6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.3.1. Giới thiệu chung về truyền hình số mặt đất DVB-T2
Hệ thống DVB-T2 là hệ thống DVB-T thế hệ thứ hai được phát triển bởi tổ chức Digital Video Broadcasting (DVB). Nó cung cấp các dịch vụ truyền tải dữ liệu, video và âm thanh hiệu quả và đáng tin cậy cho các thiết bị di động… bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hóa và điều chế mới nhất. DVB-T2 ban đầu không được thiết kế để thay thế DVB-T trong ngắn hạn, và cả hai sẽ cùng tồn tại trên thị trường cho các dịch vụ có nhu cầu khác nhau trong tương lai gần. Tổ chức DVB đã xác định một loạt các yêu cầu kinh doanh làm khuôn khổ phát triển cho DVB-T2 (viết tắt là T2 cũng được sử dụng trong suốt chương này). Các yêu cầu này có thể được tóm tắt như sau:
- Truyền dẫn T2 phải có thể sử dụng các ăng ten thu trong nước hiện có và tương thích với các phương tiện truyền dẫn hiện có (yêu cầu này hạn chế việc sử dụng kỹ thuật MIMO, sẽ liên quan đến cả ăng ten thu và phối ghép mới).
- T2 chủ yếu nên nhắm mục tiêu các dịch vụ đến các máy thu di động và máy thu di động.
- T2 phải cung cấp mức tăng công suất tối thiểu 30% so với DVB-T làm việc trong cùng các điều kiện và ràng buộc quy hoạch.
- T2 sẽ cung cấp hiệu suất mạng đơn tần số (SFN) được cải thiện so với DVB-T.
- T2 nên có một cơ chế để cung cấp tính mạnh mẽ của dịch vụ; cụ thể là, T2 sẽ có thể cung cấp các mức độ mạnh mẽ khác nhau cho các dịch vụ khác nhau. Ví
dụ, trong một kênh 8 MHz duy nhất, T2 có thể cung cấp một số dịch vụ cho ăng ten mái và các dịch vụ khác cho máy thu di động.
- T2 phải cung cấp băng thông và tần số tốt.
- Cần có một cơ chế để giảm tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu truyền đi, nếu có thể để giảm suy hao truyền dẫn.
Giống như chuẩn DVB-T, DVB-T2 cũng sử dụng công nghệ OFDM để truyền tín hiệu qua nhiều sóng mang con. Trong khi đó, DVB-T2 là một tiêu chuẩn tuyệt vời với một số chế độ khác nhau. DVB-T2 sử dụng mã sửa lỗi tương tự như DVB-S2, tức là mã LDPC và BCH xếp tầng, với hiệu suất tuyệt vời trong khả năng chống nhiễu. Hơn nữa, kết hợp với các đặc điểm của các kênh phát sóng mặt đất, chế độ xen kẽ bit và lập bản đồ chòm sao mới được đưa vào DVB-T2 dựa trên kỹ thuật COFDM khoảng bảo vệ được sử dụng cho DVB-T. Bảng 2.6 so sánh DVB- T2 và DVB-T về mã sửa lỗi chuyển tiếp, chế độ điều chế, chế độ khoảng thời gian bảo vệ, kích thước FFT, rời rạc và liên tục sóng mang, v.v. Ngoài các mục được liệt kê trong bảng, DVB-T2 còn cung cấp một số tính năng mới, bao gồm:
- Cấu trúc khung T2 chứa tiêu đề có ký hiệu nhận dạng đặc biệt (ngắn), có thể được sử dụng để quét kênh nhanh và bắt tín hiệu, đồng thời mang một số thông số hệ thống cơ bản
- Xoay chòm sao, một dạng phân tập không gian tín hiệu được sử dụng để cải thiện hiệu suất nhận cho chế độ mã hóa tốc độ cao
- Giám định để giảm tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình của tín hiệu truyền - Khung mở rộng dành cho tương lai (FEF), một loại khung để mở rộng tín hiệu, phần không chuẩn bị bỏ qua bởi bộ thu thế hệ đầu tiên, có thể đảm bảo rằng thế hệ tiếp theo sẽ tương thích với các bản nâng cấp trong tương lai.
Bảng 2.6: So sánh DVB-T2 và DVB-T DVB-T1 DVB-T2 Mã FEC Mã hợp lệ + Mã RS 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7 / LDPC + BCH 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
Chế độ điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM
Khoảng thời gian bảo vệ 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/256, 1/8, 19/128, 1/16, 1/32,1/128
Kích thước FFT 2 k, 8 k 1 K, 2 K, 4 K, 8 K, 16 K, 32 K
Tín hiệu rời rạc 8% tổng số nhà cung cấp dịch vụ
1%, 2%, 4%, 8% trong tổng số các nhà cung cấp dịch vụ
Tín hiệu liên tục 2,6% tổng số nhà cung cấp dịch vụ
0,35% tổng số nhà cung cấp dịch vụ
2.3.1.1. Cấu trúc hệ thống
Mô hình cấp cao nhất của hệ thống DVB-T2 được thể hiện trong hình 2.13. Quá trình hệ thống DVB-T2 có thể được chia thành xử lý đầu vào, mã hóa xen kẽ bit và mô-đun điều chế, tạo khung và tạo ký hiệu OFDM. Nội dung cụ thể của các mô-đun sẽ được cung cấp bên dưới.
Đầu vào của toàn bộ hệ thống có thể là một hoặc nhiều (các) luồng vận chuyển MPEG và các luồng chung. Bộ tiền xử lý đầu vào không phải là một phần của hệ thống DVB-T2, bao gồm bộ tách dịch vụ hoặc bộ phân kênh cho luồng truyền tải để tách các dịch vụ được truyền vào đầu vào của hệ thống DVB-T2, là một hoặc nhiều luồng dữ liệu logic. Mỗi luồng dữ liệu logic được thực hiện bởi một đường ống lớp vật lý (PLP). Hệ thống DVB-T2 hoàn thành việc truyền nhiều PLP và các đầu ra của bộ tiền xử lý tương ứng với các PLP.
Nếu có nhiều đường ống lớp vật lý (PLP), việc truyền dữ liệu sẽ được chia theo thời gian rõ ràng trong lớp vật lý và phạm vi tham số tương ứng được cung cấp, do đó cho phép cân bằng giữa phân tập thời gian và giảm tiêu thụ điện năng.
Kỹ thuật đa PLP và phân chia thời gian của DVB-T2 cho phép các cấp độ mã hóa, điều chế và độ sâu xen kẽ miền thời gian khác nhau được áp dụng cho các PLP khác nhau, mang lại độ mạnh mẽ khác nhau cho từng dịch vụ. Máy thu cũng
có thể tập trung tài nguyên giải mã của nó vào một PLP chứa dữ liệu cần thiết. Đặc biệt là bộ đệm giới hạn về thời gian ngắt xen kẽ có thể hỗ trợ độ sâu xen kẽ lớn hơn so với chế độ PLP đơn lẻ, vì bộ đệm ngắt xen kẽ chỉ xử lý dữ liệu tương ứng với các PLP được yêu cầu. Với PLP đơn lẻ, độ sâu xen kẽ thời gian là khoảng 70 mili giây, trong khi với nhiều PLP, điều này có thể được kéo dài đến thời lượng toàn khung hình (150–250 mili giây) hoặc đối với các dịch vụ tốc độ dữ liệu thấp hơn, nơi nó có thể được mở rộng qua nhiều khung hình.
Trong chế độ truyền SISO (ăng-ten phát đơn), đầu ra lớp vật lý DVB-T2 là tín hiệu RF được điều chế trên một kênh RF, giống như DVB-T. Trong chế độ truyền MISO (ăng-ten kép), DVB-T2 sử dụng mã hóa Alamouti, trong đó đầu ra của lớp vật lý có thể tách ra tín hiệu đầu ra thứ hai, được truyền bởi ăng-ten thứ hai.
2.3.1.2. Xử lý đầu vào
Để cải thiện các ứng dụng đa dịch vụ của hệ thống, định dạng dữ liệu đầu vào cho mỗi DVB-T2 PLP hỗ trợ luồng truyền tải, luồng liên tục chung, luồng có nhịp độ dài chung và luồng chung được đóng gói, như được hiển thị trong hình 2.14 và được giải thích ở phần sau, trong khi hệ thống DVB-T ban đầu chỉ hỗ trợ định dạng luồng truyền tải.
Hình 2.14: Định dạng dòng đầu vào PLP.
Dòng vận tải (TS). Sẽ được đặc trưng bởi các gói người dùng (UP) có độ dài O-UPL = 188 bit (một gói MPEG), byte đầu tiên là 0x47. Nó sẽ được báo hiệu
trong trường BBHEADER TS / GS. Trong trường hợp luồng truyền tải, tốc độ gói dữ liệu là một giá trị không đổi, một số trong số đó tương ứng với gói dữ liệu dịch vụ và phần khác của gói dữ liệu trống.
