CHƢƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG TRUYỀN HèNH SỐ
2.1 Tiờu chuẩn truyền hỡnh số hiện nay trờn thế giới
2.1.1.1 Đặc điểm chung
Hệ thống ATSC cú cấu trỳc dạng lớp, tương thớch với mụ hỡnh OSI 7 lớp của cỏc mạng dữ liệu. Mỗi lớp ATSC cú thể tương thớch với cỏc ứng dụng khỏc cựng lớp. ATSC sử dụng dạng thức gúi MPEG – 2 cho cả Video, Audio và dữ liệu phụ. Cỏc đơn vị dữ liệu cú độ dài cố định phự hợp với sửa lỗi, ghộp dũng chương trỡnh chuyển mạch, đồng bộ, nõng cao tớnh linh hoạt và tương thớch với dạng thức ATM.
Tốc độ bit truyền tải 20 MHz cấp cho một kờnh đơn HDTV hoặc một kờnh TV chuẩn đa chương trỡnh. Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức HDTV (phõn giải cao) và SDTV (truyền hỡnh tiờu chuẩn). Đặc tớnh truyền tải và nộn dữ liệu của ATSC là theo MPEG – 2 sẽ đề cập chi tiết trong cỏc phần sau.
ATSC cú một số đặc điểm sau:
16
Tham số Video
Audio Dữ liệu phụ
Truyền tải
Truyền dẫn RF Điều chế 8-VSB cho truyền dẫn truyền hỡnh số mặt đất. Mỏy thu 16-VSB cho phõn phối mạng cỏp khụng tiờu chuẩn húa.
Bảng 2.1 Đặc điểm cơ bản của ATSC2.1.1.2 Phƣơng phỏp điều chế VSB của tiờu chuẩn ATSC 2.1.1.2 Phƣơng phỏp điều chế VSB của tiờu chuẩn ATSC
Phương phỏp điều chế VSB bao gồm hai loại chớnh: Một loại dành cho phỏt súng mặt đất (8-VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cỏp tốc độ cao (16- VSB). Cả hai đều sử dụng mó Reed – Solomon, tớn hiệu pilot và đồng bộ từng đoạn dữ liệu. Tốc độ biểu trưng (Symbol Rate) cho cả hai đều bằng 10,76 Mb/s. VSB cho phỏt súng mặt đất sử dụng mó sửa sai Trellis 3bit/Symbol. Nú cú giới hạn tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu (SNR) là 14,9dB và tốc độ dữ liệu bằng 19,3 Mb/s.
Dữ liệu được truyền theo từng khung dữ liệu. Khung dữ liệu được bắt đầu bằng đoạn dữ liệu đồng bộ mành đầu tiờn nối tiếp bở 312 đoạn dữ liệu khỏc. Sau đú đến đoạn dữ liệu đồng bộ mành thứ 2 và 312 đoạn dữ liệu của mành sau.
17
828 biểu tr-ng
Đồng bộ mành số 1
312 đoạn dữ liệu Dữ liệu
46,8 s Đồng bộ mành số 2
Dữ liệu
77,7 s
Hỡnh 2.1 Khung dữ liệu VSB
Mỗi đoạn dữ liệu bao gồm 4 biểu trưng dành cho đồng bộ đoạn dữ liệu và 828 biểu trưng dữ liệu.
Một gúi truyền tải MPEG – 2 chứa 188 byte dữ liệu và 20 byte tương suy cho 298 byte. Với tỷ lệ mó húa 2/3, ở đầu ra của mó sửa sai ta cú:
208 x 3/2 = 312 bytes 312 bytes x 8 bit = 2496 bit
Túm lại một đoạn dữ liệu chứa 2496 bit.
Cỏc biểu trưng đú sẽ được điều chế theo phương thức nộn súng mang với hầu hết dải biờn dưới. Tớn hiệu pilot được sử dụng để phục hồi súng mang tại đầu thu, được cộng thờm tại vị trớ 350 KHz phớa trờn giới hạn dưới dải tần.
