Tỷ lệ mã FEC: 3 bit S30, S31, S32 được sử dụng để biểu thị tỷ lệ mã xoắn cho dòng HP và 3 bit S33, S34, S35 cho dòng LP. Thứ tự hiển thị bắt đầu cho dòng HP và kết thúc ở dòng LP như trong bảng dưới đây.
Bit S30, S31, S32 (Hp Stream) S33, S34, S35 (Lp Stream) Code rate 000 1/2 001 2/3 010 3/4
30 011 5/6 100 7/8 101 Reserved 110 Reserved 111 Reserved Bảng 1-7: Tỷ lệ mã sửa lỗi
Khoảng bảo vệ: 2 bit S36, S37 được sử dụng để biểu thị khoảng bảo vệ.
Bit S36, S37 Guard Interval value (∆Tu)
00 1/32
01 1/16
10 1/8
11 1/4
Bảng 1-8: Khoảng bảo vệ
Chế độ truyền dẫn: 2 bit S38,S39 được sử dụng để biểu thị chế độ 2 k hoặc 8k.
Bit S38, S39 Transmission mode
00 2k mode
01 8k mode
10 Reserved
31
Bảng 1-9: Mod truyền dẫn
Mã sửa sai cho TPS: Từ bit thứ 53 chứ thông tin TPS được mở rộng thêm 14 bit tương suy cho mã sửa lỗi làm ngắn BCH (67,53, t=2). Đa thức tạo mã:
H(x) = x18 + x9 + x8 + x6 + x5 + x4 + x2 + x + 1 (1-3)
Điều chế các sóng mang TPS
Các sóng mang TPS được truyền tại mức công suất thơng thường bằng các sóng mang dữ liệu – tức là E(c-c*) = 1. Mỗi sóng mang TPS được điều chế DBPSK và mang cùng 1 thông tin. Điều chế DPBSK được khởi tạo tại điểm bắt đầu của mỗi khối TPS. Quy tắc điều chế vị sai cho sóng mang TPS thứ k của symbol OFDM thứ 1 ở khung m như sau:
Nếu Si = 0 thì Re (Cm,l,k) = Re (Cm, l-1, k); Im (Cm,l,k) = 0 Nếu Si = 1 thì Re (Cm,l,k) = - Re (Cm, l-1, k); Im (Cm,l,k) = 0
Điều chế tuyệt đối của các sóng mang TPS ở symbol đầu tiên trong 1 khung OFDM được suy ra từ chuỗi wk như sau:
Re (Cm,l,k) = 2(1/2 - wk) Im (Cm,l,k) = 0
1.5 Mạng Đơn Tần
Trong môi trường thực tế, chúng ta đang chịu hậu quả của hiện tượng phản xạ sóng khi thu các chương trình truyền hình. Đối với cơng nghệ analog, nhiều sóng đến anten thu và gây ra nhiều hình trên TV, tạo nên hiện tượng bóng ma lem nhem, thậm chí các hình phá nhau làm mất đồng bộ và khơng thể xem được.
Sóng của máy phát hình số cũng chịu quy luật phản xạ, nhưng do kỹ thuật ghép đa tần trực giao OFDM và nhờ có thông số “khoảng thời gian bảo vệ” của DVB – T, nên các thiết bị thu số DVB – T khắc phục có hiệu quả hiện tượng phản xạ. Các tia (hoặc các chùm) sóng đến từ các hướng khác nhau với đoạn đường đi khác nhau tới anten thu, sẽ nhanh chậm khác nhau một khoảng thời gian.
32
Nếu mỗi điểm phản xạ ta coi như một máy phát con, thì nhìn tổng thể, như là một “mạng đơn tần tự nhiên” vì các tia (chùm) sóng: đều mang cùng dịng truyền tải TS, có cùng tần số và các chùm sóng đến điểm thu nhanh chậm hơn nhau, mà vẫn nằm trong khoảng thời gian bảo vệ. Chỉ có khác “mạng đơn tần tự nhiên” này khơng có sự tác động của con người để chuẩn chỉnh đồng bộ đúng như mạng đơn tần do con người chủ động tạo ra.
Theo thiết kế truyền thống, để đảm bảo một vùng phủ sóng chắc chắn, ngăn ngừa hiện tượng giao thoa giữa các tín hiệu truyền hình số được phát… người ta thực hiện sử dụng mạng đa tần (MFN: Multi Frequence Network), có nghĩa tần số phát của hai đài phát lân cận nhau phải khác nhau. Tuy nhiên, việc này làm cạn kiệt tài nguyên tần số quốc gia và không mạng lại hiệu quả kinh tế.
Do tính chất các chương trình truyền hình trong một hệ thống là giống nhau, lại cần phủ sóng trong một vùng rộng lớn, các nhà nghiên cứu phát triển truyền hình số đã đề xuất xây dựng hệ thống mạng đơn tần (SFN: Single Frequency Network), với đặc trưng tập hợp máy phát đồng bộ trong hệ thống, cùng một lúc phát trên một tần số, với cùng một tín hiệu, như vậy chúng ta đã giải quyết được vấn đề sử dụng hiệu quả nhất quỹ tần số đồng thời có thể tăng số trạm phát sóng lên, đảm bảo chất lượng phủ sóng tốt nhất mà khơng cần tăng công suất phát cũng như độ cao của anten phát.
Ngoài những ưu điểm cơ bản trên, mạng SFN còn cho thấy nhiều điểm nổi trội hơn so với mạng MFN như: công suất tiêu thụ nguồn tồn hệ thống ít hơn, giảm thiểu lỗi dịch tần do hiệu ứng Doppler, lỗi truyền phát dữ liệu cũng được giảm thiểu, trễ và sai số theo thời gian ít hơn do giảm được cự ly từ đài phát tới các máy thu, giao thoa trong hệ thống giảm. Tại một vị trí nào đó trong vùng phủ sóng của một hệ thống SFN, máy thu nhận được tín hiệu đến là tập hợp các tín hiệu truyền hình (ở đây ta xét với mơ hình DVB – T) cùng tần số và nội dung tín hiệu, với trễ thời gian khác nhau phụ thuộc vào cự ly từ máy thu tới từng đài phát. Như vậy máy thu sẽ không thể làm việc nếu khơng có bộ phận xử lý trễ thời gian trong một
33
khoảng trễ nào đó. Một kỹ thuật được sử dụng phổ biến hiện nay là dùng các khoảng bảo vệ. Đối với hệ DVB – T, khoảng bảo vệ có thể kiểm sốt mức trễ thời gian lên tới 224µs. Một trong những ưu điểm của hệ thống DVB – T là sử dụng phương pháp điều chế tín hiệu OFDM và có chèn khoảng bảo vệ giữa các symbol của khung OFDM. Như vậy vùng phủ sóng của một Cell trong hệ thống SFN sẽ phụ thuộc nhiều vào độ dài trễ thời gian của tín hiệu thu được và tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal Noise Ratio). Đây sẽ là một trong những tiêu chuẩn để xác định bán kính vùng phủ sóng.
Mạng đơn tần là một mạng lưới các trạm phát sóng sử dụng cùng một tần số để phát sóng cùng một nội dung thông tin. Mạng đơn tần là một trong những phương pháp mở rộng phạm vi phủ sóng mà khơng cần bổ sung thêm tần số.
Mạng đơn tần có thể triển khai trên cả hệ thống phát thanh số T-DAB và cả hệ thống truyền hình số DVB-T. Ngồi ra mạng đơn tần cịn được sử dụng trong các hệ thống thơng tin vô tuyến khác chẳng hạn như các mạng nội bộ khơng dây.
Hình 1-6: Mạng đơn tần
Mạng đơn tần sử dụng điều chế COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ghép kênh phân chia tần số trực giao theo mã. COFDM
34
khắc phục được hiện tượng nhiễu đa đường (các tín hiệu phản xạ và tín hiệu chính cùng tới phía thu) nhờ sử dụng một “khoảng bảo vệ”. Thông số này tỉ lệ với thời gian không truyền dữ liệu giữa các symbol. Nhờ khả năng chống lại hiện tượng đa đường, chúng ta có thể xây dựng một mạng SFN với vùng phủ sóng chồng lấn của nhiều máy phát cùng phát một tần số. Ở khu vực giao thoa, tín hiệu yếu hơn trong hai tín hiệu đến sẽ được xem như là một echo của hiện tượng đa đường. Tuy nhiên, echo phải làm trong phải bảo vệ và các trạm phát phải được đồng bộ. Do vậy, nếu hai trạm phát ở xa nhau, thì trễ giữa hai tín hiệu từ hai máy phát lớn và hệ thống sẽ cần một khoảng bảo vệ lớn.
1.5.1 Phân loại mạng đơn tần
Mạng SFN có thể thiết lập và phân loại về mối tương quan hoặc không tương quan theo nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu của nhà điều hành và các điều kiện thực địa của khu vực triển khai mạng SFN.
Một mạng SFN tương quan là mạng mà nội dung các chương trình là giống hệt nhau trên tồn mạng. Một mạng SFN khơng tương quan là mạng mà khơng có mối tương quan nào giữa các tín hiệu từ các trạm phát khác nhau, hoặc về nội dung hoặc về sự đồng bộ. Có thể phân loại SFN như sau:
1. SFN quốc gia (National SFN), nơi mà có nhiều máy phát cơng suất cao, riêng biệt nhau. Mạng SFN điển hình này sẽ bao phủ một khu vực rộng lớn giống như cả một khu vực hoặc một đất nước và được áp dụng như là một dịch vụ truyền hình quốc gia.
2. SFN khu vực (Regional SFN), nơi mà có một hoặc nhiều máy phát công suất cao, riêng biệt nhau.
3. SFN địa phương (Localized SFN) nơi có các trạm phát chính cơng suất cao có thể hoạt động trên các kênh khác nhau nhưng có các nhóm trạm phát SFN địa phương gần mỗi trạm phát chính.
35
4. SFN gap filler là nhiều máy phát đồng kênh công suất thấp được cấp tín hiệu cao tần từ các máy phát chính và được sử dụng để khắc phục ở các khu vực chưa được phủ sóng.
5. SFN địa phương lai (Hybrid localized SFN) nơi mà mỗi máy phát công suất lớn hoạt động trên một kênh khác nhau nhưng đưa tới tất cả các trạm lặp hoạt động trên một kênh chung. Những trạm lặp này có thể có hoặc khơng được đồng bộ về mặt điều chế.
1.5.2 Đồng bộ trong mạng đơn tần
Để mạng đơn tần hoạt động một cách hồn hảo thì phải đảm bảo 3 điều kiện sau: một là các máy phát phát cùng 1 dòng truyền tải, hai là phát cùng một tần số, ba là các máy phát phát cùng một thời điểm.
1.5.2.1 Đồng bộ dòng truyền tải
Tất cả các máy phát trong mạng đơn tần chỉ phát đúng 1 dòng truyền tải duy nhất (cả về nội dung và thời gian). Về nội dung có nghĩa là các máy phát bất kỳ trong mạng cũng khơng được làm mất tính thống nhất trong dịng truyền tải đó, việc thêm vào hay bớt đi 1, 2 chương trình nào đó hay thêm vào bất cứ số liệu nào dù rất nhỏ cũng không được
Tín hiệu chuẩn để đồng bộ của tất cả các máy phát dựa vào là tín hiệu có tần số 10Mhz và 1pps và do hệ thống định vị toàn cầu GPS cung cấp. Vấn đề mấu chôt là phải đồng bộ các dòng truyền tải TS tại các máy phát, vì dịng truyền tải TS từ trung tâm truyền tới các máy phát ở các vị trí khác nhau sẽ có thời gian nhanh chậm khác nhau. Dịng truyền tải TS thơng thường gồm các gói TS có kích thước 188 Byte: phần mào đầu (Header) 4 Byte và phần mang thông tin( PayLoad) chiếm 188Byte. Dòng truyền tải TS của mạng đơn tần khác dịng TS thơng thường là nó phải thêm các gói thơng tin để phục vụ cho việc đồng bộ. Các gói này có tên là “ gói khởi tạo Mega-Frame” ( Mega-Frame Initialization Packet - MIP). Gói MIP có kích thước giống như các gói TS khác, tức là cũng có 4 Byte Header và 188 Byte
36
PayLoad. Nhiệm vụ của bộ thích ứng mạng đơn tần (SFN adapter) là tạo ra các gói MIP và cài chúng vào dịng TS để truyền đi.
Khối thích ứng mạng đơn tần tạo ra các Mega – Frame , mỗi Mega – Frame này bao gồm n gói TS tương ứng với 8 khung (chế độ 8k) hay 32 khung (chế độ 2k) và chèn vào một gói khởi tạo MIP với một giá trị nhận dạng gói PID gắn vào. MIP trong 1 Mega – Frame chỉ có 1 gói duy nhất, có thể được chèn vào bất cứ vị trí nào trong Mega – Frame, gói MIP trong Mega – Frame cho phép nhận ra điểm bắt đầu (cụ thể là gói đầu tiên) của Mega – Frame ngay sau nó. Q trình này được thưc hiện bằng cách sử dụng 1 con trỏ trong MIP, tự nó chỉ ra vị trí của nó về điểm bắt đầu của Mega – Frame tiếp sau.
Hình 1-7: Cấu hình một Mega - Frame
Khoảng thời gian của một Mega – Frame phụ thuộc vào băng thông của kênh cao tần và khoảng bảo vệ.
1.5.2.2 Đồng bộ về tần số
Trong hệ thống DVB-T, kỹ thuật điều chế là COFDM, kỹ thuật này bị ảnh hưởng bởi hiện tượng fading đa đường. Một số lượng lớn sóng mang được sử dụng để mang thông tin. Độ chính xác cao của xung 10Mhz sẽ đảm bảo các máy phát thuộc mối SFN cell phát chính xác số lượng sóng mang (ở cùng tần số, khơng xảy ra hiện tượng dịch chuyển về tần số).
37
Cần chú ý rằng, sự thiếu chính xác về đồng bộ tần số sẽ làm cho vùng phủ sóng kém đi (nhiễu giữa các sóng mang tăng lên). Do vậy, việc sử dụng các chức năng tùy chọn là một giải pháp để giải quyết sự thiếu chính xác này.
1.5.2.3 Đồng bộ thời điểm phát của các máy phát
Vì các máy phát ở các khu vực khác nhau nên thời gian truyền luồng dữ liệu từ trung tâm tới là khác nhau cà thời gian trễ xử lý của các máy phát cũng khác nhau. Bù trễ thời gian động tức là làm trễ dòng truyền tải TS của từng máy phát, để mọi máy phát trong mạng đơn tần bức xạ “gói đầu tiên” của Mega – Frame cùng 1 thời điểm. Khi trễ do mạng truyền dẫn thay đổi thì tại đầu vào của mỗi máy phát thời gian lưu trữ hay làm chậm Frame của từng máy phát sẽ thay đổi theo. Ví dụ với 3 máy phát ở 3 khu vực khác nhau như hình dưới, với giá trị trễ lớn nhất của mạng được cài đặt là 900ms.
Hình 1-8: Bù trễ động trong mạng đơn tần 3 máy phát
Như trong hình thì máy phát 1 ở gần trung tâm xử lý tín hiệu cần làm chậm dịng TS lại 1 khoảng thời gian là 890ms, máy phát 2 phải làm chậm dòng TS 1 khoảng thời gian là 700ms và máy phát 3 xa nhất cần làm chậm lại khoảng thời gian
38
là 600ms. Như vậy sau khi đủ thời gian 900ms thì các máy phát sẽ cùng bức xạ gói đầu tiên cùng 1 thời điểm, đảm bảo yếu tố thứ 3 trong thiết kế mạng đơn tần.
1.6 Một số vấn đề trong quy hoạch mạng đơn tần 1.6.1 Dịch tần số 1.6.1 Dịch tần số
Về nguyên tắc bất kỳ sự trôi tần số giữa các đài phát sẽ dẫn tới dịch tần số Doppler (Doppler shift) trên tín hiệu thu. Trên thực tế, các bộ san bằng yêu cầu mức dịch tần “tự nhiên” cỡ 1Hz, do đó các máy phát trong một SFN phải được đồng bộ trong khoảng 1Hz. Đây là yêu cầu bắt buộc và chỉ có thể thực hiện thông qua việc dùng một máy thu GPS hoăc đồng hồ tham chiếu có độ chính xác cao (Đồng hồ Cesium). Thông thường chúng ta chọn phương án ghép thêm tại mỗi trạm phát một máy thu GPS vừa tiện ứng dụng vừa giảm giá thành. Lúc này chúng ta có thể khẳng định lỗi di tần trong SFN sẽ nhỏ hơn việc chỉ dùng một đài phát cơng suất lớn, tín hiệu phải truyền phát trên một diện rộng và bị ảnh hưởng quá nhiều bởi mơi trường truyền sóng.
1.6.2 Lỗi dữ liệu
Về lý tưởng thì các máy phát phải truyền đi một cách chính xác các tín hiệu giống nhau. Để giải quyết việc này, chúng ta có thể thực hiện đơn giản nhất là phân bổ tín hiệu cao tần (RF). Thực tế, đây chính là vấn đề phải giải quyết trong hệ thống SFN khi sử dụng phương thức phát lặp chung kênh (on-chanel repeaters). Nếu không dùng các bộ phát lặp lại thì các máy phát phải có bộ điều chế giống hệt như nhau, các tín hiệu sau điều chế mà không giống nhau chắc chắn các máy thu không thể làm việc.
Vấn đề này hoàn toàn không gặp phải trong hiện tượng đa đường truyền thống, với trình độ cơng nghệ hiện nay có thể coi đây là vấn đề đã được giải quyết nhờ việc đồng bộ tần số và thời gian giữa các máy phát trong SFN. Mặt khác với các máy phát khác nhau, đặt tại các khu vực khác nhau yêu cầu bộ lọc công suất và giản đồ anten không giống nhau, do vậy méo tuyến tính khác nhau, nhưng trong SFN đó khơng phải là vấn đề đáng quan tâm vì các máy thu đều tự tiến hành sửa lỗi
39
mà không cần biết lỗi tuyến tính đó từ đâu do đó việc dùng các bộ khuếch đại giống hệ nhau cũng không cần thiết phải đưa ra và cũng không cần phải đặt vấn đề phát lặp lại.
1.6.3 Trôi và trễ thời gian đối với tín hiệu phát
Trễ thời gian trong phạm vi cho phép và trôi thời gian xuất hiện do sự không đồng bộ về thời gian giữa các máy phát được DVB-T xử lý thông qua khoảng bảo vệ. Đối với máy thu, trôi và trễ thời gian với tín hiệu thu được coi như một và phụ thuộc vào cự li của máy thu tới máy phát.
Để đơn giản ta xét ảnh hưởng giới hạn bởi hai máy phat có tọa độ giả định là (±c,0) có nghĩa là hai máy phát đặt cách nhau 2c km, máy thu có đường cong tham