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 2.10 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. [1]
Hình 2.10: So sánh mã chống lỗi của DVB - T và DVB - T2.[1]
2.11.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. [1]
2.12.Giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình (Peak-to-average Power Ratio - PAPR)
2.12.1. Sự cần thiết phải giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
Tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ được điều chế độc lập có biên độ và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số và được truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ được cộng liền mạch với nhau, công suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung bình. Trong trường hợp xấu nhất, khi N tín hiệu được cộng cùng pha, công suất đỉnh sẽ lớn hơn N lần so với công suất trung bình. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao là một trong những nhược điểm chính trong hệ thống OFDM. PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết. Hai kỹ thuật làm giảm PAPR được sử dụng trong hệ thống DVB - T2:
Mở rộng chòm sao tích cực (Active Constellation Extension - ACE): mở rộng các điểm ngoài của đồ thị chòm sao trên miền tần số
Dự trữ âm sắc (Tone Reservation - TR): trực tiếp loại bỏ các giá trị đỉnh của tín hiệu trên miền thời gian, sử dụng một bộ hạt nhân giả xung tạo từ các sóng mang con dành sẵn
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. [1]
Hình 2.11:Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM[1]
2.12.2. Hàm phân bố tích lũy bù (CCDF) của PAPR
Hàm mật độ tích lũy CDF là một thông số thường được sử dụng để biễu diễn khả năng giảm PAPR của bất kỳ một kỹ thuật giảm PAPR. Thông thường ta sử dụng hàm mật độ tích lũy bù CCDF thay vì sử dụng CDF, nó thể hiện xác suất 1 frame OFDM có giá trị PAPR lớn hơn 1 giá trị ngưỡng PAPR0 cho trước.
Hàm CCDF được biễu diễn bởi biểu thức sau: CCDF(PAPR(x)) = Pr ( PAPR(x) > PAPR0)
2.12.3. Kỹ thuật ACE (Active Constellation Extension)
Constellation Extension (ACE) làm thay đổi sự phân bố công suất của các mẫu tín hiệu trong miền thời gian để giúp cải thiện hiệu quả công suất của bộ khuếch đại công suất.
Hình 2.12: Nguyên lý kỹ thuật ACE [3]
Chòm sao mở rộng được xác định đầy đủ từ các chòm sao gốc và giá trị mở rộng lớn nhất là L. L là thông số của thuật toán ACE.
Nhiều hiệu năng có thể đạt được nhờ vào việc thay đổi L cùng với hai tham số ACE khác: ngưỡng clipping Vclip và độ lợi G.
Các thuật toán ACE kích hoạt sự hoạt động của mạng SFN. Thật vậy, nhiều máy phát trong một cấu hình mạng SFN sẽ truyền tín hiệu chứa các giá trị dữ liệu di động giống hệt nhau được cung cấp tất cả các bộ điều chế được cấu hình với bộ tham số ACE giống hệt nhau (L, Vclip, G).
Các thuật toán ACE như mô tả trong là không thích hợp cho sử dụng kết hợp với các chòm sao xoay. Vì vậy, xử lý ACE nên bị vô hiệu khi chòm sao xoay được sử dụng. Một dạng hơi khác của ACE cũng có thể được áp dụng cho L1-báo hiệu để giảm sai lệch. Trong trường hợp này, chòm sao điều chế được chỉnh sửa trực tiếp theo sai lệch đo được.
2.12.3. Kỹ thuật Tone Reservation
Ý tưởng cơ bản của Tone Reservation là một số sóng mang được được dự trữ để giảm PAPR. Các sóng mang dự trữ không mang theo bất kỳ thông tin dữ liệu và thay vào đó làm đầy với một tín hiệu đỉnh giảm. Bởi vì dữ liệu và các sóng mang dự trữ được phân
bổ trong tập con rời nhau của sóng mang con, Tone Reservation không cần thông tin phía tại máy thu khác với một dấu hiệu cho thấy kỹ thuật này được sử dụng, thực hiện trong lĩnh vực báo hiệu L1-trước "PAPR".
Hình 2.13 cho thấy cấu trúc của máy phát OFDM sử dụng Tone Reservation. Các sóng mang dự trữ được phân bổ theo địa điểm cung cấp dịch vụ được xác định trước đó được dành riêng chỉ số sóng mang Sau khi IFFT, hủy bỏ đỉnh được thực hiện để giảm PAPR bằng cách sử dụng một tín hiệu được xác định trước. Các tín hiệu được xác định trước, hoặc kernel được tạo ra bởi các sóng mang dự trữ.
Hình 2.13: Cấu trúc bộ phát OFDM sử dụng kỹ thuật Tone Reservation[3]
Kỹ thuật loại bỏ đỉnh sóng
Hình 2.14 cho thấy sơ đồ khối chi tiết của thuật toán loại đỉnh. Đầu ra IFFT (x) được đưa vào khối loại đỉnh và vị trí đỉnh và giá trị của x được phát hiện. Sau đó, các hạt nhân tham khảo, được tạo ra bởi các sóng mang dự trữ tương ứng với các ký hiệu OFDM hiện tại, được dịch vòng tới vị trí đỉnh, được thu nhỏ và quay pha. Kết quả hạt nhân được trừ x và PAPR mới được tính. Các nguyên lý được thể hiện trong hình 2.15. Nếu PAPR của tín hiệu kết quả đáp ứng các mức PAPR mục tiêu, tín hiệu này được truyền đi. Nếu không, các hoạt động hủy bỏ được lặp đi lặp lại, cho đến khi số lần lặp đạt đến số lần lặp tối đa được xác định trước.
Công suất của mỗi âm dự trữ được giới hạn trong khoảng 10 lần công suất của một cell dữ liệu. [3] Nếu tín hiệu hủy được thêm vào trong một sự lặp lại sẽ làm cho giới hạn này bị vượt quá, việc hủy bỏ các tín hiệu được thu nhỏ như những âm dự trữ của biên độ lớn nhất kết thúc với một công suất bằng giới hạn. Lưu ý rằng lặp đi lặp lại có thể tiếp tục ngay cả sau khi hạn chế như vậy đã xảy ra, kể từ mức đỉnh lớn nhất còn lại có thể yêu cầu một sự điều chỉnh của một pha khác, mà thậm chí có thể làm giảm biên độ của các âm dự trữ lớn nhất.
Hình 2.14: Sơ đồ khối thuật toán loại đỉnh
Lựa chọn mức clipping
Mức clipping mong muốn (về độ lớn), Vclip, nên được lựa chọn có tính đến các yêu cầu của các mô-đun phần cứng. Nếu nó quá thấp, các đỉnh đã bị hủy sẽ lại xuất hiện do tác động của hạt nhân không hoàn hảo. Nếu đó là quá cao, lợi ích từ mô hình giảm PAPR trở thành biên.
Hơn nữa, trong việc triển khai phần cứng thực sự là một giá trị rất thấp về mức clipping sẽ dẫn đến một sự chậm trễ lớn để thực hiện số lượng lớn các lặp đi lặp lại cần thiết để đáp ứng các ngưỡng. Trong hình 2.16, dựa trên các thông số dòng truyền tải VV017, tăng theo cấp số nhân trong sự trễ được ghi nhận là mức Vclip được giảm. Điều này là do sự gia tăng theo cấp số nhân số lần lặp lại yêu cầu. Nếu một ngưỡng Vclip rất thấp (2,5 V) được chọn, số lần lặp lại nên được giới hạn để đảm bảo trễ xử lý là trong giới hạn hợp lý. Nếu một ngưỡng Vclip rất cao (ví dụ như 4,0 V) được chọn, có một số rất ít các mẫu vượt quá ngưỡng, và các thuật toán TR không cải thiện PAPR nhiều. Nói chung giá trị khoảng 3,0 V cho Vclip được khuyến khích.[3]
Lựa chọn số lần lặp
Về cơ bản số lần lặp đi lặp lại cao sẽ cho một PAPR thấp hơn. Tuy nhiên trong việc triển khai phần cứng thực tế số lần lặp đã được giới hạn để đảm bảo trễ xử lý vẫn nằm trong giới hạn hợp lý. Với phần cứng điển hình, số lần lặp lại nên được giữ ít hơn 10 lần lặp lại.
Sử dụng ví dụ của VV017 thể hiện trong hình 2.17, giá trị đỉnh có thể được giảm xuống rất gần với giá trị trung bình của khoảng 10 lần lặp lại. Đối với hầu hết các giá trị ngưỡng chỉ có một sự lặp lại là cần thiết. Trong giai đoạn này giá trị đỉnh chỉ được giảm. Khi giảm xuống dưới ngưỡng 3,25 V số lần lặp lại yêu cầu tăng, và giá trị trung bình cũng giảm.
Nghiên cứu chi tiết sử dụng các thông số thực tế và có tính hạn chế phần cứng riêng được khuyến khích mạnh mẽ để đảm bảo giảm PAPR tối ưu.
Hình 2.17: Ví dụ VV017 về số lần lặp, giá trị đỉnh và giá trị trung bình của giá trị tuyệt
Các ví dụ về việc sử dụng TR
Mô phỏng hàm phân phối tích lũy bù (CCDF) với các giá trị Vclip và số lần lặp khác nhau. Hàm CCDF chỉ ra xác suất PAPR (trục x) của một ký hiệu OFDM vượt quá ngưỡng (trục y), và sau đó cho ta thấy PAPR được giảm bao nhiêu.
Đồ thị CCDF là một phép đo hữu ích của các việc giảm PAPR, nhưng các biện pháp tinh vi hơn khác cũng được phát triển và cần được xem xét khi đánh giá một chương trình nhất định và lựa chọn các thông số.
Hình 2.18: Mô phỏng hàm CCDF với các giá trị lặp và Vclip khác nhau[3]
Hình 2.18 chỉ ra rằng bằng việc lựa chọn số lần lặp và giá trị xấp xỉ của Vclip, độ lợi PAPR có thể thấy rõ bằng việc sử dụng kỹ thuật TR. Trong ví dụ này, giá trị PAPR 1,2dB ở ngưỡng CCDF 10-3 được thấy khi sử dụng Vclip=3,05V và số lần lặp bằng 9. Còn có thể thấy ngay cả với một lần lắp, Vclip= 3,5V cho ta độ lợi PAPR 0,5dB so với khi không sử dụng kỹ thuật TR.
Hình 2.19: Hàm CCDF theo các giá trị Vclip khác nhau, số lần lặp bằng 1[3]
Hình 2.19 chỉ ra CCDF với duy nhất một lần lặp, nhưng với các giá trị Vclip khác nhau. Nó cho thấy CCDF có kết quả tương đương với tất cả các giá trị của ngưỡng CCDF
Hình 2.20: Hàm CCDF với các giá trị Vclip khác nhau, số lần lặp bằng 10.[3]
Trong ví dụ trên số lần lặp bằng 10. Trong trường hợp này có thể thấy rõ có sự giảm PAPR khi giảm giá trị Vclip .
Hình 2.21 cho thấy số lần lặp thay đổi khi giá trị Vclip được cố định ở 3,0 V. Có thể thấy rằng mỗi lần lặp lại thêm mang đến cho các đường cong CCDF gần với một giới hạn, với phần lớn các tăng PAPR đạt được trong vài lần đầu tiên lặp đi lặp lại.
Chƣơng 3. Kỹ thuật MISO-OFDM dựa trên Alamouti trong DVB-T2 3.1. Tổng quan OFDM
3.1.1. Giới thiệu 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.
Hình 3.1 : So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). 3.1.2. Sơ đồ hệ thống OFDM Sắp xếp và mã hóa S/P Chèn pilot IDFT Chèn dải bảo vệ P/S Kênh AWGN + S/P Giải mã và sắp xếp lại P/S Ước lượng kênh DFT Loại bỏ khoảng bảo vệ Dữ liệu vào Dữ liệu ra
Hình 3.2: Sơ đồ khối 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.
đảo). Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng 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.
3.1.3. Ƣu điểm của OFDM
OFDM tăng hiệu suất sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang. Bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau, OFDM chịu đựng ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.
OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
Nếu sử dụng các biện pháp xen kẽ và mã hoá kênh thích hợp có thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra.