Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744
Phạm vi của tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn này mô tả hệ thống truyền dẫn cho truyền hình số mặt đất
Nó xác định hệ thống điều chế, mã hoá kênh dùng cho các dịch vụ truyền hình số mặt đất nhiều chương trình như: LDTV/SDTV/EDTV/HDTV
- Tiêu chuẩn mô tả chung hệ thống cơ bản của truyền hình số mặt đất
- Tiêu chuẩn xác định các yêu cầu chỉ tiêu chung, và các đặc điểm của hệ thống cơ bản, mục đích để đạt được chất lượng dịch vụ
Tiêu chuẩn xác định tín hiệu điều chế số là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau Điều này được thực hiện thông qua việc mô tả chi tiết tín hiệu xử lý tại các module, trong khi việc xử lý tại các máy thu được thiết kế linh hoạt để cho phép nhiều giải pháp thực hiện khác nhau.
Nội dung chính của tiêu chuẩn
Hệ thống được định nghĩa là một thiết bị bao gồm các khối chức năng, trong đó tín hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 nhận từ đầu ra của bộ ghép kênh (Multiplexer), và tín hiệu đầu ra là RF được gửi đến anten.
Hệ thống tương thích trực tiếp với chuẩn nén tín hiệu video MPEG-2 ISO/IEC 13818
Hệ thống truyền hình số mặt đất hoạt động trong băng tần UHF cần có khả năng chống nhiễu hiệu quả từ các máy phát tương tự hoạt động cùng kênh hoặc kênh liền kề Để đạt được hiệu suất sử dụng phổ tần cao trong băng tần UHF, việc áp dụng mạng đơn tần (SFN) là cần thiết.
Sơ đồ khối của hệ thống phát hình số mặt đất thể hiện quá trình xử lý tín hiệu hình ảnh và âm thanh để tạo ra tín hiệu cao tần đầu ra Truyền hình số mặt đất nổi bật với các tính năng ưu việt, được thể hiện qua các bước xử lý này Hệ thống sử dụng cấu hình điều chế phân cấp, với khối Splitter chia dòng dữ liệu thành hai luồng khác nhau về mức ưu tiên, tốc độ bit và tỷ lệ mã hóa, dẫn đến khả năng chống lỗi khác nhau cho từng dòng bit Hệ thống máy phát chủ yếu bao gồm phần điều chế OFDM và phần mã hóa sửa lỗi, với các khối chức năng được xác định rõ ràng.
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất a Phần ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2
Các tín hiệu đầu vào như hình ảnh, âm thanh và dữ liệu phụ được số hóa qua khối ghép kênh và mã hóa nén MPEG-2, tạo ra dòng dữ liệu số MPEG-2 với tốc độ bit nhất định cho máy phát Để đảm bảo truyền dẫn không lỗi, dòng dữ liệu TS từ khối nén sẽ được ngẫu nhiên hóa bằng chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS, nhằm phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp, loại bỏ các chuỗi dài.
“0” và “1”), đồng thời đây cũng được xem là quá trình phối hợp để ghép kênh truyền tải c Khối mã ngoại và ghép xen ngoại (Outer encoder and interleaver)
Dữ liệu sau khi ngẫu nhiên hóa sẽ được xử lý tại khối mã ngoại và ghép xen ngoại, với việc xử lý theo byte, trong khi mã nội và ghép xen nội xử lý theo bit Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed-Solomon RS (204, 188, t=8) để mã hóa dữ liệu, tạo ra các gói dữ liệu bảo vệ lỗi, mỗi gói được thêm 16 bytes sửa lỗi và có khả năng sửa tới 8 lỗi Ghép ngoại giúp giảm tính phụ thuộc thống kê của lỗi với chu kỳ ghép qui định trước Khối mã nội thực hiện mã hóa chi tiết đến từng bit với tỷ lệ mã hóa n/m (1/2, 2/3, 3/4 ), trong đó n bit mang thông tin và các bit còn lại dùng để sửa lỗi.
Dữ liệu sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bit để giảm thiểu lỗi tối đa Quá trình điều chế tín hiệu, bao gồm các khối như Mapper, Frame Adaptation và OFDM, là giai đoạn phức tạp nhất Sau khi mã sửa lỗi hoàn tất, dữ liệu sẽ được ánh xạ lên chòm sao điều chế và thêm các pilot đồng bộ trước khi được đưa lên nhiều sóng mang Việc chèn khoảng bảo vệ cũng được thực hiện nhằm tối ưu hóa hiệu suất của truyền hình số.
Quá trình chuyển đổi Digital/Analog không chỉ đơn thuần mà còn liên quan đến việc hoàn thiện hàng ngàn sóng mang để phát tín hiệu lên anten Hệ thống DVB-T hoạt động trong các băng tần 8MHz, 7MHz và 6MHz, với sự khác biệt chủ yếu ở tần số clock và các thông số liên quan Sơ đồ cấu trúc, nguyên tắc mã hóa, và cách sắp xếp vẫn được giữ nguyên, nhưng tốc độ thông tin của hệ thống sẽ giảm theo tỷ lệ 7/8 hoặc 6/8.
Truyền hình số mặt đất áp dụng nguyên lý ghép đa tần trực giao có mã (COFDM), trong đó ghép đa tần trực giao (OFDM) được thực hiện sau quá trình mã hóa kênh (Channel Coding).
Ghép kênh phân chia tần số (FDM) là nền tảng của ghép đa tần trực giao OFDM, trong đó dòng truyền MPEG-2 đầu vào được chuyển đổi thành nhiều dòng bít song song Số lượng dòng bít song song này tương ứng với số sóng mang, và chúng sẽ được ánh xạ lên các sóng mang riêng biệt Kỹ thuật ghép trực giao cho phép truyền tải đồng thời nhiều sóng mang trên kênh mà không gây can nhiễu lẫn nhau Các sóng mang này được điều chế bằng các phương pháp như QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM.
Mã hoá kênh là cần thiết để truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả, giúp chống lại lỗi sai do nhiễu trên đường truyền Nó bao gồm hai phần chính: khối mã ngoài (Outer Coder) để sửa chữa các lỗi sai có chiều dài xác định, và khối mã hoá trong (Inner Coder) để kiểm soát và báo lỗi cho các lỗi sai có chiều dài lớn hơn chiều dài quy định.
Mã Reed-Solomon RS(188,204) được sử dụng làm mã ngoài với phương pháp ghép xen ngoài (Outer Interleave) có chiều sâu l bytes, tương tự như trong truyền hình vệ tinh và truyền hình cáp Mã trong áp dụng mã vòng xoắn, cũng giống như trong truyền hình vệ tinh, với các tỷ lệ mã hóa khác nhau.
Khoảng bảo vệ mềm dẻo cho phép thiết kế hệ thống linh hoạt với nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm mạng đơn tần diện rộng và máy phát đơn lẻ, giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng tần.
Kỹ thuật OFDM có khả năng thích ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau thông qua hai lựa chọn về số lượng sóng mang Nó sử dụng ba sơ đồ điều chế là QPSK, 16 QAM và 64 QAM, cùng với các khoảng bảo vệ đa dạng, cho phép hoạt động hiệu quả trong cả mạng đơn tần nhỏ và lớn.
Trong một điều kiện nhất định, việc thu chương trình truyền hình từ nhiều máy phát cùng tần số mang lại nhiều lợi ích Điều này chỉ khả thi khi các máy phát này phát sóng một chương trình truyền hình được đồng bộ chặt chẽ, tạo thành một mạng đơn tần hiệu quả.
Hệ thống hỗ trợ hai mức mã kênh và điều chế phân cấp, với sơ đồ khối có các phần vẽ đứt nét như trong hình 2.1 Bộ chia tín hiệu đầu vào thành hai dòng tín hiệu MPEG độc lập: một dòng có độ ưu tiên cao và một dòng có độ ưu tiên thấp Hai dòng bít này được phân bố trên biểu đồ chòm sao thông qua khối Mapper.
Thực hiện bằng cách sử dụng COFDM
Để đáp ứng yêu cầu và tính năng của truyền hình số mặt đất, nhóm nghiên cứu DVB-T đã phát triển phương thức điều chế COFDM Phương thức này không chỉ mang lại nhiều ưu điểm mà còn là nguyên lý cốt lõi của hệ thống DVB-T.
Ghép đa tần trực giao OFDM
Nguyên lý OFDM
COFDM là một phương thức ghép kênh đa sóng mang trực giao, sử dụng các hình thức điều chế số cơ sở cho từng sóng mang Phương thức điều chế COFDM rất phù hợp với các yêu cầu trong phát hình mặt đất.
