14. Kết luận chương 1
2.1.4.Ánh xạ bit vào các giản đồ chòm sao
Mỗi khung FEC (chuỗi 64 800 bits hoặc 16 200 bits) được chuyển từ nối tiếp sang song song (mức song song = µMOD : 2 cho QPSK, 3 cho 8PSK, 4 cho 16APSK, 5 cho 32APSK) từ hình 2.10 tới hình 2.12, MSB của khung FEC được ánh xạ vào MSP của chuỗi song song đầu tiên. Mỗi chuỗi song song được ánh xạ vào chòm sao, tạo một (I, Q) chuỗi có độ dài đa dạng tùy thuộc vào việc lựa chọn hiệu suất điều chế µMOD.
Chuỗi vào là khung FEC, chuỗi ra là khung XFEC (chuỗi FEC phức tạp) chứa 64800/µMOD (trường hợp khung XFEC thường) hoặc là 16200/µMOD (khung XFEC ngắn) biểu tượng điều chế. Mỗi biểu tượng điều chế là một vector phức tạp trong định dạng (I, Q) (I là thành phần pha, còn Q là thành phần vuông) hoặc trong định dạng tương đương ρ.ejφ (ρ là thành phần biên độ vàφ là thành phần pha)
2.1.4.1. Ánh xạ bit vào chòm sao QPSK
Với QPSK, hệ thống sử dụng tiêu chuẩn mã Gray điều chế QPSK (không đổi). Các bit được ánh xạ vào chòm sao QPSK như hình 2.9. Năng lượng trung bình mỗi biểu tượng là ρ2=1.
Hai bit khung FEC được ánh xạ vào một kí tự QPSK, ví dụ bit 2i và 2i + 1 xác định biểu tượng QPSK thứ i, ở vị trí i = 0, 1, 2,…,(N/2) - 1. Với N là kích thước của khối mã LDPC.
2.1.4.2. Ánh xạ bit vào chòm sao 8PSK
Với 8PSK, hệ thống dùng tiêu chuẩn mã Gray điều chế 8PSK (không đổi). Ánh xạ bit vào chòm sao 8PSK như hình 2.10. Mức năng lượng trung bình của biểu tượng là ρ2=1.
Các bit 3i, 3i + 1, 3i + 2 của lối ra khối chèn xác định là biểu tượng 8PSK thứ i, ở vị trí i = 0, 1, 2,…, (N/3) – 1, với N là kích thước khối mã LDPC.
Hình 2.10. Ánh xạ bit vào chòm sao 8PSK
2.1.4.3. Ánh xạ bit vào chòm sao 16APSK
Giản đồ chòm sao của điều chế 16APSK gồm hai vòng tròn đồng tâm với 4 và 12 điểm PSK, lần lượt hai vòng tròn bán kinh là R1 và R2.
Tỷ lệ bán kính của vòng tròn ngoài với vòng trong (γ=R2 / R1) theo bảng 2.11.
Nếu 4 [R1]2 + 12[R2]2 = 16, năng lượng trung bình của tín hiệu là 1. Các bit thứ 4i, 4i + 1, 4i + 2 và 4i + 3 của lối ra khối chèn xác định là biểu tượng 16APSK thứ i, ở vị trí i = 0, 1, 2,…, (N/4)-1. Với N là kích thước khối mã LDPC.
Bảng 2.11. Tỷ lệ bán kính γ tối ưu (kênh tuyến tính) cho 16APSK. Tỷ lệ mã Hiệu suất điều chế/mã hóa phổ γ
2/3 2.66 3.15 3/4 2.99 2.85 4/5 3.19 2.75 5/6 3.32 2.70 8/9 3.55 2.60 9/10 3.59 2.57
2.1.4.4. Ánh xạ bit vào chòm sao 32APSK
Giản đồ chòm sao của điều chế 32APSK (hình 2.12)
Hình 2.12. Giản đồ chòm sao tín hiệu 32APSK
Gồm ba vòng tròn đồng tâm, các điểm PSK tương ứng trên vòng tròn là 4, 12, 16, vòng trong cùng có bán kính R1, vòng ở giữa bán kính là R2 và vòng ngoài cùng bán kính là R3. Bảng 2.12 chỉ rõ giá trị của γ = R2 / R1và γ2= R3 / R1.
Nếu 4[R1]2 + 12[R2]2 + 16[R3]2 = 32 thì năng lượng tín hiệu trung bình bằng 1 Các bit 5i, 5i + 1, 5i + 2, 5i + 3 và 5i + 4 của lối ra khối chèn xác định biểu tượng 32APSK thứ i, với i = 0, 1, 2,…, (N/5) – 1. (với N là kích thước khối mã LDPC).
