i. Tiêu chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG
2.4. Ứng dụng OFDM trong điều chế và truyền dẫn của hệ thống T-DMB
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
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 ký hiệu trên mỗi sóng mang con [2].
Như mô tả trong hình 2.21, ưu điểm của trực giao là đỉnh của của các búp sóng chính của sóng mang con tương ứng với điểm 0 của các sóng mang con lân cận đi qua. Bằng cách này, bức xạ ngoài băng trong các búp sóng lân cận mất tác dụng với các sóng mang con khác và quá trình truyền trong m t sóng mang con không có tác đ ng xấu lên các sóng mang con lân cận. Hơn nữa, OFDM cho phép đặt các sóng mang con gần với nhau. Nhờ vậy, OFDM sử dụng băng thông rất hiệu quả so với các điều chế đa sóng mang không trực giao. Lý thuyết OFDM đã được biết từ lâu nhưng phần cứng cần triển khai trong các b thu đã không thể đáp ứng được thị trường trước thập niên 90.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 37 2.4.4. Điều chế và đan xen tần số
Khung truyền tải được tạo bởi quá trình ghép kênh cuối cùng được điều chế thành các sóng mang con của kênh vô tuyến OFDM. DAB/DMB sử dụng m t phương thức điều chế, sao cho pha của mỗi sóng mang con được dịch đi tùy thu c vào kí hiệu được truyền. Nói đúng ra, đó là m t biến thể của m t phương thức điều chế gọi là DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Bốn ký hiệu “00”, “01”, “11”, “10” được ấn định các dịch pha lần lượt là 0º, 90º, 180º, -90º. Để truyền m t kí hiệu, pha của mỗi sóng mang con được thay đổi theo dịch pha tương ứng và liên quan tới pha của ký hiệu trước đó. Quá trình này được mô tả trong hình 2.22.
Hình 2.22: Điều chế m t sóng mang con sử dụng DQPSK
Sự phân bố các kí hiệu lên các sóng mang con được ví dụ trong hình 2.23 cho m t kênh vô tuyến OFDM và chỉ với N=8 sóng mang con. Khung truyền tải được chia nhỏ thành các kí hiệu OFDM, mỗi kí hiệu bao bọc chính xác N sóng mang con và vì vậy bao gồm N ký hiệu DQPSK đơn. Các ký hiệu DQPSK không được ấn định theo trình tự các sóng mang con mà trước hết được tr n lẫn theo m t thuật toán nào đó mà các ký hiệu DQPSK liên tục không được phát đi trong các sóng mang con lân cận. Quá trình này gọi là đan xen tần số, nó gần giống như quá trình đan xen về mặt thời gian, được sử dụng để tránh lỗi cụm, nhờ đó mà nhiễu được trải ra m t số các sóng mang con lân cận.
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 38
Cuối cùng, tuỳ theo đ r ng của dải tần số cấp phát mà m t số kênh DAB/DMB có thể được thực hiện song song, như miêu tả trong hình 2.24. Ví dụ, dải tần số 7–8 MHz, dải tần phù hợp với băng thông của kênh truyền hình tương tự truyền thống, có thể cung cấp tới 4 kênh DAB/DMB cho truyền đồng thời cùng lúc từ 10 đến 15 chương trình truyền hình.
Hình 2.24: Kết hợp nhiều DAB/DMB
2.4.5. Chế độ truyền tải DMB
DMB đưa ra 4 chế đ truyền, các chế đ khác nhau ở số lượng sóng mang con được sử dụng cho 1 kênh vô tuyến trong dải tần số 1,536 MHz, cũng như khoảng thời gian cho 1 kí hiệu hay chiều dài 1 khung truyền. Sự lựa chọn chế đ nào để sử dụng phụ thu c vào kiểu truyền tải (mặt đất hay qua vệ tinh), dải tần số cho phép và các khu vực xung quanh (nông thôn, ngoại ô, đô thị). Nếu chế đ truyền dẫn dưới mặt đất được sử dụng thì cần phân biệt giữa mạng đơn tần và mạng đa tần. Những tham số đặc trưng của 4 chế đ truyền dẫn được liệt kê trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Đặc trưng của các chế đ truyền DMB
Mode I Mode II Mode III Mode IV
Mạng SFN MFN Cáp hay vệ tinh Mặt đất hay vệ tinh Dải tần số 174-216 MHz 1452-1467 MHz < 3GHz T:1452-1467MHz S:1467-1492MHz Khoảng cách 96km 24km 12km 48km
Số lượng sóng mang con 1536 384 192 768
Khoảng cách giữa các sóng mang con
1kHz 4kHz 8kHz 2kHz
Thời gian truyền kí hiệu 1ms 250µm 125µs 500µs
Thời gian bảo vệ 246µs 62µs 31µs 123µs
Số lượng Bit/kí hiệu OFDM 3072 768 384 1536
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 39
Nói chung, các chế đ có số lượng sóng mang con cao và thời gian truyền m t kí hiệu dài là lựa chọn ưa thích cho mạng DAB/DMB có vùng phủ sóng lớn, vùng phủ r ng gây ra trải trễ dài và ảnh hưởng can nhiễu của các kí hiệu lẫn nhau lớn. Đặc biệt đối với mạng đơn sóng mang, ở đó các máy thu cũng đón nhận được m t vài xung tín hiệu tới từ các máy phát lân cận. Trong tình huống này, DAB/DMB dự tính chế đ truyền dẫn I, cung cấp số lượng lớn nhất 1536 sóng mang con (cách nhau 1 kHz) và khoảng thời gian ký hiệu là 1ms. Trong các mạng dự kiến trải trễ nhỏ hơn thì có thể sử dụng các chế đ truyền có số lượng sóng mang ít hơn hoặc đ dài ký hiệu ngắn hơn, chẳng hạn 192 sóng mang con và thời gian truyền là 125µs cho truyền dẫn vệ tinh (mode III). Bất kể chế đ nào đang được sử dụng, tốc đ ký hiệu và dữ liệu là 1,2Msps (mega symbols per second) và 2,4Mbit/s tương ứng. Can nhiễu giữa các ký tự làm giảm sự bền vững được cải thiện tiếp tục bằng “thời gian bảo vệ” giữa các ký hiệu kế tiếp nhau.
2.5. Kết luận
Chương 2 đã trình bày về cấu trúc chung của m t hệ thống T-DMB. M t hệ thống T-DMB bao gồm ba phần: mạng cung cấp n i dung, mạng truyền dẫn và các thiết bị đầu cuối. Mạng cung cấp là nơi sản xuất và cung cấp các chương trình, các dịch vụ phát sóng. Và để có m t chương trình hoàn chỉnh để phát đi thì cần sử dụng đến nhiều công nghệ và tiêu chuẩn để mã hóa cũng như để nén tín hiệu trước khi truyền đi. 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. Để có được điều này T-DMB đã sử dụng 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. Trong truyền dẫn T-DMB sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Và mỗi sóng mang thành phần được điều chế bằng phương pháp DQPSK. Với những đặc điểm đó, T-DMB đã cho thấy những đặc điểm ưu việt của m t tiêu chuẩn công nghệ phát sóng quảng bá đa phương tiện số mặt đất.
T-DMB là m t công nghệ chính, m t giải pháp tối ưu để thực hiện truyền các dịch vụ media cho thiết bị di đ ng, cũng như thiết bị cố định. Những đặc điểm chính của DMB có thể được tổng kết như sau:
DMB là sự mở r ng của DAB, là hệ thống được sử dụng r ng rãi dành cho quảng bá vô tuyến số. DMB hỗ trợ mã hoá các chương trình truyền hình di đ ng theo các đ phân giải và các tốc đ khung khác nhau cũng như quảng bá tới nhiều loại thiết bị đầu cuối khác nhau như điện thoại cầm tay, PDA... Bên cạnh truyền hình di đ ng và phát thanh, DMB còn cung cấp các giải pháp cho truyền dữ liệu khác dựa trên nền IP.
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 1 hoặc 2 chương trình phát
SVTH: NGUYỄN MINH TUẤN 40
thanh. M t kênh vô tuyến với đ r ng băng tần 7 hoặc 8 MHz mà đang được truyền hình tương tự có thể cung cấp toàn b 4 kênh DAB/DMB như thế có thể mang được từ 15 tới 20 chương trình truyền hình di đ ng và 5 chương trình phát thanh.
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 và xem với chất lượng tốt. Nhờ áp dụng những giải pháp xen lẫn thời gian và tần số, những chùm lỗi lớn được chia nhỏ thành những lỗi bit riêng lẻ, nên đã tăng được đ tin cậy của chuẩn hoá lỗi.
Phương thức sử dụng điều chế đa sóng mang theo OFDM, DMB hạn chế được nhiễu giữa các ký tự (symbol), gây ra do truyền lan các tín hiệu vô tuyến đa đường.
M t ưu điểm khác của DMB là DMB có thể thực hiện được trên cơ sở hạ tầng của DAB và DAB lại đã được triển khai ở nhiều quốc gia. Do vậy không cần thiết phải thiết lập m t hạ tầng dành riêng cho DMB và vì vậy DMB không chịu chi phí triển khai cao như các hệ thống khác. Đây là lợi thế mà DMB đang có được ở các nước châu Âu, nơi mà DAB đã được triển khai r ng rãi.