COFDM là công nghệ lý tưởng cho truyền sóng trong điều kiện nhiều đường, ngay cả khi có độ trễ lớn giữa các tín hiệu Điều này dẫn đến khái niệm mạng đơn tần (SFN), trong đó nhiều máy phát phát cùng một tín hiệu trên cùng một tần số, tạo ra hiệu ứng "nhiều đường nhân tạo" Ngoài ra, COFDM cũng hiệu quả trong việc khắc phục nhiễu đồng kênh dải hẹp, một vấn đề phổ biến trong các dịch vụ truyền hình tương tự do sóng mang gây ra.
COFDM đã được lựa chọn cho hai tiêu chuẩn phát sóng quan trọng là DVB-T và DAB nhờ vào các ưu điểm vượt trội của nó Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, sẽ có những lựa chọn và yêu cầu khác nhau Đặc biệt, ưu thế của COFDM trong việc xử lý hiện tượng nhiều đường và nhiễu chỉ được phát huy tối đa khi có sự lựa chọn tham số cẩn thận và chú trọng đến phương pháp sử dụng mã sửa lỗi.
Ý tưởng đầu tiên của COFDM xuất phát từ việc xử lý sự suy yếu trong phát sóng các kênh mặt đất, nơi mà đáp ứng của kênh không đồng nhất ở từng dải tần nhỏ do nhiều tín hiệu nhận được, bao gồm tín hiệu chính và tín hiệu echo Để giải quyết vấn đề này, cần phân tách luồng dữ liệu và truyền tải trên nhiều dải tần số nhỏ cách biệt, sử dụng kỹ thuật điều chế dữ liệu lên nhiều sóng mang dựa trên FDM Để khôi phục dữ liệu bị mất, mã hóa dữ liệu trước khi phát là cần thiết Những đặc điểm chủ chốt của COFDM đã khiến nó trở nên rất phù hợp cho các kênh mặt đất.
• Các sóng mang trực giao - orthogonality (COFDM)
• Chèn thêm các khoảng bảo vệ - guard interval
• Sử dụng mã sửa lỗi (COFDM), xen bit - symbol và thông tin trạng thái kênh
Phần này chúng ta sẽ cùng giải thích các đặc điểm này cũng như ý nghĩa của chúng.
Số lượng sóng mang
Khi điều chế thông tin số cho một sóng mang, mỗi ký hiệu sẽ truyền sóng mang với biên độ và pha xác định Biên độ và pha này được lựa chọn dựa trên chòm sao điều chế Mỗi ký hiệu mang một lượng bít thông tin nhất định, tương ứng với logarit (cơ số 2) của số trạng thái khác nhau trong chòm sao.
Khi có hai đường tín hiệu nhận được với độ trễ tương đối, máy thu sẽ giải điều chế dữ liệu cho symbol thứ n bằng cách xem xét toàn bộ thông tin liên quan, bao gồm cả thông tin thu trực tiếp và thông tin thu được do độ trễ.
Khi khoảng trễ vượt quá một chu kỳ symbol, tín hiệu thu được từ đường thứ hai sẽ trở thành nhiễu thuần túy, vì nó chỉ chứa thông tin của các symbol trước đó Nhiễu giữa các symbol (ISI) cho thấy rằng chỉ một phần nhỏ tín hiệu trễ ảnh hưởng đến chu kỳ symbol mong muốn, và mức độ chính xác phụ thuộc vào chòm sao sử dụng cũng như mức suy hao có thể chấp nhận.
Khi khoảng trễ nhỏ hơn một chu kỳ symbol, một phần tín hiệu từ đường thứ hai được coi là nhiễu do mang thông tin của symbol trước đó Mặc dù phần còn lại chứa thông tin của symbol mong muốn, nhưng sự đóng góp này có thể hữu ích hoặc tiêu cực đối với thông tin từ đường thu chính thức.
Hình 1.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol
Để giải quyết các mức tín hiệu trễ khác nhau, tốc độ symbol cần giảm xuống, nhằm đảm bảo tổng khoảng trễ giữa tín hiệu đầu tiên và tín hiệu cuối cùng chỉ chiếm một phần nhỏ của chu kỳ symbol Khi đó, thông tin mà một sóng mang đơn có thể vận chuyển sẽ bị hạn chế do hiệu ứng nhiều đường Nếu sóng mang không đáp ứng được tốc độ thông tin yêu cầu, ý tưởng chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng song song với tốc độ thấp hơn sẽ xuất hiện, mỗi dòng được vận chuyển bởi một sóng mang, dẫn đến việc sử dụng nhiều sóng mang Đây là một dạng của FDM, đánh dấu bước đầu tiên tiến tới COFDM.
Mặc dù ISI vẫn có thể tồn tại với các symbol trước đó, để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng này, cần kéo dài khoảng truyền của một symbol lớn hơn khoảng tổng hợp tín hiệu mà máy thu nhận Do đó, việc chèn thêm khoảng bảo vệ có thể là một giải pháp hiệu quả.
Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT
Việc sử dụng nhiều sóng mang có thể gặp khó khăn thực tiễn do yêu cầu về bộ điều chế, giải điều chế và bộ lọc Tuy nhiên, những lo ngại này có thể được giải quyết bằng cách sắp xếp các sóng mang cách đều nhau với khoảng fU = 1/TU, trong đó TU là khoảng symbol hữu ích, miễn là các sóng mang được đặt theo phương pháp trực giao.
Bộ giải điều chế tín hiệu cao tần không nhận diện được các tín hiệu cao tần khác, dẫn đến việc không bị nhiễu bởi những tín hiệu này.
Điểm phổ có năng lượng cao nhất nằm tại điểm bằng không của sóng mang, giúp tối ưu hóa việc sử dụng phổ mà không bị lãng phí Các sóng mang được đặt gần nhau, do đó dải phổ tổng thể tương tự như trong điều chế sóng mang đơn, miễn là chúng được điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng Để củng cố tính trực giao, việc áp dụng khoảng bảo vệ là cần thiết.
Các sóng mang được điều chế có thể phân tích thành các số phức, và nếu khoảng tổ hợp trải dài theo 2 symbol, sẽ xuất hiện nhiễu ISI và ICI Để giảm thiểu tình trạng này, việc chèn khoảng bảo vệ là cần thiết nhằm đảm bảo thông tin tổng hợp đến từ cùng một symbol và xuất hiện một cách cố định.
Hình 1.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ
Mỗi khoảng symbol được kéo dài sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU, do tất cả các sóng mang đều tuần hoàn trong TU Đoạn thêm vào ở đầu symbol để tạo khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài ở cuối symbol Miễn là độ trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol, đảm bảo tiêu chuẩn trực giao ICI và ISI chỉ xảy ra khi độ trễ vượt quá khoảng bảo vệ Độ dài khoảng bảo vệ được chọn phù hợp với mức độ hiện tượng nhiều đường, với DAB sử dụng khoảng bảo vệ xấp xỉ TU / 4 và DVB-T có nhiều lựa chọn nhưng tối đa cũng chỉ là TU / 4.
Sự suy giảm tính trực giao có thể do nhiều yếu tố gây ra, dẫn đến hiện tượng ICI Các nguyên nhân bao gồm lỗi trong bộ tạo dao động nội, vấn đề trong việc lấy mẫu tần số của máy thu, và tín hiệu tạp pha (phase-noise) trong các bộ tạo dao động nội Tuy nhiên, trong thực tế, các ảnh hưởng này có thể được kiểm soát và giữ ở mức chấp nhận được thông qua việc sử dụng FFT.
Chúng ta đã tránh được hàng ngàn bộ lọc nhờ tính trực giao, nhưng việc thực hiện giải điều chế các sóng mang và các bộ ghép kênh vẫn là một thách thức Thực tế, tín hiệu thu được được lấy mẫu theo định lý Nyquist, khiến quá trình tổ hợp trở thành quá trình tổng kết Giải điều chế dựa vào biến đổi Fourier rời rạc (DFT), và việc thực hiện biến đổi Fourier nhanh (FFT) đã có sẵn, giúp xây dựng thiết bị COFDM phòng thí nghiệm dễ dàng Các phiên bản chung của FFT hoạt động dựa trên các mẫu thời gian 2M và vận chuyển cùng số lượng hệ số tần số tương ứng với dữ liệu được giải điều chế từ nhiều sóng mang Tuy nhiên, không phải tất cả các hệ số đều tương ứng với các sóng mang tích cực do việc lấy mẫu theo giới hạn Nyquist Biến đổi FFT ngược được sử dụng trong máy phát để tạo ra tín hiệu OFDM từ dòng dữ liệu đầu vào.
Mỗi symbol và sóng mang được điều chế bởi các số phức từ tập chòm sao, với việc nhiều trạng thái trong chòm sao cho phép mỗi sóng mang vận chuyển nhiều bit hơn Tuy nhiên, khi các điểm trong chòm sao gần nhau, khả năng chống lỗi sẽ giảm do công suất phát cố định Do đó, cần cân nhắc giữa tốc độ truyền tải và mức độ lỗi.
Tại máy thu, giá trị giải điều chế tương ứng được nhân với một số phức tùy ý, phản ánh đáp ứng kênh tại tần số sóng mang Quá trình này cho phép chòm sao quay luân phiên và thay đổi kích cỡ Để xác định điểm trong chòm sao mà chúng ta gửi đi, cần áp dụng các phương pháp phù hợp để phân tích và xử lý tín hiệu.
Cách đơn giản là giải điều chế vi sai (differential demodulation), kiểu như
DQPSK trong DAB sử dụng sự thay đổi pha của symbol để truyền thông tin, và nếu kênh thay đổi đủ chậm, sẽ không gặp vấn đề về đáp ứng kênh Việc áp dụng giải điều chế visai có thể dẫn đến suy giảm do nhiễu tạp âm nhiệt, nhưng DAB không yêu cầu hệ thống chống lỗi mạnh Đối với các yêu cầu tốc độ cao hơn như trong DVB-T, giải điều chế kết hợp sẽ mang lại lợi ích lớn hơn, khi đó đáp ứng kênh được xác định và chòm sao nhận được được cân bằng trước khi xác định bit đã truyền Để thực hiện điều này trong DVB-T, cần phát kèm một số pilot phân tán (scattered pilots) và sau đó thực hiện phép nội suy với bộ lọc một chiều hoặc hai chiều để cân bằng tất cả chòm sao mang dữ liệu.
Hình 1.4: Chèn thêm các scattered pilot
Tổ chức kênh trong OFDM
Các đặc tính của kênh truyền dẫn không cố định trong miền thời gian Nhưng trong một khoảng thời gian ngắn thì thường là ổn định a - Phân chia kênh
COFDM đã phân chia kênh truyền dẫn trong cả miền thời gian và miền tần số, tổ chức kênh RF thành các "dải tần phụ" hẹp để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
"đoạn thời gian" liên tiếp nhau Xem trên hình 1.5 sau đây
Hình 1.6 minh họa sự thay đổi đáp ứng kênh theo thời gian với hai đường trễ, mỗi đường có độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính.
Trục z miêu tả đáp ứng kênh b - Chèn các sóng mang phụ
Trong mỗi symbol OFDM, mỗi dải tần phụ được gán một sóng mang phụ Để giảm thiểu nhiễu giữa các sóng mang, chúng được sắp xếp vuông góc với nhau, với khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo của một chu kỳ symbol.
Hình 1.7: Chèn các sóng mạng phụ c - Chèn khoảng bảo vệ
Do sự xuất hiện của các "echo" từ các bản sao tín hiệu gốc bị trễ, hiện tượng nhiễu liên symbol xảy ra giữa phần cuối của symbol OFDM và phần đầu của symbol tiếp theo Để khắc phục vấn đề này, một khoảng bảo vệ được chèn vào mỗi symbol, như minh họa trong hình 1.8.
Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ
Trong khoảng bảo vệ này, mà thực ra tương ứng với một nhiễu giao thoa giữa các symbol, các máy thu sẽ bỏ qua tín hiệu thu được
Để giải điều chế tín hiệu OFDM một cách chính xác, các máy thu cần lấy mẫu tín hiệu đúng trong khoảng hữu ích của symbol, bỏ qua khoảng bảo vệ Điều này yêu cầu thiết lập một cửa sổ thời gian chính xác cho mỗi chu kỳ symbol diễn ra.
Hệ thống DVB-T sử dụng các sóng mang "pilot", trải đều đặn trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò làm các điểm đánh dấu đồng bộ, như trên hình 1.10:
Hình 1.10: Các sóng mạng đồng bộ
Các tính năng như phân chia kênh, mã hoá dữ liệu, chèn khoảng bảo vệ và các sóng mang đồng bộ đã hình thành nên các đặc tính cơ bản của phương thức điều chế COFDM.
Mặc dù các tính năng này có thể làm giảm tốc độ tải thông tin, nhưng chúng ta vẫn có thể tìm cách cân bằng giữa khả năng chống lỗi và dung lượng kênh.
Để hỗ trợ các nhà phát hình trong việc sử dụng hệ thống truyền dẫn phù hợp với từng điều kiện cụ thể, DVB-T cung cấp nhiều tham số lựa chọn như kích cỡ FFT (2K, 8K), tỷ lệ mã hóa (1/2, 2/3, 3/4) và khoảng bảo vệ (1/4 TS, 1/8 TS, 1/16 TS).
Phương thức mang dữ liệu trong COFDM
COFDM cho phép truyền tải dữ liệu hiệu quả bằng cách trải rộng trên cả miền thời gian và miền tần số, đồng thời sử dụng mã hóa vòng để bảo vệ thông tin.
COFDM sử dụng xen tần số để khắc phục hiện tượng fading tần số giữa các dải tần cận kề, giúp các bit dữ liệu liên tiếp được trải ra trên các sóng mang cách biệt nhau.
Hình 1.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol
Trong DVB-T, việc ánh xạ dữ liệu lên các ký hiệu OFDM thực chất là quá trình điều chế từng sóng mang riêng biệt, có thể sử dụng một trong ba chòm sao tọa độ phức 4QAM, 16QAM hoặc 64QAM.
Hình 1.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T
Tùy thuộc vào loại điều chế được chọn, mỗi chu kỳ symbol cho mỗi sóng mang sẽ truyền đi 2 bit (4QAM), 4 bit (16QAM) hoặc 6 bit (64QAM) Mỗi dạng điều chế có khả năng chống lỗi khác nhau, trong đó 4QAM có độ dung sai chịu nhiễu lớn gấp 4 đến 5 lần so với 64QAM.
Mã hóa kênh trong DVB-T
Mã hóa phân tán năng lượng
Hình 1.13: Sơ dồ miêu tả nguyên lý ngẫu nhiên, giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu
Nén theo tiêu chuẩn MPEG-2 có độ dài 188 byte (gồm 1Byte đồng bộ và
Quá trình xử lý dữ liệu bắt đầu từ MSB (bit "0") của byte đồng bộ gói (01000111) và dữ liệu sẽ được ngẫu nhiên hoá để đảm bảo truyền dẫn không bị lỗi, theo sơ đồ trong hình 1.13.
Thanh ghi dịch tạo ra chuỗi giả ngẫu nhiên gồm có 15 bit Đa thức tạo chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên sẽ là: 1 + x14 + x15
Việc khởi tạo chuỗi giả ngẫu nhiên được thực hiện bằng cách nạp chuỗi
Trong quá trình khởi tạo, chuỗi “1001010101000000” được nạp vào thanh ghi dịch sau mỗi 8 gói MPEG-2 Để tạo tín hiệu ban đầu cho bộ tách, byte đồng bộ trong gói MPEG-2 đầu tiên sẽ được đảo bit từ 47HEX thành B8HEX Quá trình này được gọi là “phối hợp ghép truyền tải”.
Việc thực hiện ngẫu nhiên hoá chỉ áp dụng cho các byte số liệu, trong đó bit đầu tiên từ thanh ghi dịch sẽ được tích chập với bit đầu tiên của byte đầu tiên, sau đó là byte đồng bộ đã được đảo bit (B8HEX) Để hỗ trợ các chức năng đồng bộ khác, khi 7 byte đồng bộ từ 7 gói tiếp theo được truyền, chuỗi PRBS vẫn hoạt động nhưng đầu ra của thanh ghi dịch bị khoá, dẫn đến các byte này không được ngẫu nhiên hoá Do đó, chu kỳ của PRBS là 1503 bytes.
Mã ngoại (outer coding)
Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed-Solomon RS (204, 188, t=8) để mã hóa dữ liệu đã được ngẫu nhiên hóa, tạo ra các gói dữ liệu được bảo vệ lỗi hiệu quả.
Mỗi gói dữ liệu được mã hóa theo mã RS (204,188, t=8) sẽ được bổ sung 20 bytes sửa lỗi, cho phép sửa chữa tối đa 8 lỗi Đa thức tạo mã được sử dụng là G(x) = (x + λ0)(x + λ1)(x + λ2) (x + λ15) với λ = 02 HEX.
Mã RS ngắn được tạo ra bằng cách thêm 51 byte, tất cả là “0”, trước khi dữ liệu được mã hóa Sau khi hoàn tất quá trình mã hóa RS, các byte rỗng sẽ bị loại bỏ, để lại số byte mã RS là N = 204 byte.
Ghép xen ngoại (outer interleaving)
Sơ đồ nguyên lý ghép ngoại được trình bày trong hình 1.14, trong đó ghép chập kiểu byte với độ sâu ghép l được áp dụng cho các gói lấy ra từ bộ mã ngoại Cấu trúc dữ liệu sau khi ghép được thể hiện trong hình 2.15-d, và quá trình này dựa trên tiếp cận tương hợp với tiếp cận Ramsey kiểu III, trong khi l là tiếp cận Forney Các byte dữ liệu được ghép là byte số liệu trong gói đã được bảo vệ lỗi, được giới hạn bởi byte đồng bộ (có thể đảo hoặc không đảo), với chu kỳ chèn là 204 byte.
Bộ ghép bao gồm 12 nhánh kết nối theo kiểu vòng, sử dụng chuyển mạch đầu vào để xử lý các byte số liệu Mỗi nhánh j hoạt động như một thanh ghi dịch First in - First out, với kích thước j x M ô nhớ, trong đó M = 17 và N = 204 byte.
Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại
Hình 1.15: Các bước trong quá trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại
Mỗi ô trong thanh ghi dịch chứa 1 byte, và việc đồng bộ hóa đầu vào và đầu ra của bộ ghép là rất quan trọng Để đảm bảo sự đồng bộ, byte SYNC và SYNC1 cần được truyền qua nhánh “0” của bộ ghép.
Mã hoá nội (inner coding)
Bộ mã nội sử dụng mã chập lỗ cho phép lựa chọn các tốc độ mã hoá khác nhau như 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 và 7/8 Các phương pháp mã hoá này dựa trên mã chập với tốc độ 1/2, có 64 trạng thái được gọi là mã mẹ Sơ đồ nguyên lý thực hiện mã chập với tốc độ 1/2 được trình bày trong hình 2.16, với đa thức tạo mã G1 = 171 oct cho đầu ra X và G2 = 23 oct cho đầu ra Y Bảng dưới đây cung cấp chuỗi bit truyền dẫn tương ứng với các tốc độ mã hoá khác nhau, trong đó X và Y là hai đầu ra của bộ mã chập.
Tốc độ mã hoá cao dẫn đến dòng số liệu lớn hơn, nhưng đồng thời cũng làm tăng tỉ số C/N Với tốc độ mã hoá 1/2, dòng số liệu đạt mức tối đa, tuy nhiên tỉ số C/N cũng ở mức cao nhất, phù hợp cho các kênh có độ nhiễu mạnh.
7/8 tạo ra dòng số liệu nhỏ nhất nhưng tỉ số C/N thấp nhất nên được dùng cho các kênh ít bị nhiễu
Hình 1.16: Sơ đồ thực hiện mã chập tốc độ 1/2
Tốc độ mã r Sơ đồ puncturing
Dãy đƣợc truyền sau khi biến đổi song song - nối tiếp
Bảng 1.1: Sơ đồ puncturing và dãy được truyền sau khi biến đổi nối tiếp song song
Tiêu chuẩn OFDM cho phép lựa chọn 3 phương thức điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM.
Ghép xen nội
Bộ ghép xen nội gồm 2 khối: ghép kiểu bit và ghép kiểu ký tự a- Bộ ghép kiểu bit
Luồng số liệu đưa vào bộ ghép nội kiểu bit (có thể lên tới 2 luồng) được tách thành v luồng con v Loại điều chế
Trong trường hợp không phân cấp, dữ liệu được tách thành v luồng số liệu con
Trong quá trình phân cấp dữ liệu, có hai luồng chính: luồng ưu tiên cao và luồng ưu tiên thấp Luồng ưu tiên cao sẽ được chia thành hai luồng con, trong khi luồng ưu tiên thấp sẽ được tách thành v-2 luồng con.
Quá trình tách các luồng con này được xem như việc chuyển các bit xdi thành các bit đầu ra be,do
Trong kiểu không phân cấp: xdi = b[di(mod)v](div)(v/2)+2[di(mod)(v/2)],di(div)v
Trong kiểu phân cấp: x'di = bdi(mod)2,di(div)2; x''di = b[di(mod)(v-2)](div)((v-2)/2)+2[di(mod)((v-2)/2+2,di(div)(v-2)
Trong quá trình tách bit, xdi được đưa vào chế độ không phân cấp, trong khi x'di và x''di lần lượt là bit của luồng ưu tiên cao và thấp trong chế độ phân cấp Chỉ số bit đầu vào được xác định bằng di, và các bit được lấy ra khỏi bộ tách là be, do Chỉ số luồng bit được tách được ký hiệu là e, với điều kiện 0 ≤ e ≤ v Cuối cùng, o đại diện cho chỉ số bit của luồng bit tại đầu ra bộ ghép Sau khi hoàn tất quá trình tách, các bit sẽ được ánh xạ theo quy định.
16 QAM không phân cấp 16 QAM phân cấp x0 ⇒ b0,0 x‟0 ⇒ b0,0 x1 ⇒ b2,0 x1‟ ⇒ b1,0 x2 ⇒ b1,0 x‟‟0 ⇒ b2,0 x3 ⇒ b3,0 x”1 ⇒ b3,0
64 QAM không phân cấp 64 QAM phân cấp x0 ⇒ b0,0 x‟0 ⇒ b0,0 x1 ⇒ b1,0 x1‟ ⇒ b1,0 x2 ⇒ b2,0 x‟‟0 ⇒ b,2,0 x3 ⇒ b4,0 x”1 ⇒ b4,0 x4 ⇒ b3,0 x‟‟2 ⇒ b,3,0 x5 ⇒ b5,0 x”3 ⇒ b5,0
Hình 1.17 Sơ đồ thực hiện việc ghép nội và mapping theo mô hình không phân cấp
Hình 1.18: Sơ đồ thực hiện việc ghép nội và mapping theo mô hình phân cấp
Với mỗi một bộ ghép bit, đầu vào sẽ là:
B(e) = (be,0, be,1,be,2,be,3 be,125) (0≤ e≤ v) Vector lấy ra khỏi mỗi bộ ghép bit là:
A(e) = (ae,0, ae,1, ae,2, ae,3, ae,125) Trong đó các ae,w với w = 0, 1, 2 125 được xác định như sau: ae,w = be He(w) là hàm hoán vị được xác định như sau:
Bộ ghép bit Hàm hoán vị H(w) I0 H0(w) = w
Hàm I5 H5(w) = (w + 84) mod 126 tạo ra đầu ra từ bộ ghép bit, được nhóm thành các ký tự dữ liệu Mỗi ký tự dữ liệu bao gồm v bit, được lấy từ v bộ ghép bit, dẫn đến đầu ra của bộ ghép bit là các ký tự y‟ với v bit: y‟w = (a0,w, a1,w, av-1,w).
Bộ ghép ký tự có chức năng đặt các ký tự với v bit lên sóng mang 1512 (mode 2k) hoặc 6048 (mode 8k) Quá trình ghép ký tự được thực hiện trên các khối dữ liệu có kích thước tương ứng là 1512 (mode 2k) hoặc 6048 (mode 8k).
Vì vậy trong mode 2k, 12 nhóm mỗi nhóm có 126 ký tự dữ liệu lấy từ bộ ghép bit sẽ được đọc một cách tuần tự vào trong vectơ
Trong mode 8k, 48 nhóm mỗi nhóm có 126 ký tự dữ liệu được đọc vào trong vector:
Vector Y được tạo ra từ Y' = (y0', y1', y2', , y6047') sau khi ghép là Y = (y1, y2, y3, , yNmax-1) Trong đó, yH(q) = y'q cho các chỉ số chẵn q = 0, , Nmax-1, và yq = y'H(q) cho các chỉ số lẻ q = 0, , Nmax-1.
Nmax = 1512 trong mode 2k và Nmax = 6048 trong mode 8k H(q) là hàm hoán vị được tính như sau:
R‟i là từ có (Nr-1) bit, trong đó Nr = log2Mmax Mmax = 2048 trong mode 2k Mmax = 8192 trong mode 8k
R‟i được xác định như sau: i=0,1 R‟i [Nr-2,Nr-3, ,1,0] =0,0 0 i=2 R‟i [Nr-2,Nr-3, ,1,0] =0,0 ,1
2