e) Bộđiều chế (Modulator)
1.3.3.6 Những điểm khác biệt chính giữa DVB-T2 và DVB-T
Tiểu mục này tập trung vào những điểm khác biệt chính giữa DVB-T2 và DVB-T. Những cải tiến đặc biệt quan trọng của DVB-T2 so với DVB-T gồm có: Phƣơng pháp sửa lỗi mới, các dạng chế độ điều chế cao, giảm chi phí của các Pilot (reduced overhead of pilots), nâng cao việc phát hiện và đồng bộ tín hiệu. Hơn nữa,
DVB-T2 cũng có nhiều tùy chọn hơn cho số lƣợng các sóng mang, băng thơng, khoảng bảo vệvà mẫu Pilot dựa trên nhu cầu của kênh [22].
DVB-T2 đƣa ra PLP hoàn tồn rõ ràng, trong đó mỗi PLP có thể có dữ liệu với các cấu trúc khác nhau và các thơng số riêng biệt. Ví dụ, các thơng số nhƣ chịm sao, tốc độ mã hóa hoặc độ sâu thời gian xen kẽ có thể là khác nhau với các PLP khác nhau. Hơn nữa, hai chế độ đầu vào đƣợc xác định: Chế độ đầu vào A cho PLP đơn và chế độ đầu vào B cho nhiều PLP để dùng dịch vụ dạng đa PLP này.
DVB-T2 có nhiều tùy chọn cho việc chọn lựa băng thơng vì nó có nhiều hơn hai tùy chọn so với chuẩn DVB-T. Chuẩn mới DVB-T2 này có một tùy chọn băng thông 10 MHz để sử dụng chuyên nghiệp và một tùy chọn 1,712 MHz cho các dịch vụ di động, trong khi DVB-T chỉ có các tùy chọn 6 MHz, 7 MHz và 8 MHz. Chuẩn mới này cũng có dạng chịm sao cao nhất có thể sử dụng là 256-QAM trong khi chuẩn cũ DVB-T cao nhất chỉ là 64-QAM. Sử dụng dạng chòm sao cao nhƣ vậy sẽ gia tăng dung lƣợng và hiệu suất kênh truyền.
Chuẩn DVB-T có sáu tùy chọn số lƣợng số lƣợng sóng mang cho kích thƣớc FFT: 1k, 2k, 4k, 8k, 16k và 32k, trong khi chuẩn cũ DVB-T chỉ có hai tùy chọn là 2k và 8k. Khi kích cỡ FFT lớn hơn thì việc ngăn ngừa xung nhiễu sẽ tốt hơn và khoảng bảo vệ dành cho một ký hiệu riêng biệt sẽ giảm xuống. Hơn nữa, DVB-T2 cịn có một tính năng khác nữa là gia tăng số các sóng mang con trên ký hiệu để truyền dữ liệu nếu sử dụng một chế độ sóng mang mở rộng ứng với các tùy chọn kích thƣớc FFT 8k, 16k và 32k. Trong chế độ sóng mang mở rộng này, vịng ngồi cùng của phổ tín hiệu OFDM có thể đƣợc mở rộng bởi vì phần hình chữ nhật của phổ cuộn ra nhanh hơn với các tùy chọn kích thƣớc FFT cao hơn.
DVB-T2 truyền các ký hiệu khởi đầu (preamble symbols) của dữ liệu tín hiệu ở đầu của khung lớp vật lý (PLP) để chỉ ra kiểu truyền dẫn và các thơng số truyền dẫn cơ bản. Ví dụ, mỗi khung DVB-T2 bắt đầu bằng một ký hiệu khởi đầu có tên là P1 để chỉ ra đây là tín hiệu DVB-T2 và để đạt đƣợc đồng bộ hóa nhanh hơn, ký hiệuP1 này nó cũng cho biết kiểu FFT và kiểu truyền dẫn SIMO/MISO. Hơn nữa, trong khung này cũng có một tập ký hiệu đầu P2 mang theo tồn bộ tín hiệu báo
hiệu L-1 động, tĩnh và cấu hình. Trong khi đó, chuẩn cũ DVB-T khơng có các ký hiệu khởi đầu này.
Chuẩn mới DVB-T2 có thêm nhiều tùy chọn linh hoạt hơn cho các Pilot phân tán, các tùy chọn này đƣợc sử dụng dựa trên kích cỡ FFT và phần phân số khoảng bảo vệ, trong khi chuẩn cũ DVB-T có một mẫu Pilot tĩnh cố định. Do đó, việc lựa chọn một mẫu Pilot phân tán (scattered pilot pattern) phụ thuộc vào kích thƣớc FFT và phần phân số khoảng bảo vệsẽ giảm bớt chi phí hoạt động mang các Pilot. Ngồi ra, chi phí hoạt động cho các Pilot liên tục cũng đƣợc giảm trong chuẩn DVB-T2.
DVB-T2 đƣa ra một kỹ thuật mới, ở đây chòm sao đƣợc xoay trong mặt phẳng phức I/Q nhằm kết hợp đầy đủ thơng tin để mỗi trục riêng của nó có thể xác định đƣợc điểm nào đã đƣợc gửi. Hơn nữa, quá trình xử lý xen kẽ tách biệtcác thành phần I và Q, chúng đƣợc truyền trên các tần số khác nhau ở các thời điểm khác nhau. Điều này dẫn đến một tình huống mà nếu một thành phần bị phá hủy bởi kênh thì các thành phần khác có thể đƣợc sử dụng để khơi phục lại thành phần đã bị hủy.
Một điểm quan trọng nữa trong DVB-T2 là nó có bốn bộ xen kẽ (interleavers) do đó hiệu suất nâng cao đáng kể, bốn bộ xen kẽ cụ thể là: bộ xen kẽ tần số và thời gian, bit, tếbào. Mục đích của các bộ xen kẽ này là trải dữ liệu ra trong miền tần số và thời gian thành một chuỗi dữ liệu dài nhƣ vậy nó sẽ khơng bị phá hủy bởi xung nhiễu hoặc pha đinh chọn lọc tần số. Xung nhiễu (Impulsive noise) đƣợc mô tả là sự xáo trộn trong một khoảng thời gian ngắn và pha đinh chọn lọc tần số đƣợc mô tả là sự xáo trộn trong một khoảng tần số giới hạn. Ngoài ra, bộ xen kẽ thời gian cũng bảo vệ tín hiệu DVB-T2 chống lại pha đinh chọn lọc thời gian.
DVB-T2 sử dụng mã hóa LDPC kết hợp với BCH mang đến hiệu suất tuyệt vời trong môi trƣờng tạp và nhiễu cao. Chuẩn mới này cũng sử dụng mã hóa xoắn (convolutional) và Reed-Solomon do vậy việc bảo vệ lỗi cũng tốt hơn chuẩn cũ DVB-T. Ngồi ra, tỷ số cơng suất đỉnh trên trung bình cũng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống OFDM, khi tỷ số này cao có thể làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại công suất. Do vậy, chuẩn DVB-T2 đƣa ra hai phƣơng pháp làm giảm
PAPR đƣợc mô tả ở phần trên. Hơn nữa, DVB-T2 cũng có tùy chọn mở rộng khung trong tƣơng lai (FEF) để có thể sử dụng trong các chuẩn cao hơn về sau.
Đối tƣợng DVB-T DVB-T2
PLP Khơng có sự hiện diện Có sự hiện diện Băng thơng 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz 1 MHz, 6 MHz, 7 MHz, 8 MHz, 10 MHz Dạng chòm sao QPSK, 16-QAM, 64-QAM QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM Các sóng mang 2k, 8k 1k, 2k, 4k, 8k, 16k,32k
Các phần khởi đầu (P1 & P2)
Khơng có sự hiện diện Có sự hiện diện
Mào đầu các Pilot phân tán
8% trong tổng số 1%, 2%, 4%, 8% trong tổng số
Mào đầu các Pilot liên tục 2,6% trong tổng số 0.35% trong tổng số
Xoay chịm sao tín hiệu Khơng xoay Có xoay
Các bộ ghép xen Có các bộ ghép xen bên ngồi và bên trong
Có các bộ ghép xen Bit, Tế bào, Thời gian và Tần
số Mã hóa FEC và tỷ lệ mã hóa Reed-Solomon + Mã xoắn 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 LDPC + BCH 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 Khoảng bảo vệ 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/256, 1/8, 19/128, 1/16, 1/32, 1/128 Giảm thiểu PAPR Khơng có Hai kỹ thuật ACE và TR Khung mở rộng trong
tƣơng lai FEF
Khơng có Có sự hiện diện
Bảng 1.2 So sánh tổng kết giữa hai chuẩn DVB-T2 và DVB-T 1.4 Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM 1.4 Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM
1.4.1 Lịch sử phát triển
Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ƣu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang con trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang con cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi
phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thơng thƣờng. Nhờ đó OFDM là chia dịng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lƣợng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp (SNR) của sóng mang đó.
Trong kỹ thuật điều chế OFDM thay vì sử dụng IDFT ngƣời ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Hình 1.9 a) Hệ thống khơng chồng lấn thơng thƣờng b) Hệ thống OFDM 1.4.2 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM
1.4.2.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới
Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến. Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới
- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terrestrial transmission) (1995).
- Hệ thống phát thanh số đƣờng dài DRM (Digital Radio Mondiale)
- Truy cập internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber line) - Các chuẩn IEEE 802.11a (1999), IEEE 802.11g.
- Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G ( hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax).
1.4.2.3 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, cả hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DAB và DRM chắc chắn sẽ đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa. Các mạng về thơng tin máy tính khơng dây nhƣ HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ đƣợc khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. Hiện tại trong thông tin di động đã có một số cơng ty Việt Nam thử nhiệm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM nhƣ VDC, VNPT.
1.4.2.4 Các hƣớng phát triển trong tƣơng lai
Kỹ thuật OFDM hiện đƣợc đề cử làm phƣơng pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và các hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G). Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập của mạng. Một vài hƣớng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộđiều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của cơng nghệ này cịn đƣợc kiểm chứng.
1.4.3 Tín hiệu OFDM
Trong OFDM, các sóng mang con đƣợc điều chế trong miền tần số, sau đó chúng đƣợc chuyển đổi sang miền thời gian và sau đó khoảng bảo vệ đƣợc thêm vào trƣớc khi truyền. Tín hiệu OFDM và khoảng bảo vệ đƣợc giải thích trong các phần sau đây.
Hình 1.10 Phổ tín hiệu a) Một kênh con OFDM b) Một tín hiệu OFDM 1.4.4 Khoảng bảo vệ 1.4.4 Khoảng bảo vệ
Trong hệ thống OFDM thực tế, tại một máy thu thì các kênh con trực giao khơng thể đƣợc duy trì và các kênh con riêng biệt khơng đƣợc ngăn cách hồn tồn bởi biến bổi Fourier nhanh (FFT) do ISI và ICI đƣợc sinh ra bởi kênh truyền. Việc truyền lan đa đƣờng trong kênh truyền dẫn, một máy thu sẽ nhận nhiều bản sao của tín hiệu gốc đã đƣợc truyền. Kết quả là, sẽ có ISI giữa hai hay nhiều ký hiệu OFDM liên tiếp vì một dịng liên tục của các ký hiệu OFDM đƣợc truyền từ máy phát. ISI này đƣợc loại bỏ bằng cách thêm một khoảng bảo vệ (∆g) với mỗi ký hiệu OFDM [15].
Để loại bỏ ISI đúng cách,thời gian của khoảng bảo vệ phải dài hơn độ rộngtrễ lan truyền kênh (Td). Trễ truyền lan là thời gian sai khác giữa thành phần đa đƣờng đầu tiên và cuối cùng. Sau khi sử dụng khoảng bảo vệ, tổng thời gian ký hiệu (Ts) của một ký hiệu OFDM để lại anten phát sẽ là tổng của khoảng thời gian ký hiệu hữu ích (Tu) và khoảng thời gian bảo vệ (∆g) nhƣ sau:
Ts = Tu + ∆g (1.2)
Tuy nhiên, khoảng bảo vệkhông loại bỏ nhiễu bán ký hiệu ( Self-Symbol interference SSI). SSI là nhiễu giữa các mẫu của ký hiệu OFDM giống nhau. Nhƣng SSI có thể cân bằng dễ dàng trong máy thu. Nếu khoảng bảo vệnày đƣợc thiết lập toàn “0” (zeros), thì vẫn có thể có một vấn đề của ICI, tức là vấn đề của các kênh
con không phải là trực giao với nhau. Để loại bỏ ICI, khái niệm về tiền tố tuần hoàn đƣợc sử dụng. Nó có nghĩa là mỗi ký hiệu OFDM đƣợc kéo dài chu kỳ [9] vì khoảng bảo vệ đƣợc sao chép từ phần cuối của một ký hiệu OFDM và đƣợc thiết lập nhƣ một tiền tố trên cùng một ký hiệu.
GI Ký hiệu GI Ký hiệu trễ Trải trễ TS Thời gian ∆g ∆g Bản sao của phần này đƣợc thêm ở đây
Hình 1.11 Tiền tố tuần hồn trong một kênh đa đƣờng
Một ký hiệu OFDM và phiên bản trễ của nó đƣợc biểu thị nhƣ hình 1.11, nó cho thấy ảnh hƣởng của khoảng bảo vệ đƣợc mở rộng chu kỳ. Có nghĩa là phiên bản đƣợc làm trễ ở trong khoảng bảo vệ. Khoảng bảo vệ này có thểsử dụng để đồng bộ ký hiệu và ƣớc lƣợng khoảng thời gian trễ trong máy thu và sau đó sẽ đƣợc loại bỏ trƣớc khi giải điều chế.
1.4.5 Thực hiện OFDM
Một tín hiệu OFDM có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Tín hiệu đƣợc truyền đi trong biểu thức dƣớiđây có thể đƣợc thực hiện bằng biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc N-điểm (N-pont IDFT):
x(n) = IDFT (X(k)) = , n = 0…..N-1 (1.3)
Tƣơng ứng trong máy thu, giải điều chế thực hiện biến đổi DFT nhƣ biểu thức sau:
Khi cần tính tốn nhanh thì các biến đổi Fourier rời rạc có thể đƣợc tính bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT). Lý do là FFT có một phép tính phức của O (Nlog2N) trong khi DFT có một phép tính phức của O (N2). Hơn nữa, cơng nghệ cải tiến gần đây về sự tích hợp quy mơ rất lớn (VLSI) và xử lý tín hiệu số tạo ra cơ hội tốt để dễ dàng thực hiện OFDM trong phần cứng bởi FFT và IFFT.
Chuỗi nhị phân Bộ mã hóa Bộ ánh xạ IFFT Thêm GI LPF Kênh truyền Bộ điều chế RF Bỏ GI S/P A/D LPF Bộ giải điều chế RF P/S D/A FFT Bộ cân bằng/Bộ ƣớc lƣợng Bộ giải ánh xạ Bộ giải mã Chuỗi nhị phân
Hình 1.12 Sơ đồ khối của máy phát và máy thu OFDM
Một sơ đồ khối hệ thống cơ bản của máy phát và máy thu OFDM sử dụng IFFT/FFT (hình 1.12). Trong máy phát, lúc đầu chuỗi nhị phân nối tiếp đến từ nguồn dữ liệu đƣợc chuyển thành song song và đƣợc nhóm thành một số các bit. Sau đó, bộ ánh xạ thực hiện ánh xạ các nhóm bít này theo nguyên lý điều chếđƣợc chọn để tạo thành chuỗi ký hiệu phức. Các ký hiệu này sau đó đƣợc điều chế trong băng gốc (baseband) bằng phép tính IFFT và sau đó, khoảng bảo vệ đƣợc thêm vào mỗi ký hiệu. Tiếp đó, bộ chuyển đổi song song - nối tiêp (P/S) thực hiện chuyển đổi dòng dữ liệu song song thành dòng dữ liệu nối tiếp để truyền đi. Tín hiệu rời rạc này sau đó đƣợc biến đổi thành tƣơng tự bởi bộ biến đổi số - tƣơng tự (D/A) và một bộ lọc thông thấp. Và cuối cùng, tín hiệu băng gốc (baseband) đƣợc chuyển tới thơng dải bởi bộ điều chế tần số vơ tuyến (RF) và tín hiệu đã sẵn sàng để truyền.
Trong máy thu, thực hiện các nhiệm vụ ngƣợc lại với bên máy phát để tái tạo lại chuỗi bít nhị phân đã truyền đi. Lúc đầu, bộ giải điều chế RF chuyển tín hiệu thu đƣợc từ thơng dải đến băng gốc (baseband) và sau đó, tín hiệu tƣơng tựđƣợc biến đổi thành tín hiệu số bằng bộ biến đổi (A/D). Sau đó dịng ký tự số nối tiếp đƣợc
chuyển đổi thành các dòng song song bằng bộ chuyển đổi nối tiếp - songsong (S/P).