TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB T
2.2. Điều chế trong truyền hình số
Tiêu chuẩn được đi sâu nghiên cứu ở Việt Nam là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB – T.
Xét sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền hình số theop tiêu chuẩn Châu Âu. Sơ đồ gồm cĩ hai khối chính.
Hình 2.3. Sơ đồ khối chức năng hệ DVB – T
• Mã hĩa nguồn MPEG – 2 và ghép kênh. Nhận dịng tín hiệu đầu vào là video tương tự, cĩ thể là tín hiệu tổng hợp hoặc riêng lẻ từng tín hiệu màu và tín hiệu chĩi. Khối sẽ thực hiện chuyển đổi tương tự thành số rồi thực hiện mã hĩa theo tiêu chuẩn MPEG – 2 để làm giảm tốc độ dịng cho phù hợp với kênh truyền.
• Điều chế COFDM (bộ thích nghi kênh truyền mặt đất). Dữ liệu qua khối này được xử lý qua các quá trình sau:
- Thích nghi ghép truyền dẫn và ngẫu nhiên hĩa để phân tán đồng đều năng lượng dịng bit.
- Tráo ngồi (mã chập tráo) - Mã trong
- Ánh xạ và điều chế - Truyền dẫn COFDM
Cả hai hệ thống truyền hình số hiện nay đều cĩ khối mã hĩa nguồn và ghép kênh giống nhau vì cùng sử dụng chuẩn nén MPEG – 2. Chính vì thế khối điều chế COFDM chính là khối đặc trưng cho tiêu chuẩn truyền hình số của Châu Âu.
2.2.1. Tổng quan kỹ thuật điều chế COFDM
Từ khi các phương pháp truyễn dẫn số ra đời, người ta đã khẳng định sự ưu việt của chúng so với các phương pháp truyền dẫn tương tự truyền thống. Và đến khi phương pháp điều chế số COFDM ra đời thì nĩ càng khẳng định rõ thêm điều đĩ. Nĩ tạo nên các cải thiện đáng kể trong các ứng dụng truyền dẫn vơ tuyến bằng cách loại bỏ hiệu ứng phản xạ đa đường, sử dụng các bộ lặp đồng kênh và đặc biệt là sử dụng mạng đơn tần.
Để minh họa cho kết luận này ta hãy xem xét một số trường hợp cụ thể và điển hình nảy sinh trong thực tế phát thanh, truyền hình quảng bá.
Trong trường hợp đầu tiên, khi ta thiết lập các tuyến phát truyền hình trực tiếp cho một hoạt động nào đĩ, người ta phải đặt các trạm lặp viba trên các nĩc nhà cao tầng. Với việc sử dụng kỹ thuật COFDM thì các bộ lặp này vẫn sử dụng nhưng cĩ thể đặt ở vị trí thấp mà vẫn truyền được tín hiệu về studio.
Trong trường hợp muốn phủ sĩng phát thanh hay truyền hình trong một thành phố lớn, người ta phải sử dụng một cột an ten rất cao cộng với một máy phát cơng suất lớn. Với việc sử dụng kỹ thuật COFDM, cĩ thể phân tán một số máy phát nhỏ rải rác trong thành phố, tất cả hoạt động trên cùng một tần số, phát cùng một chương trình tại cùng một thời điểm để cĩ thể đạt được vùng phủ sĩng tồn bộ và hồn hảo.
Trong trường hợp sử dụng tồn bộ các kênh thơng tin vệ tinh, các thuê bao trong các khu vực xen giữa các khu nhà cao tầng thường bị che khuất,
khơng thu được tín hiệu. Khi đĩ người ta sử dụng một số chảo thu vệ tinh trên một số mái nhà. Với việc sử dụng kỹ thuật COFDM, tại các khu vực như thế này, giải pháp đơn giản và dễ dàng là sử dụng một bộ lặp nhỏ, truyền lại tín hiệu từ vệ tinh xuống trên một tần số riêng.
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dịng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dịng dữ liệu song song sau đĩ được mã hĩa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính tốn các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đĩ, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vơ 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 cĩ 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 tốn FFT. Sau đĩ, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sĩng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). 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 dịng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
2.2.2. Đặc tính của COFDM
2.2.2.1. Ưu điểm của hệ thống COFDM
• COFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần bằng cách cho phép chồng lấp những sĩng mang con.
• Bằng cách chia kênh thơng tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống COFDM chịu đựng pha đinh lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sĩng mang đơn.
• COFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sĩng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước õi symbol.
• Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống COFDM cĩ thể khơi phục lại được các symbol bị mất do hịên tượng lựa chọn tần số của các kênh.
• Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sĩng mang.
• Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của COFDM.
• Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh.
• COFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sĩng mang đơn.
• COFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp.
2.2.2.2. Các hạn chế của hệ thống COFDM
• Symbol COFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các hệ thống thơng tin thực tế đều bị giới hạn cơng suất, tỷ số PAPR (Peak to Average Power Radio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của COFDM nếu dùng bộ khuếch đại cơng suất hoạt động ở miền bão hồ để khuếch đại tín hiệu COFDM. Nếu tín hiệu COFDM cĩ tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ Analog sang Digital và ngược lại.Việc rút ngắn (cliping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng tần bức xạ ngoại băng.
• COFDM nhạy với tần số offfset và sự trượt của sĩng mang hơn các hệ thống sĩng mang đơn. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống COFDM phức tạp hơn hệ thống sĩng mang đơn. Tần số offset của sĩng mang gây nhiễu cho các sĩng mang co trực giao và gây nên nhiễu xuyên kênh làm giảm hoạt đơng của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ cần thiết yêu cầu phải đạt được trong bộ thu COFDM.
2.2.3. Nguyên tắc của COFDM
COFDM là một phương pháp mới dùng để truyền tín hiệu số tốc độ cao trên kênh truyền vơ tuyến hoặc qua cáp.
Nguyên tắc của COFDM là chia dịng bit đơn nhất, tốc độ cao thành các dịng bit song song để cĩ thể truyền ở tốc độ thấp trên một số lượng lớn các sĩng mang đặt cạnh nhau trong kênh. Khoảng cách sĩng mang, tốc độ bit được lựa chọn theo quy tắc trực giao.
Về mặt vật lý, khái niệm trực giao là sự bố trí của các sịng mang như thế nào đĩ để mỗi sĩng mang cịn cĩ thể được giải điều chế mà khơng gây ảnh hưởng, can nhiễu lên các sĩng khác. Muốn vậy các symbol số được điều chế sẽ được định dạng như thế nào đĩ sao cho sĩng mang đều cĩ dạng như hình vẽ.
Hình 2.5 Phổ của một sĩng mang đơn
Hình vẽ phổ cho thấy cĩ một đỉnh trung tâm tại đúng tần số sĩng mang và các điểm biên độ 0 tại các tần số ở hai bên cĩ giá trị là bội của tốc độ symbol.
Nếu ta bố trí một số sĩng mang ở cạnh nhau sao cho đỉnh trung tâm của mọi sĩng mang trùng với các điểm biên độ 0 của các sĩng mang khác, phổ tần lúc đĩ sẽ cĩ dạng sau.
Hình 2.6 Phổ của sĩng mang trực giao
Các sĩng mang trong hình trên đều cĩ thể được giải điều chế một cách độc lập mà khơng gây nhiễu lên các sĩng mang khác. Vì đỉnh của các sĩng mang trùng với các điểm biên độ 0 của các sĩng mang khác nên giá trị của nĩ là khơng bị ảnh hưởng. Đây chính là bản chất vật lý của nguyên tắc trực giao.
Cĩ thể thấy nguyên tắc này giống phương pháp sử dụng để loại bỏ hiện tượng ISI trong truyền dẫn dịng số cơ sở. Tuy nhiên việc ghép các sịng mang tuân theo tính trực giao trong miền tần số cịn ở kỹ thuật loại bỏ ISI thì lại ở trong miền thời gian.
Đối với một sĩng mang con, mơ hình điều chế là điều chế số cơ sở với một trong các phương pháp điều chế sau: QPSK, 16-QAM,64-QAM. Trong
DVB – T người ta sử dụng điều chế phân cấp hoặc khơng phân cấp tùy theo yêu cầu dịch vụ.
Về lý thuyết, việc tạo tín hiệu COFDM cĩ thể được thực hiện bằng cách sử dụng N bộ tạo sĩng mang con với tần số khác nhau đem điều chế QAM với các đoạn dữ liệu nhỏ. Thực tế đây là điều khơng thể thực hiện được do N rất lớn (N= 1705 trong mode 2k và 6816 trong mode 8k). Người ta đã tìm ra phương pháp thực hiện tạo tín hiệu COFDM thơng qua xử lỹ băng gốc dựa trên phép biến đổi fourier rời rạc DFT.
2.2.4. Điều chế số
Mỗi sĩng mang con trong tín hiệu điều chế COFDM được điều chế số cơ sở theo một trong các mơ hình điều chế QPSK, 16 – QAM và 64 – QAM.
2.2.4.1. Điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp thơng dụng nhất trong truyền dẫn. Cơng thức cho sĩng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
0 2 . cos(2 ( ) ) ( ) 0 0, i t T E t t S t T t t T p q q ì £ £ ïï + + ïï =í ïï < > ïïỵ (2.1)
Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0 ( ) (2 1)
4
t i p
q = - (2.2)
Trong đĩ
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E: năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự. Khai triển s(t) ta được:
2
2
( ) cos[(2. 1). ]cos(2 ) sin[(2 1)] .sin(2 ) (0 )
4 4 ; 0 0 i c c E E S t T i f t i f t t T T T t t p p p p ìïï ïï =íïï - - - £ £ < < ïïỵ (2.3) Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
1 2 2 ( ) sin(2 c. ) 0 Φ t πf t t T T =- £ £ (2.4a) 2 2 ( ) sin(2 c. ) 0 Φ t πf t t T T = £ £ (2.4b) Khi đĩ: 1 2 ( ) ( ) sin[(2 1) ] ( ) cos[(2 1) ] 4 4 i s t t E i p t E i p f = - + - (2.5)
Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:
12 2 sin[(2 1) ] 4 ( 1, 2,3, 4) cos[(2 1) 4 i i i E i s s i s E i p p é ù ê - ú é ù ê ú ê ú =êê ú ê úú ë û= = - ê ú ê ú ë û (2.6)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu khơng gian được cho trong bảng sau:
Bảng 2.2. Tín hiệu trong điều chế QPSK
Cặp bít Vào Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu Si Toạ độ các bản tin 1 q q2 00 4 π S1 2 E 2 E 01 3 4 π S2 2 E - 2 E 11 5 4 π S3 - 2 E - 2 E 10 7 4 π S4 - 2 E 2 E
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ.
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào- E, cịn logic '0' thì biến đổi vào E. Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành
hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
Hình 2.7. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
2.2.4.2. Điều chế phân cấp
Tiêu chuẩn DVB – T Châu Âu gồm rất nhiều loại truyền dẫn, tạo điều kiện khai triển tín hiệu COFDM trong nhiều dịch vụ phát sĩng khác nhau. Trong số đĩ, điều chế phân cấp cho phép phát sĩng hai dịng truyền tải MPEG độc lập với khả năng chống lỗi khác nhau trên cùng một kênh RF.
Và với phương thức điều chế này, chúng ta cĩ thể cĩ một số tính năng dịch vụ mới:
• Một số máy phát với 2 vùng phủ sĩng riêng biệt • Giải quyết được cả thu di động lẫn thu cố định
Phát đồng thời các chương trình số cả ở dạng tiêu chuẩn (SDTV) lẫn dạng cĩ độ phân giải cao (HDTV)
a. Chịm sao điều chế phân cấp
Dạng điều chế phân cấp thực ra là sự biên dịch của 16 QAM và 64 QAM thơng qua 4 QAM như hình.
Điều chế phân cấp được xem như là sự phân tách kênh RF thành 2 kênh ảo. Mỗi kênh cĩ một tốc độ bit riêng. Một mức độ lỗi riêng và theo đĩ sẽ cĩ
phủ sĩng khác nhau một chút. Chính sự kết hợp giữa dạng chịm sao và tỷ lệ mã hĩa sẽ quyết định sự khác nhau giữa hai kênh ảo này.
Trên thực tế, việc mapping dịng dữ liệu đầu tiên sẽ được sử dụng chịm sao 4QAM. Mỗi cặp dữ liệu 2bit của dịng dữ liệu này sẽ xác định gĩc phần tư mà sĩng mang chiếm giữ trong chịm sao. Sau đĩ, dịng dữ liệu thứ hai sẽ quyết định vị trí bên trong gĩc phần tư đĩ bao gồm cả phần ảo của sĩng mang.
Nếu dịng dữ liệu thứ hai được ánh xạ bởi các cặp hai bit thì chịm sao phân cấp chính là “4QAM thơng qua 4QAM”. Và hình dạng nĩ sẽ giống như 16QAM. Cịn nếu 4 bit được sử dụng thì nĩ chính là “16QAM thơng qua 4QAM”. Tạo nên dạng chịm sao 64QAM.
Dịng bit dữ liệu đầu tiên sẽ luơn luơn sử dụng dạng điều chế 4QAM, và được gọi là dịng bit ưu tiên cao. Dịng bit thứ hai, ít lỗi hơn, được điều chế ở dạng 4QAM hoặc 16QAM, được gọi là dịng cĩ mức ưu tiên thấp.
Hình 2.8. Chịm sao phân cấp
b. Các đặc tính điều chế phân cấp
• Cho phép phát sĩng hai dịng truyền tải MPEG độc lập trên cùng một kênh RF.
• Mỗi dịng truyền tải sẽ cĩ một khả năng chống lỗi riêng, do đĩ sẽ cĩ vùng phủ sĩng riêng.
•Sự khác nhau giữa các mức độ lỗi giữa HP và LP sẽ phụ thuộc cả vào dạng điều chế (4QAM hay 16QAM) và tỉ lệ mã hĩa dùng cho dịng LP
Dịng dữ liệu HP, luơn được điều chế ở dạng 4QAM, cĩ tốc độ bitrate hữu ích chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ mã hĩa. Trong khi đĩ dịng LP được các máy thu xem như là nguyên nhân tăng thêm nhiễu của các gĩc phần tư trong chịm sao. Do vậy để đạt được tỷ số C/N chấp nhận được thì dịng HP phải chịu thêm một lượng đền bù.
c. Lý do điều chế phân cấp
Tại nhiều nước, việc triển khai dịch vụ số thường bằng cách chia sẻ dải tần UHF/VHF với các dịch vụ analog, nhưng vẫn sử dụng các kênh khơng mong muốn.
Để tối ưu hĩa tốc độ bit trong phát hình DVB – T, các nhà lập kế hoạch mạng đã lựa chọn các cách điều chế mật độ cao như: chịm 64QAM và tỷ lệ mã bảo vệ 2/3.
Tùy theo cấu hình mạng và vùng phủ sĩng mà ta cĩ những sự lựa chọn sau: 2k/8k: Tùy theo mạng MFN hay SFN và kích cỡ lớn nhất các khoảng cách giữa các máy phát.
Khoảng bảo vệ: Tùy theo vùng phục vụ.
Điều chế phân cấp cịn cho ta sự cân bằng giữa tốc độ bit với mức độ lõi,