2.1.1.2.1 Mỏy phỏt VSB
Sơ đồ khối của một mỏy phỏt theo phương thức điều chế VSB cú dạng như sau:
18
Hỡnh 2.2 Sơ đồ khối mỏy phỏt VSB
Khối ngẫu nhiờn húa dữ liệu được thực hiện bằng mạch hoặc tuyệt đối và chuỗi tớn hiệu giả ngẫu nhiờn cú chiều dài tối da là 6 bit. Dữ liệu qua khối ngẫu nhiờn được ngẫu nhiờn húa kể cả với dữ liệu là hằng số. Cỏc byte đồng bộ đoạn, mành dữ liệu và khối byte tương suy yếu của mó Reed – Solomon khụng bị ngẫu nhiờn húa. Sau khi được ngẫu nhiờn húa, tớn hiệu được mó húa bởi mó Reed – Solomon. Bộ trỏo dữ liệu với 87 đoạn dữ liệu trải dữ liệu từ đầu ra của mó trờn một khoảng thời gian dài hơn để tăng khả năng chống lỗi đột biến. Dữ liệu cũn được mó húa Trellis trước khi ghộp kờnh với tớn hiệu đồng bộ.
Tớn hiệu đồng bộ mành được sử dụng với 5 mục đớch:
- Xỏc định điểm bắt đầu của mỗi đoạn dữ liệu.
- Được sử dụng như tớn hiệu chuẩn tại đầu thu.
- Xỏc định chế độ làm việc của mạch lọc tớn hiệu NTSC.
- Được sử dụng như tớn hiệu dự đoỏn hệ thống.
- Reset mỏy thu.
Tớn hiệu pilot được gửi để cú thế tỏi tạo lại súng tại đầu thu. Dữ liệu gốc được lọc bởi bộ lọc phức để tạo hai thành phần tớn hiệu đồng pha và trực pha. Hai thành phần này được biến đổi sang dạng tớn hiệu tương tự và được chế vuụng gúc, tạo tớn hiệu trung tần VSB với phần lớn dải biờn tần dưới được loại bỏ.
19
2.1.1.2.2 Mỏy thu VSB
Tín hiệu đồng bộ
Điều chỉnh Tách sóng Lọc Mạch R-ợt kênh đồng bộ NTSC sửa pha
Giải ngẫu Giải mã Giải tráo Giải mã
nhiên Reed-Solomon dữ liệu Trellis
Hỡnh 2.3 Sơ đồ khối mỏy thu VSB
Tớn hiệu sau khi đi qua mạch điều chỉnh kờnh, mạch tỏch súng đồng bộ được đưa tới bộ lọc NTSC. Bộ lọc NTSC cú 7 điểm “Zero” trong băng tần 6 MHz. Trong đú súng mang hỡnh trựng với điểm thứ 2, súng mang màu trựng điểm thứ 6 và súng mang tiếng trựng với điểm thứ 7. Mạch lọc NTSC làm giảm can nhiễu của tớn hiệu NTSC cựng kờnh song mặt khỏc cũng làm giảm chất lượng hỡnh ảnh đối với nhiễu trắng. vỡ vậy nếu khụng cú can nhiễu hoặc can nhiễu ớt mạch tự động tắt.
2.1.2 Chuẩn DVB2.1.2.1 Đặc điểm chung 2.1.2.1 Đặc điểm chung
Chuẩn DVB được sử dụng rộng rói ở Chõu Âu, truyền tải Video số MPEG – 2 qua cỏp, vệ tinh và phỏt truyền hỡnh mặt đất.
Chuẩn DVB cú một số đặc điểm sau:
Mó húa Audio tiờu chuẩn MPEG – 2 lớp II. Mó húa Video chuẩn MP@ML.
Độ phõn dải ảnh tối đa 720x576 điểm ảnh.
Dự ỏn DVB khụng tiờu chuẩn húa dạng thức HDTV nhưng hệ thống truyền tải chương trỡnh cú khả năng vận dụng với dữ liệu HDTV.
