DVB-S2 cùng với chuẩn nén tín hiệu MPEG-4 H.264/AVC là tiền đề cho triển khai đại trà dịch vụ truyền hình số HDTV cũng như các dịch vụ khác như internet tốc độ cao, không chỉ ở việc tăng thông lượng kênh truyền mà cả độ tin cậy, tính mềm dẻo trong truyền dẫn.
Hiệu quả truyền dẫn tăng:
DVB-S2 có thể tăng dung lượng của bộ phát đáp vệ tinh lên 30%. Dung lượng của một bộ phát đáp vệ tinh chuẩn là 36MHz, hoạt động với tốc độ biểu tượng 27,5 Msymbols/s và FEC 3/4 có thể tăng từ 38 Mb/s lên 50 Mb/s khi dùng DVB-S2. Về lý thuyết, khi dùng DVB-S2 kết hợp với MPEG-4 có thể truyền tới 6 kênh HDTV 8 Mb/s/kênh trên một bộ phát đáp, so với 2 kênh HDTV 16Mb/s/kênh khi dùng DVB-S MPEG-2 cũng trên bộ phát đáp này. Điều này được thực hiện bởi việc thay mã xoắn nội Viterbi trong DVB-S bằng
53 mã nội LDPC hiệu quả hơn, kết hợp với thay thế mã ngoại Reed-Solomon bằng mã BCH trong DVB-S2. Kết hợp mã sửa lỗi tiến (FEC) LDPC/BCH làm cho DVB-S2 tiến gần tới giới hạn Shannon hơn, chỉ cách khoảng 1,2 dB so với khoảng 3 dB của DVB-S.
Các giải pháp kết hợp mạnh:
Trong DVB-S2 có sự kết hợp hiệu quả tác động lẫn nhau cảu các mode điều chế, các hệ số roll-off và các tỷ lệ mã FEC. Ngoài điều chế QPSK như trong DVB-S, DVB-S2 còn thêm ba sơ đồ điều chế bậc cao hơn 8PSK, 16APSK, 32APSK cho phép tăng dung lượng của các bộ phát đáp vệ tinh. Nếu như trước đây tiêu chuẩn truyền dẫn vệ tinh cho các ứng dụng quảng bá và thu tin vệ tinh số (DSNG) là khác nhau (DVB-S và DVB-DSNG) thì nay DVB-S2 đảm nhiệm tất cả. Các tỷ lệ mã FEC cũng tăng thêm: trong DVB-S có 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8; trong DVB-S2 bổ sung thêm 1/4, 1/3, 2/5, 3/5, 4/5, 8/9, 9/10. Đặc biệt có ba tỷ lệ mã hoá mà ở đó các bit dư phục vụ cho việc bảo hiểm lỗi nhiều hơn các bit thông tin, đó là các tỷ lệ mã: 1/4, 1/3 và 2/5. Ở QPSK 1/4 có thể giải mã tín hiệu ở mức nhiễu -2,35dB, có nghĩa là tỷ số (S/N) = -2,35 dB hay mức nhiễu cao hơn mức tín hiệu. Các tỷ lệ mã này cho phép thông tin trong các điều kiện lan truyền kém thường thấy ở các ứng dụng DSNG. Do vậy tính mềm dẻo của DVB-S2 tăng lên rất nhiều so với DVB-S và DVB-DSNG.
Lựa chọn mode điều chế:
Các mode điều chế có đường bao không đổi như QPSK và 8PSK cho phép bộ khuếch đại công suất đầu ra đèn sóng chạy trên bộ phát đáp vệ tinh hoạt động ở chế độ bão hoà. Điều này là quan trọng đối với dịch vụ quảng bá vì nó cho phép điều khiển độ lợi tự động để duy trì bộ phát đáp ở mức công suất đầu ra cực đại không phụ thuộc vào suy giảm uplink. Do vậy đảm bảo mức công suất phát xạ đẳng hướng tương đương đầu ra không đổi từ vệ tinh.
QPSK cung cấp 2 bit/symbol, còn 8PSK là 3 bit/symbol. Do đó 8PSK mang lượng thông tin lớn hơn QPSK 50% với cùng một băng thông. Nhưng
54 điều này cũng yêu cầu công suất phát xạ tương ứng lớn hơn từ vệ tinh, hoặc kích thước anten thu vệ tinh lớn hơn. Các vệ tinh công suất cao và các khối thu vệ tinh với hệ số nhiễu thấp làm cho 8PSK trở nên thông dụng cho các ứng dụng quảng bá. Các mode điều chế với đường bao không đổi, như 16QAM (trong DVB-DSNG), 16APSK và 32APSK cần hoạt động trong các bộ phát đáp với mode hoạt động tuyến tính để tránh can nhiễu điều chế tương hỗ. Các bộ phát đáp này hoạt động ở mức back-off đáng kể và sẽ không cho công suất đầu ra cực đại.
Các frame lớp vật lý:
Lớp cao tần (RF layer) của tín hiệu DVB-S2 được chia thành các khung vật lý không cần sử dụng cũng một dạng mã hoá hay điều chế. Mode điều chế và tỷ lệ mã có thể thay đổi theo từng khung. Các khung có thể được ấn định cho các luồng truyền tải khác nhau. Mỗi khung được kết thúc bởi một dãy symbol BPSK 90bits, bảo vệ cao header mã khối 7/64. Header bao gồm tín hiệu đồng bộ và thông tin liên quan với báo hiệu. Và nó được kèm theo bởi hoặc là 16.200 bit (180x90), hoặc 64.800 bit (720x90), được bảo vệ bởi liên hợp mã LDPC/BCH FEC. Các khung FEC dài hơn sẽ cũng cấp sự bảo vệ lỗi tốt hơn nhưng lại có độ trễ lớn hơn so với khung FEC 16 200 bit. Do vậy, khung FEC ngắn được dùng cho các ứng dụng mà yêu cầu độ trễ nhỏ hay tính đến lưu lượng dữ liệu (trường hợp thông tin truyền đi nhỏ mà sử dụng khung thường, sẽ truyền đi lượng lớn bit dư thừa không mang thông tin), khung dài được sử dụng để tối ưu hoá việc bảo vệ tín hiệu (ví dụ trong các ứng dụng quảng bá thông thường). Bằng việc dùng điều chế và mã hoá khác nhau cho khung khác nhau nhiều khả năng mới có thể được sáng tạo. Tuy nhiên cần bổ sung cac pilot vào tín hiệu để dễ dàng cho việc khôi phục sóng mang.
Mã hoá điều chế không đổi (CCM-Constant Coding and Modulation):
55 Mode hoạt động đơn giản nhất của DVB-S2 là mã hoá và điều chế không đổi tương tự với cách mà tín hiệu sử dụng bởi DVB-S. Trong CCM cùng một mode điều chế và FEC được sử dụng cho tất cả các frame lớp vật lý. Điểm trội hơn của DVB-S2 trong mode CCM so với DVB-S là việc bảo hiểm lỗi được cải thiện do dùng mã nội và mã ngoại mới, cải thiện dung lượng tăng 30%. Sự cải thiện này có giá trị lớn cho các hệ thống quảng bá HDTV. Tuy nhiên trong mode CCM tiềm năng đầy đủ của cấu trúc frame lớp vật lý DVB- S2 không được sử dụng.
Mã và điều chế thay đổi (VCM-Variable Coding and Modulation):
Trong các ứng dụng quảng bá DVB-S, QPSK và tỷ lệ mã FEC là cố định, trong khi đó với DVB-S2 thì khác: nhiều luồng truyền tải có thể được kết hợp trên một bộ phát đáp hoạt động ở chế độ bão hoà, cung cấp đường bao của tín hiệu không đổi (QPSK và 8PSK). Tuy nhiên nhiều luồng truyền tải có thể được ấn định cho các frame vật lý khác nhau, do vậy có thể dùng các mode điều chế và các tỷ lệ mã khác nhau cho các dòng truyền khác nhau. Phụ thuộc vào ứng dụng mà có sự dung hoà khác nhau giữa dung lượng và tính mạnh khoẻ của truyền dẫn. Ví dụ một bộ phát đáp có thể mạng cả tín hiệu truyền hình SDTV và HDTV nhưng với mức bảo vệ kém hơn cho HD để đạt lợi ích tăng tốc độ bit. Điều này có thể đặt ra yêu cầu cao hơn đối với kích thước anten của đầu thu (set-top-box) HDTV, nhưng phải ở mức chấp nhận được với ứng dụng.
Các dịch vụ chuyên dùng cho phép dùng các anten kích thước lớn, do vậy có thể dùng tỷ lệ mã xấu hơn để đạt độ lợi về tốc độ bit, và có thể được tích hợp đến các bộ phát đáp quảng bá đang hoạt động ở chế độ bão hoà. Điều này có thể bao gồm nhiều loại lưu lượng dữ liệu khác nhau như internet backbone mà trước đây bặt buộc phải dùng các sóng mang tách biệt nhằm đảm bảo tính linh hoạt chọn lựa tỷ lệ mã và điều chế.
56
Mã hoá và điều chế thích nghi (ACM-Adaptive Coding and Modulation):
ACM chính là mode hoạt động tinh tế nhất của DVB-S2, nó cho phép tối ưu hoá các ứng dụng điểm - điểm.Trong mode này có một kênh ngược từ máy thu tới máy phát uplink. Kênh ngược cung cấp cập nhật tức thời hệ số ở máy thu cho trạm uplink. Điều này có thể được sử dụng để thay đổi tỷ lệ mã hoá và mode điều chế để tối ưu hoá tốc độ bit cực đại.Có nghĩa là khi trời trong thì có thể dùng tỷ lệ mã xấu hơn, điều chế mức cao hơn để tăng thông lượng bit, nghĩa là tăng thông lượng trung bình của toàn hệ thống. Khi trời mưa to hoặc điều kiện lan truyền xấu thì ngược lại.Như vậy có thể cải thiện đáng kể thông số thông lượng của hệ thống, đặc biệt với các kết nối backbone internet và các loại lưu lượng dữ liệu khác.
Trong các ứng dụng DSNG, một kênh ngược băng thông hẹp đến xe uplink có thể cung cấp thông lượng tối ưu trong các điều kiện khó bằng việc thay đổi mã hoá và điều chế tương ứng. Ví dụ nếu bắt buộc phải dùng mode với tốc độ bit thấp hơn bình thường thì có thể bù lại bằng cách giảm tốc độ bit dùng cho bộ mã hoá.
57
Mode tương thích ngược (BC mode-Backwards Compatible mode):
Tiêu chuẩn DVB-S2 (tiêu chuẩn ETSI EN 302 307 V1.1.2 06/2006) đã nhìn thấy trước rằng tuy DVB-S2 có nhiều ưu điểm nhưng do hiện nay số máy thu theo tiêu chuẩn DVB-S là quá lớn (hàng trăm triệu chiếc) nên các nhà quảng bá vệ tinh không thể hoặc khó có thể chuyển ngay sang dùng DVB-S2 vì còn phải tính đến quyền lợi của người tiêu dùng. Do vậy trong tiêu chuẩn này còn có một phụ lục tuỳ chọn “các mode tương thích ngược” để dung hoà giữa việc ứng dụng công nghệ truyền dẫn mới cho quảng bá và khách hàng của họ.
Các mode tương thích ngược (BC mode) tuỳ chọn nhằm để gửi trên một kênh vệ tinh hai luồng truyền tải.Dòng thứ nhất (có độ ưu tiên cao-HP) chỉ tương thích với các máy thu DVB-S ( theo tiêu chuẩn DVB-S EN 300 421) cũng như với các máy thu DVB-S2, nghĩa là cả hai máy thu DVB-S và DVB- S2 đều thu được tín hiệu của luồng truyền tải này. Dòng thứ hai (có độ ưu tiên thấp-LP) chỉ tương thích với các máy thu DVB-S2. Sự tương thích ngược có thể được thực hiện theo một trong hai phương pháp:
- Điều chế theo lớp, trong đó các tín hiệu DVB-S và DVB-S2 được ghép kênh không đồng bộ trên cùng một tần số vô tuyến (do vậy mode hoạt động này không yêu cầu một công cụ đặc biệt nào trong tiêu chuẩn kỹ thuật DVB-S2).
- Điều chế phân cấp, trong đó hai luồng truyền tải HP và LP được kết hợp đồng bộ ở mức symbol điều chế trên chòm sao 8PSK không đối xứng. Tiêu chuẩn DVB-S2 chọn phương pháp này.
Cần chú ý rằng mode phân cấp cũng được sử dụng trong tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T. Ngoài ra các dịch vụ quảng bá không phải DVB dựa trên điều chế QPSK có thể truyền dòng truyền DVB-S2 LP, khi dùng các sơ đồ điều chế theo lớp hoặc phân cấp kể trên. Tuy nhiên dùng BC mode cũng có ý nghĩa là có sự thoả hiệp giữa chỉ tiêu của các thành phần DVB-S2 và DVB-S của tín hiệu.Việc dùng điều chế 8PSK với hai symbol đặt gần nhau hơn so với
58 trong mỗi góc phần tư so với giản đồ chòm sao 8PSK gốc làm cho các máy thu DVB-S tin rằng chúng đang thu tín hiệu QPSK, còn các máy thu DVB-S2 thu tất cả 8 symbol. Việc dùng ánh xạ phân cấp thông minh như vậy cho phép kết hợp các tín hiệu SDTV cho máy DVB-S và HDTV cho máy thu DVB-S2 trên cùng một bộ phát đáp.
2.4 So sánh một số thông số kỹ thuật với DVB-S
Việc dùng sơ đồ FEC mới cho phép DVB-S2 tăng thông lượng kênh với cùng một mức công suất sóng mang và sử dụng các mode điều chế bậc cao hơn so với QPSK trong DVB-S. Đối với cùng một tỷ lệ lỗi bit (BER) DVB-S2 có độ dự phòng từ 1,4 đến 1,8 dB so với DVB-S.
Ví dụ: DVB-S QPSK với FEC tỷ lệ mã 3/4 yêu cầu cùng một mức công suất sóng mang như DVB-S2 8PSK với FEC tỷ lệ mã 2/3 như hình 32.
Hình 2.17:Độ lợi công suất của DVB-S2 với DVB-S
Độ dự phòng này cho phép dùng anten thu có đường kính nhỏ hơn trong điều kiện thời tiết xấu hơn. Đồng thời DVB-S2 cho phép dùng phổ hiệu quả khi xét về thông số hiệu suất băng thông (bit/s/Hz). Việc dùng các hệ số roll- off thấp hơn cho phép dùng các sóng mang hẹp hơn.
59 Ví dụ: Sóng mang 20 Msym/s với roll-off 0,35 của DVB-S sử dụng băng tần 27 MHz so với 24 MHz của DVB-S2 với hệ số roll-off là 0,2. Hình 33 cho thấy so sánh hiệu suất băng thông của DVB-S và DVB-S2.
QEF
Hình 2.17:Độ lợi băng thông của DVB-S2
Bảng 15 cho ta so sánh các thông số của DVB-S và DVB-S2 ở một vài chế độ làm việc khác nhau điển hình. Ta thấy với tỷ số C/N tương tự nhau nhưng thông lượng kênh của DVB-S2 tăng khoảng 30% so với DVB-S. Hình 34 biểu diễn hiệu suất băng thông của hiệu quả phổ DVB-S2 đã gần đạt đến mức giới hạn Shannon, và đó cũng là lý do để các nhà sáng tạo lạc quan nói rằng sẽ khó mà có tiêu chuẩn DVB-S3.
Bảng 2.6: So sánh DVB-S2 với DVB-S ở một vài chếđộ làm việc khác nhau điển hình
61
Hình 2.18: Hiệu suất băng thông và C/N yêu cầu trên kênh nhiễu Gausse trắng cộng (AWGN)
Những ưu điểm của DVB-S2 so với DVB-S:
• Tăng dung lượng truyền dẫn trên cùng một băng thông:
So sánh với tiêu chuẩn DVB-S với cùng một điều kiện truyền dẫn: DVB- S2 có khả năng truyền dữ liệu tới hơn 30% trong cùng dải băng thông. Nói cách khác, một tín hiệu truyền dẫn theo tiêu chuẩn DVB-S2 yêu cầu băng thông ít hơn 30% so với khi sử dụng DVB-S. Đặc biệt khi ứng dụng điều chế, mã hóa VCM và ACM hiệu suất sử dụng băng thông tăng tương ứng 66% và 131%.
• Tăng hiệu quả công suất truyền dẫn:
Trong vùng phủ sóng, yêu cầu thu của một tín hiệu DVB-S2 thấp hơn khoảng 2,5 dB so với một tín hiệu DVB-S với cùng điều kiện bảo vệ lỗi. Ngoài ra, DVB-S2 còn có thể tương thích được với nhiều bộ phát đáp vệ tinh có sự khác nhau về hiệu suất sử dụng phổ (từ 0,5 đến 4,5 bit/sHz) và yêu cầu tỷ số C/N kết hợp (từ -2 dB đến +16 dB).
Chức năng điều chế và mã hóa thay đổi (VCM) cho phép thực hiện điều chế và sử dụng các mức bảo vệ lỗi khác nhau để sử dụng hoặc thay đổi trên cơ sở từng khung (frame) một. Chức năng này còn có thể kết hợp với việc sử dụng kênh phản hồi (return channel) tạo thành một vòng điều khiển kín (closed loop). Vì vậy các thông số truyền dẫn được tối ưu cho mỗi kênh thông tin riêng biệt tùy thuộc vào điều kiện đường truyền.
• DVB-S2 được thiết kế phù hợp với nhiều loại dịch vụ:
DVB-S2 đã đượcc tối ưu cho các ứng dụng vệ tinh băng rộng như:
- Các dịch vụ quảng bá: Truyền dẫn các chương trình SDTV hoặc HDTV.
62 - Các ứng dụng chuyên nghiệp: Phân phối tín hiệu truyền hình số tới các trạm phát hình mặt đất (TV Contribution), truyền hình lưu động DSNG, truyền số liệu và các ứng dụng khác….
• DVB-S2 không bị hạn chế với kiểu mã hóa video MPEG-2: Đầu vào DVB-S2 có thể tương thích với các kiểu mã hóa MPEG-2, MPEG-4 và HDTV. DVB-S2 chấp nhận rất nhiều dạng đầu vào khác nhau: dòng bit liên tục, dòng truyền tải đơn chương trình và đa chương trình, IP hay ATM. Đặc tính này cho phép các dòng dữ liệu khác và các cấu hình dữ liệu trong tương lai có thể sử dụng được với DVB-S2 mà không cần tới một tiêu chuẩn mới.