Hàm hoán vị H(q) được xác định theo thuật toán sau:
Tương tự như y‟, y gồm có v bit: Y‟q = (y0,q‟, y1,q‟,...,yv-1,q‟) Trong đó q‟ là chỉ số ký tự tại đầu ra của bộ ghép ký tự.
1.5.1 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 phương 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 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).
Cùng với ứng dụng trong hoạt động của mạng đơn tần SFN, điều chế phân cấp đã nêu bật được 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, như ta thấy trên hình vẽ:
Hình 1.19: Chòm sao phân cấp DVB-T
Điều chế phân cấp được xem như 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 tư mà sóng mang chiếm giữ trong chòm sao. Sau đó, dòng dữ liệu thứ hai sẽ quyết định vị trí bên trong góc phần tư đó, bao gồm cả phần thực và phần ảo của sóng mang.
Nếu dòng dữ liệu thứ hai được 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 như 16 QAM. Còn nếu 4 bít được 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 được gọi là dòng bít ưu tiên cao (HP). Dòng thứ hai, ít lỗi hơn, được điều chế ở dạng 4 QAM hoặc 16 QAM, được gọi
là dòng có mức ưu tiên thấp.
Các loại điều chế phân cấp cũng có một hệ số thay đổi, đó là α. Đây là tỷ lệ giữa khoảng cách của hai điểm gần nhất của hai góc phần tư liền kề và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trong cùng một góc phần tư của chòm sao. Thực ra hệ số α càng lớn thì càng có lợi cho điều chế HP 4 QAM nhưng 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 được 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 được các máy thu xem như là nguyên nhân tăng thêm nhiễu của các góc phần tư trong chòm sao. Do vậy để đạt được lượng C/N có thể chấp nhận được thì dòng HP phải chịu thêm một lượng đền bù.
c- Tại sao lại dùng 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 hiện hành, nhưng vẫn là sử dụng các kênh không mong muốn (taboo channel).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 sao 64 QAM và tỷ lệ mã bảo vệ 2/3.
Tuỳ theo cấu hình mạng và vùng phủ sóng mà ta có những sự lựa chọn sau: + 2K/8K: tuỳ theo mạng MFN hay SFN, và kích cỡ lớn nhất của các khoảng cách giữa các máy phát.
Nhưng trên tất cả, các tính năng của điều chế phân cấp còn cho phép những điều chỉnh hơn nữa trong việc lập mạng như một số tình huống phủ sóng như trên hình sau đây:
Hình 1.20: 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 được xem như 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 được ưu thế về phổ mà vốn dĩ đã bị các dịch vụ analog chiếm giữ khá nhiều.
Tóm lại điều chế phân cấp thể hiện được khá nhiều tính linh hoạt, tuỳ theo quan điểm cũng như mối quan tâm của các nhà phát hình mà có những lựa chọn khác nhau. Một số ví dụ dưới đây đã được 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 ưu 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 thường (REG) thì HP và LP bao phủ hai vùng riêng biệt.
Dòng dữ liệu thô hơn HP (chứa các chương trình "lõi") sẽ được 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 thường.
Thực tế thì đâu là sự cân bằng nếu loại điều chế thông thường 64 QAM 2/3 được 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 (Gaussian) REG: 16,5 dB HP: 8,9 dB 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 được bảo vệ tốt hơn, trong khi LP gần như giống với loại truyền dẫn thông thường.
Tóm lại việc giảm tốc độ tổng thể cũng không bằng việc chúng ta đạt được dòng HP có khả năng chống lỗi cao. Còn vùng LP thì hầu như không đổi thậm chí ngay cả trong trường hợp các máy thu di chuyển chịu sự suy giảm.
Có lẽ trong những ngày đầu tiên thử nghiệm tiêu chuẩn DVB-T, điều chế phân cấp chưa thu hút được sự chú ý của các nhà phát hình. Nhưng hiện nay tình hình thay đổi đã khiến điều chế phân cấp đang ở trong hoàn cảnh rất hấp dẫn.
Như một phần quan trọng trong ưu thế 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.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 sư: nó là của tất cả, một ưu việt không thể chối cãi của DVB-T".
1.5.2. Mạng đơn tần SFN
a- Nguyên lý hoạt 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,
- Lượng thông tin phát đi giống nhau.
Những luật lệ này tạo nên những yêu cầu cho SFN cơ sở, vì nó có ảnh hưởng 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 được quản lý và điều khiển chính xác về mặt tần số làm việc như trong các mạng tần số thông thường. Nhưng với hoạt động của mạng SFN COFDM thì sự ổn định cũng như 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 được sử dụng để đồng bộ mạng SFN, như thấy trên hình 1.21.
