i. Tiêu chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG
2.3.Mã hóa kênh và ghép kênh trong hệ thống T-DMB
Hình 2.13: Hệ thống T-DMB theo tiêu chuẩn DAB/Eureka 147
Những luồng dữ liệu của các dịch vụ khác nhau không thích hợp cho truyền dẫn theo khuôn dạng hiện tại, mà trước hết phải biến đổi thích ứng với những tính chất đặc biệt của kênh vô tuyến, quá trình đó được gọi là mã hoá kênh. Tiếp theo, các luồng dữ liệu đã mã hoá của các dịch vụ khác nhau phải được ghép vào m t dòng truyền tải chung trước khi truyền đi.
Phương thức mã hoá là phần quan trọng nhất của phương thức truyền dẫn trong các hệ thống vô tuyến số và các phương thức mã hoá mạnh hơn cho phép tốc đ dữ liệu cao hơn, công suất máy phát thấp hơn và thu ổn định hơn, dung lượng dữ liệu ghép tăng lên đáng kể và như vậy hiệu quả phổ tần cho T-DMB cao hơn DAB rất nhiều.
Dịch vụ DMB sử dụng mã lỗi hai bước, nhờ đó tạo ra sự truyền dẫn ổn định đối với nhiễu. Thậm chí, ngay cả khi người xem di chuyển ở vận tốc cao, những chương trình truyền hình di đ ng vẫn nhận được với chất lượng tốt. Nhờ áp dụng những giải pháp xen lẫn thời gian và tần số, những lỗi cụm lớn được chia nhỏ thành những lỗi bit riêng lẻ, nên đã tăng được đ tin cậy của chuẩn hoá lỗi.
M t kênh vô tuyến DAB/DMB có đ r ng băng tần là 1,536 MHz và có thể mang được từ 4 đến 5 chương trình truyền hình di đ ng và m t hoặc hai chương trình phát thanh phụ thu c vào lựa chọn cấu hình của nhà khai thác.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 29 2.3.1. Mã hóa kênh
Mục tiêu của mã hoá kênh nhằm để chuẩn bị các luồng dữ liệu sao cho với những lỗi xảy ra trong quá trình truyền, các máy thu chắc chắn có thể phát hiện ra và chuẩn hoá lại được. Công việc này được hoàn thành thông qua tính toán dữ liệu dự phòng từ các luồng dữ liệu. Trong khi mã hoá nguồn hướng tới loại bỏ các dữ liệu dư thừa, thì mã hoá kênh làm tăng tổng dung lượng dữ liệu để sự truyền dẫn đáng tin cậy hơn và cải thiện chất lượng dịch vụ. Hình 2.14 cho thấy quá trình mã hóa này của chuỗi truyền dẫn DMB.
Hình 2.14: Chuỗi truyền dẫn DAB/DMB
Khi ra khỏi bước m t (1) các luồng dữ liệu của tất cả các dịch vụ được mã hoá bởi m t phương pháp gọi là mã hoá xoắn (convollutional coding). Nó lấy ra n bits từ luồng dữ vào liên tục và sắp xếp chúng thành m bit tại luồng dữ liệu ra (m>n). Quá trình tạo ra các bit đầu ra được thực hiện bằng cách kết hợp (quấn) đầu ra các thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính. Sau đó tại máy thu, chúng được chuẩn hoá lại các lỗi truyền dẫn nhờ giải mã luồng dữ liệu vào bằng b giải mã Viterbi.
Tỉ lệ giữa số bit đầu vào và số bit đầu ra gọi là tỷ lệ (tốc đ ) mã R = n/m. Tỷ lệ mã càng thấp có nghĩa là xác suất của những lỗi được sửa chữa càng cao nhưng thấp hơn tốc đ dữ liệu thực đạt được tại kênh vô tuyến càng thấp. Bởi vậy, những tiêu chuẩn của DAB/DMB hướng tới cố định tỷ lệ mã hợp lý theo các mức nhiễu dự kiến. Các mức nhiễu này phụ thu c vào môi trường máy phát hoạt đ ng.
B giải mã Viterbi rất hữu dụng và tin cậy để phát hiện và hiệu chỉnh các lỗi bit đơn. Nhưng tiếc rằng, mỗi m t truyền dẫn vô tuyến lại chịu đựng sự xuất hiện của các lỗi cụm, mà đặc trưng của nó là m t số lớn các lỗi bit liên tiếp. Bời vì không thể chuẩn hoá được những lỗi chùm như vậy, nên các bit đầu ra được tạo ra bởi b mã xoắn phải được tr n trong bước kế tiếp, quá trình này được gọi là chèn thời gian (time interleaving) (bước 2). Theo cách này, luồng dữ liệu được chia nhỏ thành các từ mã có
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 30
đ dài cố định và các bit liên tiếp của m t từ mã được trao đổi với các bit của các từ mã trước và sau theo m t giải thuật nhất định. Tại đầu thu, trình tự bit gốc được lắp ghép lại bởi quá trình tách (De-Interleaving: giải chèn). Bởi vậy, những lỗi chùm trong suốt quá trình truyền dẫn được phân bổ thành m t vài từ mã, điều đó chúng được chia nhỏ ra thành những lỗi bit đơn và có thể được sửa lỗi bởi b giải mã Viterbi.
M t hạn chế của việc xen thời gian là sự trải r ng các bit liên tiếp trên m t số từ mã và nó sẽ gây ra trễ bởi vì máy thu không thể xử lý trước khi nhận được tất cả các bit cần thiết để khôi phục lại trình tự gốc của từ mã gốc đã nhận được. Đ trễ này nằm trong phạm vi khoảng vài trăm mili-giây, nó phải là vấn đề nghiêm trọng cho đa số các dịch vụ DAB/DMB, nhưng có thể là quá lớn đối với truyền dẫn thông tin điều khiển “nhạy với thời gian” (cũng như m t số các dịch vụ dữ liệu). Do đó, dữ liệu nhạy với thời gian như vậy được truyền tải trên kênh thông tin nhanh (FIC), kênh FIC không áp dụng chèn thời gian. Bù lại, kênh này phải chịu m t mã hoá xoắn vững chắc hơn các kênh khác.
Các luồng dữ liệu gốc từ dịch vụ video DMB, m t phương pháp sửa lỗi bổ sung được chỉ định trong tiêu chuẩn để có thể phục vụ những người xem di chuyển với tốc đ cao lên tới 200km/h với chất lượng dịch vụ chấp nhận được. Phương pháp này được gọi là mã hoá khối-block coding (bước 4), được thực hiện trước khi mã hoá xoắn tại trạm phát và thực hiện sau khi giải mã xoắn tại đầu thu tương ứng, và được hiểu dưới thuật ngữ outer coding (mã hoá bên ngoài).
Trái ngược với mã hoá xoắn, được thực hiện trên m t luồng dữ liệu liên tục, luồng dữ liệu tạo ra từ ghép MPEG-2 được chia nhỏ thành các khối có đ dài 187 byte. Đối với mỗi khối, m t mã Reed-Solomon được tạo ra, mã này được gán vào m t khối tương ứng m t từ tính chẵn lẻ có đ dài 16 byte. Phương pháp này cho phép sửa lỗi lên tới 8 byte lỗi trên m t khối. Tại bước tiếp theo, những khối liên tiếp và những từ tính toán chẵn lẻ liên quan phải trải qua các quá trình chèn khác để giảm bớt xác suất của lỗi chùm.
2.3.2. Ghép kênh
Tại bước kế tiếp, các luồng dữ liệu đã chèn thời gian từ m t số dịch vụ được hợp nhất vào trong m t dòng truyền tải chung, dòng này được xem như là dòng ghép nói chung và dòng tổng c ng nói riêng cho trường hợp DAB/DMB.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 31
Hình 2.15: Cấu trúc khung truyền dẫn DAB/DMB
B ghép kênh sắp xếp theo cấu trúc khung được mô tả trong hình 2.15. M t khung truyền dẫn được chia thành 3 trường mang dữ liệu: kênh đồng b , kênh thông tin nhanh (FIC), kênh dịch vụ chính (MSC). Kênh đồng b chuyển giao được mẫu bit cố định, đã được tiêu chuẩn hoá. Các mẫu bit này đánh dấu sự bắt đầu của m t khung và được sử dụng cho cả máy thu để đồng b với máy phát. Kênh thông tin nhanh chủ yếu mang thông tin cấu hình ghép kênh (MCI), thông tin chỉ thị cấu trúc và tổ chức tổng thể. Bởi vì đây là các thông tin nhạy cảm với thời gian, nên kênh không áp dụng đan xen thời gian.
Kênh dịch vụ chính mang thông tin người dùng của các dịch vụ DAB/DMB khác nhau và được chia thành m t số kênh con. M t kênh con mang duy nhất luồng dữ liệu của m t dịch vụ (ví dụ như dịch vụ truyền thanh DAB), có nghĩa các luồng dữ liệu ghép của cùng m t hoặc nhiều dịch vụ khác nhau không được truyền trên những kênh con này. Kích thước của các trường có thể được lựa chọn phụ thu c vào yêu cầu tốc đ dữ liệu tương ứng với dịch vụ. Máy thu có thể có được sự ấn định giữa các dịch vụ và các kênh con liên quan từ thông tin cấu hình ghép kênh (MCI).
Toàn b quá trình ghép kênh được điều phối bởi m t b điều khiển ghép, như chỉ ra ở bước 6 trong hình 2.14. Ở bước đầu tiên, những luồng dữ liệu đ c lập được hợp nhất vào m t b ghép MSC (bước 7). Sau đó, luồng dữ liệu MSC được ghép vào kênh truyền tải cùng với dữ liệu của kênh thông tin nhanh. B điều khiển ghép kênh cũng định cấu hình quá trình mã hoá xoắn. Quá trình này diễn ra riêng biệt với mỗi luồng dữ liệu để lựa chọn riêng rẽ m t tỷ lệ mã thích hợp.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 32
Vị trí của m t kênh con trong khung truyền dẫn được chỉ thị tới máy thu thông qua thông tin cấu hình ghép kênh. Như vậy, máy thu chỉ cần thu và giải mã các luồng dữ liệu thu c về các dịch vụ thực sự mà nó được sử dụng. Trong suốt thời nhận các kênh con khác, máy thu có thể giải kích hoạt (không kích hoạt), để giảm bớt tiêu thụ điện năng. Chẳng hạn, nếu như truyền tổng thể 4 chương trình truyền hình di đ ng, người xem chỉ xem có 1 chương trình thì máy thu có thể tắt ¾ thời gian. Kỹ thuật này được biết dưới thuật ngữ time clicing (cắt lát thời gian).
2.4. Ứng dụng OFDM trong điều chế và truyền dẫn của hệ thống T-DMB 2.4.1. Khái niệm OFDM 2.4.1. Khái niệm OFDM
OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn b băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có m t sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có m t số nguyên lần lặp trên m t chu kỳ kí tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Hình 2.16: Các sóng mang con OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ m t luồng dữ liệu tốc đ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc đ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên m t sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn đ giãn tần số m t cách hợp lý. Bởi vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc đ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do đ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào m t khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở r ng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 33 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.17: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung
2.4.2. Truyền dẫn đa đƣờng và nhiễu giữa các ký hiệu
Trong kênh vô tuyến, dữ liệu được truyền dưới dạng kí hiệu và mỗi kí hiệu mang m t hay m t vài bit của luồng dữ liệu. DAB/DMB truyền 2 bit bằng m t kí hiệu đơn, như vậy có định nghĩa 4 kí hiệu khác nhau “00”, “01”, “11”, “10”. Theo đó, sóng mang của kênh vô tuyến có thể chấp nhận 4 trạng thái của tín hiệu khác nhau, các trạng thái này được ấn định đ c lập trên ký hiệu tiếp theo. Quá trình này gọi là điều chế hay khoá dịch pha (shift keying).
Trong suốt quá trình truyền, m t tín hiệu đã được tạo ra theo cách trên bị nhiều hiện tượng khác nhau làm méo tín hiệu và làm cho máy thu khó hoặc thậm chí không thể nhận dạng được tín hiệu tới. Các ví dụ là truyền dẫn đa đường, suy hao, nhiễu, bóng do các tòa nhà cũng như dịch tần - dịch Dopler là do sự di chuyển của máy thu trong suốt quá trình truyền.
Hình 2.18 cho ta thấy truyền sóng đa đường do phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các tòa nhà, cây cối, xe c , núi. Và kết quả là tín hiệu được sao chép trong suốt quá trình truyền dẫn và máy thu không chỉ nhận được xung tín hiệu sơ cấp mà còn thu được các xung trễ thứ cấp khác của tín hiệu (như hình 2.19).
