Tài liệu Can nhiễu giữa hai hệ thống analog và DVB-T doc

CAN NHIễU GIữA HAI Hệ THốNG ANALOG Và DVB-T KS. Đỗ Anh Tú Nguồn tài nguyên tần số ngày càng hạn hẹp trong lĩnh vực truyền dẫn thông tin, do đó trong quá trình quy hoạch cho phát số, chúng ta cần quan tâm đến vấn đề phát số xen vào giữa các khoảng trống của các kênh analog. Vì vậy, bài viết này xin bàn về can nhiễu giữa hai hệ thống thu phát: analog/số và giữa số với số khi phát xen kẽ nhau. Nhằm nghiên cứu và đánh giá công nghệ phát hình số DVB-T, côn g ty VTC đã tiến hành thử nghiệm phát số trên hai kênh liền kề và chen vào các khe trống của các kênh analog. Ví dụ phát số trên hai kênh liền kề 29+30 bên cạnh kênh 28 analo g tại Hải phòng (hình 1) và kênh 31 (Quảng Ninh). Từ trái san g, phổ analog kênh 28 chỉ có 3 khu vực: man g hình, mang màu và mang âm thanh, trong khi đó phổ phát số (kênh 29+30) đồng đều cả hai dải thông 8 MHz. Hình 1. Phổ phát số kênh hai kênh liền kề Tỷ số bảo vệ là tỷ số cờng độ tín hiệu cần thu chất lợng tốt trên cờng độ tín hiệu can nhiễu (dB). Tỷ lệ này có thể nhỏ hơn 1 (tính sang dB mang giá trị âm), tức là cờng độ tín hiệu cần thu thấp hơn cờng độ tín hiệu can nhiễu và có thể lớn hơn 1 (tính sang dB mang giá trị dơng). Đối với thu số, thì đó là giá trị tỷ số bảo vệ, mà tại giá trị này BER (tỷ lệ lỗi bit) phải nhỏ hơn hoặc bằng 2.10 -4 sau giải mã Viterbi; giá trị 2.10 -4 còn có tên là giá trị QEF (Quasi Error Free-gần nh không lỗi), tơng đơng với BER nhỏ hơn hoặc bằng 1.10 -11 tại đầu vào của giải MPEG-2 [1; trang 66]. 1. Can nhiễu analog và số cùng kênh Cờng độ trờng cần cho thu analog PAL D/K phải lớn hơn cờng độ trờng của số là 34dB (đối với nhiễu chiếm 1% thời gian-nhiễu đối lu-hay gọi là nhiễu ngắn) và 40dB (đối với nhiễu nhiễu liên tục xuất hiện 50% thời gian) (Bảng 1). Hệ thống analog mong muốn Nhiễu đối lu Nhiễu liên tục PAL B, B1, G, D, K 34 40 PAL I 37 41 SECAM L 37 42 SECAM D, K 35 41 Bảng 1. Tỷ số bảo vệ cho thu analog với can nhiễu là tín hiệu số DVB-T Nh chúng ta thấy, tỷ số bảo vệ cho thu analog rất lớn, mặc dù can nhiễu của tín hiệu DVB-T có tính chất nh nhiễu Gaussian và chỉ thể hiện trên hình nh có muỗi (ảnh bị hột) chứ không làm mất đồng bộ hình. Tuy nhiên, trong thực tế để ngời dân thu tốt các kênh analog hiện có, chúng ta sẽ không bố trí phát số trùng kênh với analog. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 1 Bảng 2 nêu cờng độ trờng cho thu số 64QAM, FEC 3/4 phải lớn hơn cờng độ trờng analog là 10 dB. Nếu thu số với nhóm thông số 64QAM,FEC2/3 (ITU gọi là mode M3), thì cờng độ trờng cho thu số chỉ phải lớn hơn trờng analog là 4dB. Bảng 2 cũng nói lên sự khác biệt rất rõ giữa hai giá trị tỷ lệ mã sửa sai FEC 3/4 và 2/3. Vì vậy, nhiều nớc chọn mã sửa sai là 2/3. Bảng 2. Tỷ số bảo vệ cho thu số DVB-T với can nhiễu là tín hiệu analog Tỷ số bảo vệ Chòm sao QPSK 16QAM 64QAM Tốc độ mã 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 ITU-Mode M1 M2 M3 Tín hiệu PAL/SECAM -12 -8 -5 2 6 -8 -4 0 9 16 -3 4 10 17 24 Tóm lại, để thu tốt analog đồng kênh, tỷ số bảo vệ cho nó là 40dB, còn để thu số đồng kênh, tỷ số bảo vệ cho nó chỉ là 10dB (thấp hơn của analog 30dB). Điều đó chứng tỏ khả năng chống can