Bảng 2.12. Tỷ lệ bán kính γ1vàγ2tối ưu (kênh tuyến tính) cho 32APSK Tỷ lệ mã Hiệu suất điều chế/mã hóa phổ γ1 γ2
3/4 3.74 2.84 5.27 4/5 3.99 2.72 4.87 5/6 4.15 2.64 4.64 8/9 4.43 2.54 4.33 9/10 4.49 2.53 4.30 2.1.5. Điều chế tín hiệu
Quá trình truyền dẫn số qua vệ tinh bị ảnh hưởng bởi công suất và giới hạn băng tần. Nên chuẩn DVB-S2 cung cấp nhiều mode truyền dẫn (mã hoá và điều chế FEC), nhằm cân bằng các điều kiện về công suất và phổ. Tỉ lệ mã 1/4 ; 1/3 ; 2/5 ;
1/2 ; 3/5 ; 4/5 ; 5/6 ; 8/9 và 9/10 sử dụng tuỳ theo lựa chọn điều chế và nhu cầu hệ thống. Tỉ lệ mã. l/4; 1/3 và 2/5 được dùng kết hợp với điều chế QPSK, dưới những điều kiện không thuận lợi, nơi mà mức tín hiệu thấp hơn nhiễu. Quá trình mô phỏng cho thấy mode BPSK kết hợp với tỉ lệ mã 1/2 và 2/3 và 4/5 chống nhiễu rất tốt. Có hai loại khối mã hoá FEC (64 800 và l6200) có đặc điểm: hiệu suất C/N tăng lên so với khối mã dài. Với các ứng dụng mà không để ý lắm tới độ trễ (ví dụ như việc quảng bá) thì sử dụng khối mã dài là sự lựa chọn tốt nhất, trong khi đó các ứng dụng tương tác sử dụng các khối mã ngắn sẽ hiệu quả hơn, do các gói thông tin ngắn được gửi ngay lập tức bởi các trạm phát.
Hình 2.1 3 . Bốn kiểu điều chế trong DVB-S2
QPSK và 8PSK dùng cho các ứng dụng quảng bá. Trong một số ứng dụng quảng bá đặc biệt (theo vùng) và các ứng dụng tương tác với đa đường vệ tinh, mode 16APSK cung cấp hiệu quả về phổ với việc giới hạn các thủ tục tuyến tính nếu việc sắp xếp thích hợp tiền méo dạng được sử dụng. Mode 32APSK, mục tiêu chính là cho các áp dụng chuyên dụng, có thể dùng cho quảng bá nhưng yếu cầu tỉ lệ C/N cao hơn và cần thêm trước cách thức tiền méo dạng ở phía up-link nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tính phi tuyến của transponder. Khi những mode này không đủ hiệu quả bằng các mode khác, thông lượng dữ liệu là lớn hơn nhiều. Giản đồ chòm sao 16APSK và 32APSK được đánh giá cho hoạt động qua transponder phi tuyến bằng việc đặt các điểm trên các vòng tròn. Tuy nhiên hiệu suất của chúng trên một kênh tuyến tính khác biệt với điều chế 16QAM và 32QAM. Tất cả các mode phù hợp cho các kênh vệ tinh hoạt động ở vùng gần tuyến tính, trong hệ thống đa sóng mang phân chia theo tần số (TDM) là một ứng dụng.
2.1.6. Khung lớp vật lý (PL)
Khối hệ thống PLFraining sẽ tạo ra khung lớp vật lý (đặt tên là FLFRAME) (theo hình 2.1 và 2.14) bằng quá trình sau: [6].
• Tạo các khung PLFRAME giả khi không có XFECFRAME sẵn sàng cho xử lý và truyền phát.
• Các khung XFECFRAME được cắt ra số nguyên S - độ dài các khe slot không đổi (Chiều dài M = 90 biểu tượng mỗi slot). S có giá trị như trong bảng 2 .1 3 . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Trường PLHEADER được tạo và chèn trước khung XFECFRAME để thiết bị thu biết các cấu hình luồng phát. PLHEADER chiếm chính xác một khe (chiều dài 90 biểu tượng).
• Chèn khối điều khiển (cho các mode yêu cầu điều khiển) 16 slot cho mỗi khối, để giúp thiết bị thu đồng bộ. Khối điều khiển bao gồm P = 36 biểu tượng điều khiển.
• Ngẫu nhiên hoá điều chế biểu tượng (I, Q) bằng cách xáo trộn lớp vật lý. Luồng vào của khối có thể là một XFECFRAME và lối ra là một PLFRAME bị xáo trộn.
Mức đầu tiên của khung được thiết kế để đồng bộ và báo hiệu mạnh hơn ở tầng vật lý. Nên thiết bị thu có thể đồng bộ (phục hồi sóng mang và pha, đồng bộ khung), dò tìm các thông số điều chế và mã hoá trước khi giải điều chế và giải mã FEC. Lớp vật lý DVB-S2 tạo chuỗi ổn định có chu kì " toa chở hàng" (khung lớp vật lý, PL frame): trong một khung, mã hoá và điều chế được phối hợp đồng nhất, nhưng có thể thay đổi được (mã hoá và điều chế thay đổi) trong những khung liền kề. Cấu trúc khung PL được ứng dụng độc lập (mã hoá và điều chế không đổi hoặc mã hoá và điều chế thay đổi).
Mỗi khung PL cấu tạo bởi:
• Trường tải trọng gồm 64 800 bit (khung FEC thông thường) hoặc 16200 bit (khung FEC ngắn), tạo thành từ việc mã hoá các bộ theo lựa chọn FEC; bởi thế nên trường tải trọng tương ứng với một khối mã theo LDPC/BCH FEC;
Trường mào đầu PL luôn có 90 ký tự và trường tải trọng luôn tạo bởi bội nguyên lần 90 ký tự (trừ ký tự điều khiển). Khi phần mào đầu PL là phần đầu tiên được giải mã bởi thiết bị thu, nó được bảo vệ bởi mã rất mạnh FEC kết hợp LDPC/BCH. Nói cách khác, nó có thể giải mã hoàn hảo ngay cả dưới điều kiện đường truyền rất tồi. Thế nên người thiết kế chọn tỷ lê bit thấp 7/64 khối mã, phù hợp cho giải mã đúng và giảm đi số bit báo hiệu để giảm độ phức tạp khi giải mã.
Hình 2.14. Định dạng của một “khung lớp vật lý” PLFRAME” Bảng 2.13. S = số khe (M = 90 biểu tượng) mỗi XFECFRAME
nldpc = 64800 (khung thường)
nldpc = 16200 (khung ngắn)
(µMODbit/s/Hz) S µ% không điều khiển S µ% không điều khiển
2 360 99.72 90 98.90
3 240 99.59 60 98.36
4 180 99.45 45 97.83
5 144 99.31 36 97.30
Hiệu suất khung PL là µ = 90S/[90(S + l) + P int {S - l)/16}], nơi mà P = 36 và int{.} là phần nguyên .
2.1.6.1 Chèn khung PL giả
Một khung giả PLFRAME bao gồm trường PLHEADER và 36 khe của sóng mang chưa được điều chế (I = (l / 2 ),Q = (l / 2)).
2.1.6.2. Phát tín hiệu PL
Trường PLHEADER mục đích là để cho thiết bị thu đồng bộ và phát tín hiệu lớp vật lý.
Để ý rằng: sau khi giải mã PLHEADER, thiết bị thu biết cấu trúc và khoảng thời gian của trường PLFRAME, điều chế và giải mã khung XFECFRAME, sự có mặt hoặc không có mặt của các ký tự điều khiển.
Trường PLHEADER (một khe có 90 biểu tượng) bao gốm các trường sau:
• SOF (26 biểu tượng), xác định bắt đầu của khung.
• Mã PLS (64 biểu tượng): mã PLS (phát tín hiệu lớp vật lý) có thể không là hệ thống mã nhị phân có độ dài 64 và kích thước 7 với khoảng cách ngắn nhất dmin = 32. Nó tương đương với phép hoán vị dưới mã Reed-Muller (mã RM: là một trong những mã sửa lỗi đầu tiên. Việc sửa lỗi là rất hữu dụng trong việc truyền thông tin qua khoảng cách lớn hoặc qua kênh mà có lỗi trong bản tin. Chúng trở nên phổ biến như hệ thống thông tin liên lạc đang ngày càng mở rộng và phát triển sử dụng mã có thể tự hiểu chỉnh. Vào năm 1954, mã RM được phát minh bởi D.E.Muller và I.S.Reed. Nhưng phải tới năm 1972 mã này được sử dụng bởi Mariner 9 phát bức ảnh Sao Hoả đen trắng. Mã RM dễ dàng giải mã). Nó phát 7 bit cho mục đích phát tín hiệu tầng vật lý. 7 bit này gồm hai trường: MODCOD và TYPE như sau:
- MODCOD (5 biểu tượng), xác định điều chế XFECFRAME và tỷ lệ FEC. - TYPE (2 biểu tượng), xác định độ dải khung FECFRAME (64 800 hay 16200 bit và báo sự có/vắng mặt của điều khiển.
