Một số vấn đề cần lư uý trong quy hoạch mạng đơn tần

L ỜI NÓI ĐẦU

2.1.3 Một số vấn đề cần lư uý trong quy hoạch mạng đơn tần

2.1.3.1 Khoảng bảo vệ và trễ thời gian

Trong mạng đơn tần DVB-T2 luôn tồn tại hai loại can nhiễu tiềm tàng đó là

nhiễu liên ký tự ISI (Inter Symbols Interference) và nhiễu xuyên sóng mang ICI

(Inter Carrier Interference). Các loại nhiễu này xuất hiện khi tín hiệu từ các máy

phát khác nhau đến máy thu với thời gian trễ khác nhau làm máy thu không thể khôi phục tín hiệu. Để giải quyết vấn đề này người ta chèn vào trước mỗi ký tự một khoảng bảo vệGI (Guard Interval) có độ dài Tg. Việc chèn khoảng bảo vệcó độ dài bao nhiêu phụ thuộc vào thiết kế mạng đơn tần. Với các mạng đơn tần diện rộng,

khoảng cách và công suất của các máy phát yêu cầu lớn thì khoảng bảo vệ phải đủ

lớn để đảm bảo máy thu có thể đồng bộ tín hiệu đến theo nhiều đường khác nhau.

Nhưng bù lại nhà quy hoạch phải trả giá bằng việc phải giảm bớt dung lượng kênh

truyền vì khoảng bảo vệ không mang thông tin có ích. Trong DVB-T2, độ dài

khoảng bảo vệ lớn nhất có thể thiết lập lên đến 532 µs tương ứng với khoảng cách vật lý tối đa có thể thiết lập của hai máy phát liền kề trong mạng 159.6 km (băng

thông 8 MHz).

Xét trường hợp đơn giản mạng đơn tần gồm hai máy phát Tx1 và Tx2 với

các thông số phát công suất, tăng ích, búp hướng, chiều cao anten tương đương

nhau. Trong đó khoảng cách giữa Tx1 và Tx2 là D và khảng cách tối đa cho phép (tương ứng GI) giữa hai máy phát là Dmax. Đối với những máy thu (Rx) nằm trong

khoảng không gian giữa hai máy phát, chênh lệch khoảng cách từ máy thu đến hai

máy phát được tính theo công thức (chuẩn hóa theo D):

ΔS = + − (1− ) + (2.1)

Đối với những máy thu nằm ở những vị trí khác, chênh lệch khoảng cách

được tính theo công thức:

ΔS = + − (1 + ) + (2.2)

38

x là khoảng cách từ hình chiếu của máy thu trên đường nối hai máy phát đến

Tx1

y là khoảng cách từ hình chiếu của máy thu trên đường vuông góc của đường

nối hai máy phát đến Tx1

Khi đó ΔSđược minh họa như hình bên dưới:

Hình 2.2 Tính toán ΔS trong mạng đơn tần hai máy phát

Có thể thấy ΔS luôn nhỏ hơn hoặc bằng D, dấu bằng xảy ra khi máy

thu nằm ngoài không gian giữa hai máy phát đồng thời nằm trên đường nối

hai máy phát kéo dài. Nếu D nhỏhơn hoặc bằng Dmax can nhiễu không xảy

ra. Nếu D lớn hơn Dmax can nhiễu chắc chắn xảy ra, màu càng nóng càng

thể hiện nguy cơ cao xuất hiện can nhiễu.

Tx1 x Tx2

y

Rx

39

2.1.3.2 Can nhiễu đồng kênh

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi hai máy phát phát đi cùng một tần số. Khi máy

thu nằm trong vùng phủ sóng của cả hai máy phát nó sẽthu được tín hiệu của cả hai

máy phát với mức cường độ khác nhau phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với máy

phát. Tín hiệu mà máy thu mong muốn được gọi là tín hiệu có ích, tín hiệu không

mong muốn gọi là tín hiệu nhiễu.

Tỉ số sóng mang trên nhiễu được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn

trên cường độ tín hiệu nhiễu.

C/I = 10log(Pc/Pi) (2.3)

Trong đó:

Pc = công suất tín hiệu thu mong muốn

Pi = công suất nhiễu thu được.

Đối với trường hợp tín hiệu can nhiễu đồng kênh ngoại mạng, máy thu không thể phân biệt hai tín hiệu gây ra hiện tượng không giải mã được tín hiệu

mong muốn. Đối với mạng đơn tần tuy các máy phát bức xạ tín hiệu trên cùng một

tần số nhưng được đồng bộ với nhau nên máy thu vẫn có thể giải mã tín hiệu bình

thường. Dưới đây là bảng tỉ số bảo vệ can nhiễu đồng kênh với tín hiệu có ích là

DVB-T/T2 tín hiệu can nhiễu là tín hiệu số hoặc tương tự.

40

Bảng 2.2 Tỉ số bảo vệ hệ thống DVB-T/T2 can nhiễu bới tín hiệu analog

2.1.3.3 Can nhiễu kênh liền kề

Thực tế triển khai tại Việt Nam những năm trước đây cho thấy dải tần số sử

dụng cho truyền hình gần như được sử dụng hết. Các máy phát tương tự của các đài

truyền hình địa phương hoạt động với công suất lớn, không được trang bị bộ lọc hay

thậm chí các máy phát số trang bị bộ lọc không đảm bảo gây ra các phát xạ ngoài

băng. Các máy phát hoạt động trên tần số liền kề trên hoặc dưới trong phạm vi phủ

41

Hình 2.3 Can nhiễu kênh liền kề

Để can nhiễu kênh liền kề không xảy ra cần đảm bảo tỉ số bảo vệ giữa tín hiệu có ích và tín hiệu can nhiễu. Giải pháp duy nhất để thực hiện yêu cầu kể trên là trang bị các bộ lọc cho các máy phát tương tự và tinh chỉnh, thay thế bộ lọc mới cho

các máy phát số có bộ lọc không đảm bảo tiêu chuẩn. Dưới đây là bảng tỉ số bảo vệ

can nhiễu kênh liền kề với tín hiệu có ích là DVB-T/T2 và tín hiệu can nhiễu là

42

Bảng 2.3 Tỉ số bảo vệ hệ thống số can nhiễu bởi tín hiệu analog liền kề trên

43

2.1.3.4 Thiết lập cựly các máy phát vượt quá phạm vi cho phép ( tương ứng khoảng thời gian bảo vệ)

Theo lý thuyết, để đảm bảo đồng bộ các máy phát trong mạng đơn tần thì

khoảng cách tối đa giữa các máy phát này không được lớn hơn cự ly tương ứng

khoảng bảo vệ. Tuy nhiên ta hoàn toàn có thể can thiệp bằng các biện pháp kỹ thuật

để có thể thiết lập một mạng đơn tần mà các máy phát có thể nằm cách nhau một

khoảng cách xa hơn cự ly khoảng bảo vệ cho phép.

Xét trường hợp mạng đơn tần gồm hai máy phát đặt cách nhau D = 91 km

với các thông sốphát sóng như sau:

Công suất phát: P1= 2 x P2

Chiều cao anten phát: h1 = 2 x h2

Phương thức điều chế: FFT 32k, 64 QAM

GI: 19/256 (266 µs) tương ứng khoảng cách an toàn Dmax = 79.8 km Tốc độ mã: 3/4

Kết quả mô phỏng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết như hình dưới đây:

Hình 2.4 Can nhiễu SFN khi vi phạm khoảng bảo vệ

Có thể thấy vùng can nhiễu (màu đỏ) xuất hiện ở quanh khu vực máy phát 2

44

này có thể giải thích do công suất và chiều cao anten phát của máy phát 1 lớn hơn

so với công suất và chiều cao anten phát sóng máy phát 2. Như vậy ta có thể lợi dụng điểm này đểđiều chỉnh trễ của máy phát 2 đi một lượng:

t = = . = 37.3 10 ( ) (2.4)

Với v là vận tốc ánh sáng

Khi đó tín hiệu từ máy phát 1 đến điểm thu tại khu vực quanh máy phát 2 sẽ

chỉ trễhơn tín hiệu từmáy phát 2 đến điểm thu đó đúng bằng khoảng thời gian bảo

vệ và các máy thu có thể giải mã tín hiệu bình thường. Ngược lại về phía máy phát

1, trễ tín hiệu từmáy phát 2 đến khu vực quanh máy phát 1 tăng lên lượng t so với

khi chưa thực hiện đặt trễ cho máy phát 2. Theo lý thuyết khi đó diện tích vùng can

nhiễu quanh máy phát 1 phải tăng lên. Tuy nhiên do công suất phát và chiều cao

anten phát của máy phát 1 lớn hơn nhiều so với máy phát 2 nên diện tích vùng can

nhiễu tăng lên không đáng kể. Thêm vào đó các vùng can nhiễu này chủ yếu ở các

khu vực vùng núi sóng yếu không có dân cư nên hoàn toàn có thể chấp nhận được.

Trong thực tếngười ta còn có thể điều chỉnh búp hướng anten phát của máy phát 2

mà trong trường hợp này là làm cho búp sóng chính của anten hướng xuống để hạn chếảnh hưởng của tín hiệu máy phát 2 lên máy phát 1.

