M uở đầ
4.4Mó húa Turbo trong OFDM
Mó húa turbo gần đõy đó được sử dụng thành cụng trong rất nhiều hệ thống thụng tin. Mó húa turbo tổng quỏt bao gồm hai hay nhiều mó chuỗi hoặc mó song song. Một bộ mó turbo điển hỡnh gồm nhiều chuỗi mó vũng xoắn song song như hỡnh dưới đõy. Khi đú cỏc bit thụng tin được mó húa bởi hai hay nhiều bộ mó vũng xoắn đệ quy, chỳng cũn được sử dụng để hoỏn vị chuỗi thụng tin. Tuy nhiờn, bộ giải mó turbo lại cú thể dựng cỏc bộ mó vũng xoắn song song hay phõn cấp. Khả năng sửa lỗi cao của mó húa turbo cú được bắt nguồn sự ngẫu nhiờn giống như sử dụng cài xen kết hợp với mó vũng xoắn và bộ giải mó sử dụng hầu hết cỏc thụng tin ngoại lai khụng tương quan.
Trễ Cài xen 1 Cài xen N Mã hóa 0 Mã hóa 1 Mã hóa N Multiplexing Hỡnh 4-9 Bộ lập mó Turbo
Việc thiết kế cấu trỳc và độ phức tạp của mó húa turbo bị giới hạn bởi cỏc thụng số hệ thống khỏc. Chỳng ta sẽ đề cập đến một vài thụng số ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trỳc bộ mó. Trễ giải mó ảnh hưởng rất lớn tới thiết kế mỏy thu. Bởi vỡ cấu trỳc bộ giải mó turbo là lặp và bao gồm khối giải cài xen/giải cài xen cho mỗi lần lặp lại, nếu trễ quỏ lớn sẽ ảnh hưởng tới chất lượng toàn bộ hệ thống. Một vấn đề quan trọng khỏc mà hệ thống yờu cầu là
rừ rệt thỡ hệ thống cú thể làm việc ở tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm S/N nhỏ. Tuy nhiờn nhiều chức năng khỏc của mỏy thu lại yờu cầu một tỷ số S/N tối thiểu nào đú, điều này cũng cần được tớnh toỏn kỹ lưỡng khi thiết kế hệ thống OFDM. De- interleaver Interleaver Soft input Soft output Decoder Soft input Soft output Decoder Extrinsic Information
Information bits Channel Information
Extrinsic Information
Hỡnh 4-10 Cấu trỳc bộ giải mó Turbo
Cú hai kỹ thuật giải mó lặp là: Xỏc suất sau cực đại MAP (Maximum a
posteriori Probability) và Giải thuật Viterbi cải tiến SOVA (Soft input Soft Output Viterbi Algorithm). Cú 3 dạng khỏc nhau của đầu vào ‘mềm’ (Soft input) cho mỗi bộ giải mó là ký tự thụng tin khụng mó húa, thụng tin dư thừa từ mó đối xứng đệ quy RSC (Recursive Symmetric Code) đầu tiờn, và cỏc thụng tin ngoại lai. Đầu ra là cỏc trọng số thụng tin khụng mó húa, thụng tin ưu tiờn (priori information) và thụng tin ngoại lai tương ứng.
Núi chung, thuật toỏn MAP là tối ưu cho đỏnh giỏ trạng thỏi của một quỏ trỡnh Markov. Trong giải mó turbo, thuật toỏn MAP tớnh logarit của tỷ số giữa xỏc suất sau APP (a posteriori probability) của mỗi bit thụng tin trở thành ‘1’ với xỏc suất APP của bit trở thành ‘0’. Kỹ thuật MAP rất phức tạp và yờu cầu số phộp toỏn thay đổi nờn ớt được ỏp dụng trong thực tế. Cũn kỹ thuật SOVA sử dụng thuật toỏn đơn giản húa của thuật toỏn MAP được ứng dụng nhiều trong thực tế vỡ mặc dự khụng tối ưu như thuật toỏn MAP nhưng cấu trỳc lại đơn giản hơn nhiều. Thuật toỏn MAP xột tất cả cỏc đường bằng cỏch chia chỳng thành 2 tập hợp là cỏc đường cú bit ‘1’ tại những bước riờng biệt và cỏc đường cú bit ‘0’ tại nhừng bước đú, và trả về log tỷ số tương quan giữa
chỳng. Cũn SOVA chỉ xột những đường cú triển vọng (survivor path) của thuật toỏn Viterbi.
Như đó núi ở trờn, mó húa trong hệ thống OFDM cú ưu thế của mó húa trong cả miền thời gian và tần số với việc cài xen thớch hợp. Mó húa cung cấp thờm sự bảo vệ chống lại pha đinh chọn lọc thời gian và tần số. Sử dụng mó húa Turbo đang được quan tõm đặc biệt cho một vài chuẩn vụ tuyến.
Chơng 5 Ứng dụng của OFDM trong thụng tin vụ tuyến
5.1 Phỏt thanh số DAB
5.1.1 Giới thiệu
Với những đặc điểm ưu việt của mỡnh, điều chế đa súng mang đặc biệt thớch hợp cho truyền thụng quảng bỏ tớn hiệu số. Cơ quan tiờu chuẩn Chõu õu đó chấp nhận OFDM là chuẩn điều chế cho phỏt thanh và truyền hỡnh số cho cả mặt đất và vệ tinh.
Chuẩn phỏt thanh số DAB (Digital Audio Broadcast) được ban hành cho 3 dạng sau:
- Dạng 1 ỏp dụng cho mạng đơn tần SFN (Single Frequency Networks) mặt đất.
- Dạng 2 ỏp dụng cho phỏt thanh số mặt đất thụng thường ở cỏc địa phương.
- Dạng 3 ỏp dụng cho phỏt thanh quảng bỏ qua vệ tinh.
V i cỏc thụng s c a cỏc d ng nh sau:ớ ố ủ ạ ư
Mode1 Mode2 Mode3
Carrier number 1.536 384 192 Carrier spacing 1kHz 4kHz 8kHz Symbol time 1.246 ms 311.5 às 155.8 às Guard time 246 às 61.5 às 30.8 às Carrier frequency <375 MHz <1.5 GHz <3 GHz Transmitter separation <96 Km <24 Km <12 Km
Trong đú nổi bật nhất là dạng 1 dựng cho mạng đơn tần SFN. Mạng đơn tần chỉ cú thể thiết lập khi sử dụng kỹ thuật điều chế đa súng mang. Mạng đơn tần bao gồm nhiều trạm phỏt phõn bố trờn vựng cần phủ súng phỏt cựng một tớn hiệu ở cựng một tần số và đồng bộ về thời gian. Mạng đơn tần cho phộp phủ súng một vựng rộng lớn và khắc phục những điểm chết do bị chắn tại những vị trớ đặc biệt. Như vậy một mỏy thu sẽ nhận được tớn hiệu từ nhiều mỏy phỏt trựng khớp về tần số, định dạng tớn hiệu và thời gian, ngoại trừ trễ truyền dẫn là khỏc nhau. Hỡnh dưới đõy sẽ minh họa một mỏy thu trong mạng đơn tần nhận được nhiều tớn hiệu với trễ truyền dẫn khỏc nhau:
T
T
T R
Hỡnh 5-4 Cỏc tớn hiệu thu được trong mạng đơn tần
Trong trường hợp khoảng thời gian tới của cỏc tớn hiệu bao gồm cỏc tớn hiệu phản xạ nhiều đường và cỏc tớn hiệu tới từ cỏc trạm phỏt khỏc nhỏ hơn khoảng bảo vệ giữa cỏc symbol, khi đú tớnh trực giao giữa cỏc súng mang được bảo đảm. Như vậy cụng suất thu được sẽ tăng lờn. Trong trường hợp ngược lại thỡ sẽ xảy ra giao thoa giữa cỏc súng mang. Giao thoa này tương đương với nhiễu Gaussian và tỷ lệ với khoảng mà nhiễu ISI vượt quỏ khoảng bảo vệ. Vớ dụ mỏy thu nhận được tớn hiệu trực tiếp từ hai mỏy phỏt cỏch nhau
40 Km, khi đú khoảng thời gian hai tớn hiệu tới mỏy thu cỏch nhau cỡ 133 às. Ngoài ra cũn cú tớn hiệu phản xạ nhiều đường từ cỏc trạm phỏt này. Do đú yờu cầu khoảng bảo vệ lớn hơn 133 às. Trong thực tế khụng thể tăng khoảng bảo vệ lờn quỏ cao vỡ khi đú sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng băng thụng. Do đú khoảng cỏch giữa cỏc trạm phỏt phải đủ nhỏ để loại bỏ nhiễu ISI.
Một yếu tố khỏc ảnh hưởng đến khoảng cỏch cực tiểu giữa cỏc súng mang và khoảng thời gian cực đại của cỏc symbol là hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler gõy ra dịch tần số và ảnh hưởng đến bộ giao động nội của mỏy thu. Vớ dụ mỏy thu đặt trờn một xe chạy với tốc độ 80 Km/h thỡ hiệu ứng Doppler làm dịch tần tại tần số 240 MHz là 18 Hz. Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang phải lớn hơn giỏ trị trờn để giảm thiểu nhiễu ISI. Điều này đặc biệt quan trọng cho hệ thống OFDM cú tần số đồng hồ được tự tạo ra ở phớa thu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mode 1 sử dụng 1536 súng mang và khoảng cỏch giữa chỳng là 1kHz, khoảng thời gian tồn tại của một symbol là 1246 às trong đú khoảng bảo vệ GI là 246 às. Mỗi súng mang được điều chế khúa dịch pha vi sai với khoảng cỏch là π/4 (π/4-DPSK). Như vậy trờn sơ đồ điều chế cứ hai bit thụng tin được điều chế vào súng mang cú pha là ±π/4 hoặc ±3π/4. Mỏy phỏt thực hiện biến đổi IFFT 2048 điểm, cỏc súng mang khụng sử dụng được coi là cú biờn độ bằng khụng. Do đú phổ của toàn bộ cỏc súng mang là 1,536 MHz. Thành phần I và Q của tớn hiệu đó điều chế được đưa tới khối cao tần RF tại tần số từ
175 đến 240 MHz.
Một kờnh OFDM cú thể truyền một vài chương trỡnh phỏt thanh, mỗi chương trỡnh cú thể cú chất lượng thay đổi mono hay strereo. Mỗi kờnh audio được mó húa õm thanh với tốc độ từ 32 kbps đến 382 kbps. Dũng bit này được mó húa vũng xoắn với tốc độ mó 1/2 và được cài xen (interleaving). Cỏc dũng bit được ghộp kờnh theo thời gian và đưa tới bộ điều chế OFDM. Tốc độ bit tổng cộng (sẽ trỡnh bày ở dưới đõy) là 2,3 Mbps. Bởi vỡ tốc độ của cỏc kờnh audio là thay đổi nờn số kờnh audio được truyền trong một kờnh OFDM cũng thay đổi theo. Một hệ thống điển hỡnh truyền 6 kờnh audio với tốc độ 192 kbps.
5.1.2 Hệ thống phỏt thanh số DAB theo chuẩn Chõu õu
Cấu trỳc của một mỏy phỏt thanh DAB số sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM như sau:
Mã hóa âm thanh Ngẫu nhiên hóa (Scramble) Mã hóa vòng xoắn (tốc độ 1/2) Cài xen Ghép kênh
Cài xen ghép kênh
Điều chế OFDM Cao tần Overhead Data Signals Audio in Synch Symbol Audio Signals
Hỡnh 5-2 Sơ đồ khối mỏy phỏt DAB
Bộ mó húa õm thanh thực hiện lấy mẫu, lượng tử húa, số húa và mó húa tớn hiệu õm thanh đầu vào. Tốc độ lấy mẫu là 48kHz và số húa 16 bit trờn một mẫu cho ra tốc độ 768 kbps cho một kờnh. Sau đú tốc độ này được mó húa xuống tốc độ thấp hơn tựy thuộc vào chất lượng yờu cầu. Tớn hiệu số đầu ra được ngẫu nhiờn húa bằng cỏch cộng modul-2 với dóy giả ngẫu nhiờn (pseudo-random sequence) để cõn bằng lượng cỏc bit ‘1’ và cỏc bit ‘0’. Ngẫu nhiờn húa cũn nhằm mục đớch để cho phổ tần số phỏt đi cú độ phõn tỏn thớch hợp. Sau ngẫu nhiờn húa, tớn hiệu được mó húa vũng xoắn với tốc độ 1/2. Như vậy dũng bit ra khỏi bộ mó húa vũng xoắn cú tốc độ gấp đụi tốc độ đầu vào. Tiếp đú dũng bớt được xỏo trộn (interleaving) trước khi đưa tới bộ ghộp kờnh.
Một vài kờnh audio sẽ được ghộp kờnh cựng với cỏc tớn hiệu khỏc, cú thể là cỏc dữ liệu được thờm vào cỏc kờnh audio. Tớn hiệu sau bộ ghộp kờnh sẽ được đúng khung. Một khung gồm 2 ký hiệu đồng bộ (synchronous symbol),
3 ký hiệu mào đầu (overhead symbol) và tiếp theo là 72 symbol thụng tin. Như vậy mỗi khung cú 77 symbol, mỗi symbol là 3072 bit (1536 súng mang x
2 bit trờn mỗi súng mang). Như đó núi độ dài mỗi symbol là 1246 às do đú độ dài của khung là 77 * 1,246 = 96 ms.
Synch
(null) Synch 1 2 3 1 72
Overhead Audio or Data
t Frame = 96 ms Synch
Hỡnh 5-3 Cấu trỳc khung DAB
Cỏc ký hiệu thụng tin và mào đầu được cài xen lần nữa, và cuối cựng là cỏc ký hiệu đồng bộ được thờm vào trước khi điều chế vào cỏc súng mang tại bộ điều chế OFDM.
Ký hiệu đồng bộ đầu tiờn là null tức là khụng cú tớn hiệu, do đú việc đồng bộ khung thụ cú thể được thực hiện đơn giản bằng cỏch tỏch súng đường bao. Ký hiệu đồng bộ thứ hai cú mẫu cố định, dựng cho đồng bộ khung và cung cấp pha chuẩn để tỏch súng vi sai cỏc symbol tiếp theo. Cỏc thụng tin overhead được dựng để mang cỏc thụng tin về kờnh, cỏc tham số súng mang dựng cho giải mó thụng tin.
Như vậy tốc độ bit thụng tin được truyền qua 1 kờnh DAB là:
Mbps subcarrier bit symbol subcarrier symbols R 2,304 sec 096 , 0 / 2 / 1536 72 ∗ ∗ = =
Như đó đề cập, mỗi súng mang sử dụng điều chế DPSK-4 điểm. Điều chế vi sai đơn giản húa việc đồng bộ và dễ dàng giải điều chế.
5.2 Truyền hỡnh số DVB
5.2.1 Giới thiệu
Truyền hỡnh số quảng bỏ DVB (Digital Video Broadcasting) là một khỏi niệm rộng bao gồm truyền hỡnh, cỏc ứng dụng đa phương tiện di động (Multimedia mobile application) và cỏc dịch vụ cung cấp dữ liệu khụng dõy. DVB cú thể kết hợp với cỏc mạng khụng dõy khỏc như mạng cellular để cung cấp một hệ thống truy nhập dữ liệu bất đối xứng khụng dõy dựng để truy nhập internet khụng dõy.
Truyền hỡnh số là bước phỏt triển tiếp theo của truyền hỡnh màu tương tự. Để truyền với chất lượng tương đương cần tốc độ bit là 216 Mbps cho hỡnh ảnh và 1536 kbps cho õm thanh. Do đú mó húa nguồn là cực kỳ quan trọng trong hệ thống DVB. Cỏc hệ thống truyền hỡnh số hiện nay sử dụng kỹ thuật nộn MPEG-2 cho phộp nộn xuống tốc độ 3,5 Mbps cho cả hỡnh ảnh và õm thanh.
