Chương 2 TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB –T
2.2. Điều chế trong truyền hình số
2.2.2.1. Ưu điểm của hệ thống COFDM
- COFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con.
- Bằng cách chia kênh thơng tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng
hẹp, các hệ thống COFDM chịu đựng pha đinh lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.
- COFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước oõi symbol.
- Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống COFDM có thể khơi phục lại được các symbol bị mất do hịên tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích
ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều
chế làm giảm độ phức tạp của COFDM.
- Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh.
- COFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn.
- COFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp. 2.2.2.2 Các hạn chế của hệ thống COFDM
- Symbol COFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak to Average Power Radio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của COFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hồ để khuếch đại tín hiệu COFDM. Nếu tín hiệu COFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ Analog sang Digital và ngược lại.Việc rút ngắn (cliping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng tần bức xạ ngoại băng.
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 21
- COFDM nhạy với tần số offfset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống
sóng mang đơn. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống COFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang co trực giao và gây nên nhiễu xuyên kênh làm giảm hoạt đông của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ cần thiết yêu cầu phải đạt được trong bộ thu COFDM.
2.2.3. Nguyên tắc của COFDM
COFDM là một phương pháp mới dùng để truyền tín hiệu số tốc độ cao trên kênh truyền vô tuyến hoặc qua cáp.
Nguyên tắc của COFDM là chia dòng bit đơn nhất, tốc độ cao thành các dòng bit song song để có thể truyền ở tốc độ thấp trên một số lượng lớn các sóng mang đặt cạnh nhau trong kênh. Khoảng cách sóng mang, tốc độ bit được lựa chọn theo quy tắc trực giao
Về mặt vật lý, khái niệm trực giao là sự bố trí của các sịng mang như thế nào đó để mỗi sóng mang cịn có thể được giải điều chế mà khơng gây ảnh hưởng, can nhiễu lên các sóng khác. Muốn vậy các symbol số được điều chế sẽ được định dạng như thế nào đó sao cho sóng mang đều có dạng như hình vẽ.
Hình 2.5 Phổ của một sóng mang đơn
Hình vẽ phổ cho thấy có một đỉnh trung tâm tại đúng tần số sóng mang và các điểm biên độ 0 tại các tần số ở hai bên có giá trị là bội của tốc độ symbol.
Nếu ta bố trí một số sóng mang ở cạnh nhau sao cho đỉnh trung tâm của mọi sóng mang trùng với các điểm biên độ 0 của các sóng mang khác, phổ tần lúc đó sẽ có dạng sau.
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 22
Các sóng mang trong hình trên đều có thể được giải điều chế một cách độc lập mà không gây nhiễu lên các sóng mang khác. Vì đỉnh của các sóng mang trùng với các điểm biên độ 0 của các sóng mang khác nên giá trị của nó là khơng bị ảnh hưởng. Đây chính là bản chất vật lý của nguyên tắc trực giao.
Có thể thấy nguyên tắc này giống phương pháp sử dụng để loại bỏ hiện tượng ISI trong truyền dẫn dòng số cơ sở. Tuy nhiên việc ghép các sịng mang tn theo tính trực giao trong miền tần số cịn ở kỹ thuật loại bỏ ISI thì lại ở trong miền thời gian.
Đối với một sóng mang con, mơ hình điều chế là điều chế số cơ sở với một trong các phương pháp điều chế sau: QPSK, 16-QAM,64-QAM. Trong DVB – T người ta sử dụng điều chế phân cấp hoặc không phân cấp tùy theo yêu cầu dịch vụ.
Về lý thuyết, việc tạo tín hiệu COFDM có thể được thực hiện bằng cách sử dụng N bộ tạo sóng mang con với tần số khác nhau đem điều chế QAM với các đoạn dữ liệu nhỏ. Thực tế đây là điều không thể thực hiện được do N rất lớn (N= 1705 trong mode 2k và 6816 trong mode 8k). Người ta đã tìm ra phương pháp thực hiện tạo tín hiệu COFDM thơng qua xử lỹ băng gốc dựa trên phép biến đổi fourier rời rạc DFT.
2.2.4. Điều chế số
Mỗi sóng mang con trong tín hiệu điều chế COFDM được điều chế số cơ sở theo một trong các mơ hình điều chế QPSK, 16 – QAM và 64 – QAM.
2.2.4.1. Điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn. Cơng thức cho sóng mang được điều chế QPSK 4 mức như sau:
0 2 . cos(2 ( ) ) ( ) 0 0, i t T E t t S t T t t T p q q ì £ £ ïï + + ïï = í ïï < > ïïỵ Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0
( ) (2 1)
4
t i p
q = - Trong đó:
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10" T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E: năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu khơng gian được cho trong bảng sau:
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 23
Cặp bít Vào Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu Si Toạ độ các bản tin 1 q q2 00 4 S1 2 E 2 E 01 3 4 S2 2 E - 2 E 11 5 4 S3 - 2 E - 2 E 10 7 4 S4 - 2 E 2 E
Bảng 2.2. Tín hiệu trong điều chế QPSK
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ.
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào- E, cịn logic '0' thì biến đổi vào
E. Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
Hình 2.7. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
2.2.4.2. Điều chế phân cấp
Tiêu chuẩn DVB – T Châu Âu gồm rất nhiều loại truyền dẫn, tạo điều kiện khai triển tín hiệu COFDM trong nhiều dịch vụ phát sóng khác nhau. Trong số đó, điều chế phân cấp cho phép phát sóng hai dịng truyền tải MPEG độc lập với khả năng chống lỗi khác nhau trên cùng một kênh RF.
Và với phương thức điều chế này, chúng ta có thể có một số tính năng dịch vụ mới:
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 24
- Giải quyết được cả thu di động lẫn thu cố định.
- Phát đồng thời các chương trình số cả ở dạng tiêu chuẩn (SDTV) lẫn dạng có độ phân giải cao (HDTV).
a) Chịm sao điều chế phân cấp
Dạng điều chế phân cấp thực ra là sự biên dịch của 16 QAM và 64 QAM thơng qua 4 QAM như hình.
Điều chế phân cấp được xem như là sự phân tách kênh RF thành 2 kênh ảo. Mỗi kênh có một tốc độ bit riêng. Một mức độ lỗi riêng và theo đó sẽ có phủ sóng khác nhau một chút. Chính sự kết hợp giữa dạng chịm sao và tỷ lệ mã hóa sẽ quyết định sự khác nhau giữa hai kênh ảo này.
Nếu dòng dữ liệu thứ hai được ánh xạ bởi các cặp hai bit thì chịm sao phân cấp chính là “4QAM thơng qua 4QAM”. Và hình dạng nó sẽ giống như 16QAM. Cịn nếu 4 bit được sử dụng thì nó chính là “16QAM thơng qua 4QAM”. Tạo nên dạng chòm sao 64QAM.
Dòng bit dữ liệu đầu tiên sẽ luôn luôn sử dụng dạng điều chế 4QAM, và được gọi là dòng bit ưu tiên cao. Dòng bit thứ hai, ít lỗi hơn, được điều chế ở dạng 4QAM hoặc 16QAM, được gọi là dịng có mức ưu tiên thấp.
4QAM over 4QAM 16QAM over 4QAM
01 1101 100 1 10 10 101101 HP LP HP LP Hình 2.8. Chịm sao phân cấp b) Các đặc tính điều chế phân cấp
Trong tiêu chuẩn DVB – T, điều chế phân cấp có đặc tính.
- Cho phép phát sóng hai dịng truyền tải MPEG độc lập trên cùng một kênh RF.
- Mỗi dịng truyền tải sẽ có một khả năng chống lỗi riêng, do đó sẽ có vùng phủ sóng riêng.
- Sự khác nhau giữa các mức độ lỗi giữa HP và LP sẽ phụ thuộc cả vào dạng điều chế (4QAM hay 16QAM) và tỉ lệ mã hóa dùng cho dịng LP
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 25
Dịng dữ liệu HP, ln được điều chế ở dạng 4QAM, có tốc độ bitrate hữu ích chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ mã hóa. Trong khi đó dịng LP được các máy thu xem như là nguyên nhân tăng thêm nhiễu của các góc phần tư trong chịm sao. Do vậy để đạt được tỷ số C/N chấp nhận được thì dịng HP phải chịu thêm một lượng đền bù.
c) Lý do điều chế phân cấp
Tại nhiều nước, việc triển khai dịch vụ số thường bằng cách chia sẻ dải tần UHF/VHF với các dịch vụ analog, nhưng vẫn sử dụng các kênh không mong muốn. Để tối ưu 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 như: chòm 64QAM và tỷ lệ mã bảo vệ 2/3.
Tùy theo cấu hình mạng và vùng phủ sóng mà ta có những sự lựa chọn sau: - 2k/8k: Tùy theo mạng MFN hay SFN và kích cỡ lớn nhất các khoảng cách giữa các máy phát.
- Khoảng bảo vệ: Tùy theo vùng phục vụ.
Điều chế phân cấp còn cho ta sự cân bằng giữa tốc độ bit với mức độ lõi, hay chính là giữa tốc độ bit với vùng phục vụ.
Trong thời kỳ đầu củ DVB – T, điều chế phân câp chỉ được xem như là cách để tạo ra hai vùng phủ sóng cho một máy phát xác định. Điều này chỉ thực sự cần thiết khi thực thi hai loại hình dịch vụ vì lúc đó điều chế phân cấp sẽ thể hiện được ưu thế về phổ mà vốn đã bị các dịch vụ analog chiếm giữ khá nhiều.
Tóm lại điều chế phân cấp thể hiện được tính linh hoạt, tùy theo quan điểm cũng như mối quan tâm của các nhà phát hình mà có những lựa chọn khác nhau.
2.2.5. Đồng bộ kênh
Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame). Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát- Transmission Parameter Signalling - TPS carriers). Lý do của việc hình thành các siêu khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ cấu hình tham số phát, điều này tránh việc phải chèn thêm các gói đệm khơng cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thơng 8 MHz (Việt Nam chọn dải thơng 8MHz, có nước chọn 7MHz). Hình 4.6 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số.
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 26
Băng thơng kênh OFDM symbol OFDM symbol Sóng mang con Thời gian Tần số
Hình 2.9. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)
Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa:
- Các sóng mang dữ liệu (video, audio,...) được điều chế M-QAM. Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K.
- Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha.
- Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chịm sao. Chúng khơng có vị trí cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8MHz. Bên máy thu khi nhận được các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đáp ứng kênh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần).
- Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thơng số phát được điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chịm sao, chúng nằm trên trục thực. Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K. Các sóng mang TPS này khơng những có vị trí cố định trên biểu đồ chịm sao, mà cịn hồn tồn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz.
2.2.6. Khoảng bảo vệ
Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì khơng chỉ có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà cịn 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 symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định.
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 27
Băng thơng kênh
Tần sầ
Thời gian
Hình 2.10. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ
Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt q khoảng tổ hợp của máy thu Tu. Như vậy 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 vượt 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 được thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ.
Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đường (multipath) của máy thu. Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phía phát. Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB-T [1]: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu và 1/32Tu. Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu khơng vượt q khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hồn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ.
2.2.7. Mạng đơn tần SFN
Khả năng thiết lập các mạng đơn tần SFN là một trong những mặt nổi bật của COFDM.
Mạng đơn tần SFN hoạt động dựa trên các máy phát đồng kênh. Các máy