Tiêu chuẩn T-DMB DVB-H MediaFLO
Băng tần VHF, 1,5GHz III, IV, V IV, V
Băng thông 1,736MHz (hẹp nên dễ bị ảnh hưởng fading hơn)
5, 6, 7, 8 MHz 5, 6, 7, 8MHz
Khả năng phục vụ
Kém hơn DVB-H DVB-H điều chế QPSK sẽ lợi hơn 3dB so với
T-DMB điều chế D- QPSK, với cùng các tham số kỹ thuật khác MediaFLO cùng tốc độ bít/Hz với DVB-H thì MediaFLO sẽ lợi hơn 3dB so với DVB-H. Thực tế MediaFLO sẽ lợi hơn
5-7dB so với tín hiệu DVB-H với cùng tỷ
lệ C/N Công suất tiêu
thụ máy thu Cao (Ptb=250mw) Thấp (Ptb=80mw) (nhờ sử dụng Time Slice) Thấp nhất Thời gian chuyển đổi giữa
các chương trình
Khoảng 4,5-5s (chậm) làm ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của
máy thu
Khoảng 2s và không làm tổn hao đến công suất tiêu thụ của máy
thu Giá thành triển
khai mạng với cùng một vùng
phủ sóng
Tối thiểu gấp hai lần DVB-H hoạt động băng UHF
Gấp hai lần MediaFLO Rẻ hơn
Khả năng dùng chung cơ sở hạ tầng hiện có
Khơng Có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng của DVB-T nên chi phí đầu
tư khơng cao. DVB-H có thể phát trên cùng
máy phát DVB-T sử dụng điều chế phân cấp hoặc dùng bộ hợp kênh
Từ bảng so sánh trên ta thấy công nghệ DVB-H đã đạt và dung hòa được hết các chỉ tiêu được đánh giá. Nhìn tổng thể DVB-H đạt được nhiều ưu điểm hơn so với hai cơng nghệ cịn lại tiết kiệm được chi phí triển khai do tận dụng được thiết bị của hệ thống DVB-T, băng tần hoạt động rộng ít bị ảnh hưởng bởi fading, mức tiêu thụ năng lượng tại máy thu vừa phải, do vậy cơng nghệ truyền hình di động mặt đất DVB-H có nhiều lợi thế khi triển khai ở Việt Nam, nơi mà đã có sẵn hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T của Đài truyền hình kĩ thuật số VTC.
1.8. Kết luận chương I
Trong chương I đã giới thiệu sơ lược về các công nghệ truyền hình số di động mặt đất đã và đang được phát triển, triển khai và mở rộng phục vụ người dùng. Chúng là đòn bẩy để thúc đẩy nền cơng nghiệp nội dung, ngành truyền hình phát triển và tiền gần hơn tới người xem, do những tính chất linh hoạt, tiện lợi và rất cập nhập của truyền hình di động. Qua đây, ta cũng có thể bước đầu có những so sánh đặc trưng nhất về các cơng nghệ truyền hình số di động mặt đất. Như trên, ta đã thấy các cơng nghệ đó đều u cầu tốc độ truyền tải cao và đạt được tính ổn định, do vậy người ta hầu hết chọn hình thức ghép kênh điều chế đa sóng mang OFDM cho phần truyền dẫn của các cơng nghệ. Như vậy chương II ta đi vào tìm hiểu kĩ hơn về kỹ thuật OFDM.
CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của điều chế phương pháp điều chế đa sóng mang mà trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM.
2.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM
Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) thông thường. Nếu truyền tính hiệu khơng phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thơng thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp kênh truyền sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở mà dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khội phục dữ liệu có ích. Điều này tương đương khi ghép kênh theo tần số (FDM). Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác. Để hồi phục dữ liệu đã mất, người ta dùng phương pháp sửa lỗi tiến (FEC-Forward Error Correction). Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọc thông thường và giải điều chế.Tuy nhiên để khơng có can nhiễu giữa các sóng mang (Inter- Carrier Interference (ICI)) cần phải có khoảng bảo vệ khi đó hiệu quả sử dụng phổ tần kém đi. OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn. Tuy nhiên nó cho phép sử dụng hiểu quả phổ tần số. Khác với FDM, trong OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dịng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang.Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số với nhau, cho phép kiểm sốt tốt can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế.. Điều này làm giảm hiệu quả phổ tần. Tuy nhiên với OFDM nhờ sự trực giao giữa những sóng mang con làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. OFDM cịn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao”(OMCM) dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau. Phương pháp đa sóng mang dùng cơng nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp. Các sóng mang con này được lựa chọn sao cho mỗi song mang con sẽ trực giao với các sóng mang kế cận nhau. Điều này làm cho hiểu quả sử dụng phổ tín hiện của
toàn hệ thống tăng lên đáng kể.
Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mơ tả như hình dưới đây.
Hình 2-2: Sự chồng lần phổ của sóng mang con
Hình 2-2 miêu tả đơn giản về nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x. Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con bất kì là “khơng” của kênh con lân cận. Điều này làm nguyên lý trực giao thỏa mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng lấn lên nhau. Một cặp sóng mang con được gọi là trực giao nếu như khoảng cách tần số giữa chúng bằng 1/T Hz, trong đó T là khoảng thời gian ký hiệu trên mỗi sóng mang con. Muốn
Khoảng bảo vệ
Giải thông được tiết kiệm
đạt được điều trên thì phải có sự đồng bộ thời gian và tần số sóng mang con trong việc điều chế và giải điều chế.
Như ở trên ta đã biết, muốn để phía thu có thể khơi phục được tín hiệu gốc ta cần có điều kiện trực giao giữa các kênh sóng mang con với nhau. Ta xét sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp ứng tần số sinc (sin(x)/x). Đó là kết quả của thời gian kí hiệu tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang. Mỗi kí hiệu OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT). Thời gian sumbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz. Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Dạng sinc có 1 búp chình hẹp, với nhiều búp biên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với điểm “0” của các tải phụ khác. Khi tín hiệu này đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Các tín hiệu được đưa vào điều chế OFDM thường được điều chế thành N kênh con với N sóng mang phụ trên cơ sở một sóng mang chính đặc chưng cho băng tần hoạt động nhất định fn. Các máy phát phát tín hiệu điều chế OFDM với sóng mang fn gộp lại thành mạng đơn tần số SFN (Singer Fequensy Network). Các SFN này thường được dùng trong các hệ thống phát truyền hình số mặt đất hiện đại
2.2. Điều chế và giải điều chế OFDM
Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp. Tại phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được .
Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phương pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vơ tuyến với độ tin cậy cao.
Hình 2-3: Hệ thống thu phát OFDM trong ứng dụng vô tuyến
Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hồn tồn được tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền thời gian. Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong thực tế người ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bước này. FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính tốn cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế. Sau khi đã tạo được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại được chuyển về miền thời gian bằng IFFT để truyền đi. Lúc này ta đã tạo được một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian. Lưu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần được chuyển lên tới tần số được lựa chọn để truyền đi.
Khối thu thực hiện q trình ngược lại khối phát. Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển về băng tần cơ sở để xử lý. Tín hiệu này sau đó được qua FFT để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Pha và biên độ của các sóng mang con được nhận diện và được chuyển thành dữ liệu số cần thu.
Hình 2-4: Sơ đồ điều chế và giải điều chế OFDM
2.2.1. Chuyển đổi nối tiếp song song
Dữ liệu số thường ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp. Trong hệ thống OFDM, mỗi kí hiệu thường mang từ 40 – 4000 bits, do đó bước chuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thơng tin lên OFDM kí hiệu. Số bit thơng tin trên một kí hiệu phụ thuộc vào phương thức điều chế và số sóng mang con. Chú ý rằng nếu ta dùng phương thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thơng tin trên từng sóng mang con có thể khơng giống nhau. Tại phía thu q trình ngược lại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ được thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nối tiếp như ban đầu.
Khi tín hiệu OFDM truyền trong mơi trường đa đường, do pha đinh chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền có thể làm cho thơng tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi. Nếu như cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trong tầm kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn đề sẽ chẳng đáng ngại. Nhưng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thường khá lớn, trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải thiện khả năng sửa lỗi thường rất tốn kém. Một ý tưởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu như các cụm bit lỗi này gồm các bit khơng lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và như vậy ta đã tránh được các cụm bit lỗi lớn. Do đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, người ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi là cài xen (interleaving) như là một phần của quá trình chuyển đổi nối tiếp song song. Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thơng tin đầu vào, ta truyền chúng khơng theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng đúng thứ tự ở phía thu.
2.2.2. Điều chế sóng mang con
Các sóng mang phụ sau khi được cấp phát các bit thông tin để truyền đi, chúng sẽ được điều chế pha và biên độ bằng các phương thức điều chế thích hợp. Lúc này sóng mang được biểu diễn bằng vector IQ. Q trình điều chế vào các sóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo một sơ đồ điều chế (Constellation) cụ thể. Do đó q trình này cịn gọi là Mapping.
Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu. Trong quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận được khơng rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã. Do đó với mỗi phương thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định. Ví dụ với phương thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho phép là S/N = 18dB.
2.2.3. Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian
Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định được cho mỗi sóng mang con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin được truyền đi và phương thức điều chế sóng mang được sử dụng, những sóng mang con khơng truyền tin sẽ có biên độ bằng 0. Đây là bước xây dựng tín hiệu OFDM trong miền tần số. Để truyền được thì tín hiệu OFDM phải được chuyển về miền thời gian bằng IFFT. Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT tương ứng với một sóng mang con. Các sóng mang con có biên độ bằng không sẽ được sử dụng như dải bảo vệ
2.2.4. Chèn khoảng bảo vệ
Với một dải thông cho trước, tốc độ kí hiệu của một tín hiệu OFDM nhỏ hơn nhiều so với tốc độ kí hiệu của một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang. Như ta đã biết, dải thơng của một tín hiệu OFDM sẽ bằng dải thông cho trước ở trên chia cho N sóng mang con. Do vậy tốc độ bit của một tín hiệu OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang. Tốc độ kí hiệu trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khả năng chịu ISI rất tốt.
Tuy nhiên, cịn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trước mỗi kí hiệu . Dải bảo vệ của mỗi kí hiệu là một phần bản sao của chính kí hiệu đó, có thể là phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính kí hiệu đó. Thường thì người ta hay dùng phần cuối của kí hiệu làm dải bảo vệ cho kí hiệu đó. Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian truyền của kí hiệu tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI. Như đã đề cập ở trên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 kí hiệu, dùng một phần kí hiệu làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn được liên tục, khơng có sự ngắt quãng giữa các kí hiệu. Hơn nữa, dải bảo