Chương 2 TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB –T
2.2. Điều chế trong truyền hình số
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) 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. Còn 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. Dịng 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 thơng 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 quá 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 tồn 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.