2.3.1. Điều chế phân cấp.
Tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T gồm rất nhiều kiểu loại truyền dẫn, tạo điều kiện triển khai tín hiệu COFDM trong nhiều dịch vụ phát sóng khác nhau. Trong số đó, điều chế phân cấp cho phép phát sóng đồng thời 2 dòng truyền tải MPEG độc lập với khả năng chống lỗi khác nhau trên cùng một kênh RF.
Và với phương thức điều chế phức tạp và khá lạ lẫm này, chúng ta có thể
hình dung ra một số tính năng dịch vụ mới:
- Một máy phát với 2 vùng phủ sóng riêng biệt. - Giải quyết được cả thu di động lẫn thu cốđịnh.
- Phát đồng thời các chương trình số cả ở dạng tiêu chuẩn (SDTV) lẫn dạng có độ phân giải cao (HDTV).
Cùng với ứng dụng trong hoạt động của mạng đơn tần SFN, điều chế phân cấp đã nêu bật được các khả năng to lớn của hệ thống DVB-T. Và liệu điều chế
phân cấp có phải là một cơ hội cho nhiều dịch vụ mới? Chúng ta sẽ cùng nhau xem xét vấn đề này.
a- Chòm sao điều chế phân cấp.
Dạng điều chế phân cấp thực ra là sự biên dịch của 16QAM và 64QAM thông qua 4QAM, như ta thấy trên hình vẽ(xem hình 2.18).
Điều chế phân cấp được xem như là sự phân tách kênh RF thành 2 mạch ảo, mỗi mạch có một tốc độ bit riêng, một mức độ lỗi riêng và theo đó sẽ có vùng phủ
sóng khác nhau một chút. Chính sự kết hợp giữa dạng chòm sao và tỷ lệ mã hóa sẽ
quyết định sự khác nhau giữa 2 kênh ảo này.
Trên thực tế, việc mapping dòng dữ liệu đầu tiên sẽ sử dụng chòm sao 4QAM. Mỗi cặp 2 bít của dòng dữ liệu này sẽ xác định góc phần tư mà sóng mang chiếm giữ trong chòm sao. Sau đó, dòng dữ liệu thứ hai sẽ quyết định vị trí bên trong góc phần tưđó, bao gồm cả phần thực và phần ảo của sóng mang.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 45
4QAM over 4QAM 16QAM over 4QAM
1001 10HP 01 LP 10HP LP 1101 10 1101 Hình 2.18: Chòm sao phân cấp DVB-T.
Nếu dòng dữ liệu thứ hai được ánh xạ bởi các cặp 2 bít thì chòm sao phân cấp chính là "4 QAM thông qua 4 QAM". Và hình dạng nó sẽ giống như 16 QAM. Còn nếu 4 bít được sử dụng thì đó chính là "16 QAM thông qua 4 QAM", tạo nên dạng chòm sao 64 QAM.
Dòng bít dữ liệu đầu tiên sẽ luôn luôn sử dụng dạng điều chế 4 QAM, và
được gọi là dòng bít ưu tiên cao (HP). Dòng thứ hai, ít lỗi hơn, được điều chế ở
dạng 4 QAM hoặc 16 QAM, được gọi là dòng có mức ưu tiên thấp.
Các loại điều chế phân cấp cũng có một hệ số thay đổi, đó là α. Đây là tỷ lệ
giữa khoảng cách của hai điểm gần nhất của hai góc phần tư liền kề và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trong cùng một góc phần tư của chòm sao. Thực ra hệ
số α càng lớn thì càng có lợi cho điều chế HP 4 QAM nhưng khi đó điều chế LP lại khó chống lỗi hơn.
b- Các đặc tính điều chế phân cấp.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 46
- Cho phép phát sóng 2 dòng truyền tải MPEG độc lập trên cùng 1 kênh RF. - Mỗi dòng truyền tải sẽ có một khả năng chống lỗi riêng, do đó sẽ có vùng phủ sóng riêng.
Thực ra sự khác nhau giữa mức độ lỗi giữa HP và LP sẽ phụ thuộc cả vào dạng điều chế (4 QAM hay 16 QAM) và tỷ lệ mã hóa dùng cho dòng LP.
Dòng dữ liệu HP, luôn được điều chế ở dạng 4 QAM, có tốc độ bitrate hữu ích chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ mã hóa. Trong khi đó dòng LP máy thu xem như là nguyên nhân tăng thêm nhiễu của các góc phần tư chòm sao. Do vậy để đạt được lượng C/N có thể chấp nhận được thì dòng HP phải chịu thêm một lượng đền bù.
c- Tại sao lại dùng 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 hiện hành, nhưng vẫn là sử dụng các kênh không mong muốn (taboo channel). 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 sao 64 QAM và tỷ lệ mã bảo vệ 2/3.
Tuỳ theo cấu hình mạng và vùng phủ sóng mà ta có nhữn sự lựa chọn sau: - 2K/8K: tuỳ theo mạng MFN hay SFN, và kích cỡ lớn nhất của các khoảng cách giữa các máy phát.
- Khoảng bảo vệ: tuỳ vùng phục vụ (thành thị khác nông thôn, miền núi). Nhưng trên tất cả, các tính năng của điều chế phân cấp còn cho phép những
điều chỉnh hơn nữa trong việc lập mạng như một số tình huống phủ sóng như trên hình sau đây: HP HP LP LP HP HP LP LP REG REG Hình 2.19: Sơđồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 47
Điều chế phân cấp còn cho ta sự cân bằng giữa tốc độ bit với mức độ lỗi, hay chính là giữa tốc độ bit với vùng phục vụ.
Trong thời kỳ đầu của DVB-T, điều chế phân cấp chỉđược xem như là cách
để tạo ra hai vùng phủ sóng cho một máy phát xác định. Điều này thực sự là đúng, tuy nhiên chỉ 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 dỹ đã bị các dịch vụ analog chiếm giữ khá nhiều.
Tóm lại điều chế phân cấp thể hiện được khá nhiều tính linh hoạt, tuỳ theo quan điểm cũng như mối quan tâm của các nhà phát hình mà có những lựa chọn khác nhau. Một số ví dụ dưới đây đã được ghi nhận:
Quảng bá cho cả máy thu cốđịnh và máy thu có thể di chuyển.
Ứng dụng chính của điều chế phân cấp là cho các máy thu có thể dịch chuyển khi anten thu đặt trong nhà bằng việc thay đổi một chút các tham số điều chế. Trong khi các máy thu cố định có ưu thế về độ khuếch đại của các anten thu
đặt trên nóc nhà thì thu dịch chuyển lại chịu bất lợi do suy hao gây bởi chính các building. Trên hình vẽ ta thấy so với loại điều chế thông thường (REG) thì HP và LP bao phủ hai vùng riêng biệt.
HP HP LP LP HP HP Fixed receivers Portable receivers REG LPLP
Hình 2.20: Vùng phủ sóng cho máy thu cốđịnh và máy thu di động
Dòng dữ liệu thô hơn HP (chứa các chương trình "lõi") sẽ được cả máy cố định và di chuyển thu. Tuy nhiên khi thu di chuyển thì vùng phủ sóng HP sẽ lớn hơn một chút so với chính nó khi ở thể loại điều chế thông thường.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 48
Thực tế thì đâu là sự cân bằng nếu loại điều chế thông thường 64 QAM 2/3
được chuyển đổi thành phân cấp với HP là 4 QAM 1/2 và LP là 16 QAM 2/3. Về khía cạnh bitrate hữu ích thì việc chuyển từ tốc độ 24,13 Mbps sang 22,12 Mbps của phân cấp sẽ làm giảm tốc độ toàn cục đi 2,01 Mbps. Về tỉ lệ C/N, với kênh Gaussian, thì HP được bảo vệ tốt hơn, trong khi LP gần như giống với loại truyền dẫn thông thường.
Tóm lại việc giảm tốc độ tổng thể cũng không bằng việc chúng ta đạt được dòng HP có khả năng chống lỗi cao. Còn vùng LP thì hầu như không đổi thậm chí ngay cả trong trường hợp các máy thu di chuyển chịu sự suy giảm.
• Tăng bitrate của kênh
• Cho thu di động
• Phát đồng thời cả HDTV và SDTV
• Suy tính cho tương lai
Có lẽ trong những ngày đầu tiên thử nghiệm tiêu chuẩn DVB-T, điều chế
phân cấp chưa thu hút được sự chú ý của các nhà phát hình. Nhưng hiện nay tình hình thay đổi đã khiến điều chế phân cấp đang ở trong hoàn cảnh rất hấp dẫn. Như
một phần quan trọng trong tài sản của DVB-T, điều chế phân cấp cho phép tận dụng thêm hiệu quả về phổ khi sử dụng rất nhiều thể loại máy thu trong nhiều hoàn cảnh khác nhau.
Điều này giúp các nhà phát hình triển khai truyền hình số với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau mà không đòi hỏi gia tăng về phổ, đây chính là một lợi thế cho hệ thống DVB-T.
Thậm chí nếu ai đó cho rằng những lợi thế này không đáng để phân tích thì hiển nhiên "Hierarchical Modulation vẫn không chỉ là điều tuyệt diệu của các kỹ sư: nó là của tất cả, một tài sản không thể chối cãi của DVB-T".
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 49
2.3.2. Mạng đơn tần SFN.
a. Nguyên lý hoại động của SFN.
Hình 2.21: Mạng đơn tần SFN.
Mạng đơn tần (Single Frequency Network) DVB-T hoạt động dựa trên các máy phát đồng kênh. Các máy phát này phát cùng một tín hiệu tại bất kỳ thời điểm nào và tới bất kỳđiểm nào trong vùng phục vụ.
Mỗi máy phát trong mạng đơn tần phải thực hiện được: - Truyền cùng một tần số;
- Đồng bộ một cách chính xác với các máy phát khác trong mạng; - Sử dụng cùng một dòng truyền tải.
Những quy định này tạo nên những yêu cầu cho SFN cơ sở, vì nó có ảnh hưởng trực tiếp trong quá trình thiết kế mạng phát hình: đó là yêu cầu phải đồng bộ
các máy phát cả về mặt thời gian lẫn tần số.
b- Yêu cầu trong miền tần số của SFN.
Thực ra thì mỗi máy phát trong mạng SFN cũng sẽ được quản lý và điều khiển chính xác về mặt tần số làm việc như trong các mạng tần số thông thường. Nhưng với hoạt động của mạng SFN COFDM thì sự ổn định cũng như tính chính xác của tần số làm việc phải đảm bảo sao cho mỗi sóng mang phụ có một vị trí tuyệt
đối trong "không gian" mà tần số kênh RF đã từng sử dụng.
Thực tế, tần số chuẩn toàn cục lấy từ các máy thu GPS được sử dụng đểđồng bộ mạng SFN, như thấy trên hình 2.22.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 50 PA UP CONVERTER COFDM PROCESSOR GPS 10 MHz (10-9) SIGNAL to BROADCAST PA UP CONVERTER COFDM PROCESSOR SIGNAL to BROADCAST GPS 10 MHz (10-9) TX1 TX2 TX1 TX2 frequency frequency F0 in few Hz COFDM RECEIVER Hình 2.22: Đồng bộ miền tần số.
c- Yêu cầu trong miền thời gian đối với SFN.
Giá trị khoảng bảo vệđược chọn sẽ là điểm chính trong cấu hình mạng SFN: vì khoảng bảo vệ sẽ phản ánh trễ phản xạ lớn nhất mà hệ thống có thể chấp nhận
được, và nó cũng phản ánh khoảng cách lớn nhất giữa 2 máy phát trong mạng. Có lẽ yêu cầu về mặt thời gian chính là một thách thức đối với các nhà phát hình: vì nó đòi hỏi mỗi máy phát phải phát cùng một symbol tại cùng một thời
điểm, nên tất yếu dẫn đến đồng bộ về thời gian. Việc đồng bộ này sẽ đảm bảo sao cho các echo (tự nhiên hay nhân tạo) đều nằm trong phạm vi của khoảng bảo vệ. Như ta thấy minh họa trên hình 2.23. P A C O F D M P R O C E S S O R G P S 1 p p s P A P R O C E S S O RC O FD M T X 1 T X 2 T X 1 T X 2 T im e D e liv e ry T im e in fe w µs G P S 1 p p s P R IM A R Y D IS TR IB U T IO N N E TW O R K P R IM A R Y D IS TR IB U T IO N N E TW O R K T im e C O F D M R E C E IV E R Hình 2.23: Đồng bộ về mặt thời gian.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 51
Cửa sổ thời gian sẽ cho phép loại bỏ khoảng bảo vệ trong lúc lấy mẫu tín hiệu tại máy thu. Vì thế khoảng bảo vệ phải được bố trí như là một "quĩ thời gian": nó sẽđược dùng trong không gian nhưng không sử dụng để bù lỗi đồng bộ thời gian của các máy phát.
Thực tế các nhà điều hành mạng sử dụng đồng hồ tham chiếu lấy từ GPS với xung chuẩn 1PPS. Xung chuẩn này cho phép chèn thêm nhãn thời gian tại lúc ghép kênh, giúp cho tại mỗi máy phát bộ xử lý COFDM có thể gây trễ ghép kênh đầu vào cho đến khi có sựổn định thời gian chung.
d- SFN: ứng dụng thực tế.
Cơ chế của COFDM trong mạng SFN được thực hiện trong rất nhiều quốc gia cảở hệ thống DAB lẫn DVB-T. Ngày nay các mạng có tính thương mại sử dụng khả năng này để tối ưu hóa vùng phủ sóng cũng như để thực hiện mạng phát hình như là các cell RF (ở UK, Sweden, Spain và France).
SFN đựa trên COFDM hoàn toàn không phải là tính năng thú vị chỉ trong phòng thí nghiệm nó hoàn toàn có thểứng dụng trong thực tế.
SFN tạo ra hiệu quả về phổ lớn
Trong khi MFN có thể hoạt động xen với các dịch vụ analog thì SFN đòi hỏi một kênh RF trống hoàn toàn cho vùng phục vụ.
Hoạt động tốt nhất với mạng gồm nhiều máy phát công suất thấp. Nghĩa là SFN tận dụng tốt hiệu quả về công suất.
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 52
CHƯƠNG III
PHƯƠNG PHÁP ĐO, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T
Nội dung chương này sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp đo đánh giá chất lượng hệ thống truyền hình số mặt đất với các thông số kỹ thuật cơ bản và cần thiết nhất như bảng 3.1 dưới đây và được thực hiện đo ở các điểm giao diện như minh hoạ trên hình 3.1 và hình 3.2.
STT Tên thông số Máy
phát Mạng Máy thu 1 Các phép đo tần số: - Độ chính xác tần số RF - Độ rộng kênh RF - Độ dài Symbol x x x 2 Độ chọn lọc tần số x
3 Dải bắt AFC (AFC capture range) x
4 Tạp nhiễu pha bộ giao động nội (Lo) x x
5 Công suất tín hiệu IF/RF x x x
6 Công suất nhiễu x
7 Phân tích phổ IF/RF x x x
8 Độ nhạy máy thu/dải động đối với kênh Gaussian
x
9 Tạp nhiễu tương đương (END) x x
10 Tạp nhiễu nền tương đương (ENF) x 11 Đặc tính tuyến tính (suy giảm vai) x
12 Hiệu suất công suất x
13 Nhiễu cốđịnh x x
14 Quan hệ giữa BER và tỷ số S/N khi thay đổi công suất phát
x x
15 Quan hệ giữa BER và tỷ số S/N khi thay đổi nhiễu Gaussian
x x
16 BER trước giải mã viterbi (trước tráo trong) x x x 17 BER trước giải mã RS (trước tráo ngoài) x x x
18 BER sau giải mã RS x x
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 53
Hình 3.1: Sơđồ khối và các điểm đo của phần phát truyền hình số mặt đất DVB-T.
Hình 3.2: Sơđồ khối và các điểm đo của phần thu truyền hình số mặt đất DVB-T.
Front End OFDM, guard interval
insertion MPEG-2 Tranport Stream Mux. Adaptatio n Energy Dispersal Outer Coder Outer Inter- leaver Frame Adaptation Pilot & TPS Signal Mapp er Inner Coder Inner Inter- leaver IFFT ConvertUp er I/Q Modulatio n D/ A Power Amplifi er A B C D E F G J H I K QK M L K MPEG-2 Tranport Stream De- scrambler Outer Deinterleave r Demux Demapping Inner Decoder Inner Deinterleav er I/Q convers. FFT Channel Correct A/D Tuner N P R S T U V X V I K QK Z Y W Outer Decoder Analog Noise Digital Noise
Lưu Văn Dân - Lớp Kỹ thuật Điện tử K3 – Viện Đại học Mở Hà Nội 54
3.1. CÁC PHÉP ĐO TẦN SỐ. 3.1.1. Độ chính xác tần số RF. 3.1.1. Độ chính xác tần số RF.