Thay vì tạo ra một tuyến truyền dẫn mạnh hơn, việc ghép kênh sẽ cho phép truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng một băng tần. Thực chất, tăng ích ghép kênh đạt được thông qua việc gửi nhiều tín hiệu song song độc lập tới máy phát. Các tín hiệu này tới máy phát thông qua các kênh không gian khác nhau. Việc tăng dung lượng này không đòi hỏi tăng công suất phát hoặc tăng băng thông so với truyền dẫn SISO.
Để máy thu có thể phân tách được các tín hiệu truyền đến, điều cốt yếu là tín hiệu phải đi trên các đường khác nhau và như vậy sẽ có ký hiệu không gian phân biệt. Hệ số độ tự do trong hệ thống MIMO là min{NT, NR}, tức là số anten ở phía có ít anten hơn (phía phát hoặc phía thu).
3.2.5. Cân bằng giữa tăng ích phân tập và tăng ích ghép kênh
Lizhong Zheng và David Tse đã chỉ ra rằng có một sự cân bằng (tradeoff) cơ bản giữa tăng ích ghép kênh và phân tập đạt được trong một hệ thống MIMO. Cả hai loại tăng ích có thể đạt được trong một hệ thống nhưng tăng ích ghép kênh cao sẽ dẫn tới ít phân tập hơn và ngược lại [6].
Hình 4.2 thể hiện một ví dụ cho mối quan hệ giữa tăng ích ghép kênh và lượng tăng phân tập trong một hệ thống MIMO 2x2. Chữ số đầu tiên trong ngoặc là độ lới ghép kênh không gian, chữ số thứ hai là tăng ích phân tập [6].
3.3. Mã khối không – thời gian Alamouti
Mã khối không – thời gian (STBC) Alamouti là một sơ đồ phân tập phát được phát triển bởi Siavash Alamouti. Ông đã chỉ ra rằng để đạt được những yêu cầu của các hệ thống không dây thế hệ tiếp theo theo hướng hiệu quả kinh tế thì cần phải tăng độ phức tạp của máy phát. Điều này cho phép các thiết bị trạm trở nên nhỏ hơn và chỉ cần một anten.[5]
Trong sơ đồ Alamouti, tín hiệu được xử lý theo các khối và được gửi tới các anten phát khác nhau. Phương thức truyền của Alamouti là rất hấp dẫn bởi nó đạt được full-rate trong khi vẫn duy trì được một độ phức tạp tuyến tính cho cả máy phát và máy thu.[5]
Giả sử hệ thống sử dụng điều chế M mức. Trong bộ mã hoá Alamouti, mỗi nhóm m bit thông tin sẽ được điều chế với m=log2M. Sau đó, encoder sẽ lấy một khối gồm hai symbol đã điều chế x1 và x2 và ánh xạ chúng vào anten phát theo ma trận mã hoá:
Đầu ra encoder được truyền đi trong hai chu kỳ phát liên tiếp từ hai anten phát. Ở khe thời gian đầu tiên, anten TX1 gửi đi tín hiệu s1 và anten TX2 gửi đi s2. Trong khe thời gian thứ hai, TX0 gửi –s2* và TX1 gửi s1*. Dấu * ở đây là toán tử liên hợp phức. Mô hình Alamouti là mô hình truyền tải full-rate bởi chỉ một ký hiệu duy nhất được truyền đi trong một khe thời gian.
Tín hiệu truyền sẽ đi trên hai kênh, h1 và h2, đến máy thu. Hai tín hiệu phải có hệ số tương quan nhỏ hơn 0.7 và xấp xỉ bằng công suất phát để mô hình đạt được tăng ích phân tập.[5]
Tín hiệu tại anten thu:
(3.1)
Tín hiệu ước lượng của s1 và s2 sẽ được tổng hợp theo không gian-thời gian từ tín hiệu y1 và y2:
(3.2)
Tiêu chuẩn DVB-T2 cho phép tuỳ chọn sử dụng một phiên bản khác đ3ôi chút của mô hình Alamouti. Việc triển khai nó sẽ được nói tới ở chương sau
3.4. Cấu trúc máy thu
Nhiệm vụ của máy thu là phải phân tách được các tín hiệu gửi từ các anten phát dựa trên dấu hiệu không gian của chúng. Phần này giới thiệu bốn mô hình cấu trúc máy thu với những đặc điểm và độ phức tạp tính toán khác nhau để có thể giải tương quan tín hiệu nhận được và tìm ra tín hiệu gốc.
Máy thu Zero-Forcing
Một máy thu zero-forcing (ZF), hay còn được gọi là bộ giải tương quan tuyến tính, là một cấu trúc thu đơn giản sử dụng ma trận kênh đã biết trước để ước lượng tín hiệu gửi đến. Máy thu ZF tính toán tín hiệu ước lượng như sau:
(3.3)
là chuyển vị liên hợp phức của H và r là tín hiệu thu được. Nếu H là ma trận vuông và khả nghịch thì .
Ưu điểm của máy thu ZF là giúp phân biệt các tín hiệu đã gửi một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, nó cũng làm tăng nhiễu đáng kể ở điều kiện tỉ số SNR thấp và như vậy, nó chỉ thích hợp cho ứng dụng trong điều kiện SNR cao.
Máy thu sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu MMSE
Máy thu MMSE tiếp cận theo một hướng khác để phân tách các tín hiệu đồng kênh. Thay vì nâng cao độ hoàn hảo của việc tách tín hiệu, nó sẽ cố gắng để tối thiểu ảnh hưởng của tạp nhiễu và nhiễu đồng kênh trong tín hiệu thu được. Tín hiệu ước lượng được tính theo biểu thức:
(3.5)
Trong đó là độ lệch tiêu chuẩn của nhiễu.
Máy thu MMSE ít nhạy đối với nhiễu nhưng lại làm giảm chất lượng phân tách tín hiệu. Trong điều kiện SNR cao với , máy thu MMSE sẽ tương đương với một máy thu ZF.
Máy thu V-BLAST
Cấu trúc V-BLAST tăng độ phức tạp tính toán của máy thu so với ZF và MMSE nhưng mang lại sự cải thiện về khả năng phân tách tín hiệu và chống nhiễu. Máy thu V- BLAST hoạt động bằng cách lặp đi lặp lại việc lựa chọn tín hiệu mạnh nhất trong các tín hiệu dò được và loại nó ra khỏi tập các tín hiệu thu, cho đến khi tât cả các tín hiệu đều được phát hiện thì dừng lại. Khi máy thu đã tách được tất cả các tín hiệu độc lập, nó có thể xây dựng lại dòng bit đã gửi.
Máy thu Hợp lệ tối đa ML (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Máy thu ML có hiệu năng về tỉ lệ lỗi tốt nhất trong số bốn cấu trúc máy thu, nhưng đồng thời cũng có độ phức tạp tính toán cao nhất.
Ước lượng hợp lệ tối đa của được tính như sau:
Máy thu ML tính toán giá trị nhỏ nhất trên tất cả các vector từ mã có thể s, dẫn tới độ phức tạp tính toán tăng lên rất nhiều khi số lượng anten phát tăng. Hình 3.6 biểu diễn sự gia tăng độ phức tạp tính toán khi sử dụng điều chế mức cao nhất trong DVB-T2 là 256QAM.
Hình 3.6: Độ phức tạp tính toán đối với máy thu Maximum Likelihood khi sử dụng điều chế 256QAM.
3.5. Ứng dụng MISO-OFDM trong DVB-T2
Mô hình hệ thống DVB-T2 nói chung được mô tả trong Hình 3.7:
Đầu vào của hệ thống có thể là một hoặc nhiều luồng truyền tải MPEG-2 (MPEG- 2 Transport Stream) và/hoặc một hay nhiều luồng GS (Generic Stream). Bộ tiền xử lý đầu vào không được tính là thành phần của hệ DVB-T2; nó có thể là các bộ chia Service hoặc giải ghép kênh luồng TS để phân các dịch vụ tới từng đầu vào của hệ thống T2 dưới dạng một hoặc nhiều luồng dữ liệu logic. Các luồng này sau đó sẽ được mang đi trên các tuyến dẫn vật lý PLPs (Physical Layer Pipes) riêng.
Đầu ra hệ thống thông thường là một tín hiệu đơn được truyền trên một kênh RF. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể tạo ra một bộ tín hiệu đầu ra thứ hai để đưa tới một hệ anten thứ hai trong mô hình truyền dẫn MISO.
Một tín hiệu T2 có dạng sóng mang theo một profile cụ thể (chẳng hạn T2-base profile hoặc T2-Lite profile), kể cả các FEF (Future Extension Frame).
Tiền xử lý đầu vào Xử lý đầu vào Xen bit, Mã hóa Tạo Frame OFDM generatio n TS/GS inputs Hệ thống T2 Hình 3.7. Mô hình hệ thống DVB – T2
Luồng dữ liệu đầu vào phải chịu một điều kiện ràng buộc là, trong suốt khoảng thời gian của một khung lớp vật lý (T2-frame), tổng dung lượng đầu vào (được hiểu là lưu lượng cell sau mã hóa và điều chế) phải không vượt quá dung lượng cho phép (được hiểu là số cell dữ liệu, không đổi theo thời gian) của khung T2 đối với bộ thông số khung hiện tại. Tốc độ đầu vào lớn nhất đối với bất cứ luồng TS nào, kể cả các gói null, là 72Mbit/s. Tốc độ lưu lượng ra lớn nhất đạt được sau khi bỏ các gói null là khoảng 50 Mbit/s (trong một kênh 8MHz)[2]. Tốc độ này đã được thay đổi đối với profile T2-Lite.
Chức năng của khối tạo mã OFDM là để nhận các cell từ khối Tạo frame dưới dạng các hệ số trong miền tần số, để chèn vào thông tin tham chiếu thích hợp (gọi là pilot) cho phép máy thu có thể bù méo sinh ra bởi kênh truyền và để sinh ra tín hiệu cơ sở trong miền thời gian phục vụ truyền dẫn. Cuối cùng nó sẽ chèn khoảng bảo vệ và, nếu cần, áp dụng quá trình giảm PARP để tạo tín hiệu T2 hoàn chỉnh.
Một tùy chọn ở giai đoạn đầu là xử lý MISO, cho phép các hệ số miền tần số ban đầu được biến đổi qua mã hóa Alamouti để từ đó tín hiệu T2 được chia vào hai nhóm máy phát với cùng tần số theo cách mà hai nhóm đó không gây can nhiễu lẫn nhau.
3.5.1. Xử lý MISO
Tất cả các symbol của tín hiệu DVB-T2, ngoại trừ dòng dữ liệu phụ, đều có thể được áp dụng xử lý MISO ở cấp độ cell. Giả thiết rằng tất cả các máy thu DVB-T2 đều có khả năng nhận tín hiệu đã qua xử lý MISO. Quá trình xử lý MISO bao gồm việc lấy các cell dữ liệu đầu vào và tạo ra hai bộ cell dữ liệu tương tự nhau ở đầu ra, mỗi bộ sẽ được đưa tới hai nhóm máy phát. Để tạo ra hai bộ cell dữ liệu người ta sử dụng mã hóa Alamouti biến đổi, nhưng không áp dụng đối với symbol mào đầu P1 và pilot.
Quá trình mã hóa được thực hiện trên cặp cell tải tin OFDM (am,l,p,am,l,p+1) từ đầu ra của bộ xen tần. Các cell tải tin OFDM đã mã hóa em,l,p(Tx1) cho nhóm máy phát MISO 1
và em,l,p(Tx2) cho nhóm máy phát MISO 2 sẽ được sinh ra từ các cell đầu vào theo cách
[8]:
em,l,p(Tx1) = am,l,p em,l,p+1(Tx1) = am,l,p+1 p {0,2,4,6,…Ndata -2}
em,l,p(Tx2) = -a*m,l,p+1 em,l,p+1(Tx2) = a*m,l,p p {0,2,4,6,…Ndata -2}
Trong đó dấu * là toán tử liên hợp phức và Ndata là số lượng cell ở đầu ra của bộ xen tần đối với symbol hiện tại l. Sơ đồ được vẽ trong hình dưới:
Hình 3.8: Qúa trình xử lý phần tải tin OFDM trong hệ thống MISO
Trình mã hóa được lặp lại lần lượt đối với mỗi cặp cell tải tin. MISO không được áp dụng đối với symbol P1. Nội dung của symbol P1 sẽ là giống hệt nhau giữa hai nhóm máy phát. Nếu không sử dụng MISO, các cell đầu vào sẽ được copy trực tiếp tới đầu ra, tức là em,l,p= am,l,p với p=0,1,2,…,Ndata-1.
Hình 3.9: Thu và phát MISO trong DVB-T2 [5]
Để triển khai MISO trong thực tế có thể tiến hành theo một trong hai cách:
- MISO đồng điểm: hai anten đặt cùng một vị trí với máy phát nhưng được phân cực khác nhau (phân cực ngang và phân cực dọc).
- MISO phân phối: hai anten đặt tại hai vùng phát khác nhau trong cùng mạng đơn tần SFN.
3.5.2. Chèn Pilot
Giới thiệu
Các tế bào khác nhau trong khung OFDM sẽ được điều chế với thông tin tham chiếu mà máy thu đã biết trước giá trị. Các tế bào chứa thông tin tham chiếu sẽ được truyền với mức công suất tăng cường. Pilot cũng có thể được dùng để đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian, ước lượng kênh, đánh dấu mode truyền dẫn và đồng thời cũng có (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thể dùng để theo dõi nhiễu pha. Pilot có các loại: phân tán, liên tục, cạnh, P2 và “đóng khung”.
Các phần sau đây sẽ sử dụng các chỉ số m, l, k với m là số thứ tự T2-frame, l là số symbol và k là chỉ số sóng mang OFDM.
Xây dựng chuỗi tham chiếu
Các pilot được điều chế theo một chuỗi tham chiếu rl,k. Chuỗi này được xây dựng từ một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) mức symbol là wk và một chuỗi giả nhiễu PN mức khung là pnl. Chuỗi tham chiếu này áp dụng cho tất cả các loại pilot của mỗi symbol trong khung T2. Đầu ra của chuỗi mức symbol wk có thể bị đảo ngược hoặc không tuỳ thuộc vào chuỗi mức khung pnl như mô tả trong hình 3.10.
Chuỗi PRBS được ánh xạ tới các sóng mang sao cho bit ra đầu tiên (w0) từ PRBS sẽ trùng khớp với sóng mang hoạt động đầu tiên (k=Kmin) trong 1K, 2K và 4K. Trong chế độ 8K, 16K và 32K, bit w0 sẽ trùng với sóng mang tích cực đầu tiên của mode sóng mang mở rộng. Trong chế độ sóng mang bình thường, sóng k=Kmin được điều chế bởi bit ra của chuỗi sao cho với cùng một sóng mang vật lý thì kiểu điều chế là như nhau trong cả mode bình thường và mode mở rộng.
Hình 3.10: Tạo chuỗi tham chiếu từ chuỗi PRBS và PN [5]
Chèn pilot phân tán
chế độ sóng mang mở rộng Trong đó DX, DY được định nghĩa trong Bảng 4.1.