Hình 1.21: Đồng bộ miền tần số c- Yêu cầu trong miền thời gian đối với SFN c- Yêu cầu trong miền thời gian đối với SFN
Giá trị khoảng bảo vệ được 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 được, 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. Như ta thấy minh họa trên hình 1.22.
Hình 1.22: 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 được bố trí như là một "quĩ thời gian": nó sẽ được dùng trong không gian nhưng 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 được thực hiện trong rất nhiều quốc gia cả ở hệ thống DAB lẫn DVB-T. Ngày nay các mạng có tính thương mại sử dụng khả năng này để tối ưu hóa vùng phủ sóng cũng như để thực hiện mạng phát hình như là các cell RF ở Anh, Thụy Điển, Tây Ban Nha và Pháp.
SFN dựa trên COFDM hoàn toàn không chỉ là tính năng thú vị chỉ trong phòng thí nghiệm mà nó hoàn toàn có thể ứng dụng trong thực tế.
- SFN tạo ra hiệu quả về phổ lớn
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.
1.6. Kết luận chƣơng I
Từ những phân tích trên ta có thể thấy được những ưu, nhược điểm khi sử dụng kỹ thuật điều chế DVB-T:
- Ƣu điểm:
• Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao ( nhất là với công nghệ truyền hình khi ghép nhiều kênh chương trình) với khả năng kháng nhiễu tốt trên kênh phađinh chọn lọc tần số.
• Tính phân tập tần số cao do thông tin được trải ra trên nhiều
sóng mang con khác nhau, tạo nên khả năng chống được các ảnh hưởng của kênh pha đinh chọn lọc tần số.
• Hiệu quả sử dụng phổ cao do OFDM sử dụng nhiều sóng mang
con 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 PAPR là cao.
• Quá trình đồng bộ gặp nhiều khó khăn hơn so với hệ thống thông thường vì hệ thống khá nhạy với nhiễu tạp âm, lỗi dịch tần số sóng mang, lỗi định thời tần số lấy mẫu...
CHƢƠNG II. TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2
2.1. Những ƣu điểm cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2:
Hệ thống DVB-T2 được xây dựng với mục đích:
DVB-T2 đạt được hiệu quả cao và khả năng xây dựng mạng mạng đơn tần diện rộng (SFN- Single Frequency Network)
DVB-T2 tương quan giữa các chuẩn trong họ các chuẩn DVB. DVB-T2 phát huy được những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn DVB khác. Ví dụ: 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).
Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các phương thức thu cố định và thu di động, hơn nữa cũng cho phép sử dụng được các anten thu đang sử dụng tại gia đình và sử dụng lại các hệ thống các anten phát hiện có.
Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 đạt được dung lượng truyền trong kênh cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%.
DVB-T2 có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ cụ thể, có khả năng cho phép đạt được độ tin cậy cao hơn đối với một vài dịch vụ so với các dịch vụ khác.
Cho phép linh hoạt đối với băng thông và tần số.
DVB-T2 có thể giảm tỷ lệ công suất đỉnh/công suất trung bình của máy phát, điều này giúp giảm điện năng tiêu thụ của toàn hệ thống.
...
Anh là nước đầu tiên trên thế giới phát sóng số mặt đất theo chuẩn DVB-T2. Sau một thời gian thử nghiệm DVB-T2 tại Anh, người ta thấy rằng:
Dung lượng truyền dữ liệu trong cùng 1 kênh của DVB-T2 cao hơn khoảng 50% so với DVB-T. Ngoài ra đặc biệt, DVB-T2 còn có khả năng chống lại hiện tượng phản xạ nhiều đường (Multipaths) và có khả năng can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T.
DVB-T DVB-T2
Phương thức điều chế 64 - QAM 256 - QAM
FFT 2K 32K Khoảng bảo vệ 1/32 1/128 FEC 2/3CC + RS 3/5 LDPC + BCH Pilot tán xạ 8.3% 1.0% Pilot liên tục 2.0% 0.53% L1 1.0% 0.53%
Phương thức sóng mang Tiêu chuẩn Mở rộng
Dung lượng 24.1Mbps 36.1 Mbps Bảng 2.1: Ví dụ so sánh DVB-T2 với DVB-T tại Anh
- Nhận xét: DVB-T2 đạt được dung lượng cao hơn so với DVB-T trong
mạng đơn tần (SFN) với cùng giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ (67%). DVB-T2 còn cho phép sử dụng khoảng bảo vệ lớn hơn 20% so với DVB-T, điều này cũng đồng nghĩa với việc mở rộng vùng phủ sóng của các máy phát trong mạng SFN.