Trở lại 3 điều kiện cho các máy phát thuộc mạng đơn tần: một là, phát cùng một dòng truyền tải TS; hai là, phát cùng tần số; ba là, phát “cùng thời điểm”. Sau đây xin trình bày chi tiết về 3 điều kiện này.
48
Điều kiện thứ nhất bắt buộc các máy phát thuộc mạng đơn tần chỉ phát đúng một dòng truyền tải duy nhất (cả về nội dung, cả về thời gian). Về nội dung, có nghĩa là tại bất kỳ máy phát nào cũng không được làm mất tính thống nhất của dòng TS đó, việc bớt đi, thêm vào một hai chương trình nào đó, hay thêm vào bất kỳ một số liệu nào (dù dung lượng rất nhỏ) cũng không được. Về thời gian, có nghĩa là các máy phát bức xạ dòng truyền tải đó không được nhanh chậm hơn nhau. Các dòng truyền tải phải thực hiện đồng bộ, điều này sẽ được trình bày cụ thể ở phần “Cài thêm các gói chứa thông tin vào dòng TS để phục vụ việc đồng bộ” trong mục “Đồng bộ các máy phát thuộc mạng đơn tần”.
Hình 2.13. Cấu hình của một mạng đơn tần.
Đối với điều kiện thứ hai là các máy phát phải phát cùng tần số, như đã biết ở các máy phát số DVB-T không có bộ dao động hình SIN tạo các sóng mang như các hệ thống truyền hình tương tự. Hàng ngàn “sóng mang” trong bộ điều chế số được tạo ra là do tín hiệu của dòng TS sau khi chia nhỏ ra được biến đổi Fourier ngược tạo nên. Độ chính xác của tần số liên quan chặt chẽ tới độ chính xác của
49
dòng TS. Như vậy, việc đồng bộ các dòng TS cũng đồng nghĩa với việc thực hiện đồng bộ tần số ở khâu điều chế của các máy phát. Tuy nhiên, vì điều chế (thực chất là biến đổi Fourier ngược) chỉ thực hiện ở vùng tần số thấp, không thực hiện ở vùng tần số cao. Nên muốn phát ra không gian, trong máy phát DVB-T phải có bộ chuyển tần lên (Upconverter), vì vậy, vẫn cần có một bộ daođộng hình SIN để thực hiện chuyển trung tần lên cao tần. Tạm gọi bộ dao động đó là bộ dao động đổi tần. Để tuân thủ nghiêm ngặt điều kiện đồng bộ tần số, các bộ điều chế OFDM hỗ trợ mạng đơn tần đều phải quan tâm tới đồng bộ các bộ dao động đổi tần trong mọi máy phát thuộc mạng đơn tần (xem hình 2.13).
Đối với điều kiện thứ ba là các máy phát phát “cùng thời điểm” (at the same time) mục đích để nhấn mạnh tính khắt khe của đồng bộ: cùng thời điểm phát gói “đầu tiên” của cùng một Mega-frame ra không trung ở tất cả các máy phát trong một mạng đơn tần, không có sự nhanh chậm hơn nhau, nói cách khác sự chênh lệch thời gian phát gói này tại tất cả các máy phát trong một mạng đơn tần phải bằng không. Đây chính là vấn đề cốt lõi của quá trình đồng bộ.
2.4.3.1 Đồng bộ các máy phát thuộc mạng đơn tần
Sự cần thiết phải đồng bộ các máy phát thuộc mạng đơn tần
Hình 2.14 mô tả hai máy phát của mạng đơn tần. Trên hình, ngoài hai chùm sóng trực tiếp đến đầu thu, còn có thêm tia phản xạ và có đường truyền dòng TS từ trung tâm xử lý đến các máy phát của mạng.
Ta có: Chênh lệch về đường đi của hai chùm sóng trực tiếp từ hai máy phát là: D = Dj-Di.
Chênh lệch về thời gian của dòng truyền tải từ trung tâm xử lý tín hiệu tới máy phát i và j là: = j -i ( có thể nhận giá trị âm hoặc dương).
