6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.2.2 Các đặc tính kỹ thuật DVB-T
Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T
❖ Khối phân tán năng lượng
Dòng số vào của hệ thống được tổ chức thành các gói có độ dài cố định chính là đầu ra của bộ ghép truyền dẫn các dòng MPEG-2. Chiều dài tổng cộng của mỗi gói sau bộ ghép là 188 byte, trong đó có một byte chức từ mã đồng bộ. Thứ tự xử lý ở phía phát luôn luôn theo thứ tự từ bit MSB (bit 0) của byte chứa từ mã đồng bộ. Để đảm bảo các chuyển đổi nhị phân được thực hiện chính xác thì dữ liệu của khối ghép kênh MPEG-2 đầu vào hệ thống được mã hóa.
Dữ liệu vào: 1011100xxxxxxxx… Dãy PRBS: 00000011 Đa thức bộ tạo chuỗi PRBS là 1 + X14 + X15
Việc nạp dãy 100101010000000 vào thanh ghi PRBS được bắt đầu tại đầu của mỗi lượt gói truyền dẫn. Để cung cấp tín hiệu khởi tạo cho bộ giải nhiễu tín hiệu (descrambler), byte đồng bộ của gói truyền dẫn đầu tiên trong nhóm 8 gói các bit được đảo lại. Toàn bộ quá trình được gọi là quá trình thích nghi ghép truyền dẫn.
Bit đầu tiên tại đầu ra bộ tạo PRBS sẽ là bit đầu tiên (MBS) của byte đầu tiên sau byte từ mã đồng bộ đã được đảo. Để hỗ trợ thêm các chức năng đồng bộ, trong thời gian của các byte đồng bộ của 7 gói truyền dẫn ngay sau đó, chuỗi PRBS vẫn được tạo nhưng lại không lấy ra khiến các byte đồng bộ này không được ngẫu nhiên hóa. Vì thế chu kỳ của PRBS là 1503 byte.
Quá trình ngẫu nhiên hóa cũng ở trạng thái tích cực khi dòng bit đầu vào bộ điều chế không tồn tại hoặc không cùng định dạng với dòng MPEG-2.
❖ Khối mã ngoài
Mã ngoài và tráo ngoài sẽ được thực hiện trên cấu trúc gói đầu vào theo hình vẽ (hình 2.3). mã rút ngắn Reed-Solomon R-S được thực hiện với từng gói và đã được ngẫu nhiên hóa (188 byte) để tạo ra gói có tính chống lỗi (hình 2.3 mã R-S cũng được thực hiện với byte đồng bộ. Gói dữ liệu có thể được đảo hoặc không đảo.
Mã bên ngoài là RS (204,188, t = 8), là mã rút gọn RS (255,239, t = 8). Đa thức sinh của mạch mã hóa là
𝐺(𝑥) = 𝑥8+ 𝑥4+ 𝑥3+ 𝑥1+ 1 (2.1)
Hình 2.3: Xử lý xáo trộn gói truyền tải.
Hình 2.4: Gói bảo vệ lỗi RS (204,188).
Hệ thống DVB có một bộ xen chập (bộ xen ngoài) với I = 12, M = 17 sau bộ mã hóa RS và cấu trúc của nó giống với cấu trúc của bộ xen byte ATSC. Các byte dữ liệu xen kẽ được tạo thành bởi gói sửa lỗi và được phân tách bằng một byte
đồng bộ MPEG-2 đảo ngược hoặc không đảo ngược (để giữ chu kỳ 204 byte). Bộ xen kẽ, bao gồm I = 12 nhánh, được kết nối tuần hoàn với luồng byte đầu vào bằng công tắc đầu vào. Mỗi nhánh j là một thanh ghi dịch chuyển đầu tiên, đầu tiên (fifo) với độ sâu j × M × ô, trong đó M = 17 = N / I và N = 204. Các ô của thanh ghi FIFO chứa một byte với đầu vào và đầu ra chuyển mạch đồng bộ. Đối với mục đích đồng bộ hóa, các byte SYNC và SYNC sẽ luôn được chuyển đến nhánh 0 của bộ xen kẽ (tương ứng với không có độ trễ).
Bộ ngắt xen kẽ tương tự như bộ xen kẽ về nguyên tắc với chỉ số nhánh được đảo ngược (tức là j = 0 tương ứng với độ trễ lớn nhất). Quá trình đồng bộ hóa khử xen kẽ có thể được thực hiện bằng cách định tuyến byte đồng bộ được nhận dạng đầu tiên (SYNC hoặc SYNC) trong nhánh 0.
❖ Mã hóa trong
Mã hóa trong (Inner Encoding) là một chuỗi các mã tích chập đục lỗ (punctured convolutional codes), dựa trên mã mẹ có tỷ lệ mã 1/2 và 64 trạng thái, cho phép lựa chọn mức độ sửa lỗi thích hợp nhất cho các chế độ truyền không phân cấp hoặc phân cấp. Đầu ra X có đa thức sinh để tạo mã mẹ là G1 = 171oct, đầu ra Y có đa thức sinh G2 = 133 oct. Cấu trúc của mã hóa trong biểu diễn trong hình 2.5. Giản đồ đục lỗ trong bảng 2.1.
❖ Khối ghép xen trong
Khối ghép xen trong (Inner Interleaving) bao gồm việc xen kẽ bên trong bao gồm xen kẽ theo chiều dọc bit, sau đó là xen kẽ ký hiệu. Cả hai quy trình xen kẽ bitwise và ký hiệu đều dựa trên khối.
Bảng 2.1: DVB-T Mã chập đục lỗ Tỷ số mã R Giản đồ đục lỗ Trình tự truyền 1/2 X:1 Y:1 X1 Y1 2/3 X:1 0 Y:1 1 X1 Y1 Y2 3/4 X:1 0 1 Y:1 1 0 X1 Y1 Y2 X3 5/6 X:1 0 1 0 1 Y:1 1 0 1 0 X1 Y1 X2 X3 Y4 X5 7/8 X:1 0 0 0 1 0 1 Y:1 1 1 1 0 1 0 X1 Y1 Y2 Y3 Y4 X5 Y6 X7
2.2.2.1 Mã hóa COFDM trong DVB-T
Sơ đồ khối của bộ điều chế COFDM được minh họa như hình 2.6. Cơ sở của điều chế COFDM dựa vào thuật toán biến đổi ngược Fourrier nhanh IFFT (Inverse Fast Fourrier Transform).
Hình 2.6: Khối điều chế COFDM trong DVB-T.
❖ Nguyên lý COFDM
Như chúng ta đã biết hệ phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (ghép tần số trực giao có mã) như một phương thức điều chế dữ liệu. OFDM là một dạng đặc biệt của hệ thống điều chế đa sóng mang. Các sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng mang. Các sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luồng dữ liệu có tốc độ bit cao.
Ý tưởng đầu tiên của OFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong phát sóng các kênh mặt đất. Đáp ứng của kênh không tương đồng với từng dải tần nhỏ do có nhiều tín hiệu nhận được (tín hiệu chính + tín hiệu phản xạ), nghĩa là sẽ không còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu. Để có thể lập lại được những dữ liệu đã mất ở bên thu, cần mã hóa dữ liệu trước khi phát.
❖ Tính trực giao của các sóng mang
Việc sử dụng số lớn sóng mang tưởng như không có triển vọng lắm trong thực tế và không chắc chắn, vì sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo. Và cũng có vẻ như sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này. Nhưng vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/TU với TU là khoảng ký hiệu hữu ích (u: useful). Đây chính là điều kiện trực giao của các sóng ang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao. Hình 2.7 biểu diễn hình ảnh của phổ tín hiệu OFDM với 16 sóng mang trực giao nhau trong dải thông kênh truyền dẫn và phổ tín hiệu RF của máy phát số DVB-T có dải thông 8MHz. Các thành phần phổ của máy phát số DVB-T (gồm hàng ngàn sóng mang) chiếm hết dải thông 8MHz.
Hình 2.7: Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16.
- Về mặt toán học, việc trực giao sẽ như sau: sóng mang thứ k được biểu diễn:
Ψ𝑘(𝑡) = 𝑒𝑗𝑘𝜔𝑢𝑡 (2.2)
-Về ý nghĩa vật lý: khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cáo tần khác gây nhiễu.
-Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi vào điểm bằng không của sóng mang khác. Vì các sóng mang được đặt gần nhau nên tổng cộng dải phổ cũng chỉ ở điều chế sóng mang đơn nếu chúng được điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ cắt đỉnh lý tưởng.
Có nhiều nguyên nhân gây ra suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra nhiễu xuyên sóng mang giữa các sóng mang (ICI). Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong việc lấy mẫu tần số của máy thu hay tạp âm pha trong các bộ tạo dao động nội. Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hưởng này có thể được giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận được.
❖ Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và các bộ lọc nhưng chúng ta đã tránh được điều này dựa vào các sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trên miền thời gian liên tục. Tùy thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gắn cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định. Nhờ bộ ánh xạ (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên trục Re (trục thực) và trục Im (trục ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang. Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc. Trong thực tế, các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận lại tín hiệu trong băng tần cơ bản.
Quá trình xử lý ở phía thu sẽ thực hiện biến đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong ký hiệu OFDM, sau khi giải ánh xạ (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền.
❖ Lựa chọn điều chế cơ sở
Tại mỗi ký hiệu, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao. Tùy thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16 QAM hay 64 QAM mỗi sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2,4 hoặc 6 bit. Tuy nhiên với công suất phát cố định, khi có nhiều bit dữ liệu trong một ký hiệu thì các điểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi.
Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số dữ liệu đầu vào được tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở. Mỗi nhóm bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tương ứng với một điểm trên biểu đồ chòm sao. Hình 2.5 biểu diễn các chòm sao của điều chế QPSK (4 QAM), 16 QAM và 64 QAM không phân cấp.
Trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập sẽ được truyền trong cùng một thời điểm. Luồng dữ liệu có mức ưu tiên cao (HP) được điều chế QPSK và luồng có mức ưu tiên thấp được điều chế 16 QAM hoặc 64 QAM.
Hình 2.8: Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16 QAM, và 64 QAM
❖ Sóng mang con tín hiệu
Không phải tất cả các sóng mang con trong ký hiệu OFDM của hệ thống DVB-T đều được sử dụng để truyền dữ liệu, một số trong số đó là sóng mang. Có 177 tập sóng mang liên tục ở chế độ 8K và chế độ 2K được chèn vào các vị trí cần thiết của tất cả các ký hiệu OFDM. “Liên tục” ở đây có nghĩa là các tín hiệu xuất hiện ở cùng một vị trí sóng mang phụ của mỗi ký hiệu OFDM. Trong mỗi ký hiệu OFDM, một tập sóng mang rải rác xuất hiện cứ sau 12 sóng mang con và lặp lại
mẫu của nó sau mỗi bốn ký hiệu OFDM. TPS có nghĩa là hơn 68 ký hiệu OFDM liên tiếp (hoặc một khung OFDM). Bốn khung liên tiếp tạo thành một siêu khung OFDM. Chuỗi tham chiếu tương ứng với sóng mang TPS trong ký hiệu đầu tiên của mỗi khung OFDM được sử dụng để khởi tạo điều chế TPS trên mỗi sóng mang TPS. Mỗi ký hiệu OFDM truyền tải một bit TPS và mỗi khối TPS (tương ứng với một khung OFDM) chứa 68 bit. 68 bit được truyền liên tục theo chu kỳ của khung OFDM. Ký hiệu giống nhau trong mỗi khung OFDM truyền một bit TPS. 68 bit được định nghĩa như sau: (1) bit khởi tạo (bit s0); (2) 16 bit đồng bộ hóa (bit s1 – s16); (3) 37 bit thông tin (bit s17 – s53); và (4) 14 bit dự phòng để bảo vệ lỗi (bit s54 – s67). Trong số 37 bit thông tin (bit s17 – s53), 23 bit được sử dụng hiện nay. 14 bit còn lại được dành để sử dụng trong tương lai và phải được đặt bằng không.
