Chương 5: Các phương án thiết lập mạng DVB-T
5.2. Phương án mạng đơn tần (SFN)
5.2.1. Hoạt động mạng đơn tần số SFN
Trong mạng đơn tần, tất cả các máy phát được điều chế đồng bộ với nhau với cùng nguồn dữ liệu đầu vào và hoạt động trên cùng một kênh tần số. Băng thông được chia thành nhiều kênh con hẹp, được phát song song. Mỗi kênh con được điều chế với tốc độ rất thấp. Do khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đường (multipath) của hệ thống truyền dẫn đa sóng mang (COFDM), tín hiệu từ một số máy phát đến anten của máy thu có thể tổng hợp lại thành tín hiệu mạnh hơn. Máy thu hình sẽ xử lý tín hiệu từ các máy phát khác giống như các sóng phản xạ, miễn là nó đến trong khoảng thời gian bảo vệ.
Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật SFN cũng bị giới hạn bởi cái gọi là
nhiễu tự nó của mạng. Điều này xảy ra nếu tín hiệu từ một máy phát ở xa đến trễ hơn thời gian khoảng bảo vệ Tg, khi đó nó có tác động như là nguồn can nhiễu cùng kênh. Nhiễu tự nó của mạng SFN sẽ không xuất hiện với điều kiện chọn khoảng cách giữa các máy phát và thông số khoảng bảo vệ Tg một cách hợp lý.
Ví dụ sau đây sẽ minh hoạđiều này. Xét mạng đơn tần số SFN có 2 máy phát được sử dụng cùng 1 tần số đặt cách nhau 1 khoảng cách d và cùng truyền lan tới máy thu, được minh họa ở hình 5.1. Người ta tính toán khoảng
cách d này bằng cách chọn khoảng thời gian bảo vệ Tguard sao cho nhỏ hơn hoặc bằng 1/4 Tsymbol .
Ta có công thức tính khoảng cách d là: d = C. Tg trong đó C là vận tốc ánh sáng (300.000 Km/s)
Giả sử ta có tốc độ symbol 1250 symbol/s Vậy chu kỳ thời gian Tsymbol là:
Tsymbol = = 800 µs
Ta chọn khoảng bảo vệ Tguard bằng 4
1 Tsymbol
Tg = Tsymbol = 200 µs.
Khoảng cách d cho phép giữa 2 máy phát cùng mạng tần số SFN là: d = 300.000 Km/s x 200 µs = 3.108 x 2.10-4 = 6.104 m = 60 Km COFDM TX COFDM TX MPEG-2 TS COFDM Demod RX MPEG-2 Decod d Video Audio Hình 5.1: Mạng đơn tần có 2 máy phát 1250 1 4 1
Như vậy đối với phương pháp COFDM cho phép chọn khoảng bảo vệ Tg, để xác định cự ly tối đa giữa các máy phát sử dụng cùng nguồn nội dung chương trình để phát trên mạng đơn tần số SFN, cụ thể như sau:
Chếđộ 2K có: Tg=7µs; 14µs; 28µs; 56µs.
Tương ứng với d: d=2,1km; 4,2km; 8,4km; 16,8km. Chếđộ 8K có: Tg=28µs; 56µs; 112µs; 224µs. Tương ứng với d: d=8,4km; 16,8km; 33,6km; 67,2km.
Khoảng cách tối đa giữa hai máy phát trong mạng đơn tần không chỉ tuyệt đối phụ thuộc vào khoảng bảo vệ mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: điều kiện địa hình, kiểu điều chế, tỷ lệ mã FEC và chất lượng máy thu (vì các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến vùng phủ sóng của máy phát).
5.2.2. Điều kiện hoạt động mạng đơn tần số SFN
Điều kiện tiên quyết để hoạt động mạng đơn tần số là mỗi máy phát làm việc với cùng một tần số SFN phải đảm bảo các thông số đồng bộ sau đây: Đồng bộ về tần số Đồng bộ về thời gian Đồng bộ về tốc độ bit Đồng bộ về phân bố năng lượng 5.2.2.1. Đồng bộ về tần số
Tín hiệu COFDM phát trên cùng tần số RF khi nó được phát bởi các máy phát khác nhau làm việc trong mạng SFN. Độ chính xác tần số cần thiết tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa các sóng mang phụ, hay nói cách khác, phụ
thuộc vào khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang phụ liên tiếp được ký hiệu là ∆f.
Để đạt được yêu cầu trên, tất cả các bộ dao động ghép liên tầng trong máy phát phải đạt được dung sai cho phép để giữ tín hiệu phát có độ chính xác cần thiết. Biện pháp để thực hiện điều này là các bộ dao động phải được tham chiếu bởi một bộ dao động chuẩn.
5.2.2.2. Đồng bộ thời gian
Hệ thống COFDM được thiết kếđể biến sóng phản xạ thành tín hiệu có ích, miễn là chúng đến trong khoảng thời gian bảo vệ. Điều kiện này đòi hỏi sựđồng bộ thời gian giữa các máy phát khác nhau, vì cùng một symbol phải được phát tại cùng một thời điểm từ nhiều địa điểm dù cho có một thời gian trễ do sự phân bố của mạng. Độ chính xác thời gian không cần đòi hỏi quá cao bởi vì dung sai được tính trong khoảng thời gian bảo vệ, khoảng bảo vệ được ký hiệu là ∆T. Tuy nhiên, vì khoảng bảo vệđược dùng với mục đích để bù cho sự trễ khác của các kênh trên mặt đất mà không để bù cho sự thiếu chính xác trong việc đồng bộ thời gian mạng, do đó đồng bộ cần độ chính xác ± 1µs sẽ cho kết quả tốt.
Trên thực tế khi sự dội sóng vượt quá khoảng thời gian bảo vệ, kết quả thu giảm nhanh chóng vì 2 lý do:
- Nguyên tắc trực giao bị phá vỡ vì xuất hiện ISI (Inter Symbol Interference). Điều này làm cho BER tăng lên và càng nghiêm trọng hơn nếu tốc độ bit càng cao. Sử dụng điều chế 64 QAM hậu quả sẽ trầm trọng hơn so với dùng QPSK.
- Sự đánh giá kênh không thể xác định đúng các tiếng dội dài hơn
4
1thời gian symbol có ích TU. Mode ∆T = TU/4 nên được dùng hơn những mode khác khi tiếng dội có thể vượt quá thời gian bảo vệ.
Vùng phủ sóng thực sự được tạo bởi một tập các máy phát SFN phụ thuộc mật thiết vào hoạt động của hệ thống con thực hiện đồng bộ thời gian.
5.2.2.3. Đồng bộ bit
Phát cùng một symbol trên cùng thời gian đòi hỏi tất cả các sóng mang phải được điều chế giống nhau. Do đó, cùng các bit thì phải điều chế tại cùng sóng mang thứ k. Dung sai cho đồng bộ bit là 0.
5.2.2.4. Đồng bộ về phân bố năng lượng
Để đảm bảo sự chuyển tiếp đầy đủ dữ liệu của MPEG-2 TS, dữ liệu được ngẫu nhiên hóa ngay khi chúng vào bộ điều chế. Điều này được thực hiện thông qua việc thêm vào chuỗi dữ liệu PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) đã chuẩn hóa được khởi tạo lại sau mỗi 8 gói MPEG-2. Vì chuỗi ngẫu nhiên phải giống nhau tại tất cả các bộ điều chế nên mỗi bộ tạo PRBS được thiết lập bằng một cơ chế xác định trước.
5.2.3. Hiệu quả mạng đơn tần số
Hệ thống DVB-T với phương pháp ghép tần số phân chia trực giao OFDM cho phép sử dụng mạng đơn tần số SFN đem lại những hiệu quả to lớn ứng dụng trong truyền hình phát sóng trên mặt đất.
5.2.3.1. Hiệu quả sử dụng phổ
Hiệu quả sử dụng phổ thể hiện ở chỗ trên một kênh RF thuộc các băng UHF, VHF hệ thống DVB-T có thể phát với dòng dữ liệu đầu vào có tốc độ bit rất cao, tức là có thể phát từ 4 đến 5 chương trình truyền hình SDTV hoặc một chương trình HDTV và các dữ liệu phụ khác. Ứng dụng kỹ thuật mạng SFN cho vùng phủ sóng rộng lớn, cho phép nhiều máy phát cùng hoạt động đồng bộ phục vụ mở rộng vùng phủ sóng, cùng sử dụng một tần số của mạng SFN. Do đó, hiệu quả sử dụng phổ của SFN cho nhiều máy phát là rất cao so
với mạng MFN (Multi Frequency Network), tiết kiệm được băng thông trên kênh truyền.
Chn : kênh n truyền hình tương tự
fV : tần số sóng mang hình
fS : tần số sóng mang tiếng
fC : tần số sóng mang phụ màu
Trong quá trình phát triển, hệ thống truyền hình số DVB-T được phát song song với hệ thống truyền hình tương tự cho phép tận dụng phổ tối đa bằng cách phát đan xen vào các kênh trống của truyền hình tương tự mà không hề bị can nhiễu. Hình 52.2 minh họa phổ của tín hiệu truyền hình tương tự và phổ của truyền hình số DVB-T đan xen với những kênh truyền hình tương tự kề cận.
5.2.3.2. Hiệu quả công suất
Truyền hình số DVB-T, với vùng phủ sóng được xác định cho trước và cường độ trường ở máy thu nhận được. Thì việc tăng thêm công suất của máy phát hình số là không cần thiết và cũng không cải thiện thêm gì chất lượng cho máy thu, khi cường độ trường tại đầu vào máy thu hình số vượt quá ngưỡng cho phép. Trong khi đối với hệ truyền hình tương tự, các máy thu
fV fC fS fV fC fS
chn chn+2
DVB-T
f
Hình 5.2: Kênh truyền hình sốđan xen giữa hai kênh truyền hình tương tự
truyền thống cần có độ an toàn của mức cường độ trường lớn. Do đó đểđảm bảo chất lượng cho truyền hình truyền thống, thì máy phát phải tăng công suất để có độ dự trữ an toàn cường độ trường cho máy thu.
Hệ thống DVB-T với mạng SFN còn mang lại hiệu quả cao về công suất. Tại một điểm thu, cường độ trường của một máy phát có thể được bổ sung bởi một máy phát khác cùng mạng SFN, nó cho phép tăng số phần trăm vị trí của vùng phủ sóng. Điều này cho thấy rằng mạng đơn tần số SFN cho phép mở rộng vùng phủ sóng mà không cần tập trung tăng công suất cho máy phát chính và chỉ cần bổ sung các máy phát có công suất nhỏ và phát trên cùng mạng SFN. Khi đó máy thu với anten không định hướng sẽ thu nhận tín hiệu từ một số máy phát SFN khác nhau, sự suy giảm cường độ trường của một máy phát sẽ được máy phát khác bù lại. Hiệu quả công suất của mạng SFN rất quan trọng đối với các vùng biên và được gọi là "độ lợi mạng". Mô hình mở rộng vùng phủ sóng với mạng SFN được cho ở hình 5.3
5.2.4. Phương án mạng MFN bao gồm các vùng SFN cục bộ
Trong mạng đa tần số MFN, dựa trên cơ sở hạ tầng các máy phát đang tồn tại, có thể thiết lập các vùng SFN đầy ý nghĩa vì nó cho phép mở rộng SFN Máy phát chính SFN SFN SFN Hình 5.3: Mạng đơn tần số SFN
dần vùng phủ sóng và tạo ra các vùng cho phép thu di động mà không cần ấn định thêm các kênh tần số mới. Việc tăng cường các máy phát SFN (có công suất từ trung bình đến cao) xung quanh các máy phát chính (MFN) để tạo các
vùng SFN cục bộ là hoàn toàn có thể thực hiện được. Nói chung, hoạt động theo mode 8k là thích hợp cho ứng dụng này, trừ khi khoảng cách giữa các máy phát trong vòng 15 km thì mode 2k với khoảng bảo vệ 56 µs là có thể thực hiện được.
5.2.4.1. Phương án lấp đầy các vùng lõm (Gap filler)
Trên thực tế do điều kiện địa hình, sóng sẽ không phủ hết được như: địa hình các vùng thung lũng, hoặc trong thành phố với những tòa cao ốc, đường tàu điện ngầm, do đó tạo nên các vùng lõm, tối (Gap). Mạng SFN cho phép những vùng lõm có thể được lấp đầy (Gap Filler) một cách hiệu quả nhất mà không hề tốn kém thêm chi phí cho một máy phát hình số DVB-T hoàn chỉnh (nghĩa là không cần tăng thêm chi phí do đầu tư các bộ đồng bộ nguồn chương trình và bộ điều chế COFDM). Để thực hiện việc lấp đầy vùng lõm đối với tín hiệu sóng DVB-T chưa phủ đến hoặc yếu dưới mức ngưỡng cho phép, thì với máy thu phát lại RF (Retransmitter) hoạt động đơn giản, thu tín hiệu RF và khuếch đại để phát lại với cùng tần số SFN.
Trên hình 5.4 mô tả việc tăng cường vùng phủ sóng DVB-T sử dụng các bộ làm đầy vùng lõm gapfiller. Bộ lấp đầy vùng lõm (Gap filler) được thực hiện bởi máy thu phát lại cao tần (Retransmitter) có công suất nhỏ sao cho vừa đủ để phủ sóng vùng lõm. Máy thu phát lại sẽ thu tín hiệu RF và khuyếch đại công suất sau đó phát lại trên cùng tần số SFN nhằm tăng cường mức tín hiệu cho vùng này. Để máy thu phát lại trên cùng tần số RF hoạt động được cần phải đảm bảo điều kiện: Độ cách ly giữa anten thu và anten phát phải không nhỏ hơn 80 dB. Việc sử dụng anten định hướng sẽ làm tăng đáng kể độ cách ly giữa anten thu và phát. Tăng cường độ chọn lọc thu RF thông qua bộ lọc SAW ởđầu vào nhằm giảm thiểu sự phách với các tần số lạ. Hình 5.5 mô tả hệ thống truyền hình số DVB-T với nhiều máy phát hoạt động trên cùng tần số SFN và các dịch vụ lấp đầy các vùng lõm (Gap Filler) và mở rộng thêm vùng phủ sóng trên cùng mạng SFN.
Gapfillers
Main transmitter
Hình 5.4: Các bộ gapfiller tăng cường cho máy phát chính
5.2.5. Vấn đề thiết lập mạng đơn tần ở Việt Nam
Mạng đơn tần là một trong những thế mạnh của tiêu chuẩn DVB-T, có thể cho phép phát 4-6 chương trình truyền hình trên cùng một kênh cao tần RF trên toàn bộ lãnh thổ, tiết kiệm tối đa tài nguyên tần số. Thiết lập mạng đơn tần nếu có thể luôn là mong muốn của tất cả các quốc gia đã lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T (hiện nay đã có một số nước sử dụng mạng đơn tần: Singapore, Australia,...). Tuy nhiên, không phải trong điều kiện nào cũng có thể triển