Thời gian trễ do xử lý tại máy phát i, máy phát j (do điều chế, khuếch đại, cáp và anten) là TMFi , TMFj. Như vậy, độ trễ giữa hai chùm sóng đến đầu thu (khi chưa xử lý bù trễ) sẽ là tổng của cả ba yếu tố trên:
50
Dj, Di : là khoảng cách từ máy phát j và máy phát i đến điểm thu.
j ,i : là thời gian truyền dòng TS từ trung tâm xử lý đến máy phát jvà máy phát i.
Phân tích công thức (1), thấy rằng:
- Thành phần thứ nhất (D /c) liên quan đến đường đi của các chùm sóng đến điểm thu là không thể biến đổi được, vì máy phát đã lắp đặt cố định tại các vị trí.
- Độ chênh lệch về thời gian cấp tín hiệu đến hai máy phát (= j -i) cũng không thể thay đổi được, vì tuyến cáp quang hay vi ba cũng cố định.
- Chênh lệch về xử lý (do điều chế, do khuếch đại, do cáp và do anten phát) của các máy phát TMFj -TMfi cũng là không thể can thiệp được.
Vì vậy, việc thực hiện đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần, chỉ còn cách chủ động can thiệp hiệu chỉnh, lưu giữ, làm chậm, thời điểm phát ở tất cả mọi máy phát. Các nhà thiết lập mạng đơn tần nêu ra hai phương pháp: bù thời gian trễ tĩnh và bù thời gian trễ động. Vì thế, công thức (1) trên được thêm vào các thành phần nữa liên quan đến:
Bù thời gian trễ tĩnh: Tbù trễ tĩnh = Ttrễ tĩnh j - Ttrễ tĩnh i và T =D /c + + TMFj – TMFi(trong đó c là vận tốc ánh sáng) (1) Máy phát j Điểm thu Trung tâm xử lý dòng TS Dj Di Máy phát i j i
Hình 2.14. Mô tả hai máy phát trong mạng đơn tần
Tia phản xạ
51 Bù thời gian trễ động Tbù trễ động j, Tbù trễ động i
Từ công thức (1), ta có công thức mô tả nguyên lý bù thời gian trễ tĩnh và bù thời gian trễ động (2)để thực hiện đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần:
Bù thời gian trễ động liên quan đến quá trình làm chậm dòng truyền tải TS để đảm bảo tất cả các máy phát phát đi gói “đầu tiên” ở cùng một thời điểm, khi đó chênh lệch thời gian phát gói“đầu tiên” giữa các máy phát bằng KHÔNG. Như vậy trong công thức (2) cần có:
(- Tbù trễđộng j-Tbù trễđộng i )= 0 (3a)
Và thời gian bù trễ tĩnh là làm cho thành phần thứ nhất trong công thức (2) bằng KHÔNG:
( D/c - Tbù trễ tĩnh + TMFj -TMFi) = 0. (3b)
Hai đẳng thức (3a và 3b) đều bằng KHÔNG, đó chính là thực hiện điều kiện thứ ba phát cùng thời điểm của mạng đơn tần.
Bù thời gian trễ tĩnh để đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần
Bù trễ tĩnh là bù chênh lệch về thời gian truyền sóng từ các máy phát đến điểm thu, bao gồm cả trễ do truyền sóng, trễ do điều chế, do khuếch đại, cáp và anten.
Từ hình 2.15, thấy rằng chùm sóng từ máy phát j đến chậm hơn chùm sóng từ máy phát i (Dj> Di). Hình 2.15.a, 2.15.b và 2.15.c mô tả sóng của hai máy phát đến điểm thu nhanh chậm hơn nhau. Do đó, trong trường hợp này, bù thời gian trễ tĩnh tại máy phát i nhiều hơn tại máy phát j để giảm chênh lệch về truyền sóng. Độ trễ về truyền sóng của hai máy sẽ bằng không (3b) nhờ điều chỉnh bù trễ tĩnh.