Hình 2.5 Can nhiễu SFN khi điều chỉnh trễ tại máy phát 2

Site 1

Site 2 91 km

45

Có thể thấy vùng can nhiễu SFN quanh khu vực máy phát 2 biến mất hoàn

toàn nhưng vùng can nhiễu xuất hiện quang khu vực máy phát 1 gần như không thay đổi. Như vậy tất cả các máy thu hoạt động bình thường khu vực quanh máy

phát 2. Dưới đây là kết quảđo thực tế tương ứng trường hợp mạng đơn tần gồm hai

máy phát như trên, trước và sau khi điều chỉnh trễ40 µs tại máy phát số 2.

Hình 2.6 Vị trí trạm và điểm đo tín hiệu Trạm 1

Trạm 2 91 km

14 km

46

Hình 2.7 Echo pattern trước khi điều chỉnh trễ máy phát 2

47

Trước khi điều chỉnh trễ, tín hiệu từ máy phát 1 đến điểm thu chậm hơn so

với tín hiệu từmáy phát 1 đến điểm thu là 300 µs vượt quá khoảng bảo vệvà cường

độ tín hiệu từmáy phát 1 đến chỉ thấp hơn cường độ tín hiệu từ máy phát 2 là 17 dB

do đó can nhiễu SFN xảy ra tại điểm thu. Sau khi điều chỉnh máy phát 2 phát trễđi 40 µs tín hiệu đến từ máy phát 1 đã nằm trong khoảng bảo vệ, can nhiễu SFN đã

được loại bỏ. Lúc này máy thu có thể giải mã tín hiệu bình thường.

2.1.3.5 Truyền sóng trên biển và biến động truyền sóng theo thời gian

a. Môi trường truyền sóng trên biển

Môi trường truyền sóng ảnh hưởng rất lớn đến khảnăng truyền tải tín hiệu đi

xa. Một trong các môi trường rất thuận lợi cho truyền sóng đó là môi trường trên

biển, nơi có rất ít cản trở đối với tín hiệu. Trong môi trường truyền sóng này tín

hiệu có thể truyền được rất xa có thể lên đến vài trăm km. Địa hình nước ta có dải

bờ biển trải dài, đường bờ biển cong hình chữ S nên rất dễ xảy ra tình trạng can nhiễu SFN do tín hiệu trễ vượt quá khoảng bảo vệ. Do vậy rất khó có thể thiết kế

một mạng SFN toàn quốc tại Việt Nam mà cần chia nhỏ thành một vài mạng đơn

tần khu vực.

b. Biến động truyền sóng ngày và đêm

Thực tế đo kiểm cho thấy truyền sóng trong không gian có biến động theo

mùa và theo thời gian ngày đêm. Càng về đêm tín hiệu càng được truyền xa hơn.

Tại cùng một điểm đo mức biến động cường độ tín hiệu ngày và đêm có thểlên đến

hàng chục dB. Đây cũng là yếu tố mà các nhà quy hoạch cần lường trước trong thiết

kế mạng đơn tần. Biến động truyền sóng ngày và đêm đặc biệt nguy hiểm khi sử

dụng các tháp anten độ cao trên 200m, công suất phát lớn. Dưới đây là một ví dụ

minh họa về biến động truyền sóng ngày và đêm. Mạng đơn tần gồm 2 trạm phát

sóng cách nhau khoảng 75 km. Khoảng cách từ điểm đo đến hai trạm lần lượt là

48

Hình 2.9 Kết quả đo đáp ứng thời gian của kênh thời điểm 14h15

49

Có thể thấy tín hiệu echo 239 µs vào thời điểm 0h05 đã tăng lên 11 dB so với

thời điểm 14h15. Như vậy tín hiệu echo chỉ còn chênh lệch với tín hiệu chính 8 dB

không đảm bảo tỉ số bảo vệ gây can nhiễu SFN. Máy đo không giải được tỉ lệ lỗi

điều chế MER (Modulation Error Ratio).

Hình 2.11 Giản đồ chòm sao thời điểm 14h15

50

2.1.3.6 Tính toán dung lượng kênh truyền

Trong quy hoạch mạng SFN, việc tính toán ước lượng số lượng kênh chương

trình có thể truyền tải được trong hệ thống hay tính toán dung lượng kênh truyền cần thiết để có thể truyền tải một lượng cho trước kênh chương trình là hết sức quan trọng. Việc làm này giúp cho nhà quy hoạch xác định được một biến số của một

phương trình gồm rất nhiều biến. Từđó nhà quy hoạch có thể tín toán tiếp các thông

số như khoảng bảo vệ, phương thức điều chế, tốc độ mã sửa lỗi,... Dưới đây là một

ví dụ minh họa về tính toán số lượng kênh chương trình có thể truyền tải được trên

bằng thông 8 MHz của hệ thống DVB-T2.

Thông số Giá trị

Băng thông 8 MHz

Băng thông hiệu dụng 7.61 MHz

Điều chế 64 QAM

Kích thước FFT 32 K

Tốc độ mã hóa 3/4

Chiều dài FEC 64800

Khoảng bảo vệ 19/256

Mẫu PP PP4

Tốc độ kênh truyền 30.104 Mbit/s

Bảng 2.5 Ví dụ bộ thông số DVB-T2

Theo khuyến nghị của Tech 3334 – EBU tốc độ bit cho 01 kênh HDTV 1080i/25 là 12-14 Mbit/s ; tốc độ bit cho 01 kênh SDTV 720p/50 là 10Mbit/s. Tuy nhiên trong thực tế hiện nay với kỹ thuật nén phát triển chỉ cần với tốc độ bit 1 Mbit/s cho 01 kênh SD, và tốc độ 4 Mbit/s cho 01 kênh HD nén MPEG4 là có thểđáp ứng yêu cầu người xem.

Như vậy số kênh SD có thể truyền tải trong mạng: 30.104 : 1 = 30 kênh SD

Số kênh HD có thể truyền tải trong mạng: 30.104 : 4 = 7 kênh HD

Nếu lựa chọn truyền tải cả kênh HD và SD trên hệ thống ta có thể truyền tải 4 kênh HD và 14 kênh SD.

51

2.1.3.7 Tính toán tuyến

Tính toán tuyến giúp nhà quy hoạch xác định được ngưỡng cường độtrường

tối thiểu đểđảm bảo chất lượng tín hiệu tại điểm thu. Kết hợp với kết quảđo kiểm thực tế trong vùng phủ sóng của mạng nhà quy hoạch có thể đánh giá được chất

lượng của mạng SFN có được đảm bảo hay không. Dưới đây là một ví dụ về tính

toán tuyến trong DVB-T2 tại kênh 42 (642 MHz) với bộ thông sốphát như sau:

Thống số Giá trị

Băng thông hiệu dụng (MHz) 7.61

Kích thước FFT 32k

Kiểu sóng mang Normal

Điều chế 64 QAM

Tốc độ mã 3/4

Chiều dài FEC 64800

Khoảng bảo vệ 19/256

Mẫu PP PP4

C/N (Rice chanel) (dB) 17.74

Bảng 2.6 Bộ thông số tính toán tuyến DVB-T2

Công suất nhiễu được tính theo công thức:

Pn = F + 10 log (k To B) (2.5)

= 6 + 10 log (1.38 x10-23 * 290 * 7.61 * 106)

= -129.1 (dBW)

Trong đó: F là thông số Noise Figure của đầu thu (dB)

k là hằng số Boltzmann (J/K)

To nhiệt độ tuyệt đối (K) B băng thông nhiễu (Hz)

Mức tín hiệu tối thiểu yêu cầu tại đầu vào máy thu:

Psmin = C/N + Pn (2.6) = 17.74 + (-129.1)

52

= -111.36 (dBW)

Trong đó: C/N tỉ số tín hiệu trên nhiễu Khẩu độ hiệu dụng anten thu

Aa = G + 10 log (1.64 λ2 /4 π) (2.7) = 15 + 10 log (1.64 * 0.472 / 4 π)

≈ -0.4 (dBm2)

Trong đó: G là gain anten (dBd)

λ bước sóng tương ứng kênh 42 (642 MHz) (m)

Mật độthông lượng công suất tối thiểu tại phía thu

φmin = Ps min – Aa + Lf (2.8) = -111.36 + 0.4 + 3.5

= -107.46 (dB(W/m2))

Trong đó Lf suy hao cáp (đối với chiêu dài cáp 10m) (dB)

Cường độtrường tương đương tối thiểu được tính theo công thức:

Emin = φmin + 120 + 10 log (120 π) (2.9) = -107.46 +120 +10 log(120 π)

= 38.3 (dBµV/m)

Cường độtrường tương đương tối thiểu tương ứng xác suất vị trí 95%

Emed = Emin + Pmmn + Cl + Lb (2.10) = 38.3 + 0 + 9.04 + 0

= 47.34 (dBµV/m) Trong đó Cl hệ số hiệu chỉnh vị trí

Lb suy hao đâm xuyên (nhà, xe cộ …)

53