Trong DVB–DSNG, quá trình xử lý dòng dữ liệu tương tự như tiêu chuẩn DVB-S, với một số khác biệt:
• Thích nghi ghép kênh dòng truyền tải và phân tán năng lượng (theo DVB-S). • Mã hóa ngoài Reed-Solomon (204, 188) (theo DVB-S).
• Xáo trộn bit (theo DVB-S). • Mã hóa trong:
▪ Mã chập có loại bỏ bit (theo DVB-S).
▪ Mã lưới”pragmatic”liên kết với 8PSK và 16QAM. • Ánh xạ bit lên chòm sao điều chế:
▪ QPSK (theo DVB-S). ▪ 8PSK (khác DVB-S). ▪ 16QAM (khác DVB-S).
• Lọc băng gốc dùng bộ lọc cos nâng:
▪ Hệ số cuốn α = 0,35 cho QPSK, 8PSK, 16QAM. ▪ Tùy chọn α = 0,25 cho 8PSK, 16QAM.
• Điều chế cầu phương (quadrature modulation) (theo DVB-S):
DVB-S. Trong 2 trường hợp còn lại, 2 tiêu chuẩn khác biệt nhau từ phần mã hóa trong và điều chế. Ví dụ, với trường hợp 8PSK 2/3:
Với mã sửa sai 2/3, cứ 2 bit vào thì có 3 bit tại đầu ra. Khối chuyển đổi song song ra song song sẽ biến đổi 8 tín hiệu vào thành 2 tín hiệu ra song song. Hai luồng bit này sẽ được đưa qua khối mã chập với tỷ lệ 1/2 trên đường E1 để tạo ra 2 bit trên 1 nhịp cùng với 1 bit trên đường NE để tạo ra 3 bit trên 1 nhịp cho phù hợp với 1 symbol điều chế 8PSK. Sau đó 3 bit này sẽ được đưa đến khối điều chế 8PSK.
Hình 1.22. Sơ đồ khối điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB-DSNG
Khối mã chập tương tự như trong điều chế QPSK. Giản đồ định vị bit điều chế 8PSK, TCM với tỷ lệ trên 2/3 như trong hình vẽ sau:
Hình 1.23. Giản đồ định vị bit điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB –DSNG
Các phương pháp điều chế và mã hóa khác trong DVB-DSNG cũng có nguyên lý tương tự 8PSK 2/3. Sử dụng nhiều tỷ lệ mã khác nhau giúp cho hệ
thống DVB –DSNG có khả năng lựa chọn phương án tối ưu tùy theo điều kiện cụ thể.
Bảng 1.5. Các lựa chọn điều chế và mã hóa trong DVB –DSNG
Kiểu điều chế Tỷ lệ mã trong Hiệu suất phổ (số bit/symbol) Eb/ No yêu cầu (dB) (*) QPSK 1/2 0,92 4,5 2/3 1,23 5,0 3/4 1,38 5,5 5/6 1,53 6,0 7/8 1,61 6,4 8PSK 2/3 1,84 6,9 5/6 2,30 8,9 8/9 2,46 9,4 16QAM 3/4 2,76 9,0 7/8 3,22 10,7
(*): Eb/N0 yêu cầu được tính với BER=2x10-4 trước giải mã RS và QEF sau giải mã RS.
QEF được định nghĩa là có xấp xỉ nhỏ hơn 1 lỗi trong 1 giờ ở đầu vào của
bộ giải nén MPEG-2 tương ứng với BER 10-10 đến 10-11.
1.5. Kết luận chương 1
Tiêu chuẩn DVB-S và DVB-DSNG thiết kế trên cơ sở gia tăng khả năng chống nhiễu cho dòng truyền tải MPEG-2 và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong truyền hình có các đặc điểm nổi bật là:
1. Tín hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 TS.
2. Kiểu điều chế là QPSK đối với DVB-S và QPSK, 8PSK, 16QAM đối với DVB-DSNG
3. Mã hóa chống nhiễu: Mã ngoài là mã RS(204,188) và mã trong là mã chập 4. Hiện chỉ sử dụng hai hệ số rool-off là 0,35 và 0,25.