PLHEADER, được biểu diễn bởi chuỗi nhị phân ( y1, y2, . . . , y90 ) được điều chế vào 90 π/2 BPSK biểu tượng theo qui tắc:
I2i-1 = Q2i-1 = (1/ 2)(1-2y2i-1) (2.4a) i2i = - Q2i = (1/ 2)(1-2y2i) với i = 1, 2, …, 45 (2.4b)
2.1.6.3. Chèn điều khiển
Hai loại cấu hình khả dĩ PLFRAME:
• Không có điều khiển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Có điều khiển.
Trong trường hợp sau của khối điều khiển bao gồm P = 36 biểu tượng điều khiển. Mỗi sự điều khiển là một biểu tượng không được điều chế, xác định bởi I =
(1/ 2) , Q = (1/ 2). Khối điều khiển đầu được chèn 16 khe sau trường PLHEADER, khung thứ 2 là 32 slot và cứ tiếp tục như vậy như miêu tả trong Hình 2.15. Nếu vị trí khối điều khiển trùng với bắt đầu SOF kế tiếp, thì khối điều khiển không được phát.
Điều khiển có/vắng mặt trong VCM và ACM có thể thay đổi trên khung hình chuẩn liên tiếp.
2.1.6.4. Xáo trộn lớp vật lý
Trước khi điều chê, mỗi PLFRAME bao gồm cả PLHEADER sẽ được ngẫu nhiên hoá để phân tán năng lượng (để tránh trường hợp có các cụm bit 0 và 1 liên tục quá dài) bằng nhân ( I + jQ) lấy mẫu bởi chuỗi ngẫu nhiên phức tạp (C1+ jCQ)):
ISCRAMBLED = [IC1 - QCQ] QSCRAMBLED = [ICQ+ QC1]
Chú ý: Chuỗi ngẫu nhiên hoá tỷ lệ tương ứng với tỷ lệ biểu tượng I-Q PLFRAME, thế nên nó không ảnh hưởng tới việc chiếm băng thông tín hiệu. Chuỗi ngẫu nhiên hoá có khoảng lớn hơn yêu cầu khoảng lớn nhất của 70 000 ký tự.
Chuỗi ngẫu nhiên hoá được khởi tạo lại ở phần cuối mỗi PLHEADER (Hình 2.15). Khoảng thời gian khung. PLFRAME tuỳ thuộc vào việc lựa chọn điều chế, nên độ dài chuỗi ngẫu nhiên hoá sẽ được cắt theo độ dài khung PLFRAME.
Hình 2.15. Xáo trộn PL
Chuỗi mã xáo trộn được cấu tạo bởi kết hợp hai chuỗi thực thứ m (được tạo ra bằng hai đa thức sinh bậc 18) vào trong một chuỗi phức tạp. Chuỗi thu được cấu thành từ hai đoạn của bộ chuỗi vàng.
Cho x và y là hai chuỗi tách biệt. Chuỗi x được cấu tạo từ đa thức gốc: 1 + x7 + x18 Chuỗi y cấu tạo từ đa thức: 1 + x5+ x7+ x10+ x18 (2.5)
Chuỗi phụ thuộc vào lựa chọn số mã xáo trộn n là kí hiệu zntrong đoạn tiếp. Hơn nữa, cho x(i), y(i) và zn(i) ký hiệu biểu tượng thứ i của chuỗi x, y và zn tách biệt. Chuỗi thứ m x và y cấu tạo gồm:
• Điều kiện ban đầu:
- x cấu tạo bởi x(0) = 1, x(1) = x(2) = ... = x(16) = x(17) = 0 (2.6) - y(0) = y(1) = … = y(16) = y(17) = 1 (2.7)
• Định nghĩa đệ quy của các biểu tượng sau:
- x (i+18) = x(i+7) + x(i) modulo 2, i=0,…218 - 20 (2.8) - y(i+18) = y(i + 10) + y(i + 7) + y(i) modulo 2, i = 0,…,218-20 (2.9) Chuỗi mã vàng thứ n zn, n = 0, 1, 2, …, 218 – 2 được định nghĩa như: - zn(i) = [x((i + n) modulo (218-1)) + y(i)] modulo 2, I = 0, …, 218-2 (2.10) Chuỗi bit nhị phân này được chuyển đổi thành một chuỗi giá trị nguyên Rn (Rn
giả sử giá trị là 0, 1, 2, 3) theo phép biến đổi:
Rn (i) = 2((i + 131 072) modulo (218 - 1)) + zn(i); i = 0, 1, 2, …, 66419 (2.11) Cuối cùng, chuỗi mã xáo trộn phức tạp thứ n Cl(i) + JCQ(i) được xác định: C1(i) + JCQ(i) = exp (jRn(i)π/2) (2.12)
Bảng 2.14. Khối biểu đồ khả dĩ cho xáo trộn tạo chuỗi PL với n = 0 Rn Exp (jRnπ/2) ISCRAMBLED QSCRAMBLED
0 1 I Q
1 J -Q I
2 -1 -I -Q
3 -j Q -I
Trong trường hợp dịch vụ quảng bá, n = 0 được sử dụng như là mặc định của chuỗi, để tránh phải chỉnh sửa bằng tay thiết bị thu hoặc trễ đồng bộ.
Chú ý: n giả định giá trị trong khoảng [0,262 141], biểu thị số chuỗi dàn trải. Sử dụng các chuỗi PL xáo trộn khác nhau cho phép giảm ảnh hưởng tương quan giữa hai dịch vụ khác nhau. Cho cùng mục đích, nó có thể dùng lại phiên bản trước của chuỗi giống trong chùm vệ tinh khác nhau. Hơn nữa n có khả năng kết hợp với mỗi vệ tinh hoặc trạm phát đáp, nên nó cho phép xác định tín hiệu nhiễu qua dò “dấu hiệu” xáo trộn PL.
Hình 2.16. Cấu hình của khối xáo trộn mã PL cho n = 0
2.1.7. Hình dạng băng cơ sở và điều chế vị trí góc vuông
Sau khi được ngẫu nhiên hóa, tín hiệu được lấy căn bậc hai lọc cosin tăng. Hệ số roll sẽ là α = 0.35; 0.25; 0.20 tùy theo yêu cầu dịch vụ.
Băng cơ sở của căn bậc hai bộ lọc cosin tăng xác định theo sự biểu hiện sau: H(f) = 1 với f < fN(1-α) (2.11a) − + = α f f 2f π sin 2 1 2 1 H(f) N N với fN (1-α) ≤ f ≤ fN(1+α) (2.11b) H(f) = 0 với f > fN (1+α) (2.11c) Vị trí: 2 R 2T 1 f s s N = = là tần số Nyquist và hệ số roll-off α (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều chế vị trí góc vuông được thực hiện bởi nhân cùng pha và lấy mẫu. góc vuông bởi sin ( 2 πfot ) và cos (2 πfot) tách biệt (fo là tần số sóng mang).
Kết quả hai tín hiệu được gộp lại để thu được tín hiệu điều chế lối ra.
2.2. Một sốđặc điểm nổi bật của tiêu chuẩn DVB-S2 2.2.1. Mã hóa LDPC/BCH 2.2.1. Mã hóa LDPC/BCH
Để đạt hiệu suất cao nhất, DVB-S2 dựa trên mã sửa sai kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LDPC, khối mã thì đơn giản với giới hạn về cấu trúc biểu thức đại số, được phát hiện bởi R. Gallager năm 1962. Mã LDPC có thuật toán giải mã không
quá phức tạp. Và có thể điều chỉnh được, điều này khiến cho hệ thống dễ dàng hơn trong việc dung hoà thông lượng và sự phức tạp.
Thuộc tính này cho phép tỉ lệ lỗi nhỏ chỉ thấp hơn từ 0,6 tới 1,2dB so với giới hạn Shannon:
* Lượng rất lớn khối mã LDPC dài (64800 bit cho khung thông thường, và 16200 bit cho khung ngắn).
* Lượng lớn số lần giả mã lặp lại (khoảng 50 SISO- "single in put - single output" lần lặp).
Sự có mặt của kết nối mã ngoài BCH (không có bất cứ sự chèn thêm nào), được phác hoạ bởi người thiết kế như là "bảo hiểm giá rẻ để chống lại lỗi không mong muốn khi tỉ lệ C/N cao.
2.2.2. Hệ số roll - off (αααα)
Tiêu chuẩn DVB-S2 có 3 hệ số roll-off là 0,35; 0,25 và 0,2 trong khi DVB-S chỉ sử dụng hai hệ số roll-off là 0,35 và 0,25. Hệ số roll-off của tiêu chuẩn DVB-S2 nhỏ hơn sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng của các bộ phát đáp của DVB-S2, đồng thời