Mọi nhà cung cấp dịch vụ TPS đều được điều chế bằng cách sử dụng DBPSK. DBPSK được khởi tạo ở đầu mỗi khối TPS. Bit khởi tạo đầu tiên (bit s0) là bit đầu tiên cho điều chế vi phân. Không giống như các tín hiệu hoa tiêu khác, sóng mang phụ TPS được truyền ở mức công suất chuẩn hóa, tức là
𝐸(𝐶𝑖,𝑘𝐶𝑖,𝑘∗ ) = 1 (2.3)
Để cải thiện khả năng phục hồi lỗi của TPS, 53 bit, bao gồm đồng bộ hóa TPS và thông tin (bit s1 – s53), được mã hóa bởi 14 bit chẵn lẻ của mã thủng BCH (67, 52, t = 2), bắt nguồn từ BHC có hệ thống (127, 113, t = 2).
Bảng 2.2: Số lượng gói RS trên mỗi siêu khung OFDM trong sự kết hợp của nhiều chế độ khác nhau
Tỷ lệ mã QPSK Chế độ K Chế độ 8K 16-QAM Chế độ 2K Chế độ 8K 64-QAM Chế độ 2K Chế độ 8K 1/2 2/3 3/4 5/6 7/3 252 336 378 420 441 1008 1344 1512 1680 1764 504 672 756 840 882 2016 2688 3024 3360 352 756 1008 1134 1260 1323 3024 4032 4536 5040 5292
❖ Điều chế OFDM
Ký hiệu OFDM bao gồm các sóng mang trực giao cách đều nhau. Biên độ và pha của mỗi sóng mang phụ thay đổi theo ký hiệu, giống như quá trình ánh xạ được mô tả ở trên. Thông thường, điều chế OFDM được thực hiện bằng phép biến đổi IFFT. Tại tần số fk = fc + k´ / Tu [k´ = k (Kmax + Kmin) / 2, Kmax≤ k ≤Kmin], mật độ phổ công suất Pk(f) được xác định là:
𝑃𝑘(𝑓) = [sin 𝜋(𝑓−𝑓𝑘)𝑇𝑠
𝜋(𝑓−𝑓𝑘)𝑇𝑠 ]2 (2.4)
Hình 2.9: Phổ lý thuyết tín hiệu truyền DVB-T tại khoảng thời gian bảo vệ
Toàn bộ mật độ phổ công suất cho sóng mang đơn vị dữ liệu được điều chế là tổng của tổng mật độ phổ công suất cho các sóng mang này. Về mặt lý thuyết, phổ công suất của tín hiệu truyền DVB được thể hiện trong hình 2.9. Vì thời lượng ký hiệu OFDM lớn hơn khoảng cách sóng mang, nên dải chính của phổ công suất của mỗi sóng mang nhỏ hơn 2 lần khoảng cách sóng mang. Do đó, mật độ phổ là không thay đổi trong băng thông 7,608258MHz của chế độ 8 K hoặc băng thông 7,611607MHz của chế độ 2K.
2.2.2.2 Chèn khoảng thời gian bảo vệ
Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải theo 2 ký hiệu thì không chỉ có nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI). Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval Duration) Tg trước mỗi ký hiệu để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một ký hiệu và xuất hiện cố định.
Khoảng bảo vệ là thời gian thiết bị thu chờ đợi, trước khi xử lý tín hiệu. Tg
càng lớn, khoảng cách tối đa giữa các máy phát hình càng lớn. Tuy nhiên, về góc độ lý thuyết thông tin, Tg có giá trị càng nhỏ càng tốt, bởi lẽ Tg là khoảng thời gian không được sử dụng trong kênh truyền. Tg lớn sẽ làm giảm dung lượng của kênh truyền.
Hình 2.10: Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ
Bảng 2.3: Khoảng thời gian ký hiệu và khoảng thời gian bảo vệ
Chế độ Chế độ 8k
Khoảng bảo vệ Δ / Tu
Thời gian ký hiệu Tu
Khoảng thời gian bảo vệ Δ
Thời gian ký hiệu Ts
1/4 1/8 1/16 1/32 8192 x T(896(μs) 2048×T (224μs) 1024 × T (112μs) 512 × T (56μs) 256 × T (28μs) 10240×T (1120μs) 9216×T (1008μs) 8704×T (952μs) 8448×T (924μs) Mỗi khoảng ký hiệu được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU. Như vậy đoạn thêm vào tại phần đầu của ký hiệu để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối ký hiệu. Miễn là trễ không
vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một ký hiệu và tiêu chuẩn trực giao được thỏa mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi