào (1bit) - CCM/ACM: Mã hóa điều chế khơng đổi CCM hay mã hóa điều chế thích nghi ACM (1bit) - ISSYI-Input Stream Synchronization Indicator: Chỉ thị chế định thời phía thu có hoạt động hay không (1bit) - NPD-Null Packet Deletion: Chỉ thị chế xóa gói rỗng có hoạt động hay không (1bit) - RO: Hệ số roll-off α (2bit) Bảng 2.1: Giá trị trường MATYPE-1 • Byte thứ (MATYPE-2): Nếu trường SIS/ MIS thị nhiều dịng liệu đầu vào byte thứ chứa nội dung xác định dòng liệu (ISI-Input Stream Identifier), khơng dự phịng 2) UPL-User Packet Length (2 byte): Chiều dài gói người dùng UP [bit] UPL nhận giá trị khoảng [0, 65535] Ví dụ: 0000HEX = dịng liệu liên tục 000AHEX = chiều dài gói UP 10 UPL = 188x8D: gói truyền tải MPEG 3) DFL-Data Field Length (2 byte): chiều dài DATA FIELD, [bit] DFL nhận giá trị khoảng [0, 58112] Ví dụ: 000AHEX = Data Field có độ dài 10 bit 4) SYNC (1byte): byte đồng gói UP Ví dụ: SYNC = 47HEX: gói dịng truyền tải MPEG SYNC = 00HEX: đầu vào dịng gói liệu chung khơng có byte đồng SYNC = khơng có đầu vào dòng liệu liên tục 5) SYNCD (2 byte): khoảng cách từ bit DATA FIELD bit bắt đầu trường CRC-8 thuộc DATA FIELD 6) CRC-8: byte thị lỗi áp dụng cho byte BBHEADER 2.1.2 Khối thích nghi dịng truyền tải (Stream Adaptation) Hình 2.4: Các thành phần khối thích nghi dịng truyền tải 2.1.2.1 Bộ đệm (Padding) Đầu khối khung BBFRAME đưa vào khối mã hóa BCH, BBFRAME phải có kích thước theo u cầu mã hóa (K bch) Bộ đệm sử dụng trường hợp liệu không đủ lấp đầy khung BBFRAME, số nguyên lần gói UP nằm DATA FIELD, dẫn đến cịn có chỗ trống Khi đệm bổ sung thêm (Kbch - DFL - 80) bit để khung BBFRAME có độ dài cần thiết K bch Đối với ứng dụng quảng bá, DFL = Kbch-80 khơng cần sử dụng đệm Hình 2.5: Khung BBFRAME đầu khối thích nghi dịng truyền tải 2.1.2.2 Ngẫu nhiên hóa khung BBFRAME Q trình ngẫu nhiên hóa sử dụng tương tự tiêu chuẩn DVB-S nhằm phân tán lượng dòng bit, tránh xuất thành phần DC phổ tín hiệu Nguyên lý thực DVB-S2 sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên PRSB Hình 2.6: Ngun lý ngẫu nhiên hóa DVB-S2 2.1.3 Khối mã hóa sửa lỗi trước FEC Hình 2.7: Các thành phần khối mã hóa trước FEC DVB-S2 áp dụng biện pháp sửa lỗi trước DVB-S, nhiên phương pháp mã hóa khác với DVB-S Thay tương ứng cho mã Reed-Solomon mã chập mã khối BCH mã kiểm tra độ ưu tiên cường độ thấp LPDC Ngoài số lượng lớn tỷ lệ mã hóa đưa vào DVB-S2 giúp cho hệ thống linh hoạt làm việc theo điều kiện đường truyền khác nhau, chí mức nhiễu cao mức tín hiệu Định dạng đầu vào mã hóa sửa sai khung BBFRAME Bộ mã hóa đưa thêm bit sửa sai tương ứng với loại mã hóa, tạo thành cấu trúc khung FECFRAME sau: Hình 2.8: Cấu trúc FECFRAME sau mã hóa trước Trong đó: Kbch: kích thước khối bit trước mã hóa BCH Nbch: kích thước khối bit sau mã hóa BCH kldpc: kích thước khối bit trước mã hóa LDPC nldpc: kích thước khối bit sau mã hóa LDPC DVB-S2 định nghĩa loại cấu trúc khung FECFRAME: loại bình thường có độ dài 64800 bit loại ngắn 16200 bit Các khung FECFRAME dài có khả bảo vệ lỗi tốt có độ trễ lớn so với loại ngắn 16200 bit Do cấu trúc khung ngắn lựa chọn cho ứng dụng mà độ trễ quan trọng (ví dụ ứng dụng lưu lượng internet), cịn khung bình thường 64800 bit sử dụng để tối ưu hóa khả bảo vệ chống nhiễu (ví dụ ứng dụng quảng bá thông thường) Bảng 2.2: Các tham số mã hóa khung FECFRAME thường 2.1.3.1 Mã hóa ngồi-mã BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem) Mã BCH loại mã khối sử dụng DVB-S2 để thay cho mã ReedSolomon Nguyên lý tạo từ mã BCH tóm tắt sau: - Giả sử khối bit cần mã hóa -Nhân đa thức từ mã m (x) - Chia kết tìm cho đa thức sinh từ mã g(x) Phần dư phép chia có dạng: - Đa thức sinh từ mã - Từ mã BCH có dạng: Bảng 2.3: Đa thức sinh BCH trường hợp khung FECFRAME thường 2.1.3.2 Mã hóa LDCP (Low Density Parity Check Codes) Mã hóa kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LPDC) lớp mã khối tuyến tính với ma trận kiểm tra độ ưu tiên H Ma trận H gồm giá trị nằm rải rác Số lượng số ma trận thấp Việc mã hóa thực phương trình biến đổi từ ma trận H để tạo bit kiểm tra độ ưu tiên Quá trình giải mã sử dụng đầu vào ‘mềm’ (soft-input) kết hợp với phương trình để tạo ước lượng cho giá trị thông tin gửi 10 2.1.3.3 Xáo trộn bit (Bit Interleaver) Đối với kiểu điều chế 8PSK, 16APSK, 32APSK từ mã đầu sau mã hóa LDPC xáo trộn Mục đích xáo trộn để nâng cao khả chống lỗi cụm tương tự DVB-S, nhiên nguyên lý thực xáo trộn khác với DVB-S Trong DVB-S2, bit ghi theo cột xáo trộn, đọc lại đọc theo hàng ngang, thứ tự bit bị thay đổi Bit MSB trường BBHEADER đọc đầu tiên, ngoại trừ trường hợp 8PSK 3/5) Hình 2.9: Sơ đồ xáo trộn bit, điều chế 8PSK khung FECFRAME thường Trong trường hợp khác DVB-S2, xáo trộn bit thực tương tự, theo thông số bảng sau: Bảng 2.4: Thông số xáo trộn bit tiêu chuẩn DVB-S2 2.1.4 Khối ánh xạ bit lên chòm điều chế (Bit Mapping Into Constellation) DVB-S2 sử dụng sơ đồ điều chế khác nhau: QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK Trong QPSK 8PSK sử dụng cho ứng dụng quảng bá chúng loại điều chế có đường bao khơng đổi hoạt động gần điểm bão hòa phát đáp vệ tinh Còn 16APSK 32APSK hướng tới ứng dụng chuyên nghiệp, sử dụng cho quảng bá đòi hỏi mức C/N cao phải áp dụng phương pháp tiền sửa méo (predistortion) trạm phát lên để giảm thiểu tính phi tuyến phát đáp Các phương pháp không tối ưu mặt công suất hiệu suất phổ lại lớn nhiều Các sơ đồ chòm 16APSK 32APSK thiết kế để hoạt động phát đáp phi tuyến nhờ đặt điểm vòng tròn khác Tuy nhiên kênh tuyến tính chúng đạt hiệu tương đương với 16QAM 32QAM Bằng cách lựa chọn kiểu điều chế tỷ lệ mã khác nhau, DVB-S2 đạt hiệu suất phổ từ 0,5 đến 4,5 bit/symbol tùy thuộc vào phát đáp sử dụng Ba hệ số roll-off khác lựa chọn: 0,35 (DVB-S) ; 0,2 0,25 cho phép tiết kiệm băng thông so với DVB-S 11 Hình 2.10: Các sơ đồ điều chế sử dụng DVB-S2 Ngồi ra, để tương thích ngược với DVB-S sử dụng rộng rãi, điều chế phân cấp (Hierarchical Modulation) đưa vào DVB-S2 Nhờ điều chế phân cấp, truyền đồng thời dịng truyền tải DVB-S (HPHigh Priority) dòng truyền tải DVB-S2 (LP-Low Priority) Hình 2.11: Ánh xạ bit điều chế phân cấp Trong điều chế phân cấp, góc phần tư xem điểm chòm điều chế Mỗi góc phần tư xác định bit có độ ưu tiên cao HP Tuy nhiên, thêm vào trạng thái góc phần tư để xác định bit có độ ưu tiên thấp LP symbol tăng thêm bit thơng tin Như vậy, máy thu DVB-S thu tín hiệu điều chế phân cấp giải điều chế QPSK, máy thu DVS-S2 thu giải điều chế 8PSK 2.1.5 Tạo khung lớp vật lý (PL Framing) 2.1.5.1 Cấu trúc khung truyền tải DVB-S2 Khác với DVB-S, tiêu chuẩn DBV-S2 quy định cấu trúc khung Có mức cấu trúc khung thiết kế là: - Mức vật lý PL (PLFRAME) 12 - Mức (FECFRAME) Hình 2.12: Minh họa cấu trúc khung vật lý sử dụng DVB-S2 Các khung vật lý truyền tải khung FECFRAME tương tự xe chở hàng Các khung PLFRAME liền mã hóa điều chế khác Cấu trúc khung lớp vật lý có bit mào đầu PLHEADER, mang thơng tin nhằm giúp phía thu đồng xác định phương pháp điều chế thông số mã hóa mà khơng cần phải giải mã, giải điều chế tín hiệu Do tính chất quan trọng PLHEADER nên mã hóa sửa sai chặt chẽ với tỷ lệ mã 7/64 (57 bit chống lỗi cho bit mang tin) Trên hình, khung vật lý truyền tải nối tiếp Trong khung vật lý lược đồ mã hóa điều chế phải đồng nhất, nhiên khung vật lý khác thay đổi Điều tạo nên tính linh hoạt cho hệ thống DVB-S2 so với DVB-S Cấu trúc khung FECFRAME cung cấp đầy đủ thông tin phục vụ cho q trình xử lý giải mã tín hiệu Nhờ có 80 bit mào đầu BBHEADER, phía thu thiết lập cấu hình tương ứng với chế độ truyền dẫn khác đầu vào đơn chương trình hay đa chương trình, định dạng chung hay gói dịng truyền tải MPEG, chế độ CCM hay ACM Tóm tắt q trình tạo khung FECFRAME: liệu cần truyền chia thành DATA FIELD có độ dài DFL DATA FIELD thêm trường BBHEADER kích thước 80 bit Trước đưa vào mã hóa FEC, bổ sung thêm bit đệm để có độ dài phù hợp theo yêu cầu mã BCH LDPC tạo thành khung BBFRAME Q trình mã hóa trước thêm vào bit sửa sai xáo trộn để tạo thành khung FECFRAME với kích thước 64800 bit 16200 bit, tùy thuộc vào tỷ lệ mã hóa lựa chọn Hình 2.13: Quá trình tạo thành FECFRAME DVB-S2 2.1.5.2 Quá trình tạo khung lớp vật lý Đầu vào khối tạo khung PL cấu trúc XFECFRAME (FECFRAME sau điều chế), đầu khung lớp vật lý PLFRAME Khung PLFRAME tạo cách chia nhỏ khung XFECFRAME thành SLOT với độ dài 90 symbol Sau phần đầu PLHEADER thêm vào phía trước XFECFRAME Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể mà bit hoa tiêu (pilot) thêm vào để tạo thành khung PLFRAME Hình 2.14: Các thành phần khối tạo khung PLFRAME a Chèn khung giả (Dummy PLFRAME insertion) 13 Các khung PLFRAME giả tạo khơng có liệu truyền Khung PL giả bao gồm phần đầu PLHEADER 36 SLOT không điều chế b Chèn báo hiệu lớp vật lý (PL signalling) Khung XFECFRAME chia thành S SLOT với độ dài cố định 90 symbol Số lượng S xác định theo bảng: Bảng 2.5: Số lượng SLOT theo độ dài XFECRAME Phần mào đầu PLHEADER thêm vào phía trước khung nhằm cung cấp thơng tin cấu hình cho phía thu Độ dài PLHEADER kích thước SLOT Sau giải mã PLHEADER, phía thu biết độ dài cấu trúc PLFRAME, phương pháp điều chế mã hóa FECFRAME, có mặt hay khơng bit hoa tiêu Do tính chất quan trọng mà PLHEADER bảo vệ mã hóa Reed Muller (64,7) điều chế BPSK để đảm bảo phía thu giải mã điều kiện xấu Hình 2.15: Cấu trúc PLHEADER Phần PLHEADER bao gồm thành phần sau: - SOF - Start Of Frame (26 symbol): xác định bắt đầu khung, mang giá trị 18D2E82HEX - PLSCODE (64 symbol): mã hóa chống lỗi, sau giải mã thu symbol phục vụ cho việc báo hiệu Các symbol phân vào trường sau: MODCOD (5 symbol): xác định phương pháp điều chế (QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK) tỷ lệ mã hóa trước (1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, ) áp dụng TYPE (2 symbol): xác định độ dài khung FECFRAME (0 = bình thường: 64800 bit, = ngắn: 16200 bit), ngồi cịn xác định khung PL có chèn bit hoa tiêu hay không (0: không chèn bit hoa tiêu) c Chèn bit hoa tiêu (Pilots insertion) Tùy thuộc vào phương thức làm việc lựa chọn mà khung PLFRAME có khơng bit hoa tiêu Các bit hoa tiêu làm nhiệm vụ đồng phía phát Kích thước khối bit hoa tiêu P = 36 symbol chèn thêm sau SLOT, tính từ trường PLHEADER d Xáo trộn lớp vật lý (PL Scrambler) Trước điều chế, khung PLFRAME (ngoại trừ PLHEADER) xáo trộn để phân tán lượng tránh giá trị lặp lại Chuỗi xáo trộn (CI + jCQ) tạo 14 thành từ chuỗi thực (từ đa thức sinh có bậc 18) Độ dài chuỗi lựa chọn lớn độ dài tối đa PLFRAME nhằm tránh bit giả phát sinh q trình xáo trộn 2.1.6 Lọc băng gốc điều chế cầu phương (Baseband Shaping & Quadrature Modultation) Tín hiệu xử lý lọc cos nâng với hệ số roll-off 0,35 ; 0,25 0,2 Hàm truyền đạt H(f) lọc cos nâng Trong Điều chế cầu phương thực cách nhân đầu vào I, Q với sin(2πf 0t) cos(2πf0t) tương ứng Sau kết cộng lại với để tạo thành tín hiệu điều chế 2.2 Điểm lại tiêu chuẩn DVB-S2 Các mode điều chế DVB-S2: DVB-S2 có bốn mode điều chế, hai mode QPSK 8PSK với điều chế đường bao không đổi khuyến cáo dùng cho ứng dụng quảng bá hoạt động phát đáp vệ tinh phi tuyến điểm làm việc bão hoà gần bão hoà Hai mode điều chế cao 16APSK 32APSK thay cho sơ đồ điều chế 16QAM 32QAM tiêu chuẩn DVB-S DSNG, với độ co dãn tăng giảm độ nhạy với trạm mặt đất đáp tuyến AM/AM AM/PM phát đáp đèn sóng chạy Độ nhạy giảm làm cho APSK thích hợp với hoạt động chuyên dụng vệ tinh cấu hình “backoff” (lùi điểm làm việc khỏi phần phi tuyến đáp tuyến đèn sóng chạy để tránh can nhiễu sóng mang) Các chịm hiệu suất băng thơng công suất chúng phù hợp cho phát đáp phi tuyến cho tiêu tốt kênh tuyến tính so với mode QAM với hỗn hợp điều chế pha biên độ chúng Mặc dù sơ đồ APSK không hiệu công suất yêu cầu tỷ số C/N cao hơn, chúng có hiệu phổ lớn đáng kể Các vòng tròn đồng tâm chòm APSK gồm điểm đặt cách so với lưới hình vng điểm sử dụng sơ đồ 16QAM thông thường Dạng vòng tròn đồng tâm giảm thiểu ảnh hưởng méo khuếch đại công suất cao gây Độ lợi hiệu dụng: Việc đưa vào mode điều chế cao làm tăng hiệu suất băng thông tăng số bit ánh xạ đưa vào chịm Tất nhiên phải trả giá yêu cầu C/N cao Hệ số roll-off: Như trình bày trước, tiêu chuẩn DVB-S2 có ba hệ số roll-off ( ) thay có hệ số roll-off 0.35 tiêu chuẩn DVB-S Hệ số roll-off nhỏ làm tăng hiệu 15 phát đáp Băng thơng bị chiếm tín hiệu điều chế tần số biểu tượng nhân với (1+ ) Bằng việc sử dụng hệ số thấp hơn, sóng mang đặt gần hơn, dẫn đến số tải sóng mang tăng phát đáp cho, tăng tần số biểu tượng với băng thông cho Có nghĩa phát đáp truyền dẫn nhiều thông tin Tiểu hệ thống sửa lỗi tiến (FEC) DVB-S2: Tiểu hệ thống FEC (Forward Error Correction) có trách nhiệm việc cải thiện tiêu kỹ thuật kết nối vệ tinh có can nhiễu Do việc áp dụng thuật toán mã hố tiên tiến với xử lí (các chip) giá rẻ có ý nghĩa quan trọng Nhóm thiết kế tiêu chuẩn DVB-S2 đánh giá bảy đề nghị cho sửa lỗi tiến dùng họ mã hoá Turbo, từ chọn mã nội LDCP (Low Density Parity Checking) kết nối (concatenated) với mã ngoại BCH (Bose Chauhuri Houquenohem) Sơ đồ FEC thay cho sơ đồ mã hoá DVB-S gồm mã xoắn kết hợp với mã Reed-Solomon Mã LDCP nhà toán học Gallager tạo từ năm 1963 có thơng số kỹ thuật tốt thể tỷ lệ mã hoá cao độ dài khối dài, có điều kiện ứng dụng thực tế hạn chế cơng nghệ thời kỳ Chúng u cầu phức tạp thấp giả mã tất phương pháp sửa lỗi tiến thực tế bây giờ, mã Turbo với mã LDCP tiệm cận giới hạn Shannon - giới hạn lý thuyết tốc độ truyền thông tin cực đại kênh có nhiễu 2.3 Một số điểm đáng ý thông số kỹ thuật tiêu chuẩn DVB-S2 DVB-S2 với chuẩn nén tín hiệu MPEG-4 H.264/AVC tiền đề cho triển khai đại trà dịch vụ truyền hình số HDTV dịch vụ khác internet tốc độ cao, không việc tăng thông lượng kênh truyền mà độ tin cậy, tính mềm dẻo truyền dẫn Hiệu truyền dẫn tăng: DVB-S2 tăng dung lượng phát đáp vệ tinh lên 30% Dung lượng phát đáp vệ tinh chuẩn 36MHz, hoạt động với tốc độ biểu tượng 27,5 Msymbols/s FEC 3/4 tăng từ 38 Mb/s lên 50 Mb/s dùng DVB-S2 Về lý thuyết, dùng DVBS2 kết hợp với MPEG-4 truyền tới kênh HDTV Mb/s/kênh phát đáp, so với kênh HDTV 16Mb/s/kênh dùng DVB-S MPEG-2 phát đáp Điều thực việc thay mã xoắn nội Viterbi DVB-S mã nội LDPC hiệu hơn, kết hợp với thay mã ngoại Reed-Solomon mã BCH DVB-S2 Kết hợp mã sửa lỗi tiến (FEC) LDPC/BCH làm cho DVB-S2 tiến gần tới giới hạn Shannon hơn, cách khoảng 1,2 dB so với khoảng dB DVB-S Các giải pháp kết hợp mạnh: Trong DVB-S2 có kết hợp hiệu tác động lẫn cảu mode điều chế, hệ số roll-off tỷ lệ mã FEC Ngoài điều chế QPSK DVB-S, DVB-S2 thêm ba sơ đồ điều chế b ậc cao 8PSK, 16APSK, 32APSK cho phép tăng dung lượng 16 phát đáp vệ tinh Nếu trước tiêu chuẩn truyền dẫn vệ tinh cho ứng dụng quảng bá thu tin vệ tinh số (DSNG) khác (DVB-S DVB-DSNG) DVBS2 đảm nhiệm tất Các tỷ lệ mã FEC tăng thêm: DVB-S có 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8; DVB-S2 bổ sung thêm 1/4, 1/3, 2/5, 3/5, 4/5, 8/9, 9/10 Đặc biệt có ba tỷ lệ mã hố mà bit dư phục vụ cho việc bảo hiểm lỗi nhiều bit thông tin, tỷ lệ mã: 1/4, 1/3 2/5 Ở QPSK 1/4 giải mã tín hiệu mức nhiễu -2,35dB, có nghĩa tỷ số (S/N) = -2,35 dB hay mức nhiễu cao mức tín hiệu Các tỷ lệ mã cho phép thông tin điều kiện lan truyền thường thấy ứng dụng DSNG Do tính mềm dẻo DVB-S2 tăng lên nhiều so với DVB-S DVB-DSNG Lựa chọn mode điều chế: Các mode điều chế có đường bao không đổi QPSK 8PSK cho phép khuếch đại cơng suất đầu đèn sóng chạy phát đáp vệ tinh hoạt động chế độ bão hoà Điều quan trọng dịch vụ quảng bá cho phép điều khiển độ lợi tự động để trì phát đáp mức công suất đầu cực đại không phụ thuộc vào suy giảm uplink Do đảm bảo mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương đầu không đổi từ vệ tinh QPSK cung cấp bit/symbol, cịn 8PSK bit/symbol Do 8PSK mang lượng thông tin lớn QPSK 50% với băng thông Nhưng điều yêu cầu công suất phát xạ tương ứng lớn từ vệ tinh, kích thước anten thu vệ tinh lớn Các vệ tinh công suất cao khối thu vệ tinh với hệ số nhiễu thấp làm cho 8PSK trở nên thông dụng cho ứng dụng quảng bá Các mode điều chế với đường bao không đổi, 16QAM (trong DVB-DSNG), 16APSK 32APSK cần hoạt động phát đáp với mode hoạt động tuyến tính để tránh can nhiễu điều chế tương hỗ Các phát đáp hoạt động mức back-off đáng kể không cho công suất đầu cực đại Các frame lớp vật lý: Lớp cao tần (RF layer) tín hiệu DVB-S2 chia thành khung vật lý không cần sử dụng dạng mã hoá hay điều chế Mode điều chế tỷ lệ mã thay đổi theo khung Các khung ấn định cho luồng truyền tải khác Mỗi khung kết thúc dãy symbol BPSK 90bits, bảo vệ cao header mã khối 7/64 Header bao gồm tín hiệu đồng thông tin liên quan với báo hiệu Và kèm theo 16.200 bit (180x90), 64.800 bit (720x90), bảo vệ liên hợp mã LDPC/BCH FEC Các khung FEC dài cấp bảo vệ lỗi tốt lại có độ trễ lớn so với khung FEC 16 200 bit Do vậy, khung FEC ngắn dùng cho ứng dụng mà yêu cầu độ trễ nhỏ hay tính đến lưu lượng liệu (trường hợp thơng tin truyền nhỏ mà sử dụng khung thường, truyền lượng lớn bit dư thừa không mang thông tin), khung dài sử dụng để tối ưu hoá việc bảo vệ tín hiệu (ví dụ ứng dụng quảng bá thông thường) Bằng việc dùng điều chế mã hoá khác cho khung khác nhiều 17 khả sáng tạo Tuy nhiên cần bổ sung cac pilot vào tín hiệu để dễ dàng cho việc khơi phục sóng mang Mã hố điều chế không đổi (CCM-Constant Coding and Modulation): Mode hoạt động đơn giản DVB-S2 mã hoá điều chế khơng đổi tương tự với cách mà tín hiệu sử dụng DVB-S Trong CCM mode điều chế FEC sử dụng cho tất frame lớp vật lý Điểm trội DVB-S2 mode CCM so với DVB-S việc bảo hiểm lỗi cải thiện dùng mã nội mã ngoại mới, cải thiện dung lượng tăng 30% Sự cải thiện có giá trị lớn cho hệ thống quảng bá HDTV Tuy nhiên mode CCM tiềm đầy đủ cấu trúc frame lớp vật lý DVBS2 không sử dụng Mã điều chế thay đổi (VCM-Variable Coding and Modulation): Trong ứng dụng quảng bá DVB-S, QPSK tỷ lệ mã FEC cố định, với DVB-S2 khác: nhiều luồng truyền tải kết hợp phát đáp hoạt động chế độ bão hoà, cung cấp đường bao tín hiệu khơng đổi (QPSK 8PSK) Tuy nhiên nhiều luồng truyền tải ấn định cho frame vật lý khác nhau, dùng mode điều chế tỷ lệ mã khác cho dòng truyền khác Phụ thuộc vào ứng dụng mà có dung hồ khác dung lượng tính mạnh khoẻ truyền dẫn Ví dụ phát đáp mạng tín hiệu truyền hình SDTV HDTV với mức bảo vệ cho HD để đạt lợi ích tăng tốc độ bit Điều đặt yêu cầu cao kích thước anten đầu thu (set-top-box) HDTV, phải mức chấp nhận với ứng dụng Các dịch vụ chuyên dùng cho phép dùng anten kích thước lớn, dùng tỷ lệ mã xấu để đạt độ lợi tốc độ bit, tích hợp đến phát đáp quảng bá hoạt động chế độ bão hoà Điều bao gồm nhiều loại lưu lượng liệu khác internet backbone mà trước bặt buộc phải dùng sóng mang tách biệt nhằm đảm bảo tính linh hoạt chọn lựa tỷ lệ mã điều chế Mã hố điều chế thích nghi (ACM-Adaptive Coding and Modulation): ACM mode hoạt động tinh tế DVB-S2, cho phép tối ưu hố ứng dụng điểm - điểm.Trong mode có kênh ngược từ máy thu tới máy phát uplink Kênh ngược cung cấp cập nhật tức thời hệ số máy thu cho trạm uplink Điều sử dụng để thay đổi tỷ lệ mã hoá mode điều chế để tối ưu hoá tốc độ bit cực đại.Có nghĩa trời dùng tỷ lệ mã xấu hơn, điều chế mức cao để tăng thông lượng bit, nghĩa tăng thông lượng trung bình tồn hệ thống Khi trời mưa to điều kiện lan truyền xấu ngược lại.Như cải thiện đáng kể thơng số thơng lượng hệ thống, đặc biệt với kết nối backbone internet loại lưu lượng liệu khác 18 Trong ứng dụng DSNG, kênh ngược băng thông hẹp đến xe uplink cung cấp thơng lượng tối ưu điều kiện khó việc thay đổi mã hố điều chế tương ứng Ví dụ bắt buộc phải dùng mode với tốc độ bit thấp bình thường bù lại cách giảm tốc độ bit Hình 2.16: Mơ hình mã hóa điều chế thích nghi [8] Mode tương thích ngược (BC mode-Backwards Compatible mode): Tiêu chuẩn DVB-S2 (tiêu chuẩn ETSI EN 302 307 V1.1.2 06/2006) nhìn thấy trước DVB-S2 có nhiều ưu điểm số máy thu theo tiêu chuẩn DVB-S lớn (hàng trăm triệu chiếc) nên nhà quảng bá vệ tinh khơng thể khó chuyển sang dùng DVB-S2 cịn phải tính đến quyền lợi người tiêu dùng Do tiêu chuẩn cịn có phụ lục tuỳ chọn “các mode tương thích ngược” để dung hồ việc ứng dụng cơng nghệ truyền dẫn cho quảng bá khách hàng họ Các mode tương thích ngược (BC mode) tuỳ chọn nhằm để gửi kênh vệ tinh hai luồng truyền tải.Dịng thứ (có độ ưu tiên cao-HP) tương thích với máy thu DVB-S ( theo tiêu chuẩn DVB-S EN 300 421) với máy thu DVB-S2, nghĩa hai máy thu DVB-S DVBS2 thu tín hiệu luồng truyền tải Dịng thứ hai (có độ ưu tiên thấp-LP) tương thích với máy thu DVB-S2 Sự tương thích ngược thực theo hai phương pháp: Điều chế theo lớp, tín hiệu DVB-S DVB-S2 ghép kênh khơng đồng tần số vô tuyến (do mode hoạt động không yêu cầu công cụ đặc biệt tiêu chuẩn kỹ thuật DVB-S2) Điều chế phân cấp, hai luồng truyền tải HP LP kết hợp đồng mức symbol điều chế chịm 8PSK khơng đối xứng Tiêu chuẩn DVB-S2 chọn phương pháp Cần ý mode phân cấp sử dụng tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T Ngồi dịch vụ quảng bá DVB dựa điều chế QPSK truyền dịng truyền DVB-S2 LP, dùng sơ đồ điều chế theo lớp phân cấp kể Tuy nhiên dùng BC mode có ý nghĩa có thoả hiệp tiêu thành phần DVB-S2 DVB-S tín hiệu.Việc dùng điều chế 8PSK với hai symbol đặt gần so với góc phần tư so với giản đồ chòm 8PSK gốc làm cho máy thu DVB-S tin chúng thu tín hiệu QPSK, máy thu DVB-S2 thu tất symbol Việc dùng ánh xạ phân cấp thông minh cho phép kết hợp tín hiệu SDTV cho máy DVB-S HDTV cho máy thu DVB-S2 phát đáp 19 2.4 So sánh số thông số kỹ thuật với DVB-S Việc dùng sơ đồ FEC cho phép DVB-S2 tăng thông lượng kênh với mức cơng suất sóng mang sử dụng mode điều chế bậc cao so với QPSK DVB-S Đối với tỷ lệ lỗi bit (BER) DVB-S2 có độ dự phịng từ 1,4 đến 1,8 dB so với DVBS Ví dụ: DVB-S QPSK với FEC tỷ lệ mã 3/4 yêu cầu mức công suất sóng mang DVB-S2 8PSK với FEC tỷ lệ mã 2/3 hình 32 Hình 2.17: Độ lợi cơng suất DVB-S2 với DVB-S Độ dự phòng cho phép dùng anten thu có đường kính nhỏ điều kiện thời tiết xấu Đồng thời DVB-S2 cho phép dùng phổ hiệu xét thông số hiệu suất băng thông (bit/s/Hz) Việc dùng hệ số rolloff thấp cho phép dùng sóng mang hẹp Ví dụ: Sóng mang 20 Msym/s với roll-off 0,35 DVB-S sử dụng băng tần 27 MHz so với 24 MHz DVB-S2 với hệ số roll-off 0,2 Hình 33 cho thấy so sánh hiệu suất băng thơng DVB-S DVB-S2 Hình 2.17: Độ lợi băng thơng DVB-S2 Bảng 15 cho ta so sánh thông số DVB-S DVB-S2 vài chế độ làm việc khác điển hình Ta thấy với tỷ số C/N tương tự thông lượng kênh DVB-S2 tăng khoảng 30% so với DVB-S Hình 34 biểu diễn hiệu suất băng thông hiệu phổ DVB-S2 gần đạt đến mức giới hạn Shannon, lý để nhà sáng tạo lạc quan nói khó mà có tiêu chuẩn DVB-S3 Bảng 2.6: So sánh DVB-S2 với DVB-S vài chế độ làm việc khác điển hình Hình 2.18: Hiệu suất băng thông C/N yêu cầu kênh nhiễu Gausse trắng cộng (AWGN) Những ưu điểm DVB-S2 so với DVB-S: • Tăng dung lượng truyền dẫn băng thông: So sánh với tiêu chuẩn DVB-S với điều kiện truyền dẫn: DVBS2 có khả truyền liệu tới 30% dải băng thơng Nói cách khác, tín hiệu truyền dẫn theo tiêu chuẩn DVB-S2 u cầu băng thơng 30% so với sử dụng DVBS Đặc biệt ứng dụng điều chế, mã hóa VCM ACM hiệu suất sử dụng băng thông tăng tương ứng 66% 131% • Tăng hiệu cơng suất truyền dẫn: Trong vùng phủ sóng, u cầu thu tín hiệu DVB-S2 thấp khoảng 2,5 dB so với tín hiệu DVB-S với điều kiện bảo vệ lỗi Ngoài ra, DVB-S2 cịn tương 20