2.2.1 Bộ điều chế DVB-T
Có hai kiểu tín hiệu đƣợc sử dụng truyền dẫn là: kiểu 2K và 8K.
Thông số Kiểu 8K Kiểu 2K
Số sóng mang thực tế 6817 1705
Chu kỳ ký tự T 896 224
Khoảng bảo vệ T/4, T/8 T/4, T/8, T/12
Khoảng cách 2 sóng mang kế tiếp (1/T) 1116 MHz 4464 MHz
Khoảng cách giữa 2 sóng mang ngoài cùng
7,61 MHz 7,62 MHz
Phƣơng thức điều chế QPSK,16-
64QAM
QPSK,16-64QAM
Bảng 2.1: Các đặc điểm của tiêu chuẩn DVB-T
Đặc điểm:
- Tín hiệu truyền đi đƣợc tổ chức thành từng khung, cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Lí do của việc tạo khung là để mang phục vụ tổ chức mang thông tin tham số của phía phát bằng các sóng mang báo hiệu tham số phía phát (Transmission Parameters Signalling carriers- TPS). Việc hình thành siêu khung là để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 dù ta chọn bất kì cấu hình nào để tránh việc chèn thêm các gói đệm không cần thiết.Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian đƣợc đánh số từ 0 đến 67. Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang ( 6817 với chế độ 8K, 1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz( ở nƣớc ta chọn dải thông 8MHz, một số nƣớc khác chọn 7MHz). Nhƣ vậy, một symbol ODFM sẽ chứa:
+ Sóng mang dữ liệu: đƣợc điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512.
+ Sóng mang dẫn đƣờng( pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu): các pilot này thƣờng đƣợc điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB:
- Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí cố định trong 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số và pha, tự động điều chỉnh tần số.
- Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số nhƣng đƣợc rải đều trong dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt nhất.
- Sóng mang thông số phát TPS: chứa nhóm thông số phát đƣợc điều chế BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K, 17 trong mode 2K luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải thông 78MHz.
+ Để tránh nhiễu giữa các kí hiệu ISI và nhiễu tƣơng hỗ giữa các sóng mang ICI, nguời ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol. Việc chèn thêm
này đƣợc thực hiện bên phía phát với thời gian bảo vệ TGkhác nhau theo quy định
của DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU(TU: chiều dài phần tín hiệu có ích).
2.2 Ghép đa tần trực giao OFDM
Nguyên lý chung
Thực tế thì tín hiệu số rất khác so với tín hiệu tƣơng tự. Một số luồng tín hiệu video số đến từ các studio có tốc độ đến 360 Mbits/s và rõ ràng là không thể truyền dòng dữ liệu này trên một dải thông hẹp.
Nhƣ vậy dữ liệu trƣớc hết phải đƣợc nén lại. Việc nén đƣợc thực hiện bằng bộ mã hóa MPEG (thực tế mã hóa MPEG-2 đƣợc sử dụng cho các hệ thống DVB). Việc mã hóa đƣợc thực hiện khá phức tạp dựa trên cơ sở nhiều khung hình ảnh chứa nhiều thông tin với sự sai khác rất nhỏ do đó MPEG làm việc bằng cách chỉ gửi đi những sự thay đổi này và dữ liệu lúc này có thể giảm từ 100 đến 200 lần. Với audio cũng nhƣ vậy, việc nén dựa trên nguyên lý tai ngƣời khó phân biệt đƣợc âm thanh trầm nhỏ so với âm thanh lớn khi chúng có tần số lân cận nhau và những bít thông tin của âm thanh trầm nhỏ này có thể bỏ đi và không đƣợc sử dụng.
Việc trộn tín hiệu video và audio đã nén là nhờ bộ multiplexer. Đầu ra của bộ ghép kênh này là dòng chƣơng trình MPEG-2. Dòng này có thể sử dụng trực tiếp luôn hoặc có thể lại đƣợc ghép kênh truyền tải với các chƣơng trình khác nhờ bộ
ghép kênh truyền tải. Thực ra tốc độ dữ liệu cho phép giảm đến mức nào là tuỳ theo các tham số truyền dẫn đƣợc lựa chọn trong bộ điều chế.
Sau khi dòng dữ liệu đƣợc đƣa trực tiếp tới bộ điều chế, nó sẽ đƣợc ngẫu nhiên hóa với một chuỗi bit giả ngẫu nhiên để phân tán năng lƣợng. Việc mã hóa cũng đƣợc thực hiện để tăng khả năng chống lỗi. Sau đó các bit dữ liệu sẽ đƣợc ánh xạ lên chòm sao. Sau biến đổi Furier ngƣợc kết quả cuối cùng thu đƣợc là rất nhiều các sóng mang đã điều chế. Đến đây thì tín hiệu thu đƣợc mới chỉ là IF, sau đó có thể đổi tần lên theo cách thông thƣờng.
Những điểm khác căn bản so với analog
So với truyền hình tƣơng tự thì truyền hình số: đòi hỏi tỷ số C/N nhỏ hơn, có khả năng chống nhiễu tốt hơn nhƣng các hệ thống số hay hỏng đột ngột hơn.
Các bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải có độ tuyến tính cao. Phổ cao tần của máy phát analog hầu nhƣ tập trung vào 3 khu vực chính: Tần số mang hình, tần số mang hình cộng với tải tần màu (4,43Mhz) và tần số mang âm thanh; các khu vực khác phổ rất thấp, nghĩa là dải thông cao tần chƣa tận dụng hết. Khác với analog, dải phổ cao tần của phát số chứa hàng ngàn sóng mang tập trung dày đặc trong dải thông 7,61 Mhz. Toàn bộ dải thông cao tần của máy phát số đƣợc tận dụng hết, không còn dƣ thừa nhƣ của máy phát analog (xem hình 1.1).
Hơn nữa, nếu quan sát biểu đồ chòm sao của điều chế 64-QAM, thì chúng ta nhận thấy, các điểm trên chòm sao khác nhau cả về pha và biên độ. Nếu nhƣ có sự sai lệch chút ít về pha hay biên độ cũng sẽ gây cho đầu thu giải điều chế sai so với tín hiệu ban đầu.
Vì vậy một điều khác biệt so với máy phát analog là các bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải thật tuyến tính để đảm bảo tính đồng đều cả về biên độ (hệ số khuếch đại) và về pha của các sóng mang khi phát đi. Nếu không tuyến tính, chắc chắn sẽ gây ra sai lỗi bít rất lớn cho đầu thu, thậm chí sẽ không tách các chƣơng trình truyền hình đƣợc. Vì vậy các hãng sản xuất máy phát hiện nay thƣờng tìm đến và sử dụng đèn IOT (Inductive Output Tube) để giải quyết bài toán tuyến tính cho máy phát số công suất lớn. Một số hãng lại cải tiến máy phát analog công suất lớn dùng đèn klystron thành máy phát số. Đối với các máy phát bán dẫn (solid
state), dù các bộ khuếch đại có làm việc ở chế độ A thì độ tuyến tính vẫn có thể chƣa đạt yêu cầu. Vì vậy ngƣời ta phải chú ý đến hiệu chỉnh làm sao thoả mãn độ tuyến tính.
2.2.1 Nguyên lý OFDM
COFDM là một phƣơng thức ghép kênh đa sóng mang trực giao trong đó vẫn sử dụng các hình thức điều chế số cơ sở tại mỗi sóng mang. Tuy nhiên ta có thể gọi là phƣơng thức điều chế COFDM. Phƣơng thức này rất phù hợp cho những yêu cầu của phát hình mặt đất.
COFDM phù hợp với điều kiện truyền sóng nhiều đƣờng, thậm chí cả khi có độ trễ lớn giữa các tín hiệu thu đƣợc. Chính điều này đã dẫn đến khái niệm mạng đơn tần (SFN), nơi có nhiều máy phát cùng gửi tín hiệu giống nhau trên cùng một tần số, mà thực ra đây chính là hiệu ứng "nhiều đường nhân tạo". COFDM cũng giải quyết đƣợc vấn đề nhiễu đồng kênh dải hẹp. Đây là hiện tƣợng thƣờng thấy trong các dịch vụ tƣơng tự do các sóng mang gây ra.
Chính nhờ các ƣu điểm trên mà COFDM đã đƣợc chọn cho hai tiêu chuẩn phát sóng là DVB-T và DAB, và tuỳ theo từng ứng dụng của từng loại mà có những lựa chọn cũng nhƣ yêu cầu khác nhau. Tuy nhiên ƣu thế đặc biệt của COFDM về hiện tƣợng nhiều đƣờng và nhiễu chỉ đạt đƣợc khi có sự lựa chọn tham số cẩn thận và quan tâm đến cách thức sử dụng mã sửa lỗi.
ý tƣởng đầu tiên của COFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong phát sóng các kênh mặt đất. Đáp ứng của kênh không tƣơng đồng với từng dải tần nhỏ do có nhiều tín hiệu nhận đƣợc (tín hiệu chính + tín hiệu echo), nghĩa là sẽ không còn năng lƣợng đủ để thu hoặc sẽ thu đƣợc nhiều hơn một tín hiệu. Để giải quyết vấn đề này thì cơ chế đầu tiên là phải phân tách luồng dữ liệu để truyền tải trên một số lƣợng lớn các dải tần số nhỏ cách biệt nhau, nghĩa là điều chế dữ liệu lên một số lƣợng lớn sóng mang dựa trên kỹ thuật FDM. Và để có thể xây dựng lại đƣợc những dữ liệu đã mất ở bên thu thì cần mã hóa dữ liệu trƣớc khi phát. Do có một số đặc điểm chủ chốt sau đây đã giúp cho COFDM rất phù hợp cho các kênh mặt đất, đó là:
Các sóng mang trực giao - orthogonality (COFDM).
Chèn thêm các khoảng bảo vệ - guard interval.
Sử dụng mã sửa lỗi (COFDM), xen bit - symbol và thông tin trạng thái kênh.. Phần này chúng ta sẽ cùng giải thích các đặc điểm này cũng nhƣ ý nghĩa của chúng.
2.2.2 Số lƣợng sóng mang
Giả thiết rằng chúng ta điều chế các thông tin số cho một sóng mang. Trong mỗi symbol, chúng ta truyền sóng mang với biên độ và pha xác định. Biên độ và pha này lựa chọn theo chòm sao điều chế. Mỗi symbol vận chuyển một lƣợng bít thông tin nhất định, lƣợng bit này bằng với loga (cơ số 2) của số trạng thái khác nhau trong chòm sao.
Bây giờ hãy tƣởng tƣợng là có hai đƣờng tín hiệu nhận đƣợc với một độ trễ tƣơng đối giữa chúng. Giả sử ta xem xét symbol thứ n đƣợc phát đi, thì máy thu sẽ cố gắng giải điều chế dữ liệu bằng cách kiểm tra tất cả thông tin nhận đƣợc liên quan đến symbol thứ n kể cả thông tin thu trực tiếp lẫn thông tin thu đƣợc do trễ.
Khi khoảng trễ lớn hơn một chu kỳ symbol (xem hình 2.15- trái), thì tín hiệu thu đƣợc từ đƣờng thứ hai sẽ chỉ thuần tuý là nhiễu, vì nó mang thông tin thuộc về
các symbol trƣớc đó. Còn nhiễu giữa các symbol (ISI) ngụ ý rằng chỉ có một chút ít
tín hiệu trễ ảnh hƣởng vào chu kỳ symbol mong muốn (mức độ chính xác tuỳ thuộc vào chòm sao sử dụng và mức suy hao có thể chấp nhận).
Khi khoảng trễ nhỏ hơn một chu kỳ symbol (hình 2.2- phải) thì chỉ một phần tín hiệu thu đƣợc từ đƣờng thứ hai đựoc xem nhƣ là nhiễu vì nó mang thông tin của symbol trƣớc đó. Phần còn lại sẽ mang thông tin của chính symbol mong muốn, tuy nhiên sự đóng góp của nó cũng có thể có ích hoặc có thể mang tính tiêu cực đối với thông tin từ đƣờng thu chính thức.
Hình 2.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol
Điều này cho chúng ta thấy rằng, nếu chúng ta muốn giải quyết với tất cả các mức tín hiệu trễ khác nhau thì tốc độ symbol phải đƣợc giảm xuống sao cho tổng
khoảng trễ (giữa tín hiệu thu đƣợc đầu tiên với tín hiệu thu đƣợc cuối cùng) cũng chỉ là một phần khiêm tốn của chu kỳ symbol. Khi đó thông tin mà một sóng mang đơn vận chuyển sẽ bị giới hạn khi có hiệu ứng nhiều đƣờng. Vậy thì nếu một sóng mang không thể vận chuyển đƣợc tốc độ thông tin theo yêu cầu thì tất nhiên sẽ dẫn đến ý tƣởng chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành rất nhiều dòng song song với tốc độ thấp hơn, mỗi dòng đƣợc vận chuyển bởi một sóng mang, nghĩa là sẽ có rất nhiều sóng mang. Đây chính là một dạng của FDM - bƣớc đầu tiên để tiến tới COFDM.
Mặc dù vậy thì vẫn có thể tồn tại ISI với các symbol trƣớc đó. Để khử hoàn toàn thì phải kéo dài khoảng truyền của một symbol sao cho nó lớn hơn khoảng
tổng hợp tín hiệu mà máy thu thu đƣợc. Vậy thì việc chèn thêm khoảng bảo vệ có
thể là ý tƣởng tốt (chúng ta sẽ trở lại vấn đề này sau).
2.2.3 Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT a. Trực giao
Việc sử dụng một số lƣợng lớn các sóng mang có vẻ nhƣ không có triển vọng
lắm trong thực tế: chắc chắn, chúng ta sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế
và bộ lọc đi kèm theo? Và cũng có vẻ nhƣ sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này. Nhƣng thật may cả hai điều lo lắng này đều đƣợc xua tan nếu chúng ta thực hiện một việc đơn giản sau đây: các sóng mang đƣợc đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/ TU, với TU là khoảng symbol hữu ích (u: useful) với điều kiện là các sóng mang này phải đƣợc đặt trực giao nhau.
Về mặt toán học, việc trực giao sẽ nhƣ sau: sóng mang thứ k đƣợc biểu diễn:
t jk K U e t ( )
với U = 2/ TU, và điều kiện trực giao mà sóng mang phải thoả mãn là:
l k T L k dt t t U T L K U , , 0 ) ( ) ( *
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 cao tần khác gây nhiễu.
Về phƣơng diện phổ: điểm phổ có năng lƣợng cao nhất rơi vào điểm bằng không của sóng mang kia. Hơn nữa chúng ta sẽ không bị lãng phí về mặt phổ. Các sóng mang đƣợc đặt rất gần nhau vì thế tổng cộng dải phổ cũng chỉ nhƣ ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng đƣợc điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tƣởng.
b. Củng cố tính trực giao bằng khoảng bảo vệ
Thực tế, các sóng mang đƣợc điều chế nhờ các số phức. Nếu khoảng tổ hợp thu đƣợc trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu của cùng sóng mang (ISI) mà còn cả nhiễu xuyên sóng mang (ICI). Để tránh điều này chúng ta chèn thêm khoảng bảo vệ để giúp đảm bảo các thông tin tổng hợp là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định.
Hình 2.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ
Mçi khoảng symbol đƣợc kéo dài thêm vì thế nó sẽ vƣợt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU. Vì tất cả các sóng mang đều tuần hoàn trong TU nên toàn bộ tín hiệu đƣợc điều chế cũng vậy. Vì thế đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol. Miễn là trễ không vƣợt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao đƣợc thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vƣợt quá khoảng bảo vệ.
Độ dài khoảng bảo vệ đƣợc lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ hiện tƣợng
nhiều đƣờng. DAB sử dụng khoảng bảo vệ xấp xỉ TU / 4; DVB-T có nhiều lựa chọn
hơn nhƣng tối đa cũng chỉ là TU / 4.
Còn nhiều thứ nữa có thể gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra ICI. Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong các bộ tạo dao động nội hoặc trong việc lấy mẫu tần số của máy thu hay các phase-noise trong các bộ tạo dao động nội. Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hƣởng này có thể đƣợc giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận đƣợc.
c. Sử dụng FFT
Chúng ta đã tránh đƣợc hàng ngàn bộ lọc, nhờ tính trực giao, vậy thì việc thực hiện giải điều chế các sóng mang, các bộ ghép kênh và các bộ tổ hợp thì sao?
Thực tế, chúng ta làm việc với tín hiệu thu đƣợc dƣới dạng lấy mẫu (theo định lý Nyquyst). Quá trình tổ hợp trở thành quá trình tổng kết, và toàn bộ quá trình giải điều chế dựa trên dạng biến đổi Furier rời rạc (DFT). Rất may là việc thực hiện biến đổi Furier nhanh đã có rồi (các mạch tổ hợp đã sẵn có), vì vậy chúng ta có thể xây dựng thiết bị COFDM phòng thí nghiệm rất dễ dàng. Các phiên bản chung của FFT