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 34
Hình 2.18: Quá trình truyền đa đường
Thời gian truyền sóng của xung tín hiệu tương ứng với đ dài đường dẫn từ máy phát tới máy thu. Đ trễ giữa thời điểm tới của xung tín hiệu sơ cấp và thời điểm tới của xung tín hiệu thứ cấp cuối cùng gọi là trải trễ, và đ lớn của nó phụ thu c rất nhiều vào khoảng cách phủ sóng của máy phát và mật đ chướng ngại vật trong các vùng lân cận. Khoảng cách phủ sóng càng lớn thì mật đ chướng ngại càng lớn và đ trải trễ càng r ng.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 35
Hình 2.20: Trải trễ có nhiễu giữa các Symbol (ký hiệu)
Quá trình truyền đa đường có thể gây ra nhiễu lớn nếu khoảng thời gian T của ký hiệu sử dụng nhỏ hơn trải trễ. Khoảng thời gian ký hiệu biểu thị thời gian m t ký hiệu được phát đi, tương ứng tỷ lệ nghịch với tốc đ ký hiệu. Như mô tả trong hình 2.20, các xung thứ cấp bị trễ của m t ký hiệu có thể phá vỡ các xung của ký hiệu tiếp theo nếu thời gian 1 ký hiệu nhỏ hơn trải trễ. Hiện tượng này gọi là nhiễu giữa các ký hiệu, đây cũng là m t trong những nguyên nhân chính gây lỗi truyền dẫn.
DMB hoạt đ ng ở những điều kiện rất thuận lợi cho nhiễu giữa các ký hiệu. Nếu quá trình truyền được thực hiện với điều chế m t sóng mang thông thường, thì các tốc đ dữ liệu cao chỉ có thể đạt được với khoảng thời gian ký hiệu trong vài micro giây. Khoảng thời gian này rất nhỏ so với trải trễ thông thường từ 10 đến hàng trăm micro giây (máy phát DMB ở khoảng cách xa và hoạt đ ng ở vùng đô thị). Trong mạng đơn tần trải trễ thậm chí còn lớn hơn rất nhiều vì máy thu có thể cũng nhận được các xung tín hiệu từ các máy phát bên cạnh. Để tránh nhiễu giữa các ký hiệu, hệ thống DMB đã được áp dụng m t kỹ thuật điều chế đa sóng mang.
2.4.3. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao-OFDM trong truyền dẫn T-DMB
Để điều chế đa sóng mang trong hệ thống DMB, m t kênh vô tuyến trong băng thông 1,536 MHz được chia nhỏ thành N sóng mang con, các sóng mang con đó truyền dữ liệu đ c lập nhau. Luồng truyền tải được phân phối qua N sóng mang con và do đó thời gian của kí hiệu ứng với mỗi sóng mang con có thể được mở r ng N lần so với khoảng thời gian kí hiệu sử dụng điều chế đơn sóng mang. Tất cả tốc đ kí hiệu của các kênh vô tuyến đều tương đương nhau, nhưng tránh được nhiễu giữa các kí hiệu
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 36
bởi vì khoảng thời gian ký hiệu trên mỗi sóng mang con lớn hơn khoảng trễ dự kiến, giả sử với N được chọn đủ lớn.
Tuy nhiên, điều chế đa sóng mang có thể chịu thiệt hại từ các búp sóng lân cận, các búp sóng lân cận sinh ra từ bức xạ ngoài băng trong ở các dải tần số bên dưới và bên trên của mỗi sóng mang con. Các búp sóng cạnh này không mang bất kỳ thông tin hữu ích nào (những thông tin cần thiết để nhận biết tín hiệu tới ở máy thu) nhưng chúng có gây méo quá trình truyền sóng của các sóng mang con lân cận. Do đó, m t quan hệ quan trọng khi sử dụng điều chế đa sóng mang là lựa chọn m t khoảng trống tần số hợp lý giữa các sóng mang con. Để đạt được mục đích này, các hệ thống DAB/DMB áp dụng m t kỹ thuật gọi là ghép kênh phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), trong đó các tần số sóng mang con được đặt trực giao với nhau. M t cặp sóng mang con được gọi là trực giao nếu như khoảng cách tần số giữa chúng bằng 1/Ts Hz, trong đó Ts là khoảng thời gian