Luồng liên tục chung (GCS, Luồng gói có độ dài thay đổi trong đó bộ điều chế không nhận thức được ranh giới gói). Sẽ được đặc trưng bởi một dòng bit liên tục và phải được TS / GS báo hiệu trong BBHEADER trường và UPL = 0D. Một luồng gói có độ dài thay đổi trong đó bộ điều chế không nhận biết được ranh giới gói hoặc luồng gói có độ dài không đổi vượt quá 64 kbit sẽ được coi là GCS và sẽ được báo hiệu trong trường BBHEADER bởi trường TS / GS dưới dạng GCS và UPL = 0D.
Luồng theo nhịp độ cố định chung (GFPS). Mục đích của định dạng này là tương thích với DVB-S2, có thể được thay thế bằng GSE trong tương lai. Nó phải là một luồng UP có độ dài không đổi, với các bit O-UPL có độ dài (giá trị O-UPL tối đa là 64 K) và sẽ được báo hiệu trong trường TS / GS của tiêu đề băng gốc. O- UPL là độ dài gói người dùng ban đầu. UPL là độ dài gói người dùng đã truyền, như được báo hiệu trong trường BBHEADER TS / GS.
Dòng chung được đóng gói (GSE). Sẽ được đặc trưng bởi các gói có độ dài thay đổi hoặc các gói có độ dài không đổi, như được báo hiệu trong tiêu đề gói GSE và sẽ được báo hiệu trong trường BBHEADER bởi trường TS / GS.
Hình 2.15: Sơ đồ khối của mô-đun xử lý đầu vào ở chế độ đầu vào A (tức là PLP đơn).
Đầu vào của hệ thống DVB-T2 phải bao gồm một hoặc nhiều luồng dữ liệu logic. Một luồng dữ liệu logic được thực hiện bởi một PLP. Mỗi PLP sử dụng chế độ mã hóa điều chế cố định tĩnh và tốc độ truyền không đổi sau khi được thiết lập. Chế độ xử lý mẫu đầu vào A được sử dụng cho một PLP, trong khi chế độ xử lý chế độ đầu vào B được sử dụng cho nhiều PLP. Các cấu trúc cụ thể để xử lý đầu vào được thể hiện trong hình 2.15 và 2.16. Quá trình xử lý đầu vào bao gồm một
mô-đun thích ứng chế độ và một mô-đun thích ứng luồng. Các mô-đun thích ứng chế độ, hoạt động riêng biệt trên nội dung của mỗi PLP, cắt luồng dữ liệu đầu vào thành các trường dữ liệu và chèn một tiêu đề băng cơ sở vào đầu mỗi trường dữ liệu, sau khi điều chỉnh luồng, sẽ tạo thành các khung cơ sở (BB) sẽ được chuyển tiếp tới mô-đun mã hóa kênh.
Tiêu đề khung băng tần cơ sở bao gồm loại luồng dữ liệu và báo hiệu chế độ xử lý, hỗ trợ hai chế độ, chế độ bình thường (NM) và chế độ tần số cao (HEM), trong đó NM tương thích với thích ứng chế độ DVB-T, trong khi ở HEM, các tối ưu hóa luồng thông số kỹ thuật hơn nữa có thể được thực hiện để giảm chi phí truyền tín hiệu. Mô-đun thích ứng chế độ cũng bao gồm ba mô-đun con tùy chọn, cung cấp các chức năng đồng bộ hóa luồng đầu vào, xóa gói rỗng và bộ mã hóa CRC-8. Quá trình xử lý dữ liệu trong bộ điều chế DVB-T2 có thể tạo ra độ trễ truyền thay đổi đối với thông tin người dùng. Mô-đun đồng bộ hóa luồng đầu vào (tùy chọn) cung cấp các phương tiện phù hợp để đảm bảo tốc độ bit không đổi (CBR) và độ trễ truyền từ đầu đến cuối không đổi đối với bất kỳ định dạng dữ liệu đầu vào nào và quá trình này cũng sẽ cho phép đồng bộ hóa nhiều luồng đầu vào di chuyển độc lập PLP, vì đồng hồ tham chiếu và bộ đếm của bộ đồng bộ hóa dòng đầu vào là giống nhau.
Hình 2.16: Sơ đồ khối của mô-đun xử lý đầu vào ở chế độ đầu vào B (tức là nhiều PLP).
Các quy tắc luồng truyền tải yêu cầu rằng tốc độ bit ở đầu ra của bộ ghép kênh của máy phát và ở đầu vào của bộ phân kênh của máy thu là không đổi về thời gian và độ trễ đầu cuối cũng không đổi. Đối với một số tín hiệu đầu vào luồng
bit thay đổi trong TS tốc độ bit không đổi. Trong trường hợp này, để tránh chi phí truyền tải không cần thiết, các gói TS null sẽ được nhận dạng và loại bỏ. Quá trình này được thực hiện theo cách mà các gói null đã loại bỏ có thể được lắp lại vào máy thu ở vị trí chính xác nơi chúng ban đầu, do đó đảm bảo tốc độ bit không đổi và tránh nhu cầu cập nhật dấu thời gian. Các gói người dùng không có byte đồng bộ được mã hóa bởi bộ mã hóa CRC-8 để mang lại 8 bit chẵn lẻ được thêm vào cuối gói người dùng để truyền cùng nhau. Các bit chẵn lẻ CRC được sử dụng để phát hiện lỗi ở mức gói người dùng chỉ cho chế độ bình thường và định dạng đầu vào gói luồng truyền tải ở đầu nhận.
2.3.1.3 Mã hóa và điều chế xen bit
Khung cơ sở được hình thành bởi quá trình xử lý đầu vào đi vào mô-đun mã hóa và điều chế xen kẽ bit. Sơ đồ mã hóa và điều chế xen kẽ bit DVB-T2 được thể hiện trong hình 2.17.
Hình 2.17: Sơ đồ khối của sơ đồ mã hóa và điều chế xen bit.
DVB-T2 có hai độ dài mã LDPC (độ dài mã khối tiêu chuẩn Nldpc = 64.800, độ dài mã khối ngắn Nldpc = 16.200). Có sáu tỷ lệ mã khác nhau: tỷ lệ mã 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5 và 5/6. Ngoài bộ xen kẽ bit và bộ tách kênh được thiết kế cho 16QAM / 64QAM / 256QAM, bộ xen kẽ cột chẵn lẻ là một cấu trúc mới có thể cải thiện hiệu suất hệ thống trong môi trường trên mặt đất, chẳng hạn như tiếng vang 0 dB. Hiệu suất của các từ mã khối ngắn kém hơn các từ mã khối chuẩn, có thể được sử dụng cho các ứng dụng truyền tốc độ bit thấp với độ trễ ngắn.
❖ Mã hóa FEC và ánh xạ chòm sao
Phần mã hóa FEC bao gồm mã hóa ngoài (BCH), mã hóa trong (LDPC) và xen kẽ bit. Luồng đầu vào được tạo bởi các khung băng tần cơ sở và luồng đầu ra được hình thành bởi các khung FEC. Các gói dữ liệu của luồng đầu vào cần được điều chỉnh cho phù hợp với độ dài của mã LDPC. Mỗi khung cơ sở có độ dài các bit Kbch được đưa vào hệ thống con mã hóa FEC, dẫn đến một khung FEC có độ
dài là bit Nldpc. Mã bên ngoài BCH là một mã tuyến tính và các bit chẵn lẻ thu được (BCHFEC) được thêm vào phía sau khung băng tần cơ sở. Các bit chẵn lẻ (LDPCFEC) được tạo bởi mã bên trong LDPC được thêm vào phía sau BCHFEC, như thể hiện trong hình 2.18.
Cấu trúc của ma trận kiểm tra chẵn lẻ LDPC có hai đặc điểm: (1) cấu trúc tuần hoàn cho các bit thông tin có thể được sử dụng để thực hiện phần cứng của cả bộ mã hóa và bộ giải mã dựa trên cấu trúc xử lý song song một phần; (2) cầu thang cấu trúc cho các bit chẵn lẻ có thể được sử dụng để tạo ra các bit chẵn lẻ bằng bộ tích lũy. Mã LDPC trong DVB-T2 là mã LDPC không thường xuyên, với các mức bảo vệ khác nhau cho mỗi bit mã, tùy thuộc vào trọng lượng cột của ma trận kiểm tra. Mức độ bảo vệ giữa các bit trong biểu tượng chòm sao đa cấp không đồng nhất. Hiệu suất của mã LDPC với chòm sao đa cấp phụ thuộc nhiều vào sự tương ứng giữa các bit mã và các bit chòm sao, và do đó, cả bộ xen kẽ bit và bộ phân kênh đều được yêu cầu.
Hình 2.18: Định dạng dữ liệu trước khi so sánh bit
Bộ xen bit là bộ xen kẽ khối được áp dụng cho mỗi từ mã LDPC. Trong DVB-T2, mỗi chòm sao 2m-QAM tương ứng với bộ xen bit có Nc = 2m cột (ngoại trừ 256QAM có mã ngắn sử dụng bộ xen bit có m = 8 cột). Các bit được mã hóa LDPC được viết theo chiều dọc cột và đọc thành từng đoạn. Phần demux phân kênh 2m bit trong cùng một hàng để tạo ra hai biểu tượng chòm sao (ngoại trừ 256QAM), như trong hình 2.19. Mô-đun xen kẽ đã giới thiệu một tính năng mới: