Hình 2 .6 Phổ của sóng mang trực giao
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) Chòm 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 thông 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 thông 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 phát này phát cùng một tín hiệu tại bất kỹ thời điểm nào và tới bất kỳ điểm nào trong vùng phục vụ.
Có 3 quy tắc cơ bản đối với mạng đơn tần là mỗi máy phát trong mạng đơn tần sẽ phát:
- Cùng một tần số. - Cùng một thời điểm.
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 28
Lợi ích rõ ràng của SFN là ta có thể sử dụng 3 hay 4 máy phát bố trí theo địa hình để phủ sóng một khu vực bất kỳ. Một vùng có thể khơng nhận được tín hiệu của máy phát này nhưng lại có thể nằm trong vùng phủ sóng của máy phát khác.
2.3. Mã hóa kênh và điều chế trong DVB – T
Phân tán năng lượng Mã hóa ngồi Ghép xen ngồi Mã hóa trong Ghép xen trong Định vị ( Mapper) Thích ứng khung OFDM Chèn khoảng
bảo vệ Lọc FIR Khuếch đại
Lọc Band Pass Tách sóng
MPEG
Hình 2.11. Sơ đồ khối thực tế bên trong máy phát DVB – T
2.3.1. Phân tán năng lượng
Dòng số vào của hệ thống được tổ chức thành các gói có độ dài cố định chính là đầu ra của bộ ghép truyền dẫn các dòng MPEG – 2. Chiều dài tổng cộng của mỗi gói sau bộ ghép là 188 byte, trong đó có một byte chứa từ mã đồng bộ. Thứ tự xử lý ở phía phát ln ln theo thứ tự từ bit MSB ( bit 0 ) của byte chứa từ mã đồng bộ. Để đảm bảo các chuyển đổi nhị phân được thực hiện chính xác thì dữ liệu của khối ghép kênh MPEG – 2 đầu vào hệ thống được mã hóa.
Dữ liệu vào: 1011100xxxxxxxx… Dãy PRBS: 00000011
Đa thức bộ tạo chuỗi PRBS là 1 + X14 + X15
Việc nạp dãy 100101010000000 vào thanh ghi PRBS được bắt đầu tại đầu của mỗi lượt 8 gói truyền dẫn. Để cũng cấp tín hiệu khởi tạo cho bộ descrambler, byte đồng bộ của gói truyền dẫn đầu tiên trong nhóm 8 gói có các bit được đảo lại. Tồn bộ q trình được gọi là q trình thích nghi ghép truyền dẫn.
Bit đầu tiên tại đầu ra bộ tạo PRBS sẽ là bit đầu tiên (MBS) của byte đầu tiên sau byte từ mã đồng bộ đã được đảo. Để hỗ trợ thêm các chức năng đồng bộ, trong thời gian của các byte đồng bộ của 7 gói truyền dẫn ngay sau đó, chuỗi PBRS vẫn được tạo nhưng lại không lấy ra khiến các byte đồng bộ này không được ngẫu nhiên hóa. Vì thế chu kỳ của PRBS là 1503 byte.
Q trình ngẫu nhiên hóa cũng ở trạng thái tích cực khi dịng bit đầu vào bộ điều chế không tồn tại hoặc không cùng định dạng với dịng bit MPEG – 2.
2.3.2. Mã ngồi và tráo ngoài
Mã ngoài và tráo ngồi sẽ được thực hiện trên cấu trúc gói đầu vào theo hình vẽ (2.12a). Mã rút ngắn reed – solomon RS(204,188,t=8) được thực hiện với từng
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 29
gói đã được ngẫu nhiên hóa (188 byte) như hình (2.12b) để tạo ra gói có tính chống lỗi. Mã RS cũng được thực hiện với byte đồng bộ. Gói dữ liệu đó có thể được đảo hoặc không đảo.
SYNC byte
Dữ liệu sau khi ghép truyền dẫn MPEG – 2 187 byte
Hình 2.12a. Gói sau ghép truyền dẫn MPEG – 2
Đa thức mã: 0 1 15
....
g x x x x
Đa thức tạo thường: p(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + x1
Mã RS rút ngắn được thực hiện bằng cách thêm vào 51 byte thiết lập 0 trước các byte thơng tin tại đầu vào bộ mã hóa. Sau thủ tục mã hóa RS, các byte NULL này sẽ được loại bỏ để có được từ mã dài 204 byte.