52
Hình 2.15a, 2.15b và 2.15c: Mô tả sự nhanh chậm của các chùm sóng đến đầu thu
Trên các hình 2.15, cho thấy sóng của hai máy phát đến nhanh chậm hơn nhau: vượt quá khoảng bảo vệ (hình 2.15.a) và trong khoảng thời gian bảo vệ (hình 2.15.b và 2.15.c). Bù trễ tĩnh là làm sao cho chênh lệch thời gian của hai chùm sóng của hai máy phát đến điểm thu bằng KHÔNG (3b).
( D/c - Tbù trễ tĩnh+ TMFj -TMFi) = 0.
Như vậy, bù trễ tĩnh quan tâm đến cả độ trễ do điều chế, khuếch đại, cáp dẫn sóng và hệ thống anten gây ra. Giá trị bù trễ tĩnh nếu chỉ do yếu tố truyền sóng, thì thực tế là không quá lớn, cao nhất chỉ khoảng 100s. Vì 100s tương ứng với độ chênh lệch về đường đi của các chùm sóng tới điểm thu đã là: 30km (D=T.c=100.10-6.3.108=3.104=30km).
53
Bù thời gian trễ động là quá trình dựa vào các thông số phục vụ cho đồng bộ từ trung tâm xử lý tín hiệu chèn trong dòng TS để hiệu chỉnh thời điểm bức xạ dòng TS ra không trung của từng máy phát. Vì vậy, trước hết quan tâm đến các thông tin phục vụ cho xử lý đồng bộ.
- Cài thêm các gói chứa thông tin vào dòng TS để phục vụ việc đồng bộ
Tín hiệu chuẩn để quá trình đồng bộ của tất cả mọi máy phát trong một mạng đơn tần dựa vào là tín hiệu có tần số 10MHz và 1pps (1 xung trong 1 giây). Tín hiệu này được cấp từ máy thu của hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Position System).
Mấu chốt nhất và quan trọng nhất, phải đồng bộ các dòng truyền tải TS tại các máy phát, vì dòng truyền tải truyền từ trung tâm đến các máy phát ở các vị trí khác nhau sẽ nhanh chậm hơn nhau. Dòng truyền tải TS thông thường gồm các gói TS.
Các gói TS đều có kích thước 188 Byte: phần mào đầu (Header) chiếm 4 Byte và phần mang thông tin (Payload) chiếm 184 Byte. Dòng truyền tải TS của mạng đơn tần khác dòng TS thông thường, là nó phải được chèn thêm các gói để phục vụ cho việc đồng bộ. Các gói đó có tên gọi là “gói khởi tạo Mega-Frame”, tên tiếng Anh Mega-Frame Initialization Packet-MIP, trong một số tài liệu MIP còn được gọi là gói thông tin Mega-frame (Mega-Frame Information Packet).
Gói MIP có kích thước đúng như các gói TS khác, tức là cũng có 4 Byte Header và 184 Byte Payload (chứa nội dung của MIP). Nhiệm vụ của bộ thích ứng mạng đơn tần (SFN adapter) là tạo ra các gói MIP và cài chúng vào dòng TS để truyền đi. Ngoài khối thích ứng mạng đơn tần còn khối đồng bộ hệ thống (Sync system). Hai khối chức năng này có thể là các thiết bị riêng biệt, và cũng có thể là các thiết bị được tích hợp trong bộ ghép hoặc trong bộ điều chế. Hiện nay khối thích ứng mạng đơn tần thường được sản xuất riêng biệt, còn khối đồng bộ hệ thống thường có trong bộ điều chế COFDM.
- Nhiệm vụ của khối thích ứng mạng đơn tần
Khối thích ứng mạng đơn tần tạo ra các Mega-frame. Mỗi Mega-frame bao gồm n gói TS tương ứng với 8 khung DVB-T (chế độ 8K) hoặc 32 khung (chế độ
54
2K) và chèn vào một gói khởi tạo Mega-frame (MIP) với một giá trị nhận dạng gói PID gắn vào. MIP (trong một Mega-frame chỉ có duy nhất một gói MIP) được chèn vào bất cứ vị trí nào trong Mega-frame thứ M. MIP của Mega-frame thứ M này (gọi là MIPM) cho phép nhận ra điểm bắt đầu (cụ thể là gói đầu tiên) của Mega-frame M + 1. Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng một con trỏ được mang trong MIPM, tự nó chỉ ra vị trí của nó, về điểm bắt đầu của Mega-frame thứ M + 1.
Hình 2.16. Cấu hình một Mega – frame
Khoảng thời gian của một Mega –frame phụ thuộc vào băng thông của kênh cao tần (Việt Nam chọn 8MHz) và khoảng bảo vệ:
Bảng 2.2: Khoảng thời gian của Mega-Frame
Mỗi Mega - frame gồm n gói trong đó n là số nguyên. - Trong chế độ 8K: n = (số gói RS/super frame)x 2. - Trong chế độ 2K: n = (số gói RS/super frame)x 8. - 1 super frame = 4 frames
Gói RS (gói Reed Solomon): Gói TS 188 bytes được mã hoá khối Reed Solomon thành 204 bytes, trong đó có 16 bytes dùng để sửa lỗi.
Tỷ số Tbv/Tsymbol Khoảng thời gian của một Mega-frame
1/32 0,5026560 s = 502,656 ms
1/16 0,5178880 s = 517,888 ms
1/8 0,5483520 s = 548,352 ms
55 MIP chứa các nội dung sau:
- Cờ thời gian đồng bộ - Synchronous Time Stamp (STS). - Con trỏ (Pointer).
- Độ trễ lớn nhất (Max Delay).
- Các thông số phát (để thuận lợi cho cài đặt các thông số phát của máy phát).
- Thông số địa chỉ riêng để điều khiển máy phát từ xa.
Trong đó hai thông số (đều là giá trị thời gian và đo bằng milisec) cần cho quá trình đồng bộ, đó là: cờ thờigian đồng bộ và độ trễ lớn nhất.
Cờ thời gian đồng bộ là khoảng thời gian từ sườn trước (sườn lên) của xung 1pps gần nhất đến điểm bắt đầu của Mega-frame kế tiếp (xem hình 2.17) và được mang trong MIP của từng Mega-frame. Giá trị STS có trong Mega-frame thứ M chỉ ra điểm bắt đầu của Mega-frame thứ M+1, có trong Mega-frame thứ M+1 thì chỉ ra điểm bắt đầu của Mega-frame thứ M+2, v..v...
Hình 2.17: Mô tả xung 1pps, MIP và Cờ thời gian đồng bộ - STS
Độ trễ thực tế là khoảng thời gian chênh lệch của một Mega-frame từ đầu ra của khối SFN adapter đến khi Mega-frame này rời khỏi anten của máy phát nào đó. Trễ thực tế tại mỗi máy phát là khác nhau.
Độ trễ lớn nhất là giá trị trễ thực tế lớn nhất có thể xảy ra (xét trong toàn mạng) từ đầu ra của SFN adapter đến đầu ra của máy phát, bao gồm cả trễ do đường truyền dẫn dài nhất, trễ lớn nhất do điều chế, do khuếch đại, do cáp dẫn sóng và do hệ thống anten. Ví dụ độ trễ lớn nhất là 900ms.
56
Độ trễ lớn nhất (từ đầu ra của SFN adapter đến đầu ra của máy phát xa nhất, ví dụ 900ms)
Hình 2.18. Độ trễ lớn nhất.
Độ trễ lớn nhất của mega-frame thứ M+1 được thể hiện trong STSM của MIPM. Giá trị của độ trễ lớn nhất có thể cài đặt được trong Bộ thích ứng mạng theo từng bước 100ns (liên quan đến tín hiệu 10MHz). DVB quy định giá trị cực đại của Độ trễ lớn nhất là 1sec (1000 ms).
- Nhiệm vụ của khối đồng bộ hệ thống (Sync system)
Nhiệm vụ của khối đồng bộ hệ thống là cung cấp khoảng bù thời gian truyền dẫn bằng cách so sánh giá trị STS với tham chiếu thời gian nội bộ và tính toán thời gian trễ của máy phát để đồng bộ.
t
Hình 2.19. Mô tả biểu đồ thời gian của Mega-frame
1 S 1 S
Gói đầu tiên của Mega-frame được truyền đi
Gói đầu tiên của Mega-frame thu được
STS Tthu được T bù trễ TMF Ttrễ lớn nhất Gói đầu tiên của Mega-frame được máy phát bức xạ
t1 t2 t4
3
t3
57
t1 làthời điểm bắt đầu của sườn trước xung 1pps.
t2 là thời điểm gói đầu tiên của Mega-frame được truyền đi qua mạng truyền dẫn.
t3 là thời điểm gói đầu tiên của Mega-frame mà khối Đồng bộ hệ thống thu được.
t4 là thời điểm gói đầu tiên của Mega-frame được máy phát bức xạ ra không trung.
1s ở đây là khoảng thời gian của xung 1pps.
Như vậy, theo hình 2.19, thời gian bù trễ là:
Nhưng Tthu được = STS + , công thức (4) có thể biến đổi thành
Tbù trễ = (STS + Ttrễ lớn nhất) – (STS + ) Hay:
Tính thời gian bù trễ động
Hình 2.20 đưa ra số liệu và mô tả chi tiết về bù trễ động.
Tại đầu ra của khối thích ứng mạng : STSM = 300ms.
Thời gian gói M+1 truyền từ Bộ thích ứng mạng đến Khối đồng bộ hệ thống của máy phát hết 650ms, chính là thời gian thu được (T thu được). Tthu được = 650ms. Như vậy hình cũng cho thấy thời gian trễ do mạng truyền dẫn là : 650 – 300 = 350ms.
Giá trị trễ lớn nhất (Ttrễ lớn nhất) của mạng được cài đặt là 900ms.
Căn cứ vào ba số liệu STS, Tthu được và Ttrễ lớn nhất, áp dụng công thức (4) ta
tính được thời gian bù trễ động hay chính thời gian làm chậm - thời gian lưu giữ (storage time - hình 2.20).
Tbù trễ động = Tstorage= STSM + Ttrễ lớn nhất –Tthu được = Ttrễ lớn nhất – =550ms
Thời gian làm chậm lại này xấp xỉ bằng thời gian của một Mega-frame (xem bảng 2.2 : Khoảng thời gian của một Mega-frame).
Tbù trễ = (STS + Ttrễ lớn nhất) – Tthu được (4)
58
Hình 2.20. Mô tả tính toán thời gian bù trễ động
Bù thời gian trễ (thời gian lưu giữ) động trong mạng đơn tần gồm nhiều máy
phát.
Công thức (4) chỉ áp dụng tính toán cho từng máy phát. Trường hợp tổng quát mạng đơn tần gồm nhiều máy phát, theo công thức (3a), thành phần
(- Tbù trễ động j - Tbù trễ động i ) = 0 (5)
hay :
Công thức (6) cho thấy, chênh lệch về bù trễ động giữa các máy phát chính là bù chênh lệch về thời gian của dòng TS truyền qua mạng đến các máy phát tương ứng.
59
Như vậy máy phát 1 (ở gần trung tâm xử lý tín hiệu nhất) cần làm chậm dòng TS lại một khoảng thời gian là 890ms (lớn nhất), máy phát 2 phải làm chậm dòng TS lại một khoảng thời gian là 700ms và máy phát 3 (xa trung tâm xử lý tín hiệu nhất) làm chậm một khoảng thời gian là 600ms (nhỏ nhất).
Kết luận về bù thời gian trễ để đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần
Bù thời gian trễ động liên quan đến xử lý làm chậm dòng truyền tải TS ở