Bảng 3.13: Các tham số xác định mẫu pilot phân tán
Mẫu pilot
Khoảng cách sóng mang chống pilot DX
Số symbol tạo nên một chuỗi pilot phân tán DY
PP1 3 4 PP2 6 2 PP3 6 4 PP4 12 2 PP5 12 4 PP6 24 2 PP7 24 4 PP8 6 16
Sự kết hợp của các mẫu pilot phân tán với kích thước FFT và khoảng bảo vệ được phép sử dụng là khác nhau với chế độ SISO và MISO như trong hai bảng 3.2 và 3.3
Bảng 3.14: Các kết hợp cho phép trong chế độ SISO
Kích thƣớc FFT Khoảng bảo vệ 1/128 1/32 1/16 19/256 1/8 19/128 1/4 32K PP7 PP4 PP6 PP2 PP8 PP4 PP2 PP8 PP4 PP2 PP8 PP2 PP8 NA 16K PP7 PP7 PP4 PP6 PP2 PP8 PP4 PP5 PP2 PP8 PP4 PP5 PP2 PP3 PP8 PP2 PP3 PP8 PP1 PP8 8K PP7 PP7 PP4 PP8 PP4 PP8 PP4 PP2 PP3 PP2 PP3 PP1 PP8
PP5 PP5 PP8 PP8 4K, 2K NA PP7 PP4 PP4 PP5 NA PP2 PP3 NA PP1 1K NA NA PP4 PP5 NA PP2 PP3 NA PP1
Bảng 3.15: Các kết hợp cho phép trong chế độ MISO Kích thƣớc FFT Khoảng bảo vệ 1/128 1/32 1/16 19/256 1/8 19/128 1/4 32K PP8 PP4 PP6 PP8 PP6 PP2 PP8 PP2 PP8 NA NA NA 16K PP8 PP4 PP5 PP8 PP4 PP5 PP3 PP8 PP3 PP8 PP1 PP8 PP1 PP8 NA 8K PP8 PP4 PP5 PP8 PP4 PP5 PP3 PP8 PP3 PP8 PP1 PP8 PP1 PP8 NA 4K, 2K NA PP4 PP5 PP3 NA PP1 NA NA 1K NA NA PP3 NA PP1 NA NA
Biến đổi pilot khi dùng MISO
Trong mode MISO, pha của tín hiệu pilot được biến đổi trong tín hiệu dành cho máy phát MISO nhóm 2.
Pilot phân tán từ máy phát MISO nhóm 2 được nghịch đảo so với MISO nhóm 1 trên từng sóng mang chịu pilot một cách luân phiên:
Hình 3.11: Ví dụ về mẫu pilot PP1 cho MISO.
3.5.3. Ánh xạ tế bào dữ liệu vào sóng mang OFDM
Bất kỳ tế báo trong các symbol P2 hoặc dữ liệu không được chỉ định là một pilot hoặc một reserved tone sẽ mang một trong các tế bào dữ liệu từ bộ xử lý MISO, ví
dụ . Các tế bào cho mỗi symbol trong khung T2 sẽ được đưa ra
để tăng chỉ số và gán cho của mỗi symbol để tăng chỉ số sóng mang cho các giá trị trong khoảng được coi như tế báo dữ liệu bởi các định nghĩa trên.
3.5.4. Điều chế IFFT OFDM
Phần này trình bày cấu trúc OFDM được sử dụng trong từng chế độ phát sóng cụ thể. Tín hiệu được sắp xếp vào các khung. Mỗi frame được truyền trong khoảng thời gian và đã bao gồm symbol OFDM. Các khung tạo thành một siêu khung. Mỗi symbol được tạo thành từ một bộ các sóng mang phát sóng trong khoảng thời gian . Nó gồm hai phần: phần hữu ích có khoảng thời gian và khoảng bảo vệ . Khoảng