Tốc độ dũng truyền tải từ 1.5 đến 15 Mbps.
20
Hệ thống truyền hỡnh cú thế cung cấp cỏc cỡ ảnh 4:3; 16:9; 20:9 tại tốc độ khung 50 MHz.
Tiờu chuẩn phỏt truyền hỡnh số mặt đất dựng phương phỏp điều chế COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
DVB gồm một loạt cỏc tiờu chuẩn. Trong đú cơ bản là:
DVB – S: Sử dụng phương phỏp điều chế QPSK (Quadratue Phase – Shift Keying), mỗi súng mang cho một bộ phỏt đỏp. Tốc độ di truyền tải tối đa khoảng 38,1 Mpbs.
DVB – C: Hệ thống cung cấp tớn hiệu truyền hỡnh số qua mạng cỏp, sử dụng cỏc kờnh cỏp cú dung lượng từ 7 đến 8 MHz và phương phỏp điều chế
64_QAM (64 Quadratue Amplitude Modulation). DVB – C cú mức SNR (tỉ số Signal/noise) cao và điều biến kớ sinh (Intermodulation) thấp. Tốc độ bit lớp truyền tải MPEG – 2 tối đa là 38,1 Mbps.
DVB – T: Hệ thống truyền hỡnh mặt đất với cỏc kờnh 8 MHz. Tốc độ bit tối đa 24 Mbps. Sử dụng phương phỏp điều chế RF mới đú là COFDM.
2.1.2.2 Phƣơng phỏp điều chế COFDM trong tiờu chuẩn DVB
Lợi ớch nhất của COFDM là ở chỗ dũng dữ liệu cần truyền tải được phõn phối cho nhiều súng mang riờng biệt. Mỗi súng mang được xử lý tại một thời điểm thớch hợp và được gọi là một “COFDM Symbol”.
Do số lượng súng mang lớn mỗi súng mang lại chỉ truyền tải một phần của dũng bit nờn chu kỳ của một biểu trưng khỏ lớn so với chu kỳ của một bit thụng tin. Trờn thực tế chu kỳ của một biểu trưng cú thể lờn tới 1 ms. Thiết bị đầu thu khụng chỉ giải được mó cỏc biểu trưng được truyền một cỏch riờng lẻ mà cũn thu thập cỏc súng phản xạ từ mọi hướng do vậy đó biến súng phản xạ từ dạng tớn hiệu cú hại thành thụng tin cú ớch gúp phần làm tăng lượng biểu trưng nhận được tại đầu thu. Thời gian thiết bị thu chờ đợi trước khi xử lý tớn hiệu được gọi là khoảng bảo vệ Tg. Loại tớn hiệu phản xạ đặc trưng của mạng đa tần là tớn hiệu tới từ một đài phỏt lõn cận nào đú phỏt cựng biểu trưng COFDM. Tớn hiệu này khụng thể phõn biệt được với tớn hiệu phản xạ truyền thống và vỡ vậy cũng được xử lý như mọi tớn hiệu phản xạ khỏc nếu chỳng tới mỏy thu trong khoảng thời gian bảo vệ Tg. Tg càng lớn thỡ khoảng cỏch tối đa giữa cỏc
21
mỏy phỏt hỡnh càng lớn. Tuy nhiờn về gúc độ lý thuyết thụng tin Tg cú giỏ trị càng nhỏ càng tốt bởi Tg là khoảng thời gian khụng được sử dụng trong kờnh truyền nờn Tg lớn sẽ làm giảm dung lượng của kờnh.
Với Tg = 200 às, khoảng cỏch tối đa giữa cỏc mỏy phỏt hỡnh cú cựng biểu trưng bằng: D x C x Tg = 3 x 108m/s x 200 x 10-6 s = 60km
Nếu toàn bộ chu kỳ của biểu trưng 1às thỡ thời gian cú ớch trong một chu kỳ bằng: 1ms - 200 s = 800 s
Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang COFDM sẽ bằng: f 8001 s 1,25kHz
Trong một kờnh thụng thường (8 MHz) cú thể chứa tới 600 súng mang truyền song song và mỗi súng mang truyền tải một phần của dũng bit thụng tin.
Cú nhiều thụng số được lựa chọn cho phương phỏp điều chế COFDM trong đú bao gồm: số súng mang trong một chu kỳ biểu trưng, khoảng thời gian bảo vệ Tg, phương phỏp điều chế đối với từng súng mang, phương thức đồng bộ và nhiều thụng số khỏc.
Nếu khoảng bảo vệ Tg = 200 às, số súng mang trong một kờnh bằng 6000 và COFDM được thực hiện bằng phộp biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT bằng chớp cú khả năng tớnh toỏn 213 = 8192 và là giỏ trị gần nhất đối với con số 6000. Sự lựa chọn Tg = 200 às đồng nghĩa với việc sử dụng bộ giải điều chế 8k tại thiết bị thu. Song do chi phớ cho cỏc bộ giải điều chế 8k cũn lớn nờn phương ỏn hợp lý hơn là sử dụng Tg = 50 às, tổng số súng mang bằng 1500 kờnh trong 8 MHz. Với phương ỏn này chỉ cần sử dụng chip 2k để thực hiện phộp IDFT.
Cỏc súng mang riờng biệt được điều chế QPSK, 16 – QAM hoặc 64 – QAM. Việc lựa chọn phương phỏp điều chế sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của kờnh truyền cũng như khả năng đối phú với tạp và can nhiễu. Tỷ lệ mó húa thớch hợp của mó sửa sai cũng gúp phần cải thiện chất lượng hệ thống.
22
Bảng 2.2 Hiệu suất nộn trong tiờu chuẩn DVB
2.2 Kỹ thuật OFDM
2.2 .1 Giới thiệu về kỹ thuật OFDM2.2 .1.1 Lịch sử phỏt triển 2.2 .1.1 Lịch sử phỏt triển
Dự thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rói gần đõy nhưng kĩ thuật này đó được xuất hiện cỏch nay 50 năm về trước:
Năm 1996, RW. Chang đó phỏt minh ra kỹ thuật OFDM ở Mỹ.
Năm 1971, một cụng trỡnh khoa học của Weistenis và Ebert đó chứng minh rằng phương phỏp điều chế và giải điều chế OFDM cú thể được thực hiện thụng qua phộp biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT (biến đổi Fourier rời rạc). Sau đú, cựng với sự phỏt triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phộp biến đổi IFFT cho bộ điều chế và FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phỏt hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI.
Năm 2003, IEEE cụng bố chuẩn 802.11 cho OFDM hoạt động băng tần 2.4 GHz và phỏt triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ hữu dụng của OFDM với cỏc hệ thống SNR(tỉ số S/N) thấp.
Ngày nay, kĩ thuật OFDM cũn kết hợp với cỏc phương phỏp mó húa kờnh sử dụng trong thụng tin vụ tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tớn hiệu trước khi giải điều chế sẽ được mó húa với nhiều loại mó khỏc nhau để hạn chế cỏc lỗi xảy ra trờn kờnh truyền. Do chất lượng kờnh ( độ fading và tỉ số S/N) của mỗi súng mang con phụ
23
là khỏc nhau, người ta thực hiện điều chế tớn hiệu trờn mỗi súng mang đú với cỏc mức điều chế khỏc nhau, gọi là điều chế thớch nghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thụng tin mỏy tớnh băng rộng HiperLAN/2 của ETSI ở Chõu Âu.
2.2.1.2 Khỏi niệm
OFDM là kỹ thuật ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDM nằm trong một lớp cỏc kỹ thuật điều chế đa súng mang (MCM) trong thụng tin vụ tuyến. Cũn trong cỏc hệ thống thụng tin hữu tuyến cỏc kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cỏi tờn đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương phỏp điều chế đa súng mang, trong đú cỏc súng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tớn hiệu ở cỏc súng mang phụ cho phộp chồng lấn lờn nhau mà phớa thu vẫn cú thể khụi phục lại tớn hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tớn hiệu làm cho hệ thống OFDM cú hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với phương phỏp điều chế thụng thường.
Hỡnh 2.4 Mật độ phổ năng lượng của a) đa súng mang; b) OFDM
24
2.2.1.3 Ƣu nhƣợc điểm của OFDM Ưu điểm
Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phộp chồng phổ giữa cỏc súng mang. Hạn chế được ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cỏch chia kờnh fading chọn lọc tần số thành cỏc kờnh fading phẳng tương ứng với cỏc tần số súng mang OFDM khỏc nhau.
Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa cỏc ký tự (ISI) do sử dụng CP và giao thoa súng mang (ICI).
Nếu sử dụng cỏc biện phỏp xen kẽ và mó hoỏ kờnh thớch hợp cú thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xỏc suất lỗi trờn ký tự do cỏc hiệu ứng chọn lọc tần số ở kờnh gõy ra. Quỏ trỡnh cõn bằng kờnh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng cõn bằng thớch nghi trong cỏc hệ thống đơn súng tần.
Nhược điểm
Hệ thống OFDM sẽ tạo ra cỏc tớn hiệu trờn nhiều súng mang, cỏc bộ khuếch đại cụng suất phỏt cao cần độ tuyến tớnh, cỏc bộ khuếch đại cụng suất thu nhiễu thấp đũi hỏi dải động của tớn hiệu lớn nờn tỷ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất trung bỡnh (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi nghiờm trọng của OFDM nếu dựng bộ khuếch đại cụng suất hoạt động ở miền bóo hồ để khuếch đại tớn hiệu OFDM. Nếu tớn hiệu OFDM cú tỷ số PAPR lớn thỡ sẽ gõy nờn nhiễu xuyờn điều chế.
OFDM nhạy với dịch tần và sự trượt của súng mang hơn cỏc hệ thống đơn súng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong cỏc hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống súng mang đơn.
2.2.2 Cỏc khỏi niệm liờn quan đến OFDM2.2.2.1 Hệ thống đa súng mang 2.2.2.1 Hệ thống đa súng mang
Hệ thống đa súng mang là hệ thống cú dữ liệu được điều chế và truyền đi trờn nhiều súng mang khỏc nhau. Núi cỏch khỏc, hệ thống đa súng mang thực hiện chia một tớn hiệu thành một số tớn hiệu, điều chế mỗi tớn hiệu mới này trờn cỏc súng mang và truyền trờn cỏc kờnh tần số khỏc nhau, ghộp những kờnh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM.
25
Hỡnh 2.5 Cấu trỳc hệ thống đa súng mang2.2.2.2 Ghộp kờnh phõn chia theo tần số FDM 2.2.2.2 Ghộp kờnh phõn chia theo tần số FDM
Ghộp kờnh phõn chia theo tần số là phương phỏp phõn chia nhiều kờnh thụng tin trờn trục tần số. Sắp xếp chỳng trong những băng tần riờng biệt liờn tiếp nhau. Mỗi kờnh thụng tin được xỏc định bởi tần số trung tõm mà nú truyền dẫn. Tớn hiệu ghộp kờnh phõn chia theo tần số cú dải phổ khỏc nhau nhưng xảy ra đồng thời trong khụng gian, thời gian.
Hỡnh 2.6 Ghộp kờnh phõn chia theo tần số
Để đảm bảo tớn hiệu của một kờnh khụng bị chồng lờn tớn hiệu của cỏc kờnh lõn cận, trỏnh nhiễu kờnh, đũi hỏi phải cú cỏc khoảng trống hay cỏc băng bảo vệ xen giữa cỏc kờnh. Điều này dẫn đến sự khụng hiệu quả về phổ.
2.2.3 Biểu diễn toỏn học của tớn hiệu OFDM2.2.3.1 Trực giao 2.2.3.1 Trực giao
Cỏc tớn hiệu là trực giao nếu chỳng độc lập với nhau. Trong OFDM, cỏc súng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tớn hiệu vẫn cú thể được khụi phục mà