5. Mã hóa và điều chế là cố định không thay đổi được khi đang trong quá trình truyền tin.
Chương 2
TIÊU CHUẨN DVB-S2 VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG
Chuẩn truyền hình số qua vệ tinh DVB-S hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên nhu cầu tăng hiệu quả sử dụng băng tần và tốc độ truyền dẫn tín hiệu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các dịch vụ như dịch vụ HDTV, dịch vụ internet tốc độ cao qua vệ tinh….Chuẩn DVB-S2 (Digital Satellite
Broadcasting 2nd Generation) ra đời để đáp ứng các nhu cầu đó.
2.1. Giới thiệu về tiêu chuẩn DVB -S2 (EN 302 307) [6]
DVB-S2 là thế hệ thứ 2 của truyền hình số phát qua vệ tinh, được phát triển từ năm 2003, phiên bản mới nhất là V1.2.1 tháng 8 năm 2009. DVB-S2 kết hợp chức năng của truyền hình quảng bá DVB-S và các ứng dụng chuyên nghiệp DVB-DSNG trong một tiêu chuẩn duy nhất. Trong tương lai, DVB-S2 sẽ dần thay thế cả hai tiêu chuẩn này nhờ sự vượt trội về hiệu quả sử dụng băng tần và độ linh hoạt.
Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2 như sau:
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2
2.1.1. Khối thích nghi kiểu truyền dẫn
mã hóa CRC-8 để phát hiện lỗi, đồng bộ và kết hợp dòng bit (trong trường hợp đầu vào đa chương trình), chia nhỏ dòng bit thành các DATA FIELD. Cuối cùng, một tín hiệu báo hiệu được thêm vào để thông báo cho phía thu biết những thông tin cơ bản về dữ liệu và cấu trúc khung. Định dạng của chuỗi bit đầu ra của khối thích nghi kiểu truyền dẫn sẽ bao gồm trường BBHEADER (80 bit) và trường dữ liệu DATA FIELD có kích thước không cố định.
2.1.1.1. Khối giao diện đầu vào
Theo định nghĩa, đầu vào của hệ thống DVB-S2 có thể là: - Một hoặc nhiều dòng truyền tải (TS) MPEG.
- Một hoặc nhiều dòng dữ liệu chung, có thể là dòng bit liên tục hoặc dạng gói. Do DVB-S2 chấp nhận nhiều dạng đầu vào khác nhau nên các dạng đầu vào này cần phải được nhận biết và chuyển về một dạng chung. DVB-S2 phân loại đầu vào dựa trên độ dài của dòng bit và gán các giá trị độ dài gói UPL (User Packets Length) tương ứng như sau:
- Dòng truyền tải TS: Giá trị UPL cố định và bằng (188 x 8) bit (độ dài một gói MPEG). Byte đầu tiên luôn là byte đồng bộ (47HEX).
- Dòng dữ liệu chung: Có thể là dòng bit liên tục (được gán UPL = 0D), hoặc dạng gói dữ liệu. Trong trường hợp gói, nếu độ dài gói không đổi và nhỏ hơn 64K thì UPL được gán bằng độ dài của gói, nếu không thỏa mãn 2 điều kiện trên thì đầu vào được xem như liên tục (UPL = 0D).
Đối với các gói dữ liệu không phải dòng truyền tải, nếu byte đồng bộ là byte đầu tiên của gói thì byte này sẽ không bị thay đổi. Nếu không, byte đồng bộ bằng 0D
sẽ được thêm vào phía trước của gói đồng thời giá trị UPL tăng thêm 8 bit.
- Tín hiệu điều khiển ACM (ACM Command): Nếu hệ thống làm việc trong chế độ mã hóa điều chế thích nghi ACM, tín hiệu điều khiển có thể được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ đầu vào cho phù hợp với điều kiện truyền dẫn.
2.1.1.2. Bộ mã hóa CRC-8
Mã hóa CRC chỉ được sử dụng cho dạng dữ liệu gói. Nếu UPL = 0D thì khối này được bỏ qua không xử lý.
Trường hợp UPL ≠ 0, dòng bit đầu vào sẽ có dạng một chuỗi các gói dữ liệu người dùng UP (User Packet) với độ dài UPL, bắt đầu bằng byte đồng bộ (byte
đồng bộ được hệ thống gán bằng 0 nếu không có).
Nếu như vậy, phần mang thông tin có ích của gói UP (ngoại trừ byte
đồng bộ) sẽ được đưa vào bộ mã hóa CRC, với đa thức sinh: g(X) = (X5 + X4 +
X3 + X2 + 1)(X2 + X + 1)(X + 1) = X8 + X7 + X6 + X4 + X2 + 1.
Đầu ra bộ mã hóa CRC là phần dư của phép tính: [ X8u(X): g(X) ], trong đó u(X) là gói đầu vào sau khi trừ đi 8 bit của byte đồng bộ. Giá trị này sẽ thay thế cho byte đồng bộ của gói UP tiếp theo, còn byte đồng bộ bị thay thế sẽ được copy vào trường SYNC của BBHEADER.
Hình 2.2. Hoạt động của bộ mã hóa CRC-8
2.1.1.3. Khối Merger/Slicer
Đầu vào của bộ Merger/Slicer có thể là dòng bit liên tục hoặc gói UP. Khối Merger/Slicer gồm 2 thành phần, thực hiện 2 nhiệm vụ khác nhau:
• Slicer:
Đọc dòng dữ liệu vào (trường hợp có nhiều đầu vào thì chỉ đọc 1 trong số các dòng đầu vào) rồi chia thành các khối DATA FIELD có kích thước DFL (Data Field Length). Giá trị DFL phải thỏa mãn:
(Kbch-80) ≥ DFL ≥ 0
Trong đó KBCH là độ dài khối bit trước khi mã hóa BCH (nhận các giá trị khác nhau, tùy theo tỷ lệ mã được áp dụng), 80 bit là kích thước của trường BBHEADER.
• Merger:
Liên kết các khối DATA FIELD của cùng một dòng đầu vào. Trong trường hợp chỉ có một dòng dữ liệu đầu vào thì khối khối Merger trở nên không cần thiết và được bỏ qua.
Tùy thuộc vào ứng dụng, việc phân chia các bit vào trường DATA FIELD có thể được thực hiện theo 2 cách:
- Lấp đầy kích thước tối đa của DATA FIELD, tương ứng với độ dài bit yêu cầu trước khi mã hóa BCH trừ đi 80 bit BBHEADER (Kbch-80). Như vậy, một gói UP có thể bị chia vào nhiều DATA FIELD khác nhau.
- Ngược lại, có thể phân chia sao cho mỗi DATA FIELD chỉ chứa một số nguyên các UP.
Do các gói UP có thể bị chia vào các DATA FIELD khác nhau và các byte đồng bộ được thay thế bằng trường sửa lỗi CRC-8, nên để thực hiện đồng bộ ở phía phát cần chỉ ra số các bit tính từ đầu một DATA FIELD cho đến bit bắt đầu của trường CRC-8 đầu tiên. Khoảng cách này sẽ được chứa trong trường SYNCD trong BBHEADER.
Hình 2.3. Định dạng đầu ra sau khối thích nghi kiểu truyền dẫn
2.1.1.4. Chèn BBHEADER
Một trường BBHEADER có độ dài cố định (10 byte) sẽ được thêm vào phần đầu của DATA FIELD nhằm xác định cấu trúc của DATA FIELD đó. BBHEADER gồm các thành phần:
1) MATYPE (2 byte): mô tả định dạng dòng dữ liệu đầu vào, phương pháp thích nghi kiểu truyền dẫn, chế độ làm việc CCM hay ACM, hệ số roll-off α.
Trong đó:
- TS/GS-Transport Stream/Generic Stream: Đầu vào là dòng truyền tải hay dòng dữ liệu chung (2 bit).
- SIS/MIS-Single Input Stream/Multiple Input Stream: Một hay nhiều dòng dữ liệu đầu vào (1bit).
- CCM/ACM: Mã hóa và điều chế không đổi CCM hay mã hóa và điều chế thích nghi ACM (1bit).
- ISSYI-Input Stream Synchronization Indicator: Chỉ thị cơ chế định thời ở phía thu có hoạt động hay không (1bit).
- NPD-Null Packet Deletion: Chỉ thị cơ chế xóa các gói rỗng có hoạt động hay không (1bit).
- RO: Hệ số roll-off α (2bit).
Bảng 2.1. Giá trị các trường trong MATYPE-1
TS/GS SIS/MIS CCM/ACM ISSYI NPD R0
11: Dòng gói truyền tải 1= một dòng 1: Có 1: Có 1: Có 00=0,35 00: Dữ liệu chung, gói 0=nhiều dòng 0: ACM 0: Không 0: Không 01=0,25
01: Dữ liệu chung,liên tục 10=0,20
10: Dự phòng 11=dự phòng
• Byte thứ 2 (MATYPE-2): Nếu trường SIS/MIS chỉ thị nhiều dòng dữ liệu đầu vào thì byte thứ 2 chứa nội dung xác định các dòng dữ liệu này (ISI-Input Stream Identifier), nếu không sẽ được dự phòng.
2) UPL-User Packet Length (2 byte): Chiều dài của gói người dùng UP [bit]. UPL nhận các giá trị trong khoảng [0, 65535].
Ví dụ: 0000HEX = dòng dữ liệu liên tục. 000AHEX = chiều dài gói UP bằng 10. UPL = 188x8D: gói truyền tải MPEG.
3) DFL-Data Field Length (2 byte): chiều dài của DATA FIELD, [bit]. DFL nhận các giá trị trong khoảng [0, 58112].
Ví dụ: 000AHEX = Data Field có độ dài 10 bit. 4) SYNC (1byte): bản sao của byte đồng bộ gói UP.
SYNC = 00HEX: khi đầu vào là dòng gói dữ liệu chung không có byte đồng bộ.
SYNC = không có nếu đầu vào là dòng dữ liệu liên tục.
5) SYNCD (2 byte): khoảng cách từ bit đầu tiên của DATA FIELD và bit bắt đầu của trường CRC-8 đầu tiên thuộc DATA FIELD đó.
6) CRC-8: byte chỉ thị lỗi áp dụng cho 9 byte đầu tiên của BBHEADER.
2.1.2. Khối thích nghi dòng truyền tải [7]
Hình 2.4. Các thành phần trong khối thích nghi dòng truyền tải
2.1.2.1. Bộ đệm
Đầu ra của khối là khung BBFRAME sẽ được đưa vào khối mã hóa BCH, do vậy BBFRAME phải có đúng kích thước theo yêu cầu của bộ mã hóa (Kbch). Bộ đệm được sử dụng trong trường hợp dữ liệu không đủ lấp đầy một khung BBFRAME, hoặc một số nguyên lần các gói UP nằm trong DATA FIELD, dẫn đến còn có những chỗ trống. Khi đó bộ đệm sẽ bổ sung thêm (Kbch - DFL - 80) bit 0 để khung BBFRAME có độ dài cần thiết là Kbch. Đối với ứng dụng quảng bá, DFL = Kbch-80 do vậy không cần sử dụng bộ đệm.
Hình 2.5. Khung BBFRAME tại đầu ra khối thích nghi dòng truyền tải
2.1.1.5. Ngẫu nhiên hóa khung BBFRAME
Quá trình ngẫu nhiên hóa được sử dụng tương tự như trong tiêu chuẩn DVB-S nhằm phân tán năng lượng dòng bit, tránh xuất hiện thành phần DC
trong phổ tín hiệu. Nguyên lý thực hiện trong DVB-S2 cũng sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên PRSB.
Hình 2.6. Nguyên lý ngẫu nhiên hóa trong DVB-S2
2.1.3. Khối mã hóa sửa lỗi trước FEC
Hình 2.7. Các thành phần trong khối mã hóa trước FEC
DVB-S2 cũng áp dụng các biện pháp sửa lỗi trước như DVB-S, tuy nhiên phương pháp mã hóa khác với DVB-S. Thay thế tương ứng cho mã Reed-Solomon và mã chập là mã khối BCH và mã kiểm tra độ ưu tiên cường độ thấp LPDC. Ngoài ra một số lượng lớn các tỷ lệ mã hóa được đưa vào DVB- S2 giúp cho hệ thống có thể linh hoạt làm việc theo các điều kiện đường truyền khác nhau, thậm chí cả khi mức nhiễu cao hơn mức tín hiệu.
Định dạng đầu vào bộ mã hóa sửa sai là các khung BBFRAME. Bộ mã hóa đưa thêm các bit sửa sai tương ứng với 2 loại mã hóa, tạo thành cấu trúc khung mới FECFRAME như sau:
Hình 2.8. Cấu trúc FECFRAME sau bộ mã hóa trước Trong đó:
Kbch: kích thước khối bit trước mã hóa BCH. Nbch: kích thước khối bit sau mã hóa BCH. kldpc: kích thước khối bit trước mã hóa LDPC. nldpc: kích thước khối bit sau mã hóa LDPC.
DVB-S2 định nghĩa 2 loại cấu trúc khung FECFRAME: loại bình thường có độ dài 64800 bit và loại ngắn 16200 bit. Các khung FECFRAME dài có khả năng bảo vệ lỗi tốt hơn nhưng có độ trễ lớn hơn so với loại ngắn 16200 bit. Do vậy cấu trúc khung ngắn được lựa chọn cho các ứng dụng mà độ trễ là quan trọng (ví dụ trong các ứng dụng lưu lượng internet), còn khung bình thường 64800 bit được sử dụng để tối ưu hóa khả năng bảo vệ chống nhiễu (ví dụ trong các ứng dụng quảng bá thông thường).
Bảng 2.2. Các tham số mã hóa đối với khung FECFRAME thường
Tỷ lệ mã LDPC Kbch Nbch = kldpc tbch nldpc 1/4 16008 16200 12 64800 1/3 21408 21600 12 64800 2/5 25728 25920 12 64800 1/2 32208 32400 12 64800 3/5 38688 38880 12 64800 2/3 43040 43200 10 64800 3/4 48408 48600 12 64800 4/5 51648 51840 12 64800 5/6 53840 54000 10 64800 8/9 57472 57600 8 64800 9/10 58192 58320 8 64800
2.1.3.1. Mã hóa ngoài-mã BCH
Mã BCH là loại mã khối được sử dụng trong DVB-S2 để thay thế cho mã ngoài Reed-Solomon. Nguyên lý tạo từ mã BCH được tóm tắt như sau:
- Giả sử khối bit cần mã hóa là: m (m 1,m 2,...,m1,m0)
bch bch K
K − −
= (2.1)
- Nhân đa thức từ mã m (x) với: xnbch−kbch
Ta có: 2 1 0 1 1 ... ) (x m x m m x m m bch bch bch K K K + + + + = − − − (2.2)
- Chia kết quả tìm được cho đa thức sinh từ mã g(x). Phần dư của phép chia có dạng: 0 1 1 1 ... ) (x d x d x d d bch bch bch bch k n k n + + + = − − − − (2.3)
Đa thức sinh của từ mã ra: c(x)=xnbch−kbchm(x)=d(x) (2.4) - Từ mã BCH sẽ có dạng: ) , , , , ,..., , (m 1 m 2 m1,m0 d 1 d 2 d1 d0 C bch bch bch bch bch bch k n k n k k − − − − − − = (2.5)
Bảng 2.3. Đa thức sinh BCH trong trường hợp khung FECFRAME thường g1(x) 1 + x2 + x3 + x5 + x16 g2(x) 1 + x + x4 + x5 + x6 + x8 + x16 g3(x) 1 + x2 + x3 + x4 + x5 + x7 + x8 + x9 + x10 + x11 + x16