3. CHƯƠNG III: THÀNH PHẦN MỚI TRONG BỘ ð IỀU CHẾ DVB-
3.1 Khái quát chung
Như chúng ta ñã biết hệ phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (ghép tần số trực giao có mã sửa sai) như một phương thức ñiều chế dữ liệu. OFDM là một dạng ñặc biệt của hệ thống ñiều chếña sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng mang. Các sóng mang ñược ñiều chế với tốc ñộ bit thấp và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang ñược luồng dữ liệu có tốc ñộ bit cao.
Bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit ñầu vào thành các sóng mang ñã ñược ñiều chế theo một kiểu nào ñó trong miền thời gian liên tục. Tùy thuộc vào kiểu ñiều chế, mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit ñầu vào ñược gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số
lượng bit cốñịnh. Tùy thuộc vào kiểu ñiều chế cơ sởñược chọn là QPSK, 16- QAM hay 64-QAM, mỗi sóng mang sẽ vận chuyển ñược số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit.
Tuy nhiên với công suất phát cố ñịnh, khi có nhiều bit dữ liệu trong một symbol thì các ñiểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần có sự cân ñối giữa tốc ñộ và mức ñộ lỗi. Trong mô hình ñiều chế phân cấp, hai luồng số liệu ñộc lập sẽ ñược truyền trong cùng một thời ñiểm. Luồng dữ liệu có mức ưu tiên cao (HP) ñược ñiều chế QPSK và luồng có mức ưu tiên thấp (LP) ñược ñiều chế 16-QAM hoặc 64-QAM.
3.1.2 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang
Tín hiệu truyền ñi ñược tổ chức thành các khung (frame). Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một ña khung. Lý do việc tạo ra các khung là ñể phục vụ tổ
chức mang thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số
bên phát - Transmission Parameter Signalling – TPS carriers). Lý do của việc hình thành các ña khung là ñể chèn vừa ñủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ
cấu hình tham số phát, ñiều này tránh việc phải chèn thêm các gói ñệm không cần thiết.
Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (ñược ñánh dấu từ 0 ñến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang nằm dày ñặc trong dải thông 8 MHz (Việt Nam chọn dải thông 8MHz, có nước chọn 7MHz).
Như vậy trong 1 symbol OFDM sẽ chứa:
- Các sóng mang dữ liệu (hình ảnh, âm thanh…) ñược ñiều chế M-QAM. - Các pilot (sóng mang) liên tục (continual pilot): các pilot này có vị trí cố ñịnh trong dải tần 8 MHz và cố ñịnh trong biểu ñồ chòm sao ñể ñầu thu sửa lỗi tần số, tựñộng ñiều chỉnh tần số (AFC) và sửa lỗi pha.
- Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán) (scattered pilot): có vị trí cố ñịnh trong biểu ñồ chòm sao nhưng không có vị trí cốñịnh trong miền tần số, tuy nhiên lại ñược trải ñều trong dải thông 8 MHz. Bên máy thu khi nhận
ñược các thông tin từ các pilot này sẽ tự ñộng ñiều chỉnh ñể ñạt ñược “ñáp
ứng kênh” tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần).
Khác với sóng mang các chương trình (sóng mang dữ liệu), các pilot không ñiều chế QAM mà chỉñiều chế BPSK.
- Các sóng mang tham số phát TPS (Transmission Parameter Signalling): chứa nhóm thông số phát ñược ñiều chế BPSK, chúng không những có vị trí cốñịnh trên biểu ñồ chòm sao mà còn hoàn toàn cố ñịnh ở các vị trí xác ñịnh trong dải tần 8 MHz.
3.2 Chếñộ phát 4K
Máy phát số DVB-T (hay DVB-H) có 1 tham số là chế ñộ phát 2K hoặc 8K. Chếñộ phát 2K sử dụng 1705 sóng mang trong 1 symbol OFDM, trong
ñó có 1512 sóng mang dữ liệu, 17 sóng mang tham số phát TPS và 176 các pilot. Chếñộ phát 8K sử dụng 6817 sóng mang, trong ñó có 6048 sóng mang dữ liệu, 68 sóng mang tham số phát TPS và 701 các pilot.
Hình 3.2 Ví dụ về số sóng mang của 2 chếñộ 2K và 8K với băng thông 8 MHz
Còn chếñộ phát 4K ñược giới thiệu lần ñầu tiên trong ISDB-T (Nakahara et al., 1999) nhằm cung cấp thêm 1 sự cân bằng giữa kích thước các cell SFN và hiệu suất thu di ñộng, ñem lại thêm 1 mức ñộ linh hoạt cho thiết kế mạng. Chế ñộ này chỉ có trong các mạng DVB-H dùng riêng, bởi trong DVB-T không có. DVB-T chỉ có 2 chếñộ nhưñã nói là 2K và 8K.
Với chế ñộ 4K, các ưu ñiểm từ 2K và 8K vẫn ñược duy trì, vừa có thể
dùng 1 mạng ñơn tần vùng phủ sóng rộng vừa có thểñạt tốc ñộñầu cuối ñáng kể do cung cấp hiệu suất cao hơn 8K nhưng vẫn duy trì khoảng bảo vệñủ dài dùng trong các cell SFN lớn ñể chống nhiễu. Chế ñộ 4K dùng 3409 sóng mang trong 1 symbol OFDM, trong ñó có 3024 sóng mang dữ liệu, 34 sóng mang tham số phát TPS và 351 các pilot.
Sau ñây là danh sách liệt kê 1 số thông sốở 3 chếñộ phát 2K, 4K và 8K: Mode
OFDM parameter 2K 4K 8K Overall carriers (= FFT size) 2048 4096 8192
Modulated carriers 1705 3409 6817 Useful carriers 1512 3024 6048 OFDM symbol duration (µs) 224 448 896
Guard interval duration (µs) 7,14,28,56 14,28,56,112 28,56,112,224 Carriers spacing (kHz) 4.464 2.232 1.116
Maximum distance of transmitters (km)
23 50 100
Hình 3.3 Vị trí các loại sóng mang trong 1 symbol OFDM
Trong chế ñộ 8K, số lượng sóng mang dữ liệu gấp 4 lần trong chế ñộ 2K nhưng thời gian ñể truyền hết số lượng sóng mang này cũng gấp 4 lần nên tổng vận tốc dòng dữ liệu cũng bằng chếñộ 2K.
Tốc ñộñầu cuối trong chếñộ 2K gấp 4 lần tốc ñộ ñầu cuối của 8K, nhưng việc nhận ra nhiễu của các mạng ñơn tần là rất khó khăn do khoảng bảo vệ
ngắn. Tuy nhiên, với chếñộ 8K thì các mạng ña tần ñược dùng thay cho mạng
ñơn tần nhưng tốc ñộñầu cuối có thểñạt ñược là thấp hơn nhiều.
DVB-H chủ yếu là 1 hệ thống truyền dẫn cho phép thu thông tin quảng bá trên các thiết bị di ñộng cầm tay có anten ñơn. Trong hệ thống DVB-T, mode truyền 2K là ñể cung cấp hiệu suất thu di ñộng tốt hơn mode 8K. Tuy nhiên, khoảng thời gian của các symbol OFDM mode 2K ngắn và do ñó, các khoảng thời gian bảo vệ rất ngắn. ðiều này làm cho mode 2K chỉ phù hợp với các
SFN nhỏ, gây khó khăn cho việc thiết kế mạng ñể xây dựng các mạng hiệu quả. Có thể thấy rằng 1 symbol OFDM 4K có 1 khoảng thời gian dài hơn và vì vậy có 1 khoảng bảo vệ dài hơn 1 symbol OFDM 2K, cho phép xây dựng các mạng SFN vừa chống nhiễu ISI, dịch Doppler và nhiễu giữa các sóng mang. ðiều này mang lại cho việc thiết kế mạng 1 cách tối ưu mạng SFN tốt hơn.
3.3 Bộ ghép xen theo ñộ sâu symbol (in-depth interleaver) 3.3.1 Khái niệm kĩ thuật ghép xen 3.3.1 Khái niệm kĩ thuật ghép xen 3.3.1 Khái niệm kĩ thuật ghép xen
Kĩ thuật ghép xen là kĩ thuật trong ñó các từ dữ liệu liên tiếp hoặc các gói dữ liệu ñược trải dọc ra thành nhiều cụm dữ liệu truyền dẫn khác nhau. Bằng cách này, nếu 1 cụm hay 1 nhóm truyền ñi bị mất do nhiễu hoặc 1 số cụm khác bị rớt ra thì chỉ 1 tỷ lệ nhỏ dữ liệu trong mỗi từ mã cũ hoặc gói dữ liệu cũ bị mất và nó có thểñược tái tạo lại bằng bộ dò tìm lỗi và kĩ thuật sửa lỗi.
Các mức ghép xen cao hơn ñược giới thiệu trong DVB-H ngoài những mức dùng cho DVB-T. Chếñộ ghép xen cơ bản dùng cho DVB-T và cũng có sẵn cho DVB-H là 1 bộ ghép xen native, ghép xen các bit trong 1 symbol OFDM. Tuy nhiên, DVB-H cung cấp thêm 1 bộ ghép xen theo ñộ sâu in- depth giúp ghép xen các bit trong 2 symbol OFDM (cho mode 4K) và 4 symbol (cho mode 2K).
Dùng bộ ghép xen in-depth cho phép tăng hiệu suất chống nhiễu của mode 2K và 4K và nó cũng cải thiện cường ñộ tín hiệu thu nhận trong truyền dẫn trong môi trường di ñộng.
Sau khi các packet ñược ñóng gói vào các lát thời gian (time-slice) ở bộ
IPE, luồng ra sẽñược ghép kênh thành các gói TS 188 bytes (kể cả header) và
ñược ñưa ñến bộñiều chế DVB-T.
Tại bộ ñiều chế DVB-T, các gói TS lần lượt ñược ngẫu nhiên hóa trên phần dữ liệu có ích, tính toán parity ghép vào gói ñể chống lỗi, ghép xen từng byte với nhau nhằm phân bố lỗi trải ñều ra qua các byte tránh lỗi tập trung. Sau ñó các gói ñược ñưa ñến bộ mã hóa nội dùng mã vòng với tốc ñộ mã 1/2 (có thể dùng các tốc ñộ khác tùy theo yêu cầu khách hàng và khả năng cung cấp của nhà ñiều hành mạng) và tiếp tục ñi qua bộ biến ñổi nối tiếp-song song S/P, do ñó các gói dữ liệu khi ra khỏi bộ mã hóa nội sẽ thành 1 luồng bit nối tiếp gồm các cặp bit kết hợp từ 2 luồng ngõ ra của bộ mã hóa.
Lúc này thì luồng bit ñược ñưa tới bộ ghép xen nội. Cấu trúc của bộ ghép xen nội ñược mô tả như hình sau:
Hình 3.4 Bộ ghép xen nội
3.3.2.a Ghép xen theo bit (bit-wise interleaving)
HP
LP
Ghép xen theo bit (bit-wise interleaving) Native In-depth (tùy chọn) Mã hóa nội Ghép xen symbol hoặc 2K, 4K, 8K 2K, 4K Bộ ghép xen nội
Như ñã thấy trên hình, ngõ vào sẽ có thể có 2 luồng bit ñược giải ghép thành v luồng con, trong ñó v = 2 với QPSK, v = 4 với 16-QAM và v = 6 với 64-QAM.
Ở chế ñộ phân cấp, luồng có ñộ ưu tiên cao (HP) ñược giải ghép thành 2 luồng con và luồng có ñộưu tiên thấp ñược giải ghép thành v-2 luồng con.
Hình 3.5 Các luồng ngõ vào và ngõ ra của bộ ghép xen bit trong trường hợp QPSK, 16-QAM và 64-QAM
Việc giải ghép các luồng bit ñược xem như việc sắp xếp lại các bit ngõ vào xdi lên các bit ngõ ra be,do.
Mỗi luồng con tạo ra từ bộ giải ghép (DEMUX) ñược xử lí bởi 1 bộ ghép xen bit riêng biệt. Do ñó có thể có tới 6 bộ ghép xen tùy thuộc vào giá trị v
ñược ñánh số từ I0-I5. I0 và I1 dùng cho QPSK, I0-I3 dùng cho 16-QAM và I0-I5 dùng cho 64-QAM.
Ghép xen bit chỉ thực hiện trên dữ liệu có ích, không thực hiện trên header, các byte parity… Kích thước khối ghép xen bit là 126 bit. Do vậy quá trình ghép xen khối ñược lặp lại ñúng 12 lần trong 1 symbol OFDM ở mode 2K, 24 lần ở mode 4K và 48 lần ở mode 8K.
Với mỗi bộ ghép xen theo bit, vector bit ngõ vào là:
B(e) = (be,0, be,1, be,2, …, be,125) với e = 0, 1,…,v-1 Vector ngõ ra ñã ñược ghép xen là:
A(e) = (ae,0, ae,1, ae,2, …, ae,125) Trong ñó: ae,w = be,He(w) với w = 0,1,2,…,125
He(w) là hàm hoán vị, khác nhau ñối với mỗi bộ ghép: I0: H0(w) = w
I1: H1(w) = (w + 63) mod 126 I2: H2(w) = (w + 105) mod 126 I3: H3(w) = (w + 42) mod 126
I4: H4(w) = (w + 21) mod 126 I5: H5(w) = (w + 84) mod 126
Các ngõ ra của v bộ ghép theo bit ñược nhóm lại tạo thành các symbol dữ
liệu số, do ñó mỗi symbol v bit sẽ có ñúng 1 bit từ mỗi bộ ghép trong v bộ
ghép xen. Vì vậy, ngõ ra của bộ ghép xen theo bit là 1 từ y’ gồm v bit có ngõ ra của I0 là bit có trọng số cao:
y’w = (a0,w, a1,w,…, av-1,w)
3.3.2.b Ghép xen symbol (Symbol interleaver)
Mục ñích của việc ghép xen symbol là sắp xếp lại v từ bit lên 512 (mode 2K) hoặc 3024 (mode 4K) hoặc 6048 (mode 8K) sóng mang tích cực trong 1 symbol OFDM. Bộ ghép xen symbol hoạt ñộng trên các khối 512, 4096 hoặc 6048 symbol dữ liệu.
Bộ ghép xen symbol native
Khi bổ sung bộ ghép xen mode 4K native, bộ ghép xen symbol hoạt
ñộng trên các khối gồm 3024 symbol dữ liệu.
Do ñó, trong mode 4K, cứ 24 nhóm 126 bit dữ liệu lấy từ bộ ghép xen bit ñược ñọc ra nối tiếp thành 1 vector Y’ = (y’0, y’1, y’2,…, y’3023).
Vector ñược ghép xen Y = (y0, y1, y2,…, yNmax-1) tính bởi: yH(q) = y’q cho các symbol chẵn với q = 0, …,Nmax-1
yq = y’H(q) cho các symbol lẻ với q = 0, …,Nmax-1 Trong trường hợp mode 4K thì Nmax = 3024.
ðây là thành phần mới trong DVB-H. Bộ ghép xen symbol in-depth chỉ dùng cho mode 2K và 4K. Tuy nhiên, khi hoạt ñộng thì dựa trên các khối của 6048 symbol dữ liệu (bất kể sử dụng mode nào). Do ñó, vector Y’ = (y’0, y’1, y’2,…, y’6047) lấy từ 48 nhóm 126 bit dữ liệu ở ngõ ra bộ ghép xen bit.
Vector ñược ghép xen Y = (y0, y1, y2,…, yNmax-1) tính bởi:
yH(q) = y’q cho các vector ñược ghép xen chẵn với q = 0, …,Nmax-1 yq = y’H(q) cho các vector ñược ghép xen lẻ với q = 0, …,Nmax-1 Trong ñó, Nmax = 6048 luôn dùng cho các bộ ghép xen in-depth (kể cả
mode 2K và 4K).
Với mode 2K, các vector sau ghép xen sẽ ñược sắp xếp lên 4 symbol OFDM liên tiếp. Các vector chẵn sẽ bắt ñầu với symbol thứ 0, 8, 16, 24, … và các vector lẻ sẽ bắt ñầu với các symbol 4, 12, 20, 28,… trong mỗi ña khung.
Với mode 4K, các vector sau ghép xen sẽ ñược sắp xếp lên 2 symbol OFDM liên tiếp. Các vector chẵn sẽ bắt ñầu với symbol thứ 0, 4, 8, 12, … và các vector lẻ sẽ bắt ñầu với các symbol 2, 6, 10, 14,… trong mỗi ña khung.
Hàm hoán vị H(q)
H(q) là 1 hàm hoán vịñược ñịnh nghĩa như sau: cho 1 từ mã nhị phân R’i có (Nr-1) bit, với Nr = log2Mmax. Trong mode 4K, Mmax = 4096 và R’i nhận các giá trị sau:
i = 0,1: R’i [Nr-2, Nr-3, …, 1, 0] = 0, 0, …, 0, 0 i = 2: R’i [Nr-2, Nr-3, …, 1, 0] = 0, 0, …, 0, 1
2<i<Mmax: { R’i [Nr-3, Nr-4, …, 1, 0] = R’i-1 [Nr-2, Nr-3, …, 2, 1];
Với mode 4K, 1 vector Ri lấy từ vector R’i bằng cách hoán vị bit như
trong bảng sau:
Vị trí bit R’i 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Vị trí bit Ri 7 10 5 8 1 2 4 9 0 3 6
Bảng 3.2 Cách hoán vị bit trong mode 4K
Từ Ri tính ñược ở trên ta có thuật toán tính H(q): q = 0; for (i = 0; i < Nr; i = i++) { H(q) = (i mod 2).2Nr-1 + 2 0 ( ).2 r N j i j R j − = ∑ if (H(q) < Mmax) q = q++; }
Sơ ñồ khối thuật toán dùng tạo hàm hoán vị trong mode 4K thể hiện trong hình sau:
Hình 3.7 Sơ lược về các bộ ghép xen dùng cho từng chếñộ khác nhau (2K, 4K & 8K)
Tín hiệu sau ñó ñược ñưa vào các chòm sao tùy theo kiểu ñiều chế
QPSK, 16-QAM hay 64-QAM. Tiếp tục ñược ghép thêm các bit TPS, các bit pilot, sau ñó ñược sắp xếp lại vào các khung OFDM, chèn khoảng bảo vệ ñể
chống nhiễu. Cuối cùng ñược chuyển ñổi thành tín hiệu RF ñược khuếch ñại truyền ñi trong môi trường không khí.
3.4 Báo hiệu thông số bên phát TPS 3.4.1 Khái quát 3.4.1 Khái quát 3.4.1 Khái quát
Các sóng mang TPS dùng cho mục ñích báo hiệu các thông số liên quan