Nghiên cứu hệ thống MISCO OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB t2

Sự hoạt động của các hệ thống truyền hình số mặt đất phụ thuôc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading, độ rộng băng thông, điều kiện đường truyền thay đổi một các

1

Mục lục

Mục lục 1

Các thuật ngữ viết tắt 4

Mục lục hình 5

Mục lục bảng 7

Lời mở đầu 8

Chương 1 Giới thiệu 9

1.1 Động lực 9

1.2 Cấu trúc đồ án 9

Chương 2 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 11

2.1 Tổng quan về hệ thống truyền hình số 11

2.1.1 Đặc điểm 11

2.1.2 Các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất 11

2.2 Sơ lược truyền hình số mặt đất 12

2.2.1 Sơ lược hệ thống truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T 12

2.2.2 Sơ lược về hệ thống truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T2 13

2.3 Giới thiệu hệ thống truyền hình số DVB – T2 15

2.3.1 Những tiêu chí cơ bản của DVB-T2 15

2.3.2 Mô hình cấu trúc DVB-T2 16

2.3.3 Đặc điểm lớp vật lý của DVB-T2 18

2.3.4 Những giải pháp kỹ thuật cơ bản 20

2.3.5 Ưu thế của DVB–T2 so với DVB–T 30

2.3.6 Khả năng ứng dụng DVB-T2 tại Việt Nam 32

Chương 3 Tổng quan về OFDM 34

3.1 Sơ lược về OFDM 34

3.2 Các khái niệm liên quan đến OFDM 34

3.2.1 Hệ thống đa sóng mang 34

2

3.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM 35

3.3 Khái niệm OFDM 36

3.4 So sánh FDM và OFDM 37

3.5 Sơ đồ hệ thống OFDM 38

3.5.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 39

3.5.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM 39 3.5.3 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM 41

3.6 Sự trực giao (Orthogonal) 43

3.7 Tiền tố lặp CP 45

3.8 Điều chế trong OFDM 47

3.8.1 Điều chế BPSK 47

3.8.2 Điều chế QPSK 49

3.8.3 Điều chế QAM 51

3.8.4 Mã Gray 52

3.9 Đánh giá về kỹ thuật OFDM 55

3.9.1 Ưu điểm của OFDM 55

3.9.2 Nhược điểm của OFDM 55

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO–OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB–T2 57

4.1 Giới thiệu kỹ thuật MISO 57

4.1.1 Tăng ích 59

4.1.2 Tăng ích phân tập 59

4.1.3 Tăng ích ghép kênh 60

4.1.4 Cân bằng giữa tăng ích phân tập và tăng ích ghép kênh 60

4.1.6 Cấu trúc máy thu 63

4.2 Ứng dụng MISO-OFDM trong DVB-T2 65

4.2.1 Xử lý MISO 69

4.2.2 Chèn Pilot 70

4.2.3 Ánh xạ tế bào dữ liệu vào sóng mang OFDM 74

3

4.2.4 Điều chế IFFT OFDM 74

Chương 5 Mô phỏng hệ MISO-OFDM trong DVB-T2 78

5.1 Giới thiệu 78

5.2 Cấu trúc mô phỏng 78

5.3 Thông số cấu hình 81

5.4 Kết quả và nhận xét 82

Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo 85

Tài liệu tham khảo 87

IFFT : Biến đổi Furrier ngược nhanh

FDM : Ghép kênh phân chia theo tần số

OFDM : Ghép kênh phân chia tần số trực giao

QAM : Điều chế biên độ cầu phương

HDTV : Truyền hình phân giải cao

PAPR : Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

SNR : Signal-to-Noise Ratio

5

Mục lục hình

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống DVB-T 13

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống DVB-T2 14

Hình 2.3: Sơ đồ khối chức năng và giao diện DVB-T2 17

Hình 2.4: Sơ đồ khối DVB-T2 lớp vật lý 18

Hình 2.5: Các PLP khác nhau hiện diện trên các lát thời gian khác nhau 21

Hình 2.6: Khung T2 đối với kênh RF đơn, chế độ đa PLP (ở đây là 5 PLP) 22

Hình 2.7: Mật độ phổ công suất đối với 2 K và 32 K 23

Hình 2.8: Mô hình MISO 24

Hình 2.9: Mẫu pilot phân tán cho DVB - T (trái) và DVB-T2 (phải) 25

Hình 2.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM 26

Hình 2.11: Chòm sao xoay 16-QAM 26

Hình 2.12: Đặc tính hệ thống khi có chòm sao xoay (xanh) và không xoay (đen) 27

Hình 2.13: Overhead của khoảng bảo vệ giảm với kích thước FFT lớn hơn 28

Hình 2.14: So sánh mã chống lỗi của DVB - T và DVB - T2 29

Hình 2.15: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 của AVG 33

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang 35

Hình 3.2: Ghép kênh phân chia theo tần số 35

Hình 3.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và 37

Hình 3.4: Phổ OFDM và FDM 38

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống OFDM 38

Hình 3.6: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM 44

Hình 3.7: Phổ của 4 sóng mang trực giao 45

Hình 3.8: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM 45

Hình 3.9: Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường 46

Hình 3.10: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 48

Hình 3.11: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 51

Hình 3.12: Chùm tín hiệu M-QAM 52

Hình 3.13: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray 53

6

Hình 3.14: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM 54

Hình 4.1: Mô hình một hệ thống MIMO với bốn anten phát (Tx), bốn anten thu (Rx) và các tín hiệu đi qua một kênh H 57

Hình 4.2: Cân bằng phân tập - ghép kênh 61

Hình 4.3: Sơ đồ khối của bộ mã hoá không – thời gian Alamouti 62

Hình 4.4 Độ phức tạp tính toán đối với máy thu Maximum Likelihood khi sử dụng điều chế 256QAM 65

Hình 4.5 Mô hình hệ thống DVB – T2 66

Hình 4.6: Sơ đồ triển khai các khối chức năng chi tiết trong DVB-T2 68

Hình 4.7: Qúa trình xử lý phần tải tin OFDM trong hệ thống MISO 69

Hình 4.8: Thu và phát MISO trong DVB-T2 70

Hình 4.9: Tạo chuỗi tham chiếu từ chuỗi PRBS và PN 71

Hình 4.10: Ví dụ về mẫu pilot PP1 cho MISO 73

Hình 5.1: Sơ đồ mô phỏng trên Simulink 80

Hình 5.2: Phổ lý thuyết tín hiệu DVB-T2 82

Hình 5.3: Phổ tín hiệu DVB-T2 mô phỏng 82

Hình 5.4: Biểu đồ chòm sao xoay phát đi và thu về 83 Hình 5.5: Tỉ lệ lỗi khi có MISO (1), không có MISO (2) (3) là tỉ lệ lỗi bit LDPC 83

7

Mục lục bảng

Bảng 2.1: So sánh DVB-T và DVB-T2 30

Bảng 2.2: Dung lượng tiềm năng tăng gần 50% so với dung lượng DVB - T cao nhất trước khi chuyển sang DVB-T2 tại UK 31

Bảng 2.3: Dung lượng tiềm năng tăng 67% trên mạng đơn tần SFN 32

Bảng 3.1: Ánh xạ điều chế 47

Bảng 3.2: Quan hệ bit điều chế và tọa độ tín hiệu QPSK 50

Bảng 3.3: Mã Gray 53

Bảng 4.1: Các tham số xác định mẫu pilot phân tán 72

Bảng 4.2: Các kết hợp cho phép trong chế độ SISO 72

Bảng 4.3: Các kết hợp cho phép trong chế độ MISO 72

Bảng 4.4: Chu kỳ nguyên tố tính theo băng thông 76

Bảng 4.5 Các thông số OFDM 76

Bảng 5.1: Thông số mô phỏng 81

hệ kế tiếp của các tiêu chuẩn truyền hình số cũng nhằm hướng tới mục tiêu này

Sự hoạt động của các hệ thống truyền hình số mặt đất phụ thuôc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading, độ rộng băng thông, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu Việc ứng dụng các hệ thống đa sóng mang, ghép kênh như OFDM trong truyền hình

là một hướng đi đúng đắn và đã được triển khai từ lâu nhưng kết quả đạt được chưa thực sự như mong muốn Trong thế hệ truyền hình số mặt đất thứ hai (DVB-T2), các nhà khoa học đã nâng cao một bước hiệu quả ứng dụng công nghệ này bằng một loạt cách thay đổi kỹ thuật then chốt như mã hóa sửa lỗi, phương thức điều chế, khoảng bảo vệ, thông tin báo hiệu,…

Trong khuôn khổ luận văn này, em xin phép được giới thiệu về Nghiên cứu hệ thống MISO – OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB – T2 Đây là

một trong những giải pháp kỹ thuật chủ yếu mang lại ưu thế về hiệu suât sử dụng băng thông và phạm vi phủ sóng của DVB-T2 so với thế hệ truyền hình trước Trong quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn

để luận văn được hoàn thiện hơn

Qua lời mở đầu, em xin được gửi lời trân trọng cảm ơn TS Đặng Quang Hiếu

đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục tiêu của đồ án này là nghiên cứu và mô phỏng trên phần mềm kỹ thuật MISO-OFDM trong bộ tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 nhằm đánh giá những ưu điểm mà kỹ thuật này mang lại so với các bộ tiêu chuẩn truyền hình số trước đây Kết quả nghiên cứu có thể được coi là cơ sở để đề xuất triển khai kỹ thuật này trong thực tế

Tiêu chuẩn DVB-T2 được đòi hỏi phải tương thích ngược với các cấu trúc anten hiện tại và do đó không đưa ra các mô hình yêu cầu có nhiều anten ở phía thu Nó chỉ hỗ trợ một mô hình phân tập duy nhất là MISO với phương thức mã hóa Alamouti cho hai anten phát Tuy nhiên lựa chọn này cũng đã phần nào đáp ứng đủ yêu cầu về tăng cường vùng phủ sóng và chất lượng đường truyền so với hệ thống DVB-T trước đây

Do còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết về việc triển khai và ứng dụng thực

tế nên việc mô phỏng một hệ thống MISO-OFDM trong DVB-T2 là cần thiết và nên được đầu tư nghiên cứu

1.2 Cấu trúc đồ án

Dựa trên những yêu cầu đặt ra với đề tài “Nghiên cứu hệ thống MISO – OFDM

và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB – T2”, cấu trúc luận văn như sau:

10

Chương 1: Giới thiệu

Giới thiệu chung một số khái niệm trong luận văn, trình bày mục đích, nội dung

và những yêu cầu đặt ra trong luận văn

Chương 2: Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2

Giới thiệu sơ lược về các tiêu chuẩn truyền hình số và trình bày tổng quan về hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 bao gồm các tiêu chí cơ bản, mô hình cấu trúc, đặc điểm lớp vật lý và những giải pháp kỹ thuật cơ bản Chương này đồng thời cũng trình bày những ưu điểm của chuẩn DVB-T2 so với DVB-T và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

Chương 3: Tổng quan về OFDM

Chương ba trình bày một số khái niệm liên quan và lý thuyết chung về kỹ thuật ghép kênh OFDM, đồng thời chương cũng đánh giá những ưu nhược điểm của kỹ thuật này

Chương 4: Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Chương bốn giới thiệu kỹ thuật MISO, lợi ích của mà nó mang lại đồng thời tập trung trình bày các vấn đề kỹ thuật khi ứng dụng MISO-OFDM trong DVB-T2

Chương 5: Mô phỏng MISO-OFDM trong DVB-T2

Chương năm trình bày quá trình mô phỏng MISO-OFDM với bộ thông số dùng trong DVB-T2 và đánh giá các kết quả thu được

2.1.1 Đặc điểm

Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền dẫn chương trình truyền hình là hệ thống nhiều kênh Tín hiệu truyền hình số yêu cầu băng tần rộng hơn, ngoài tín hiệu truyền hình còn kèm theo âm thanh và các thông tin khác như: thời gian chuẩn, các thông tin phụ… được ghép vào các khoảng trống của đường truyền

Ít bị tác động của nhiễu, khả năng chống nhiễu và sửa lỗi tốt hơn, có thể khắc phục được hiện tượng chồng phổ tín hiệu, hiện tượng bóng ma (Ghosts) so với truyền hình tương tự

Việc truyền tín hiệu số được thực hiện khi đảm bảo sự tương quan giữa các kênh truyền tín hiệu Do đó, các thông tin đồng bộ được đưa vào để đồng bộ các tín hiệu và có thể khóa mã dễ dàng

Quá trình xử lý tín hiệu số đơn giản hơn nhiều so với tín hiệu tương tự như: sửa đổi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần…

2.1.2 Các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất

Hiện tại trên thế giới chủ yếu sử dụng 3 tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số là :

12

- DVB-T/DVB-T2 (Digital Video Broadcasting-Terrestrial ) Tiêu chuẩn Châu

Âu

- ATSC (Advanced Television System Committee) Tiêu chuẩn của Mỹ

- ISDB-T (Intergrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial) Tiêu chuẩn của Nhật

Hiện nay, tại Việt Nam, các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình số đang áp dụng hai tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thuộc họ chuẩn DVB: DVB-T (VTC) và DVB-T2 (AVG, VTV) Xu hướng lựa chọn công nghệ đều hướng tới DVB-T2 do những ưu điểm về khả năng ghép nhiều kênh chương trình trên một kênh tần số hơn; hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số cao hơn; đáp ứng được với các dịch vụ truyền hình chất lượng cao HDTV, 3DTV… và khả năng triển khai mạng đơn tần diện rộng hiệu quả hơn Ngoài ra, giá thành thiết bị theo chuẩn DVB-T2 giảm đáng

kể và hiện nay tương đương với máy phát DVB-T

2.2 Sơ lược truyền hình số mặt đất

2.2.1 Sơ lược hệ thống truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T

DVB-T là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất chính thức được tổ chức ETSI công nhận (European Telecommunications Standards Institute) vào tháng 2 năm 1997 DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) COFDM là kỹ thuật có nhiều đặc điểm ưu việt, có khả năng chống phản xạ đa đường, phù hợp với các vùng dân cư có địa hình phức tạp, cho phép thiết lập mạng đơn tần (SFN – Single Frequency Network) và có khả năng thu di động, phù hợp với các chương trình có độ nét cao HDTV

DVB-T là thành viên của một họ các tiêu chuẩn DVB, trong đó bao gồm tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh, mặt đất, cáp

Ghép xen ngoài

Mã hóa trong (CC)

Ghép xen trong

Định vị (Mapper)

Thích ứng khung

IFFT

Chèn khoảng

IF=>RF Khuếch

đại

Lọc Bandpass

- Mã hóa COFDM trong DVB-T

- Mã sửa sai trước FEC: Mã RS và CC

- Khoảng thời gian bảo vệ

2.2.2 Sơ lược về hệ thống truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T2

Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 một chuẩn mới trong

họ tiêu chuẩn DVB được phát triển với mục đích tăng khả năng sử dụng băng tần, tăng dung lượng dữ liệu có thể truyền cũng như cải tiến chất lượng tín hiệu Trong các điều kiện thu tương đương so với DVB-T, DVB-T2 tăng dung lượng 30%, thậm chí trong một số trường hợp có thể tăng tới 67% [18] Ngoài ra, DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ đa đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T Điều này càng thuận lợi cho việc triển khai các dịch vụ quảng

bá mới với đòi hỏi nhiều dung lượng hơn Hiệu quả đạt được nhờ các cải tiến từ các đặc trưng lớp vật lý, tới cấu hình mạng, cũng như tối ưu quá trình thực thi để đạt được bộ thông số tối ưu cho các kênh truyền Chi tiết cấu trúc khung (Frame Structure), mã hoá kênh (Channel Coding) và quá trình điều chế được mô tả trong tiêu chuẩn ETSI EN 302 755

Xen thời gian PLP 0

Xen tế bào

Xen thời gian PLP 1

Tạo khung

Xen tần

Chèn khoảng bảo vệ

Chèn khoảng bảo vệ

Chèn ký

TX2 (tùy chọn)

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống DVB-T2

 Các kỹ thuật mới sử dụng trong DVB-T2

- Lớp vật lý: Mã hoá dịch vụ cụ thể dựa trên cơ chế Multiple Physical Layer Pipes – Multi-PLP (Đa ống lớn vật lý) cho phép điều chỉnh độc lập từng dịch

vụ cung cấp trên kênh truyền để đáp ứng các điều kiện tiếp nhận đối với điện thoại di động, anten thu trong nhà/trên mái nhà trong cùng một kênh truyền Đồng thời, cho phép các máy thu tiết kiệm năng lượng giải mã chỉ một dịch

vụ duy nhất, chứ không thiết phải giải mã toàn bộ các dịch vụ trong luồng ghép kênh

- Mã hoá Alamouti là phương pháp phân tập phát nâng cao vùng phủ trong mạng đơn tần quy mô nhỏ

- Chòm sao xoay giúp tăng độ ổn định của chòm sao xếp chặt

- Tăng cường đan xen về bit, tế bào, thời gian và tần số

- Cuối cùng, DVB-T2 định nghĩa một phương thức gọi là Future Extension Frames (FEF) – Khung mở rộng trong tương lai Phương thức này cho phép

áp dụng trên mạng DVB–T2 hiện tại

15

2.3 Giới thiệu hệ thống truyền hình số DVB – T2

DVB-T2 là thuật ngữ viết tắt của Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial, là phần mở rộng của chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T, ban hành bởi tổ chức DVB, tiêu chuẩn hóa bởi ETSI

Mặc dù DVB-T là một hệ thống linh hoạt cho phép các đài phát lựa chọn giữa các video codec và thông số truyền dẫn khác nhau phù hợp với yêu cầu của họ nhưng nhu cầu đối với một hệ thống mạnh mẽ với dung lượng cao hơn vẫn được đặt

ra [5] Từ đó, tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 đã được nhóm DVB Project công bố tháng 6/2008 Việc triển khai và phát triển các sản phẩm mới cho tiêu chuẩn mới này cũng đã bắt đầu DVB-T2 kế thừa những thành công của DVB-T với nhiều cải tiến về việc gia tăng dung lượng truyền dẫn Giống như DVB-T, DVB-T2 cũng sử dụng điều chế OFDM với một số lượng lớn sóng mang con để tạo ra một tín hiệu ổn định, cho phép hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau DVB-T2 sử dụng phương thức mã hóa sửa sai giống DVB-S2 và DVB-C2 là LDPC kết hợp với mã hóa BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquengham) Số lượng sóng mang, kích thước khoảng bảo vệ và tín hiệu pilot có thể điều chỉnh để tối ưu overhead đối với từng loại kênh truyền

Hiện nay, DVB-T2 là hệ thống kỹ thuật số mặt đất tiên tiến nhất thế giới, có các thông số về độ bền, sự linh hoạt và hiệu quả cao hơn các hệ thống truyền hình số mặt đất khác ít nhất 50% Đồng thời, hệ thống hỗ trợ các chuẩn truyền hình SD,

HD, Ultra HD, truyền hình di động [4]… Tại Việt Nam, kể từ ngày 11 tháng 11 năm

2011, công ty cổ phần Nghe Nhìn Toàn cầu AVG đã bắt đầu triển khai mạng đơn tần SFN phát sóng chuẩn DVB-T2 trên toàn quốc với ba kênh tần số là 57, 58, 59

2.3.1 Những tiêu chí cơ bản của DVB-T2

DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tương quan giữa các chuẩn trong họ DVB Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi giữa các tiêu chuẩn DVB phải thuận tiện ở mức có thể cao nhất Tổ chức DVB đã định nghĩa một

16

bộ các yêu cầu thương mại đóng vai trò nền tảng cho việc phát triển T2 Các yêu cầu này bao gồm [6]:

- Việc truyền dẫn T2 phải có khả năng sử dụng các anten thu gia đình hiện

có và phải có khả năng tái sử dụng các hạ tầng máy phát đang tồn tại (Yêu cầu này đã loại bỏ sự quan tâm tới kỹ thuật MIMO bởi nó sẽ cần tới các anten thu và phát mới)

- T2 phải hướng dịch vụ tới các máy thu cố định và di động trước tiên

- T2 phải cung cấp khả năng tăng dung lượng tối thiểu 30% so với DVB-T khi hoạt động trong cùng điều kiện và ràng buộc

- T2 phải nâng cao được hiệu suất của mạng đơn tần SFN so với DVB-T

- T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ cụ thể, cụ thể là phải có khả năng đưa ra các mức tin cậy khác nhau đối với một vài loại dịch vụ so với loại khác Chẳng hạn, trong một kênh đơn 8 MHz, nó phải có khả năng hướng một số dịch vụ cho điều kiện thu trên mái nhà và hướng các dịch vụ khác cho thu di động

- T2 phải có độ linh hoạt về băng thông và tần số

- Nếu có thể, T2 nên có cơ chế để giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu phát để giảm giá thành truyền sóng

2.3.2 Mô hình cấu trúc DVB-T2

Hệ thống DVB-T2 được chia thành 3 hệ thống con ở phía mạng phát (SS1, SS2, SS3) và 2 hệ thống con ở phía thu (SS4, SS5) như trình bày trong Hình 2.3 Về mặt giao diện, có hai giao diện tương ứng ở phía mạng (A và B) và một giao diện nội tại

máy thu (D) Giao diện RF (C) là chung cho cả network và phía thu [6]

17

SS1:

Mã hóa nén

và ghép kênh thống

SS5:

Giải mã MPEG

SS4:

Giải điều chế T2

SS5:

Giải mã MPEG

SS4:

Giải điều chế T2

SS5:

Giải mã MPEG

Hình 2.3: Sơ đồ khối chức năng và giao diện DVB-T2

SS1: Mã hoá và ghép kênh Hệ này có chức năng tạo ra các dòng truyền tải

MPEG-2 TS (MPEG-2 Transport Stream) và/hoặc luồng cơ sở (GS) Đối với các dịch vụ video thì khối này bao gồm việc nén (encoding) video/audio cùng với các thông tin phụ trợ PSI/SI hoặc báo hiệu lớp 2 (L2 Signalling) Thông thường việc mã hóa video (có thể cả audio) được thực hiện theo cơ chế tốc độ bit biến đổi VBR nhưng vẫn có một phần điều khiển chung để đảm bảo tốc độ bit tổng các luồng ghép kênh với nhau là không đổi (chèn thêm gói NULL) Khối này có chức năng hoàn toàn giống nhau đối với tất cả các chuẩn của DVB

SS2: T2-Gateway cơ bản Đầu vào của SS1 được định nghĩa trong [2], áp dụng

cho cả lớp vật lý DVB-T2 cơ bản và mở rộng mô tả trong phụ lục D của [1] Khối này thực hiện chức năng thích ứng Mode và thích ứng Stream cho DVB-T2, cùng với đó là khả năng cấp phát dung lượng và lập lịch

T2-Gateway cơ sở có đầu ra là dòng T2-MI là một chuỗi các gói T2-MI Mỗi gói T2-MI bao gồm hoặc một Baseband Frame, dữ liệu IQ Vector cho dòng phụ trợ hoặc thông tin báo hiệu (LI hoặc SFN) Dòng T2-MI chứa mọi thông tin cần thiết

18

để mô tả nội dung và thời gian phát của các khung T2 Mỗi dòng T2-MI có thể được cung cấp cho một hoặc một vài bộ điều chế trong mạng DVB-T2 Định dạng giao diện T2-MI được định nghĩa trong [3]

SS3: Bộ điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Modulator) Bộ điều chế DVB-T2 sử

dụng Baseband Frame và T2-Frame mang trong dòng T2-MI đầu vào để tạo ra DVB-T2 Frame và phát ra chúng vào thời điểm thích hợp khi được đồng bộ SFN

SS4: Giải điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Demodulator) Bộ giải điều chế SS4

nhận tín hiệu RF từ một hoặc nhiều máy phát (SFN Network) và cho một dòng truyền tải (MPEG-TS) tại đầu ra SS4 giao tiếp với SS5 thông qua giao diện D, một luồng TS chuẩn mang theo một hoặc nhiều dịch vụ cùng với các dữ liệu báo hiệu chung

SS5: Giải mã dòng truyền tải (Stream Decoder) Hệ SS5 nhận dòng truyền

tải (MPEG-TS) tại đầu vào và cho tín hiệu video/audio tại đầu ra Khối này hầu như giống nhau trong các chuẩn DVB, ngoại trừ một số thành phần báo hiệu L2 mới được định nghĩa cho DVB-T2

2.3.3 Đặc điểm lớp vật lý của DVB-T2

Mô hình lớp vật lý của DVB-T2 được trình bày trong Hình 1.4 Đầu vào hệ thống có thể là một hay nhiều dòng truyền tải MPEG-TS và/hoặc một hay nhiều dòng GS (Generic Stream) Các luồng đầu vào có thể được biến đổi bởi bộ tiền xử

lý trong T2 Gateway bởi tại điểm này trong sơ đồ, các luồng input phải tương ứng một – một với các kênh dữ liệu (gọi là tuyến dẫn lớp vật lý PLP) trong bộ điều chế Đặc điểm lớp vật lý ở đây sẽ tương đương với sự kết hợp của T2-Gateway cơ bản (SS2) và bộ điều chế (SS3) trong kiến trúc tham khảo Hình 2.3

Xử lý đầu vào

Xen bit,

Mã hóa

Ánh xạ Frame Điều chế

Luồng

đầu vào

Hệ thống T2

Hình 2.4: Sơ đồ khối DVB-T2 lớp vật lý

19

Đầu ra của lớp vật lý T2 là một tín hiệu cao tần RF trên một kênh RF đơn Tín hiệu đầu ra cũng có thể được chia thành hai đường để cung cấp cho anten thứ 2, thường ở một trạm phát khác, khi ở chế độ truyền dẫn MISO, sử dụng một dạng biến đổi của mã hóa Alamouti Nếu chỉ có một PLP thì sẽ chỉ có một kênh data liên tục được truyền đi Tuy nhiên, nếu có nhiều PLP thì các kênh data có thể được phân thời gian linh hoạt ở lớp vật lý, cho phép lựa chọn các thông số để ưu tiên tối ưu phân tập thời gian hay tối ưu công suất máy thu Hướng tiếp cận đa PLP và phân khe thời gian trong T2 cho phép các PLP khác nhau có thể áp dụng các mức độ mã hóa, điều chế và độ sâu xen các lát thời gian khác nhau, từ đó tạo ra các mức tin cậy khác nhau cho từng service Máy thu có thể tập trung tài nguyên giải mã của nó vào một PLP chứa những dữ liệu cần thiết

Việc xử lý dòng dữ liệu vào và FEC dù đã có cải tiến để nâng cao hiệu quả nhưng vẫn được lựa chọn sao cho tương thích với cơ chế tương đương sử dụng trong DVB-S2 Điều đó có nghĩa, DVB-T2 phải có cùng cấu trúc baseband-frame, baseband-header, cơ chế loại bỏ gói rỗng (Null packet) và đồng bộ luồng như DVB-S2 Việc cùng sử dụng LDPC/BCH FEC là một ví dụ Tuy nhiên, do đặc tính tự nhiên của điều chế mặt đất sử dụng trong DVB - T là dựa trên kỹ thuật khoảng bảo

vệ COFDM nên T2 cũng phải có các kỹ thuật ánh xạ chòm sao và xen bit mới Các thông số COFDM của DVB-T2 đã được mở rộng so với DVB-T, trong đó bao gồm:

20

Việc có một khoảng lựa chọn rộng hơn các thông số COFDM cho phép giảm đáng kể lỗi overhead, cùng với mã sửa sai mạnh hơn cho phép DVB-T2 đạt được dung lượng cao hơn DVB-T gần 50% đối với mạng MFN và thậm chí còn lớn hơn đối với mạng SFN [6]

DVB-T2 còn có một số tính chất mới góp phần cải thiện chất lượng hệ thống

- Cấu trúc khung (Frame Structure), trong đó có chứa symbol nhận diện đặc biệt được sử dụng để quét kênh (channel scanning) và nhận biết tín hiệu nhanh hơn, đồng thời nó cũng báo hiệu một số thông số cơ bản cấu trúc khung

- Chòm sao xoay, tạo thành một dạng phân tập điều chế, hỗ trợ việc thu tín hiệu có tốc độ mã cao

- Các giải pháp kỹ thuật đặc biệt nhằm giảm tỷ số giữa mức đỉnh và mức trung bình của tín hiệu phát

- Tuỳ chọn đối với khả năng mở rộng khung dữ liệu trong tương lai (FEF - future extension frame)

DVB-T2 được yêu cầu kế thừa những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn DVB khác Do đó nó phải chấp nhận 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốt của DVB-S2, cụ thể:

- Cấu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dữ liệu trong khung BB (Base Band Frame)

- Sử dụng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check)

Đầu ra của hệ thống thường là các tín hiệu đơn để truyền phát trên kênh vô tuyến RF Tuy nhiên, hệ thống có thể tạo tín hiệu ra thứ hai, được truyền tới hệ thống anten thứ hai và gọi là chế độ truyền phát MISO

2.3.4 Những giải pháp kỹ thuật cơ bản

 Ống lớp vật lý (Physical Layer Pipes - PLPs)

Đòi hỏi của thị trường đối với độ tin cậy theo đặc trưng dịch vụ và sự cần thiết phải có các loại dòng dữ liệu khác nhau đã dẫn tới khái niệm "ống" lớp vật lý hoàn

21

toàn trong suốt (Hình 2.5) có khả năng truyền tải dữ liệu độc lập với cấu trúc của nó

và cho phép lựa chọn tự do các thông số PLP khác nhau Cả dung lượng và độ tin cậy đều có khả năng điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng nhà cung cấp nội dung/dịch vụ, tuỳ thuộc vào loại đầu thu, môi trường

DVB-T2 còn cho phép "gán" các giá trị: đồ thị chòm sao, tỷ lệ mã và độ sâu xen thời gian cho từng PLP một cách độc lập Hơn nữa định dạng của nội dung cũng giống như cấu trúc khung cơ bản của DVB-S2

Hình 2.5: Các PLP khác nhau hiện diện trên các lát thời gian khác nhau

Đặc biệt, một nhóm dịch vụ sẽ chia sẻ các thành phần chung như bảng PSI/SI hoặc thông tin CA Để tránh phải nhân bản các thông tin này cho từng PLP, DVB-T2 đưa ra mô hình các PLP chung được chia sẻ bởi một nhóm PLP Như vậy, máy thu phải giải mã 2 PLP tại cùng 1 thời điểm khi thu một dịch vụ: PLP dữ liệu và PLP chung đi kèm Hai mode đầu vào điển hình được định nghĩa: đầu vào mode A

sử dụng duy nhất một PLP và đầu vào mode B sử dụng nhiều PLP

 Đầu vào mode A

Đầu vào mode A là mode đơn giản nhất Ở đây chỉ có duy nhất một PLP được

sử dụng, truyền tải duy nhất một dòng dữ liệu Hệ quả độ tin cậy của các nội dung thông tin là như nhau, tương tự như trong DVB-T

 Đầu vào mode B

Đầu vào mode B là mode tiên tiến được sử dụng cho mô hình nhiều PLP (Hình 2.6) Ngoài độ tin cậy cao đối với các dịch vụ nhất định, mode B còn cho phép khoảng xen thời gian dài hơn và tiết kiệm năng lượng hơn đối với đầu thu Do đó

 Các mode sóng mang mở rộng (đối với 8K, 16K, 32K)

Do phần đỉnh xung vuông trong đồ thị phổ công suất suy giảm nhanh hơn đối với kích thước FFT lớn, điểm ngoài cùng của phổ tín hiệu OFDM có thể trải rộng hơn, điều này cũng đồng nghĩa với việc nhiều sóng mang phụ trên một symbol được

sử dụng để truyền tải dữ liệu Độ lợi (gain) đạt được ở giữa 1.4% (8Kmode) và 2.1% (32Kmode) Hình 2.7 so sánh phổ của 2K so với 32K ở điều kiện bình thường

và trong mode sóng mang mở rộng Sóng mang mở rộng là 1 đặc tính tuỳ chọn, bởi

lẽ với đặc tính này khó có có thể đạt được mặt nạ phổ (spectrum mask) cũng như tỷ

số bảo vệ

23

Hình 2.7: Mật độ phổ công suất đối với 2 K và 32 K

 MISO dựa trên Alamouti (trên trục tần số)

Mặc dù DVB - T hỗ trợ mạng đơn tần (SFN), sự hiện diện của tín hiệu có cường

độ mạnh tương tự nhau từ 2 máy phát trong một mạng sẽ gây ra tổn hao margin đáng kể bởi kênh thu được có thể có điểm "lõm" (deep notches) Để khắc phục hiện tượng này, máy phát đòi hỏi phải có công suất cao hơn

DVB-T2 có tuỳ chọn sử dụng kỹ thuật Alamouti với một cặp máy phát (Hình 2.8) Alamouti là một ví dụ của MISO (Multiple Input, Single Output), trong đó mỗi điểm của đồ thị chòm sao được truyền bởi một máy, còn máy phát thứ 2 truyền phiên bản có chỉnh sửa một chút của từng cặp của chòm sao với thứ tự ngược lại trên trục tần số Kỹ thuật Alamouti cho kết quả tương đương với phương thức thu phân tập trên phương diện đạt được sự kết hợp tối ưu giữa hai tín hiệu; tỷ số SNR thu được giống như với khi có công suất tổng của hai tín hiệu trong không gian Độ phức tạp máy thu tăng lên chút ít bao gồm việc cần thêm một vài bộ nhân cho xử lý Alamouti và một số phần của ước lượng kênh được nhân bản Overhead sẽ tăng

 Mẫu hình tín hiệu Pilot (Pilot Pattern)

Pilot phân tán (Scattered Pilots) của biên độ và pha định trước được chèn vào tín hiệu với khoảng cách đều nhau trên cả hai trục thời gian và tần số Pilot phân tán được máy thu sử dụng để đánh giá sự thay đổi trong đáp ứng kênh theo chiều thời gian và tần số

Trong khi DVB - T áp dụng cùng một mẫu hình tĩnh (static pattern) độc lập với kích thước FFT và tỉ số khoảng bảo vệ, DVB-T2 tiếp cận một cách linh hoạt hơn

25

bằng cách định nghĩa 8 mẫu khác nhau để có thể lựa chọn, tuỳ thuộc vào kích thước FFT và khoảng bảo vệ lựa chọn đối với mỗi đường truyền cụ thể Ví dụ trong Hình 1.9 mô tả overhead giảm từ 8% xuống 4% khi sử dụng mẫu PP3 cho khoảng bảo vệ 1/8

Hình 2.9: Mẫu pilot phân tán cho DVB - T (trái) và DVB-T2 (phải)

Đối với Pilot liên tục, tỷ lệ phần trăm trong DVB-T2 cũng phụ thuộc vào kích thước FFT, giúp giảm overhead từ 2.5% xuống 0.7% đối với chế độ FFT 8 K, 16 K

và 32 K mà không phải đánh đổi bằng khả năng đồng bộ tần số và thuật toán phát hiện CPE [6]

 Điều chế 256-QAM

Trong hệ thống DVB-T, phương thức điều chế cao nhất là 64-QAM cho phép truyền tải 6bit/symbol/sóng mang (có nghĩa là 6bit/tế bào OFDM) Ở DVB - T2, phương thức điều chế 256QAM (Hình 2.10) cho phép tăng lên 8bit/tế bào OFDM, tăng 33% hiệu suất sử dụng phổ và dung lượng dữ liệu đối với một tỷ lệ mã cho trước Thông thường, điều này đòi hỏi một tỷ số công suất sóng mang trên tạp nhiễu cao hơn (cao hơn 4 đến 5dB, tuỳ thuộc vào kênh truyền và tỷ lệ mã sửa sai), bởi lẽ khoảng cách Euclide giữa hai điểm cạnh nhau trên đồ thị chòm sao chỉ bằng khoảng 1/2 so với 64-QAM và do vậy đầu thu sẽ nhậy cảm hơn đối với tạp nhiễu Tuy nhiên, mã LDPC tốt hơn nhiều so với mã cuốn (Convolution code) và nếu chọn tỷ

lệ mã mạnh hơn một chút cho 256QAM so với tỷ lệ mã sử dụng trong 64-QAM của DVB-T, tỷ số công suất sóng mang trên tạp nhiễu C/N sẽ không thay đổi trong khi vẫn đạt được một độ tăng trưởng tốc độ bit đáng kể 256-QAM do vậy sẽ là một sự lựa chọn đầy hứa hẹn trên thực tế

26

Hình 2.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM

 Chòm sao xoay (Rotated Constellation)

Một trong số các kỹ thuật mới được sử dụng trong DVB-T2 là chòm sao xoay (Rotated Constellation) và trễ Q (Q-delay) Sau khi đã định vị, chòm sao được

"xoay" một góc trên mặt phẳng I-Q như mô tả trên Hình 2.11

Hình 2.11: Chòm sao xoay 16-QAM

Các thành phần I và Q được tách bởi quá trình xen sao cho chúng được truyền trên các tần số và tại các thời điểm khác nhau Nếu có một thành phần bị huỷ hoại

27

trên kênh truyền, thành phần còn lại có thể được sử dụng để tái tạo lại thông tin Chòm sao xoay sẽ đạt được độ lợi lớn nhất khi được sử dụng với kích thước chòm sao nhỏ (chẳng hạn như QPSK) và tốc độ mã lớn (như CR=4/5 và CR=5/6) Ngược lại, độ lợi sẽ giảm khi kích thước chòm sao lớn (256-QAM) và tỉ lệ mã sửa sai thấp Chòm sao xoay có độ lợi (gain) lớn khi tỉ lệ xóa kênh tăng và độ lợi ít khi tỉ lệ xóa kênh nhỏ Kỹ thuật này tránh được mất mát trên kênh Gauss và tạo được độ lợi 0.7dB trên kênh có phađing Độ lợi này còn lớn hơn trên kênh 0dB phản xạ (thường

có trong mạng SFN) và kênh xoá (nhiễu đột biến, phađing có chọn lọc lớn) Ví dụ, Hình 2.12 cho thấy độ lợi tăng 7 dB mặc dù có kênh xóa với tỉ lệ xóa khá cao (so với độ dự trữ) Điều này cũng đồng nghĩa với việc có thể sử dụng tỷ lệ mã, tốc độ bit cao hơn Các máy thu tương lai có thể có hiệu năng thậm chí tốt hơn nữa khi sử dụng giải điều chế lặp (Iterative Demodulation) như chỉ ra trên đường cong “ID”

Hình 2.12: Đặc tính hệ thống khi có chòm sao xoay (xanh) và không xoay (đen)

 16K, 32K FFT và tỷ lệ khoảng bảo vệ 1/128

28

Tăng kích thước FFT đồng nghĩa với việc làm hẹp khoảng cách giữa các sóng mang con và làm tăng chu kỳ symbol Việc này, một mặt làm tăng can nhiễu liên sóng mang và làm giảm giới hạn tần số cho phép đối với hiệu ứng Doppler Điều này không được khuyến khích cho việc thu di động ở băng tần UHF IV/V hoặc cao hơn Mặt khác, chu kỳ symbol dài hơn, cũng có nghĩa là tỷ lệ khoảng bảo vệ nhỏ hơn đối với cùng giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ trên trục thời gian Overhead khi đó sẽ giảm, giúp tăng lưu lượng từ 2.3% tới 17.6%

Hình 2.13: Overhead của khoảng bảo vệ giảm với kích thước FFT lớn hơn Những lợi ích khác có thể tính đến là độ tin cậy tốt hơn đối nhiễu đột biến, phổ vuông giảm tới mức mật độ công suất phổ thấp hơn và cho phép chỉ nội suy theo hướng tần số Độ phức tạp tính toán FFT chỉ tăng một chút

Tỉ lệ khoảng bảo vệ 1/128 là điểm mới trong DVB - T2, nó cho phép 32 K được

sử dụng với giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ tương đương với 8 K 1/32 nhưng overhead giảm

 Mã sửa sai LDPC/BCH

DVB-T2 sử dụng mã sửa sai LDPC/BCH kết hợp bởi những bước tiến về công nghệ đã cho phép máy thu có khả năng giải mã LDPC độ phức tạp cao Các mã này cho phép khả năng bảo vệ tốt hơn, truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng một kênh thông tin Chúng đồng thời cũng có đường đặc tính BER-C/N dốc đứng hơn (gần tới đường đặc tính thẳng đứng lý tưởng)

Hình 2.14 chỉ ra kết quả trước giải mã ngoài (RS hoặc BCH) Giá trị BER khoảng 10-4 trước Reed-Solomon thường được coi là mang lại khả năng QEF (Quasi-Error-Free) sau Reed Solomon Độ lợi đạt được khi đánh giá ở điểm QEF là 5dB

29

Hình 2.14: So sánh mã chống lỗi của DVB - T và DVB - T2

 Xen thời gian, bit, tế bào và tần số

Bước Xen sẽ trải nội dung thông tin trên mặt phẳng thời gian/không gian sao cho nhiễu đột biến (rối loạn tín hiệu OFDM trong khoảng thời gian ngắn) và phađing lựa chọn tần số (nhiễu trên một đoạn tần số giới hạn) không có khả năng xoá đi một chuỗi bit dài của dòng dữ liệu gốc Bước Xen cũng được tính toán để phù hợp với đặc tính của mã sửa sai và đảm bảo các bit thông tin được truyền tải bởi một điểm xác định trên đồ thị chòm sao không tương ứng với chuỗi bit liên tục trong dòng dữ liệu gốc

Bước quan trọng nhất khi chuyển từ DVB - T lên DVB-T2 là việc đưa ra khả năng xen thời gian, thường là khoảng 70 ms, để bảo vệ chống lại nhiễu đột biến và phading lựa chọn thời gian

 Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình to-average Power Ratio - PAPR)

(Peak-PAPR trong hệ thống OFDM nếu cao có thể làm giảm hiệu suất bộ khuếch đại công suất RF ra so với công suất nguồn vào Hai kỹ thuật làm giảm PAPR được sử dụng trong hệ thống DVB - T2:

Chúng ta có thể sử dụng đồng thời hai kỹ thuật này, do ACE hiệu quả hơn ở mức điều chế thấp, còn TR hiệu quả hơn ở mức điều chế cao Tuy nhiên ACE không được sử dụng với chòm sao xoay

2.3.5 Ưu thế của DVB–T2 so với DVB–T

Từ những cải thiện trên, chuẩn DVB–T2 có thể tạo dòng dữ liệu có tốc độ cao hơn DVB–T Để so sánh, hai hàng dưới cùng trong Bảng 2.1 thể hiện tốc độ dữ liệu tối đa đạt được khi cố định tỷ lệ C/N [4]

31

Khả năng gia tăng dung lượng là một trong những ưu điểm chính của DVB-T2

So sánh với chuẩn truyền hình số DVB-T hiện nay, tiêu chuẩn DVB-T2 gia tăng dung lượng tối thiểu 30% trong cùng điều kiện thu sóng và sử dụng các anten thu hiện có Thực tế có thể gia tăng dung lượng lên đến gần 50% Với công nghệ sử dụng chuẩn DVB-T2, dung lượng dữ liệu đạt được tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB-T [6], ngoài ra DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T Điều này càng thuận lợi cho việc triển khai các dịch vụ quảng bá mới với đòi hỏi nhiều dung lượng hơn

Bảng 2.2: Dung lượng tiềm năng tăng gần 50% so với dung lượng DVB - T cao

nhất trước khi chuyển sang DVB-T2 tại UK

Chế độ DVB-T tại UK lúc trước Khi dùng T2

DVB-T2 thậm chí còn đạt được dung lượng cao hơn so với DVB-T với mode thiết kế cho hoạt động trong bởi nó sử dụng rất nhiều loại tỉ lệ khoảng bảo vệ Bảng

3 so sánh giữ DVB-T2 và DVB - T đối với cùng một giá trị khoảng bảo vệ Dung lượng đạt được với T2 tăng 67% so với DVB-T DVB-T2 còn cho phép sử dụng giá trị tỉ lệ khoảng bảo vệ lớn nữa (tăng gần 20%), điều này cũng đồng nghĩa với việc

mở rộng vùng phủ sóng của các máy phát trong mạng SFN [6]

2.3.6 Khả năng ứng dụng DVB-T2 tại Việt Nam

Tiêu chuẩn DVB-T2 ra đời cho phép những người làm truyền hình Việt Nam có nhiều lựa chọn hơn trong việc xây dựng hệ thống truyền hình kỹ thuật số hiện đại Truyền hình số quảng bá mặt đất đã phát triển rộng khắp các Tỉnh thành trong

cả nước và ngày càng có nhiều nhà cung cấp dịch vụ truyền hình số quảng bá với số lượng chương trình ngày một tăng Với những ràng buộc về giới hạn dung lượng băng tần, môi trường truyền hình mặt đất cần có một hệ thống truyền dẫn mới hiệu quả hơn để đáp ứng các yêu cầu truyền hình tương lai và hỗ trợ triển khai các dịch

vụ truyền hình mới Sự phát triển của DVB-T2 đã minh chứng cho sự tin tưởng vào công nghệ quảng bá trên môi trường truyền hình mặt đất

Việc phát triển tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai đã đáp ứng được yêu cầu thực tế Đó là sự gia tăng dung lượng băng thông giúp cung cấp cho người xem các dịch vụ truyền hình mới DVB-T2 hỗ trợ cơ hội cho các nhà quảng bá triển khai một chuỗi các dịch vụ HDTV trên môi trường DTT, hỗ trợ các dịch vụ truyền hình trong tương lai Các dịch vụ thế hệ kế tiếp như 3DTV có thể hưởng lợi từ việc gia tăng dung lượng sẵn có của DVB-T2

Việc thay thế tiêu chuẩn DVB-T bởi tiêu chuẩn DVB-T2 cần có một khoảng thời gian “quá độ” trong quá trình chuyển đổi Tiêu chuẩn DVB-T và DVB-T2 sẽ cùng tồn tại trong nhiều năm, mỗi tiêu chuẩn sẽ hỗ trợ cho người xem các loại hình dịch vụ khác nhau

34

Có thể nói rằng, trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao và đang trở nên ngày càng phổ biến Để thuận lợi cho việc tìm hiểu ứng dụng MISO-OFDM trong DVB-T2, trước tiên cần hiểu rõ kỹ thuật ghép kênh OFDM là gì và hoạt động như thế nào Chương này sẽ trình bày về những khái niệm, nguyên lý cơ bản của hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao, biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở Phần cuối chương sẽ đánh giá ưu nhược điểm và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM

3.1 Sơ lược về OFDM

OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT) Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử

Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi

thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên

một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý

3.2 Các khái niệm liên quan đến OFDM

3.2.1 Hệ thống đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia

35

một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang

3.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM

Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian

Hình 3.2: Ghép kênh phân chia theo tần số

Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ

36

3.3 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang FDM

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo

tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa

ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

37

Hình 3.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và

kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

3.4 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Trong OFDM, sự đóng gói trực giao các sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ, cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau chồng lấn một phần lên nhau, nhờ đó cải thiện hiệu quả phổ Sự chồng lấn này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang

38

này sẽ đi qua diểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau

để các tín hiệu được khôi phục chính xác

Hình 3.4: Phổ OFDM và FDM

3.5 Sơ đồ hệ thống OFDM

Sắp xếp

và mã hóa

P/S

Ước lượng kênh

DFT

Loại bỏ khoảng bảo vệ

Dữ liệu vào

Dữ liệu ra

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao sau mã hóa được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT (biến đổi nhanh Fourier đảo) Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng

39

với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào

sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng tại bộ ước lượng kênh Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

3.5.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM Dữ liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc

Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scrambler) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu

3.5.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM

 Mã hóa kênh

Với mã hóa khối: Luồng bit vào được chia thành những nhóm có k bit, mỗi nhóm được thêm vào những bit kiểm tra để tạo thành nhóm mới có n bit (n>k) Số bit kiểm tra thêm vào đây là (n-k) bit Ví dụ: mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã Reed Solomon

Với mã chập: Đặc trưng bởi 3 thông số là (n, k, m), trong đó: n là số bit ra, k là

số bit vào, m là số bit trước đó Vậy n bit của từ mã ra không chỉ phụ thuộc vào k bit vào mà còn phụ thuộc vào (m-1)k bit thông tin trước đó (được gọi là các bit trạng thái) n bit ngõ ra được tạo ra bằng cách chập k bit ngõ vào với một đáp ứng xung nhị phân Mã chập được xây dựng bởi mạch dãy Tỷ số R=k/n được gọi là tỷ

số mã, tổng số ô ghi dịch là (k.m) ô

Với mã Trellis: là một dạng của mã chập nhưng có thêm phần mã hóa Sử dụng

mã hóa Trellis sẽ cho hiệu quả tốt nhất ở phần sắp xếp (mapping) khi ta sử dụng mã hóa M-QAM với M khác nhau trên các sóng mang nhánh khác nhau Bên thu có thể

sử dụng thuật toán Viterbi Viterbi là giải thuật giải mã hoá

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen kẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen kẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

 Ánh xạ (mapping)