2.4.1 Điều chế phân cấp
Tiêu chuẩn châu Âu DVB-T gồm rất nhiều kiểu loại truyền dẫn, tạo điều kiện triển khai tín hiệu COFDM trong nhiều dịch vụ phát sóng khác nhau. Trong số đó, điều chế phân cấp cho phép phát sóng đồng thời 2 dòng truyền tải MPEG độc lập với khả năng chống lỗi khác nhau trên cùng một kênh RF.
Và với phƣơng thức điều chế phức tạp và khá lạ lẫm này, chúng ta có thể
hình dung ra một số tính năng dịch vụ mới:
Một máy phát với 2 vùng phủ sóng riêng biệt.
Giải quyết đƣợc cả thu di động lẫn thu cố định.
Phát đồng thời các chƣơng trình số cả ở dạng tiêu chuẩn (SDTV) lẫn dạng có
Cùng với ứng dụng trong hoạt động của mạng đơn tần SFN, điều chế phân cấp đã nêu bật đƣợc các khả năng to lớn của hệ thống DVB-T. Và liệu điều chế phân cấp có phải là một cơ hội cho nhiều dịch vụ mới? Chúng ta sẽ cùng nhau xem xét vấn đề này.
a- Chòm sao điều chế phân cấp
Dạng điều chế phân cấp thực ra là sự biên dịch của 16QAM và 64QAM thông qua 4QAM, nhƣ ta thấy trên hình vẽ:
4QAM over 4QAM 16QAM over 4QAM
1001 10HP 01 LP 10 HP LP 1101 10 1101 Hình 2.19: Chòm sao phân cấp DVB-T
Điều chế phân cấp đƣợc xem nhƣ là sự phân tách kênh RF thành 2 mạch ảo, mỗi mạch có một tốc độ bit riêng, một mức độ lỗi riêng và theo đó sẽ có vùng phủ sóng khác nhau một chút. Chính sự kết hợp giữa dạng chòm sao và tỷ lệ mã hóa sẽ quyết định sự khác nhau giữa 2 kênh ảo này.
Trên thực tế, việc mapping dòng dữ liệu đầu tiên sẽ sử dụng chòm sao 4QAM. Mỗi cặp 2 bít của dòng dữ liệu này sẽ xác định góc phần tƣ mà sóng mang chiếm giữ trong chòm sao. Sau đó, dòng dữ liệu thứ hai sẽ quyết định vị trí bên trong góc phần tƣ đó, bao gồm cả phần thực và phần ảo của sóng mang.
Nếu dòng dữ liệu thứ hai đƣợc ánh xạ bởi các cặp 2 bít thì chòm sao phân cấp chính là "4 QAM thông qua 4 QAM". Và hình dạng nó sẽ giống nhƣ
16 QAM. Còn nếu 4 bít đƣợc sử dụng thì đó chính là "16 QAM thông qua 4 QAM", tạo nên dạng chòm sao 64 QAM.
Dòng bít dữ liệu đầu tiên sẽ luôn luôn sử dụng dạng điều chế 4 QAM, và đƣợc gọi là dòng bít ƣu tiên cao (HP). Dòng thứ hai, ít lỗi hơn, đƣợc điều chế ở dạng 4 QAM hoặc 16 QAM, đƣợc gọi là dòng có mức ƣu tiên thấp.
Các loại điều chế phân cấp cũng có một hệ số thay đổi, đó là . Đây là tỷ lệ
giữa khoảng cách của hai điểm gần nhất của hai góc phần tƣ liền kề và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trong cùng một góc phần tƣ của chòm sao. Thực ra hệ
số càng lớn thì càng có lợi cho điều chế HP 4 QAM nhƣng khi đó điều chế LP lại
khó chống lỗi hơn.
b- Các đặc tính điều chế phân cấp
Trong tiêu chuẩn DVB-T, điều chế phân cấp có hai đặc tính chính là:
- Cho phép phát sóng hai dòng truyền tải MPEG độc lập trên cùng một kênh RF
- Mỗi dòng truyền tải sẽ có một khả năng chống lỗi riêng, do đó sẽ có vùng
phủ sóng riêng.
Thực ra sự khác nhau giữa mức độ lỗi giữa HP và LP sẽ phụ thuộc cả vào dạng điều chế (4 QAM hay 16 QAM) và tỷ lệ mã hóa dùng cho dòng LP.
Dòng dữ liệu HP, luôn đƣợc điều chế ở dạng 4 QAM, có tốc độ bitrate hữu ích chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ mã hóa. Trong khi đó dòng LP đƣợc các máy thu xem nhƣ là nguyên nhân tăng thêm nhiễu của các góc phần tƣ trong chòm sao. Do vậy để đạt đƣợc lƣợng C/N có thể chấp nhận đƣợc thì dòng HP phải chịu thêm một lƣợng đền bù.
c- Tại sao lại dùng điều chế phân cấp ?
Tại nhiều nƣớc, việc triển khai dịch vụ số thƣờng bằng cách chia sẻ dải tần UHF/VHF với các dịch vụ analog hiện hành, nhƣng vẫn là sử dụng các kênh không mong muốn (taboo channel).Để tối ƣu hóa tốc độ bit trong phát hình DVB-T, các nhà lập kế hoạch mạng đã lựa chọn các cách điều chế mật độ cao nhƣ: chòm sao 64 QAM và tỷ lệ mã bảo vệ 2/3.
- 2K/8K: tuỳ theo mạng MFN hay SFN, và kích cỡ lớn nhất của các khoảng cách giữa các máy phát.
- Khoảng bảo vệ: tuỳ theo vùng phục vụ (thành thị sẽ khác nông thôn, miền núi). Nhƣng trên tất cả, các tính năng của điều chế phân cấp còn cho phép những điều chỉnh hơn nữa trong việc lập mạng nhƣ một số tình huống phủ sóng nhƣ trên hình sau đây:
Hình 2.20: Sơ đồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp.
Điều chế phân cấp còn cho ta sự cân bằng giữa tốc độ bit với mức độ lỗi, hay chính là giữa tốc độ bit với vùng phục vụ.
Trong thời kỳ đầu của DVB-T, điều chế phân cấp chỉ đƣợc xem nhƣ là cách để tạo ra hai vùng phủ sóng cho một máy phát xác định. Điều này thực sự là đúng, tuy nhiên chỉ cần thiết khi thực thi hai loại hình dịch vụ vì lúc đó điều chế phân cấp sẽ thể hiện đƣợc ƣu thế về phổ mà vốn dỹ đã bị các dịch vụ analog chiếm giữ khá nhiều.
Tóm lại điều chế phân cấp thể hiện đƣợc khá nhiều tính linh hoạt, tuỳ theo quan điểm cũng nhƣ mối quan tâm của các nhà phát hình mà có những lựa chọn khác nhau. Một số ví dụ dƣới đây đã đƣợc ghi nhận:
Quảng bá cho cả máy thu cố định và máy thu có thể di chuyển
ứng dụng chính của điều chế phân cấp là cho các máy thu có thể dịch chuyển khi anten thu đặt trong nhà bằng việc thay đổi một chút các tham số điều chế. Trong khi các máy thu cố định có ƣu thế về độ khuếch đại của các anten thu đặt trên nóc nhà thì thu dịch chuyển lại chịu bất lợi do suy hao gây bởi chính các building. Trên hình vẽ ta thấy so với loại điều chế thông thƣờng (REG) thì HP và LP bao phủ hai vùng riêng biệt.
Dòng dữ liệu thô hơn HP (chứa các chƣơng trình "lõi") sẽ đƣợc cả máy cố định và di chuyển thu. Tuy nhiên khi thu di chuyển thì vùng phủ sóng HP sẽ lớn hơn một chút so với chính nó khi ở thể loại điều chế thông thƣờng.
Thực tế thì đâu là sự cân bằng nếu loại điều chế thông thƣờng 64 QAM 2/3 đƣợc chuyển đổi thành phân cấp với HP là 4 QAM 1/2 và LP là 16 QAM 2/3.
Bitrate REG: 24,13 Mbps HP: 6,03 Mbps LP: 16,09 Mbps
C/N REG: 16,5 dB HP: 8,9 dB
(Gaussian) LP: 16,9 dB
Về khía cạnh bitrate hữu ích thì việc chuyển từ tốc độ 24,13 Mbps sang 22,12 Mbps của phân cấp sẽ làm giảm tốc độ toàn cục đi 2,01 Mbps. Về tỉ lệ C/N, với kênh Gaussian, thì HP đƣợc bảo vệ tốt hơn, trong khi LP gần nhƣ giống với loại truyền dẫn thông thƣờng.
Tóm lại việc giảm tốc độ tổng thể cũng không bằng việc chúng ta đạt đƣợc dòng HP có khả năng chống lỗi cao. Còn vùng LP thì hầu nhƣ không đổi thậm chí ngay cả trong trƣờng hợp các máy thu di chuyển chịu sự suy giảm.
Tăng bitrate của kênh
Cho thu di động
Phát đồng thời cả HDTV và SDTV
Suy tính cho tương lai
Có lẽ trong những ngày đầu tiên thử nghiệm tiêu chuẩn DVB-T, điều chế phân cấp chƣa thu hút đƣợc sự chú ý của các nhà phát hình. Nhƣng hiện nay tình hình thay đổi đã khiến điều chế phân cấp đang ở trong hoàn cảnh rất hấp dẫn. Nhƣ một
phần quan trọng trong tài sản của DVB-T, điều chế phân cấp cho phép tận dụng thêm hiệu quả về phổ khi sử dụng rất nhiều thể loại máy thu trong nhiều hoàn cảnh khác nhau.
Điều này giúp các nhà phát hình triển khai truyền hình số với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau mà không đòi hỏi gia tăng về phổ, đây chính là một lợi thế cho hệ thống DVB-T.
2 Thậm chí nếu ai đó cho rằng những lợi thế này không đáng để phân tích thì
hiển nhiên "Hierarchical Modulation vẫn không chỉ là điều tuyệt diệu của các kỹ sƣ: nó là của tất cả, một tài sản không thể chối cãi của DVB-T".
2.4.2 Mạng đơn tần SFN
a- Nguyên lý hoại động của SFN
Mạng đơn tần (Single Frequency Network) hoạt động dựa trên các máy phát đồng kênh. Các máy phát này phát cùng một tín hiệu tại bất kỳ thời điểm nào và tới bất kỳ điểm nào trong vùng phục vụ.
Có 3 luật lệ "vàng" đối với mạng đơn tần: Mỗi máy phát trong mạng đơn tần sẽ phát:
- Cùng một tần số,
- Tại cùng một thời điểm,
- Lƣợng thông tin phát đi giống nhau.
Những luật lệ này tạo nên những yêu cầu cho SFN cơ sở, vì nó có ảnh hƣởng trực tiếp trong quá trình thiết kế mạng phát hình: đó là yêu cầu phải đồng bộ các máy phát cả về mặt thời gian lẫn tần số.
b- Yêu cầu trong miền tần số của SFN
Thực ra thì mỗi máy phát trong mạng SFN cũng sẽ đƣợc quản lý và điều khiển chính xác về mặt tần số làm việc nhƣ trong các mạng tần số thông thƣờng. Nhƣng với hoạt động của mạng SFN COFDM thì sự ổn định cũng nhƣ tính chính xác của tần số làm việc phải đảm bảo sao cho mỗi sóng mang phụ có một vị trí tuyệt đối trong "không gian" mà tần số kênh RF đã từng sử dụng.
Thực tế, tần số chuẩn toàn cục lấy từ các máy thu GPS đƣợc sử dụng để đồng bộ mạng SFN, nhƣ thấy trên hình 2.21. PA UP CONVERTER COFDM PROCESSOR GPS 10 MHz (10-9) SIGNAL to BROADCAST PA UP CONVERTER COFDM PROCESSOR SIGNAL to BROADCAST GPS 10 MHz (10-9) TX1 TX2 TX1 TX2 frequency frequency F0 in few Hz COFDM RECEIVER Hình 2.21:Đồng bộ miền tần số
c- Yêu cầu trong miền thời gian đối với SFN
Giá trị khoảng bảo vệ đƣợc chọn sẽ là điểm chính trong cấu hình mạng SFN: vì khoảng bảo vệ sẽ phản ánh trễ phản xạ lớn nhất mà hệ thống có thể chấp nhận đƣợc, và nó cũng phản ánh khoảng cách lớn nhất giữa 2 máy phát trong mạng.
Có lẽ yêu cầu về mặt thời gian chính là một thách thức đối với các nhà phát hình: vì nó đòi hỏi mỗi máy phát phải phát cùng một symbol tại cùng một thời điểm, nên tất yếu dẫn đến đồng bộ về thời gian. Việc đồng bộ này sẽ đảm bảo sao cho các echo (tự nhiên hay nhân tạo) đều nằm trong phạm vi của khoảng bảo vệ. Nhƣ ta thấy minh họa trên hình 2.22.
PA COFDM PROCESSOR GPS 1 pps PA PROCESSORCOFDM TX1 TX2 TX1 TX2 Time
Delivery Time in few s
GPS 1 pps PRIMARY DISTRIBUTION NETWORK PRIMARY DISTRIBUTION NETWORK Time COFDM RECEIVER Hình2.22: Đồng bộ về mặt thời gian
Cửa sổ thời gian sẽ cho phép loại bỏ khoảng bảo vệ trong lúc lấy mẫu tín hiệu tại máy thu. Vì thế khoảng bảo vệ phải đƣợc bố trí nhƣ là một "quĩ thời gian": nó sẽ đƣợc dùng trong không gian nhƣng không sử dụng để bù lỗi đồng bộ thời gian của các máy phát.
Thực tế các nhà điều hành mạng sử dụng đồng hồ tham chiếu lấy từ GPS với xung chuẩn 1PPS. Xung chuẩn này cho phép chèn thêm nhãn thời gian tại lúc ghép kênh, giúp cho tại mỗi máy phát bộ xử lý COFDM có thể gây trễ ghép kênh đầu vào cho đến khi có sự ổn định thời gian chung.
d- SFN: ứng dụng thực tế.
Cơ chế của COFDM trong mạng SFN đƣợc thực hiện trong rất nhiều quốc gia cả ở hệ thống DAB lẫn DVB-T. Ngày nay các mạng có tính thƣơng mại sử dụng khả năng này để tối ƣu hóa vùng phủ sóng cũng nhƣ để thực hiện mạng phát hình nhƣ là các cell RF (ở UK, Sweden, Spain và France).
SFN đựa trên COFDM hoàn toàn không phải là tính năng thú vị chỉ trong phòng thí nghiệm nó hoàn toàn có thể ứng dụng trong thực tế.
- Trong khi MFN có thể hoạt động xen với các dịch vụ analog thì SFN đòi hỏi một kênh RF trống hoàn toàn cho vùng phục vụ.
- Hoạt đông tốt nhất với mạng gồm nhiều máy phát công suất thấp. Nghĩa là
SFN tận dụng tốt hiệu quả về công suất.
Kết luận
Từ những phân tích trên ta có thể thấy đƣợc những ƣu, nhƣợc điểm khi sử dụng kỹ thuật điều chế DVB-T:
- Ƣu điểm:
Đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền thông tốc độ cao ( nhất là với công nghệ truyền hình khi ghép nhiều kênh chƣơng trình) với khả năng kháng nhiễu tốt trên kênh phađinh chọn lọc tần số.
Tính phân tập tần số cao do thông tin đƣợc trải ra trên nhiều sóng mang con khác nhau, tạo nên khả năng chống đƣợc các ảnh hƣởng của kênh phađinh chọn lọc tần số.
Hiệu quả sử dụng phổ cao do OFDM sử dụng nhiều sóng mang song các sóng mang này trực giao nghĩa là các sóng mang con có một phần chồng lên nhau trong miền tần số mà vẫn đảm bảo chống ISI tại đầu thu.
Rất đơn giản và hiệu quả trong triển khai hệ thống.
-Nhƣợc điểm:
Tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao do tín hiệu OFDM là
tổng của nhiều thành phần tín hiệu nên biên độ của nó có đỉnh cao dẫn đến tỷ số PAR là cao.
Quá trình đồng bộ gặp nhiều khó khăn hơn so với hệ thống thông thƣờng vì
hệ thống khá nhạy với nhiễu tạp âm, lỗi dịch tần số sóng mang, lỗi định thời tần số lấy mẫu...
Chƣơng III: TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN DVB-T2
3.1. Giới thiệu chung về tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2.
Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 đƣợc DVB Project công bố tháng 6 năm 2008. Về triển khai các sản phẩm mới DVB- T2 kế thừa những thành công của DVB- T với l cải tiến về việc gia tăng dung lƣợng truyền dẫn. Khả năng gia tăng dung lƣợng là một trong những ƣu điểm chính của DVB- T2. So với chuẩn truyền hình số DVB- T hiện nay, tiêu chuẩn DVB- T2 gia tăng dung lƣợng tối thiểu 30% trong cùng điều kiện thu sóng và sử dụng ang ten thu hiện có. Thực tế có thể gia tăng dung lƣợng lên đến 50%, với công nghệ sử dụng chuẩn DVB- T2 dung lƣợng dữ liệu đạt đƣợc tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB- T, ngoài ra DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ nhiều đƣờng và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T. Điều này càng thuận lợi cho việc triển khai các vụ quảng bá mới với đòi hỏi nhiều dung lƣợng hơn.
3.2 Những ƣu điểm cơ ản của tiêu chuẩn DVB-T2:
Hệ thống DVB-T2 đƣợc xây dựng với mục đích:
a) DVB-T2 đạt đƣợc hiệu quả cao và khả năng xây dựng mạng đơn tần diện rộng (SFN- Single Frequency Network)
b) DVB-T2 tƣơng quan giữa các chuẩn DVB. DVB-T2 phát huy đƣợc những
giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn DVB khác, DVB- T2 có 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốt của DVB- S2 đó là:Cấu trúc phân cấp, đóng gói dữ liệu trong khung BB( Base Band Frame)& Sử dụng mã sửa sai LDPC( Low Density Parity Check).
c) Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các phƣơng thức thu cố định và
thu di động , hơn nữa cũng cho phép sử dụng đƣợc các ăng ten thu đang sử dụng tại gia đình và sử dụng các ăng ten phát hiện có.
d) Trong cùng một điều kiện truyền sóng DVB-T2 đạt đƣợc dung lƣợng truyền
trong kênh cao hơn thế hệ đầu thu DVB-T ít nhất 30%
f) Cho phép linh hoạt đối với băng thông tần số.
g) DVB-T2 có khả năng giảm tỉ lệ công suất đỉnh/ công suất trung bình của máy