nhiễu của công nghệ analog kém hơn nhiều so với công nghệ số. 2. Can nhiễu kênh số và analog liền kề (kênh số thấp, kênh analog cao) Kênh số thấp (ví dụ kênh 34), kênh analog cao (ví dụ kênh 35), nh vậy kênh số sẽ can nhiễu sang phần hình của kênh analog. Bảng 3. Tỷ số bảo vệ cho thu hình của kênh analog (kênh n) khi bị can nhiễu do phát số kênh lân cận dới (kênh n-1) Hệ thống analog mong muốn Nhiễu đối lu Nhiễu liên tục PAL B1, G, D, K -7 -4 PAL I -8 -4 SECAM L -9 -7 SECAM D, K -5 -1 Bảng 3 cho thấy, để thu tốt analog trong trờng hợp này, cờng độ trờng cho thu analog thấp hơn (thể hiện dấu trừ) cờng độ trờng của số là 7 dB (nhiễu ngắn) và 4 dB (nhiễu liên tục). Nói chung, số can nhiễu sang thu analog không đáng là bao và không cảm nhận đợc, khi mà cờng độ trờng của phát số cao hơn cờng độ trờng của analog khoảng 3-4dB. Bảng 4. Tỷ số bảo vệ cho thu số kênh dới, khi bị can nhiễu của kênh analog lân cận trên. [1; bảng 21] Tín hiệu mong muốn Tín hiệu nhiễu Hệ thống BW Mode PAL B PAL B1, G PAL I PAL DK SECAM L SECAM D, K M1 -46 DVB-T 8MHz M2 -40 M3 -38 M1 -43 DVB-T 7MHz M2 -38 M3 -36 Đây là trờng hợp thu số kênh 34 tại Thái Bình bị can nhiễu của sóng kênh 35 analog phá. Bảng 4 mới chỉ thể hiện cho hệ PAL I, cờng độ trờng cho thu số thấp hơn (dấu trừ) cờng độ trờng của analog 38-40dB, mà số vẫn không bị can nhiễu. ITU gọi: M1 là 16QAM,FEC1/2; M2 là 64QAM,FEC1/2 và M3 là 64QAM,FEC2/3. Thực tế, chúng tôi đã thu số kênh 34 để tiếp phát lại cho khu vực Thái Bình, Nam Định. Tại vị trí giàn công tác (cao 45m so với mặt đất) của cột phát sóng trên khu đất Đài PTTH Thái Bình, chúng tôi phải thu số kênh 34 phát đi từ Hà Nội, trong điều kiện trờng gần của kênh 35 công suất 5kW (kênh phát chơng trình của địa phơng) rất mạnh. Khoảng cách Thái Bình-Hà Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 2 Nội theo đờng chim bay là 85km. Cột phát sóng số tại Hà Nội chỉ cao 100m. Vì vậy, sóng số kênh 34 đến Thái Bình không phải sóng truyền thẳng, bị nhiều lùm cây che chắn, đã quá yếu. Sóng số truyền qua khoảng cách dài bị suy giảm quá nhiều và bị các can nhiễu khác trên đờng truyền tác động, làm phẩm chất bị giảm. Trờng gần của máy phát kênh 35 tại cột phát sóng lại quá mạnh và chứa nhiều thành phần phổ xung quanh kênh 35, thậm chí trùng cả vào kênh 34. Phải nói đây là trờng hợp khắc nghiệt. Kiểm chứng thực tế, chúng tôi nhận thấy tại Thái Bình, nếu sự chênh lệch cờng độ trờng số/analog vợt quá 35dB, lỗi thu số xảy ra liên tục, thu không thành công. Tỷ số lỗi bit (BER) tăng lên rất nhanh, vợt giá trị gần nh không lỗi QEF (Quasi Error Free). Số liệu đo thực tế [35dB] và số liệu khuyến cáo của DVB [38dB], độ chênh lệch 3dB này có thể lý giải bằng ba lý do: một là vị trí thu số tại cột phát sóng của Thái Bình đã quá xa (85km) không phải sóng thẳng, hai là phát analog kênh 35 lại quá gần, các thành phần phổ xuyên điều chế quá nhiều, thậm chí có thành phần phổ trùng kênh 34, ba là chúng tôi thu với thông số 64QAM 3/4 chứ không phải 64QAM 2/3 nh số liệu khuyến cáo của DVB. Các số liệu đo tại hiện trờng Thái Bình trong trờng hợp khắc nghiệt này cho chúng tôi một kết luận định lợng, nếu tỷ số bảo vệ cao hơn hoặc bằng 35dB, thì có thể không gây ra lỗi cho thu số kênh 34. Câu trên có đề cập cụm từ có thể, vì còn một thông số quan trọng nữa không thể bỏ qua đó là tỷ số S/N của thu số là bao nhiêu, tức là phẩm chất của tín hiệu số thu đợc. Can nhiễu của các thành phần phổ của sóng mang hình vào phổ thu số thể hiện không chỉ trong phổ, mà còn cùng với các yếu tố đờng truyền, phách tần số và các yếu tố khác, làm giảm tỷ số S/N của thu số và chất lợng sóng phát ra của chính bản thân máy phát số DVB-T. Thực tế, giải quyết vấn đề thu số khi bị can nhiễu của analog liền kề trên, do mức trờng của số kênh 34 đến Thái Bình quá thấp, nên các chúng tôi phải sử dụng khuếch đại anten có hệ số tạp âm thấp để giải quyết cải thiện chất lợng thu số kênh 34. Tuy nhiên, kết quả cha thật mỹ mãn. Do sóng của phát số kênh 34 phải truyền xa 85km bị fading, đôi khi không phải là fading sâu, mà chỉ là fading chọn lọc (selective fading), phẩm chất của sóng thu đợc đã xấu, không thể thắng nổi can nhiễu do máy phát kênh 35 lên sóng. Qua việc đo đạc và kiểm chứng, chúng tôi nhận thấy, nếu thu sóng số trong điều kiện bình thờng, không quá tới hạn và khắc nghiệt (xa và khó nh tại Thái Bình), sóng analog không quá mạnh, không có thành phần phổ cùng kênh, thì tỷ số bảo vệ cho thu số là âm [38-40dB] do DVB công bố, số liệu đáng tin cậy. 3. Can nhiễu kênh số và kênh analog liền kề (kênh số cao, kênh analog thấp) Đây là trờng hợp tại nội thành Hải Phòng, analog phát trên kênh 28 và số phát trên kênh 29+30. Bảng 5. Tỷ số bảo vệ cho hình của thu analog PAL-I (kênh n, cụ thể kênh 28) khi bị can nhiễu của phát số kênh liền kề trên (kênh n+1, kênh 29) [1; bảng 29] Hệ thống analog mong muốn Nhiễu đối lu Nhiễu liên tục PAL B1, G -9 -7 PAL I -10 -6 SECAM L -1 -1 SECAM D, K -8 -5 PAL D, K Bảng 5 cho thấy, đối với PAL-I là âm 6-10dB. Cờng độ trờng của analog thấp hơn (thể hiện dấu trừ) cờng độ trờng của số 6-10dB, mà hình không hề bị số can nhiễu. Kênh analog thấp, kênh số cao, nên số can nhiễu sang phần âm thanh là chủ yếu. Phổ của số cách xa tần số mang hình, khó can nhiễu sang hình. Trờng hợp này thử nghiệm tại Hải Phòng, máy phát DVB- T kênh 29+30 tại Phủ Liễn (Hải Phòng) công suất rất thấp (100W-110W/kênh 8MHz). Vì vậy, cờng độ trờng của số thấp hơn của analog kênh 28 là 30-35dB, nên số không gây can nhiễu sang thu analog kênh 28. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 3 Bảng 6. Tỷ số bảo vệ cho thu số (kênh n=29) bị can nhiễu do phát analog kênh liền kề dới (kênh n-1=28) [1; bảng 20]. Tín hiệu mong muốn Tín hiệu nhiễu Hệ thống BW Mode PAL B PAL B1, G PAL I PAL DK SECAM L SECAM D, K M1 -43 DVB-T 8MHz M2 -38 M3 -34 M1 -43 DVB-T 7MHz M2 -40 M3 -37 Đối với chế độ phát M3 (64QAM2/3) là âm 34dB. Trên bảng 4, DVB cũng cha công bố với PAL D,K, mà chỉ có PAL-I. Đối với mode M3 (ITU gọi: M3 là 64QAM2/3) thì cờng độ trờng cho thu số thấp hơn (thể hiện dấu trừ) cờng độ trờng của analog 34dB. Trong trờng hợp này, analog can nhiễu sang thu số chủ yếu là do sóng mang âm thanh. Nhng sóng mang âm thanh là điều tần, phổ thấp (thấp hơn sóng mang hình 10dB), tính ngẫu nhiên, nên ít gây can nhiễu cho thu số. Kết quả thực nghiệm và đo kiểm tại Hải Phòng (analog kênh 28, số kênh 29), khi mức cờng độ trờng (sóng mang âm thanh) của kênh 28 analog cao hơn của mức số 30-32dB, các đầu thu số bình thờng cho hình không bị lỗi. Kết quả đo tại Hải Phòng và tại Thái Bình đã đi đến kết luận định lợng cụ thể. Kết quả đo của công ty VTC thực hiện với chế độ phát không phải M3 (64QAM2/3), mà là 64QAM3/4, chênh với số liệu của 64QAM2/3 do DVB công bố, cũng hoàn toàn hợp lý. 4. Can nhiễu số sang số cùng kênh Đây là vấn đề cần đặc biệt quan tâm, khi thiết lập mạng phát số DVB-T. Đối với mạng đơn tần thật sự (các máy phát phát cùng một tín hiệu, trên cùng một tần số và tại cùng một thời điểm), ngời ta phải tính toán bố trí các máy phát hợp lý và phải thực hiện việc đồng bộ cho các máy phát của mạng đơn tần này. Những các máy phát DVB-T cùng kênh, nhng không thực hiện việc đồng bộ, thì do truyền sóng tốt (trong môi trờng thuận lợi, hoặc truyền sóng ven biển) sóng sẽ đi xa và gây can cho quá trình thu, gọi là can nhiễu đồng kênh DVB-T. Thực tế tại Việt Nam, hiện tợng sóng đi quá xa (vì lý do truyền sóng bất thờng), can nhiễu sang nhau đã xảy ra với analog: sóng Bắc Ninh cùng kênh sóng Nam Định-37 thể hiện can nhiễu tại một số vị trí ở đông nam Nam Định, Tây Ninh-Trà Vinh: kênh11; Sóng kênh 9 của Huế, men theo biển vào đến Tam Kỳ-Quảng Nam nhiễu kênh 9 của Đà Nẵng phát đến. Đối với phát số DVB-T, DVB gọi đây là hiện tợng can nhiễu cùng kênh. Trong [2; trang 66; bảng 18] đã đề cập vấn đề này, tuy nhiên, mới chỉ nêu cho 2k, cha đề cập tới 8k. Bảng 7. Tỷ số bảo vệ số sang số cùng kênh ITU-Mode Điều chế Tốc độ mã PR Gaussian PR Rice PR Rayleigh QPSK 1/2 5 7 8 M1 16QAM 1/2 13 14 16QAM 3/4 14 16 20 M2 64QAM 1/2 18 19 M3 64QAM 2/3 19 20 22 Với M3 (điều chế 64-QAM FEC 2/3) cho thấy, tỷ số bảo vệ (PR) cho thu số khi bị số cùng kênh can nhiễu chỉ cần 20dB (thu cố định-mô hình Rice) và 22dB (thu di động-mô hình Rayleigh). Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 4 Tài liệu [3] các tác giả đo trong phòng thí nghiệm cho số liệu còn thấp hơn khuyến cáo của DVB khoảng 1dB. Đối với công nghệ kỹ thuật analog, tỷ số bảo vệ khi bị can nhiễu analog cùng kênh khi không sử dụng offset cao tới 50dB [5], còn khi offset thật chính xác, thì tỷ số bảo vệ thấp nhất cũng phải đạt 22dB. Nh vậy, tỷ số bảo vệ cùng kênh với công nghệ phát số DVB-T (20-22dB) thấp hơn nhiều so với phát analog (22-50dB). Một lần nữa, cho thấy, khả năng chống can nhiễu của DVB-T u thế hơn hẳn công nghệ analog. Do tỷ số bảo vệ cho thu số khi bị can nhiễu số cùng kênh chỉ cần 20-22dB, nên trong thực tế, với anten thu TV bình thờng có các chấn tử dẫn đờng và phản xạ, thì bản thân tỷ lệ trớc/sau của anten thu đã góp phần khắc phục có hiệu quả hiện tợng can nhiễu số/số cùng kênh. Nghĩa là, trong vùng cờng độ trờng của hai máy phát ngang nhau, chỉ cần quay anten (có nhiều chấn tử) về hớng đài cần thu, thì can nhiễu của đài kia đã loại bỏ đợc. 5. Về fading chọn lọc đối với DVB-T Nh đã đề cập ở trên về hiện tợng fading chọn lọc (Selective fading). Đối với analog, fading chọn lọc không quan trọng và không tác động nhiều. Nhng khi thu số tại các khoảng cách xa (Phủ Liễn-Kiến An-Hải Phòng cách Hà Nội 88km; Thái Bình cách Hà Nội 85km), chúng tôi cảm nhận, kiểm chứng tác hại của fading chọn lọc đối với DVB-T. Xem trên máy đo phổ thấy phổ đẹp và khá đồng đều, nhng có lúc thu vẫn bị lỗi, rất khó lý giải, nếu nh không quan tâm đến fading chọn lọc. Vì trên máy đo phổ không thể hiện phổ tức thời, nên khó phát hiện ra fading chọn lọc (chọn tần). Hiện tợng fading chọn lọc tức là fading chỉ xảy ra với vùng tần số rất nhỏ nào đó của toàn dải thông 8MHz. Vì thế, nhiều tài liệu còn gọi là fading chọn tần. Đối với phát hình số mặt đất sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) có rất nhiều sóng mang (chế độ 2k là 1705 sóng mang; chế độ 8k là 6.817 sóng mang), thì fading chọn lọc (hay chọn tần) chỉ xảy ra với một vài chục sóng mang của hàng ngàn sóng mang đó. Nhng không may, fading lại xảy ra với các pilot liên tục, rời rạc và các sóng mang thông số phát, mà đầu thu trớc tiên phải dựa vào chúng để đánh giá kênh, đồng bộ tần số, đồng bộ pha, tự động tìm ra các thông số phát, thì thật tai hại và nghiêm trọng. Khi các pilot và sóng mang đó bị fading, suy giảm dới một mức nào đó, thì đầu thu không thể làm việc, kết quả ảnh hoàn toàn dừng. Khi đối mặt với hiện tợng fading chọn lọc đối với DVB-T, chúng tôi mới hiểu kỹ đ ợc ý kiến của các chuyên gia Braxin phê phán nhợc điểm của hệ phát số ISDB-T của Nhật [4]. Trong ISDB-T (hệ Nhật), ngời ta chia ra làm 10 khoảng tần số cho các dịch vụ hình ảnh và 3 khoảng cho các dịch vụ âm thanh. Việc phân chia này làm tăng giá thành cả về phần cứng và phần mềm, vì máy thu phải làm việc với các băng tần khác nhau. Việc phân đoạn tần số này còn làm sai nguyên tắc của một kênh truyền số, là một kênh băng rộng trong đó các dịch vụ đợc đặt ở các mức khác nhau. Nếu chia kênh thành các đoạn tần số khác nhau cho các dịch vụ khác nhau, nếu một đoạn tần số bị ảnh hởng (do fading chọn lọc), thì toàn bộ dịch vụ nằm trong đọan tần số đó sẽ bị mất. Đó là một trong những lý do tại sao các nhà thiết kế DVB-T đã không sử dụng kỹ thuật này. Với ý kiến đánh giá đó, cùng với phân tích một loạt yếu tố khác nữa đã dẫn tới việc Braxin không chọn hệ Nhật mà chọn DVB-T của châu Âu. 6. Tài liệu tham khảo [1]. TR 101 190 V1.1.1 (1997-12) Digital Video Broadcasting; Implemention guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects. [2]. Đề tài Xây dựng quy hoạch phân bổ kênh tần số cho truyền hình tơng tự mặt đất băng tần VHF/UHF do Cục Tần số Vô tuyến điện, Bộ Bu chính, Viễn thông thực hiện năm 2003. [3]. Th.S Đinh Đắc Vĩnh, KS. Ngô Văn Lạo, Một số vấn đề cần quan tâm khi quy hoạch mạng truyền hình số DVB-T; Tạp chí KHKT Truyền hình, số 4/2003. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 5 [4]. DVB’S Comments to the Submission for the ANATEL CONSULTA PUBLICA; No 291- Brazilian Digital Terrestrial Television (DTV) System. July 2001. [5]. ITU-RECOMMENDATION 655-2: Radio-Frequency protection ratios for AM vestigial sideband television systems. Tạp chí Bưu chính Viễn thông & Công nghệ thông tin Tháng 8/2004 6 . phát số xen vào giữa các khoảng trống của các kênh analog. Vì vậy, bài viết này xin bàn về can nhiễu giữa hai hệ thống thu phát: analog/ số và giữa số với. CAN NHIễU GIữA HAI Hệ THốNG ANALOG Và DVB-T KS. Đỗ Anh Tú Nguồn tài nguyên tần số ngày càng hạn hẹp trong lĩnh