Hiện nay đang tồn tại 3 chuẩn truyền hỡnh số là ATSC (Advanced Television Systems Committee) của Mỹ, chuẩn DVB của Chõu õu, và chuẩn ISDB (Intergrated Service Digital Broadcasting) của Nhật. Trong đú cú hai chuẩn sử dụng kỹ thuật điều chế đa súng mang OFDM là chuẩn DVB và ISDB. Cỏc chuẩn này được ban hành thành cỏc chuẩn cụ thể cho truyền hỡnh mặt đất, vệ tinh và truyền hỡnh cỏp. Trong đú chuẩn truyền hỡnh số mặt đất DVB-T đó tỏ rừ ưu thế của mỡnh và đó được nhiều nước lựa chọn trong đú cú cả ở nước ta. Do đú dưới đõy sẽ tập trung vào DVB-T như là một ứng dụng của OFDM.
Truyền hỡnh số mặt đất DBV-T của Chõu õu chọn kỹ thuật COFDM (Coded Orthogonal Division Frequency), là kỹ thuật điều chế đa súng mang OFDM kết hợp với kỹ thuật mó húa kờnh truyền, vỡ những lý do sau:
- Loại bỏ nhiễu: Sự tồn tại đồng thời của truyền hỡnh số và truyền hỡnh tương tự yờu cầu hệ thống tuyệt đối khụng gõy nhiễu với truyền hỡnh tương tự và cỏc nhiễu băng hẹp khỏc, bởi vỡ truyền hỡnh tương tự rất nhạy cảm với nhiễu. Trước khi sử dụng kỹ thuật điều chế đa súng mang thỡ vấn đề này được giải quyết bằng cỏch giảm cụng suất phỏt và sử dụng cỏc kỹ thuật mó húa để đạt được tốc độ lỗi bit yờu cầu. - Hiệu ứng đa đường (multipath effect): Súng truyền theo nhiều đường (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tới mỏy thu với trễ truyền dẫn khỏc nhau là nguyờn nhõn chớnh làm suy giảm chất lượng cỏc kờnh truyền hỡnh mặt đất. Kiến trỳc mạng đơn tần SFN của DVB tạo ra nhiều tớn hiệu cựng tới mỏy thu từ cỏc trạm phỏt khỏc nhau và do phản xạ thụng thường. Sự tồn tại của
nhiều tớn hiệu với độ trễ khỏc nhau tại mỏy thu yờu cầu một kỹ thuật điều chế mạnh để chống lại hiệu ứng này. COFDM cho phộp loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng đa đường miễn là độ dài của khoảng bảo vệ GI được thiết kế một cỏch hợp lý. Độ dài của khoảng bảo vệ càng lớn thỡ cho phộp khoảng cỏch giữa cỏc trạm phỏt trong mạng đơn tần càng xa, tuy nhiờn sẽ phải trả giỏ là sự giảm hiệu suất sử dụng băng thụng. Sự bố trớ hợp lý cỏc tớn hiệu pilot tại cỏc khe thời gian và tần số cho phộp chịu được hiệu ứng Doppler và tạo ra khả năng di động cho cỏc thiết bị đầu cuối.
5.2.2 Truyền hỡnh số chuẩn Chõu Âu DVB-T
Chuẩn truyền hỡnh số DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) được ban hành bởi ETSI (European Telecommunication Standards Institute) dựa trờn cỏc ý tưởng sau:
- Đưa ra mụ hỡnh hệ thống phỏt súng truyền hỡnh số mặt đất
- Xỏc định yờu cầu về chất lượng tớn hiệu và khả năng tương thớch cho cỏc loại dich vụ khỏc nhau.
- Quan tõm tới vấn đề xử lý tớn hiệu ở mày thu để mở rộng cỏc giải phỏp thực hiện khỏc nhau.
- Nhằm vào mục đớch chống hiệu ứng nhiều đường, chống pha đinh lựa chọn tần số và chống hiệu ứng Doppler.
- Tạo khả năng thiết lập mạng đơn tần. - Tạo khả năng đa phương tiện.
- Tạo khả năng di động.
DVB-T cú hai chế độ là 2k và 8k tương ứng với số điểm biến đổi IFFT/FFT. Mode 2k cú 1705 súng mang, mode 8k cú 6817 súng mang. Với mỗi mode đều cú thể truyền tải ở hai chế độ phõn cấp và khụng phõn cấp. Đối với chế độ khụng phõn cấp, cỏc chương trỡnh được phỏt với cựng mức tớn hiệu do vậy chỉ cỏc vựng cú cường độ trường lớn hơn mức ngưỡng mới cú thể thu