SYNC1 Dữ liệu ngẫu nhiên hóa 187 byte SYNC2 SYNC8 Dữ liệu ngẫu nhiên hóa 187 byte Dữ liệu ngẫu nhiên hóa 187 byte SYNC1 Chu kỳ PRBS 1503 byte
8 gói sau ghép truyền dẫn
Hình 2.12b. Các gói truyền dẫn đã được ngẫu nhiên hóa
Hệ thống thực hiện việc tráo byte theo mã xoắn với độ sâu l=12 với các gói đã có tính chống lỗi tạo ra một cấu trúc dữ liệu được tráo trộn.
2.3.3. Mã trong
Hệ thống sẽ sử dụng đến một tập hợp các mã chập đục lỗ dựa trên một mã chập gốc có tốc độ mã là với 64 trạng thái. Điều này cho phép sự lựa chọn hợp lý nhất có khả năng sửa lỗi của hệ thống với một kênh cho trước hay một tốc độ dữ liệu cho trước trong cr mode truyền phân cấp và không phân cấp. Các đa thức sinh mã chập gốc của bộ tạo mã là:
Đầu ra X: G1 = 171OCT Đầu ra Y: G2 = 133OCT
Nếu sử dụng truyền dẫn phân cấp thi mỗi bộ mã hóa kênh (trong hai bộ song song) có thể có tốc độ mã riêng rẽ. Mã chập gốc khơng chỉ có tốc độ ½ mà cịn có tốc độ mã 2/3, 3/4,5/6, và 7/8.
2.3.4. Tráo trong
Tráo trong bao gồm quá trình tráo bit trước và tráo symbol sau. Cả hai quá trình đều thực hiện tráo các khơi bit dữ liệu.
2.3.4.1 Tráo bit
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam
Lâm Việt – Lớp CCVT05A 30
dòng con theo thứ tự điều chế và loại điều chế. Trong mode khơng phân cấp, dịng bit vào duy nhất được tách ra thành v dòng bit con, v = 2 khi điều chế QPSK, v = 4 khi điều chế 16-QAM và v = 8 khi điều chế 64-QAM. Trong mode điều chế phân cấp, cả hai dòng ưu tiên thấp thành 4 dòng con. Điều này được thực hiện với cả hai chế độ điều chế QAM đồng nhất và không đồng nhất.
2.3.4.2 Tráo symbol
Mục đích của tráo symbol là ánh xạ các từ mã v bit lên 1512 sóng mang (trong mode 2k) hay 6048 sóng mang (trong mode 8k) thuộc một symbol OFDM. Bộ tráo symbol thực hiện tráo các khối 1512 hay 6048 symbol dữ liệu.
Vì thế, trong mode 2k, 12 nhóm * 126 từ dữ liệu bộ tráo bit được đọc tuần tự vào vecto Y = (y’0,y’1, y’2, …..y’1511) và trong mode 8k tương tự là vector Y= (y’0,y’1, y’2,……….y’6047) được đọc tuần tự từ 48 nhóm * 126 từ dữ liệu.
Đầu ra bộ tráo là vector Y = (y’0,y’1, y’2, …..y’max-1) được định nghĩa:
YH(q) = y’q với các symbol chẵn ( q = 0,1 … Nmax-1 ) Yq = y’H(q) với các symbol lẻ ( q = 0,1 … Nmax-1 )
Chỉ số symbol xác định vị trí symbol OFDM trong khung OFDM là hàm hoán vị. Một vector Ri được tạo ra từ vector R’i bằng các hoán vị bit như trong hai bảng sau.
Các vị trí bit R’i
Các vị trị bit Ri
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0 7 5 1 8 2 6 9 3 4
Bảng 2.3. Các hốn vị trong mode 2k
Các vị trí bit R’i Các vị trị bit Ri 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 5 11 3 0 10 8 6 9 2 4 1 0 1 7
Bảng 2.4. Các hoán vị trong mode 8k
2.3.5. Hàm tín hiệu COFDM trong chuẩn DVB – T
Tín hiệu phát được tổ chức thành các khung. Mỗi khung có chu kỳ Tf chứa 68 symbol OFDM. Bốn khung như vậy tạo thành một siêu khung.
Mỗi symbol được tạo thành bởi một tập các sóng mang con. Trong mode 2k số sóng mang con là k = 1705 và mode 8k là k = 6817. Mỗi sóng mang có khoảng thời gian tồn tại Ts, bao gồm hai phần là thời gian hữu ích cho thơng tin TU và thời
Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam