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 g4(x) 1 + x2 + x4 + x6 + x9 + x11 + x12 + x14 + x16 g5(x) 1 + x + x2 + x3 + x5 + x8 + x9 + x10 + x11 + x12 + x16 g6(x) 1 + x2 + x4 + x5 + x7 + x8 + x9 + x10 + x12 + x13 + x14 + x15 + x16 g7(x) 1 + x2 + x5 + x6 + x8 + x9 + x10 + x11 + x13 + x15 + x16 g8(x) 1 + x + x2 + x5 + x6 + x8 + x9 + x12 + x13 + x14 + x16 g9(x) 1 + x5 + x7 + x9 + x10 + x11 + x16 g10(x) 1 + x + x2 + x5 + x7 + x8 + x9 + x10 + x12 + x14 + x16 g11(x) 1 + x2 + x3 + x5 + x9 + x11 + x12 + x13 + x16 g12(x) 1 + x + x5 + x6 + x7 + x9 + x11 + x12 + x16 2.1.3.2. Mã hóa trong LDCP
Mã hóa kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LPDC) là một lớp các mã khối tuyến tính với một ma trận kiểm tra độ ưu tiên H. Ma trận H chỉ gồm các giá trị 0
và 1 nằm rải rác. Số lượng các số 1 trong ma trận này rất thấp. Việc mã hóa được thực hiện bằng các phương trình biến đổi từ ma trận H để tạo ra các bit kiểm tra độ ưu tiên. Quá trình giải mã sử dụng các đầu vào ‘mềm’ (soft-input) kết hợp với các phương trình này để tạo ra các ước lượng mới cho các giá trị thông tin được gửi.
2.1.3.3. Xáo trộn bit
Đối với các kiểu điều chế 8PSK, 16APSK, 32APSK từ mã đầu ra sau khi mã hóa LDPC sẽ được xáo trộn. Mục đích của xáo trộn để nâng cao khả năng chống lỗi cụm tương tự như trong DVB-S, tuy nhiên nguyên lý thực hiện xáo trộn khác với DVB-S. Trong DVB-S2, các bit được ghi tuần tự theo các cột trong bộ xáo trộn, nhưng khi đọc ra lại đọc theo hàng ngang, như vậy thứ tự các bit đã bị thay đổi. Bit MSB của trường BBHEADER luôn được đọc ra đầu tiên, ngoại trừ trường hợp của 8PSK 3/5).
Hình 2.9. Sơ đồ xáo trộn bit, điều chế 8PSK và khung FECFRAME thường Trong các trường hợp khác của DVB-S2, xáo trộn bit được thực hiện tương tự, theo các thông số trong bảng sau:
Bảng 2.4. Thông số của bộ xáo trộn bit trong tiêu chuẩn DVB-S2
Điều chế Số hàng (với nldpc = 64800) Số hàng (với nldpc = 16200) Số cột 8PSK 21600 5400 3 16APSK 16200 4050 4
32APSK 12960 3240 5
2.1.4. Khối ánh xạ bit lên chòm sao điều chế [8]
DVB-S2 sử dụng 4 sơ đồ điều chế khác nhau: QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK. Trong đó QPSK và 8PSK được sử dụng cho các ứng dụng quảng bá do chúng là loại điều chế có đường bao không đổi và có thể hoạt động ở gần điểm bão hòa của các bộ phát đáp trên vệ tinh. Còn 16APSK và 32APSK hướng tới các ứng dụng chuyên nghiệp, có thể được sử dụng cho quảng bá nhưng đòi hỏi mức C/N cao và phải áp dụng phương pháp tiền sửa méo (pre- distortion) trong trạm phát lên để giảm thiểu tính phi tuyến của bộ phát đáp. Các phương pháp này không tối ưu về mặt công suất nhưng hiệu suất phổ lại lớn hơn nhiều. Các sơ đồ chòm sao 16APSK và 32APSK được thiết kế để hoạt động trên các bộ phát đáp phi tuyến nhờ đặt các điểm trên các vòng tròn khác nhau. Tuy nhiên trên kênh tuyến tính chúng vẫn có thể đạt hiệu quả tương đương với 16QAM và 32QAM.
Bằng cách lựa chọn kiểu điều chế và tỷ lệ mã khác nhau, DVB-S2 có thể đạt được hiệu suất phổ từ 0,5 đến 4,5 bit/symbol tùy thuộc vào bộ phát đáp được sử dụng. Ba hệ số roll-off khác nhau được lựa chọn: 0,35 (DVB-S) 0,2 và 0,25 cho phép tiết kiệm băng thông hơn so với DVB-S.
Hình 2.10. Các sơ đồ điều chế được sử dụng trong DVB-S2
Ngoài ra, để tương thích ngược với DVB-S đang được sử dụng rộng rãi, điều chế phân cấp (Hierarchical Modulation) cũng được đưa vào DVB-S2. Nhờ điều chế phân cấp, có thể truyền đồng thời một dòng truyền tải DVB-S (HP- High Priority) và dòng truyền tải DVB-S2 (LP-Low Priority).
Hình 2.11. Ánh xạ các bit trong điều chế phân cấp
Trong điều chế phân cấp, mỗi góc phần tư được xem như một điểm trên chòm sao điều chế. Mỗi góc phần tư sẽ xác định 2 bit có độ ưu tiên cao HP. Tuy nhiên, nếu thêm vào 2 trạng thái tại mỗi góc phần tư để xác định bit có độ ưu
tiên thấp LP thì mỗi symbol sẽ tăng thêm 1 bit thông tin. Như vậy, máy thu DVB-S có thể thu tín hiệu điều chế phân cấp và giải điều chế QPSK, còn máy thu DVS- S2 sẽ thu và giải điều chế 8PSK.
2.1.5. Tạo khung lớp vật lý
2.1.5.1.Cấu trúc khung truyền tải trong DVB-S2
Khác với DVB-S, tiêu chuẩn DBV-S2 quy định các cấu trúc khung. Có 2 mức cấu trúc khung được thiết kế là:
- Mức vật lý PL (PLFRAME). - Mức cơ bản (FECFRAME).
Hình 2.12. Minh họa cấu trúc khung vật lý được sử dụng trong DVB-S2 Các khung vật lý truyền tải các khung FECFRAME tương tự như xe chở hàng. Các khung PLFRAME liền nhau có thể được mã hóa điều chế khác nhau. Cấu trúc khung ở lớp vật lý có các bit mào đầu PLHEADER, mang các thông tin nhằm giúp phía thu có thể đồng bộ và xác định phương pháp điều chế và các thông số mã hóa mà không cần phải giải mã, giải điều chế tín hiệu. Do tính chất quan trọng của PLHEADER nên nó được mã hóa sửa sai rất chặt chẽ với tỷ lệ mã 7/64 (57 bit chống lỗi cho 7 bit mang tin). Trên hình, các khung vật lý được truyền tải nối tiếp nhau. Trong mỗi khung vật lý lược đồ mã hóa và điều chế phải đồng nhất, tuy nhiên giữa các khung vật lý khác nhau thì có thể thay đổi. Điều này tạo nên tính linh hoạt cho hệ thống DVB-S2 so với DVB-S. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cấu trúc khung FECFRAME sẽ cung cấp đầy đủ thông tin phục vụ cho quá trình xử lý giải mã tín hiệu. Nhờ có 80 bit mào đầu BBHEADER, phía thu có thể
thiết lập các cấu hình tương ứng với các chế độ truyền dẫn khác nhau như đầu vào đơn chương trình hay đa chương trình, định dạng chung hay gói dòng truyền tải MPEG, chế độ CCM hay ACM... Tóm tắt quá trình tạo khung FECFRAME: đầu tiên là dữ liệu cần truyền đi được chia thành các DATA FIELD có độ dài DFL. DATA FIELD được thêm trường BBHEADER kích thước 80 bit. Trước khi đưa vào bộ mã hóa FEC, nó được bổ sung thêm các bit đệm để có độ dài phù hợp theo yêu cầu của mã BCH và LDPC tạo thành khung BBFRAME. Quá trình mã hóa trước sẽ thêm vào các bit sửa sai và xáo trộn để tạo thành khung FECFRAME với kích thước 64800 bit hoặc 16200 bit, tùy thuộc vào tỷ lệ mã hóa được lựa chọn.
Hình 2.13. Quá trình tạo thành FECFRAME trong DVB-S2
2.1.5.2. Quá trình tạo khung lớp vật lý
Đầu vào của khối tạo khung PL là cấu trúc XFECFRAME (FECFRAME sau khi điều chế), đầu ra là khung lớp vật lý PLFRAME. Khung PLFRAME được tạo ra bằng cách chia nhỏ khung XFECFRAME thành các SLOT với độ dài 90 symbol. Sau đó phần đầu PLHEADER được thêm vào phía trước XFECFRAME. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể mà các bit hoa tiêu (pilot) được thêm vào để tạo thành khung PLFRAME.
Hình 2.14. Các thành phần của khối tạo khung PLFRAME
a. Chèn khung giả
Các khung PLFRAME giả sẽ được tạo ra nếu không có dữ liệu được truyền đi. Khung PL giả chỉ bao gồm phần đầu PLHEADER và 36 SLOT không được điều chế.
b. Chèn báo hiệu lớp vật lý
Khung XFECFRAME được chia thành S các SLOT với độ dài cố định 90 symbol. Số lượng S được xác định theo bảng:
Bảng 2.5. Số lượng các SLOT theo độ dài XFECRAME
Số bit/symbol FECFRAME:nldpc=64800 bit FECFRAME: nldpc=16200 bit
2 360 90
3 240 60
4 180 45
5 144 36
Phần mào đầu PLHEADER sẽ được thêm vào phía trước khung nhằm cung cấp thông tin cấu hình cho phía thu. Độ dài PLHEADER bằng đúng kích thước 1 SLOT. Sau khi giải mã PLHEADER, phía thu sẽ biết được độ dài và cấu trúc PLFRAME, phương pháp điều chế và mã hóa của FECFRAME, sự có mặt hay không của các bit hoa tiêu. Do tính chất quan trọng mà PLHEADERđược bảo vệ bằng mã hóa Reed Muller (64,7) và điều chế BPSK để đảm bảo phía thu vẫn có thể giải mã trong điều kiện xấu nhất.
Hình 2.15. Cấu trúc của PLHEADER Phần PLHEADER bao gồm 2 thành phần như sau:
▪ SOF - Start Of Frame (26 symbol): xác định bắt đầu một khung, mang giá trị 18D2E82HEX.
▪ PLSCODE (64 symbol): được mã hóa chống lỗi, sau khi giải mã sẽ thu được 7 symbol phục vụ cho việc báo hiệu. Các symbol này được phân vào 2 trường sau:
▪ MODCOD (5 symbol): xác định phương pháp điều chế (QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK) và các tỷ lệ mã hóa trước (1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4,....) được áp dụng.
▪ TYPE (2 symbol): xác định độ dài của khung FECFRAME (0 = bình thường: 64800 bit, 1 = ngắn: 16200 bit), ngoài ra còn xác định khung PL có chèn bit hoa tiêu hay không (0: không chèn bit hoa tiêu).
c. Chèn các bit hoa tiêu
Tùy thuộc vào phương thức làm việc được lựa chọn mà khung PLFRAME có thể có hoặc không các bit hoa tiêu. Các bit hoa tiêu làm nhiệm vụ đồng bộ tại phía phát. Kích thước khối bit hoa tiêu bằng P = 36 symbol và được chèn thêm sau mỗi SLOT, tính từ trường PLHEADER.
d. Xáo trộn lớp vật lý
Trước khi được điều chế, các khung PLFRAME (ngoại trừ PLHEADER) sẽ được xáo trộn để phân tán năng lượng và tránh các giá trị lặp lại. Chuỗi xáo trộn
(CI + jCQ) được tạo thành từ 2 chuỗi thực (từ 2 đa thức sinh có bậc 18). Độ dài chuỗi được lựa chọn lớn hơn độ dài tối đa của PLFRAME nhằm tránh các bit giả có thể phát sinh trong quá trình xáo trộn.
2.1.6. Lọc băng gốc và điều chế cầu phương
Tín hiệu sẽ được xử lý bằng bộ lọc cos nâng với hệ số roll-off bằng 0,35 0,25 hoặc 0,2.
Hàm truyền đạt H(f) của bộ lọc cos nâng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
H(f) = 1 với |f| < fN(1- α) (2.6) 2 / 1 | | 2 sin 2 1 2 1 ) ( − + = α π f f f f H N N với fN(1- α) ≤ |f| ≤ fN(1+ α) (2.7) H(f) = 0 với |f| > fN(1+ α) (2.8) Trong đó: 2 2 1 S S N R T
f = = là tần số Nyquist và α là hệ số roll-off. Điều chế cầu phương
được thực hiện bằng cách nhân đầu vào I, Q với sin(2πf0t) và cos(2πf0t) tương ứng. Sau đó kết quả được cộng lại với nhau để tạo thành tín hiệu điều chế.
2.2. Đặc điểm của tiêu chuẩn DVB-S2 [6]
• Các mode điều chế DVB-S2:
DVB-S2 có bốn mode điều chế, hai mode QPSK và 8PSK với điều chế đường bao không đổi được khuyến cáo dùng cho ứng dụng quảng bá hoạt động trên bộ phát đáp vệ tinh phi tuyến ở điểm làm việc bão hoà hoặc gần bão hoà. Hai mode điều chế cao hơn 16APSK và 32APSK thay thế cho các sơ đồ điều chế 16QAM và 32QAM của tiêu chuẩn DVB-S DSNG, với độ co dãn được tăng và giảm độ nhạy với trạm mặt đất cũng như các đáp tuyến AM/AM và AM/PM của bộ phát đáp đèn sóng chạy. Độ nhạy giảm làm cho APSK thích hợp hơn với các hoạt động chuyên dụng trên vệ tinh trong các cấu hình”back- off”(lùi điểm làm việc khỏi phần phi tuyến trên đáp tuyến của đèn sóng chạy để tránh can nhiễu giữa các sóng mang). Các chòm sao hiệu suất băng thông và công suất của chúng phù hợp hơn cho các bộ phát đáp phi tuyến và cho chỉ tiêu bằng hoặc tốt hơn trên các kênh tuyến tính so với mode QAM với hỗn hợp điều chế pha và biên độ của chúng. Mặc dù các sơ đồ APSK không hiệu quả về công suất do yêu cầu tỷ số
C/N cao hơn, chúng vẫn có hiệu quả phổ lớn hơn đáng kể. Các vòng tròn đồng tâm trong các chòm sao APSK gồm các điểm được đặt cách đều nhau hơn so với lưới hình vuông của các điểm được sử dụng trong các sơ đồ 16QAM thông thường. Dạng vòng tròn đồng tâm này giảm thiểu ảnh hưởng của méo do các bộ khuếch đại công suất cao gây ra.
• Độ lợi hiệu dụng:
Việc đưa vào các mode điều chế cao hơn làm tăng hiệu suất băng thông vì tăng số bit ánh xạ đưa vào các chòm sao. Tất nhiên phải trả giá là yêu cầu C/N cao hơn.
• Hệ số roll-off (α):
Tiêu chuẩn DVB-S2 có 3 hệ số roll-off là 0,35; 0,25 và 0,2 trong khi DVB-S chỉ sử dụng hai hệ số roll-off là 0,35 và 0,25. Hệ số roll-off của tiêu chuẩn DVB-S2 nhỏ hơn sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng của các bộ phát đáp của DVB-S2, đồng thời các sóng mang của hệ thống DVB-S2 cũng có thể đặt gần nhau hơn nên số lượng sóng mang được tăng lên của cùng với số lượng bộ phát đáp cố định hoặc tăng tốc độ symbol với một băng thông. Điều này làm tăng hiệu quả sử dụng của bộ phát đáp lên đáng kể.
• Tiểu hệ thống sửa lỗi tiến (FEC) trong DVB-S2:
Tiểu hệ thống FEC (Forward Error Correction) có trách nhiệm chính trong việc cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật của kết nối vệ tinh khi có can nhiễu. Do vậy việc áp dụng các thuật toán mã hoá tiên tiến với các bộ xử lí (các chip) giá rẻ có ý nghĩa rất quan trọng. Nhóm thiết kế tiêu chuẩn DVB-S2 đã đánh giá bảy đề nghị cho sửa lỗi tiến khi dùng họ mã hoá Turbo, từ đó đã chọn mã nội LDCP (Low Density Parity Checking) kết nối (concatenated) với mã ngoại BCH (Bose Chauhuri Houquenohem). Sơ đồ FEC mới này được thay cho sơ đồ mã hoá của DVB-S gồm mã xoắn kết hợp với mã Reed-Solomon. Mã LDCP do nhà toán học Gallager tạo ra từ năm 1963 và có thông số kỹ thuật tốt thể hiện ở tỷ lệ mã hoá cao và độ dài khối dài, nhưng nay mới có điều kiện ứng dụng trong thực tế do những hạn chế về công nghệ thời kỳ đó. Chúng yêu cầu sự phức tạp thấp của bộ giả mã và tất cả các phương pháp sửa lỗi tiến mới thực tế cho tới bây giờ, mã Turbo cùng với mã LDCP là tiệm cận giới hạn Shannon - giới hạn lý thuyết của tốc độ truyền thông tin cực đại trên kênh có nhiễu.
2.3. Một số điểm đáng chú ý về thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn DVB-S2
DVB-S2 cùng với chuẩn nén tín hiệu MPEG-4 H.264/AVC là tiền đề cho triển khai đại trà dịch vụ truyền hình số HDTV cũng như các dịch vụ khác như internet tốc độ cao, không chỉ ở việc tăng thông lượng kênh truyền mà cả độ tin cậy, tính mềm dẻo trong truyền dẫn.
• Hiệu quả truyền dẫn tăng:
DVB-S2 có thể tăng dung lượng của bộ phát đáp vệ tinh lên 30%. Dung lượng của một bộ phát đáp vệ tinh chuẩn là 36MHz, hoạt động với tốc độ biểu