= = (1/ ) (1-2 )
Với i = 1, 2, ..., 45
Trƣờng SOF:
SOF tương đương chuỗi 18D2E8 (01-1000-...-0010 trong ký kiệu nhị phân, phía trái là MSB của PLHEADER).
Trƣờng MODCOD:
MODCOD sẽ tương đương với 5 bít, xác định tỷ lệ mã trong bộ = {1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10} và điều chế trong bộ hiệu suất phổ = {2,3,4,5} theo bảng 11.
Bảng 11: Lập mã MODCOD.
Trƣờng kiểu:
Bít MSB của trường TYPE xác định hai loại kích thước khung FEC (0 = thường: 64800 bít; 1 = khung ngắn: 16200 bít). Bít LSB của trường TYPE xác định cấu trúc điều khiển (xem mục “chèn điều khiển” dưới đây) (0 = không điều khiển, 1 = có điều khiển).
Mã PLS:
Trường MODCOD và TYPE đều là một mã song trực giao với (64, 7) mã. Kiểu như mã được cấu tạo bắt đầu từ một song trực giao (32, 6) mã như trong hình 2.14.
Hình 2.14: (biểu tượng là ký hiệu cho phép logic loại trừ nhị phân EXOR).
Cấu trúc này đảm bảo mỗt bít lẻ trong ma trận mã (64, 7) hoặc là luôn bằng với bít trước hoặc là ngược. Dựa vào bít xác định được giả thuyết nào đúng. Thực tế này có thể được khai thác trong trường hợp sự tách sóng nhất quán khác nhau nhận được ở thiết bị thu.
Trường MODCOD và MSB của trường TYPE được mã hóa bởi một khối mã tuyến tính dài 32 bít theo ma trận sinh:
Bít có trọng số lớn nhất của MODCOD được nhân với hàng đầu của ma trận, bít tiếp theo với hàng thứ hai và cứ tiếp tục như vậy 32 bít mã ký hiệu ( … ). Khi bít có trọng số nhỏ nhất của trường TYPE là 0, thì mã PLS cuối sẽ tạo (
… ) như lối ra, nghĩa là mỗi biểu tượng sẽ được lặp lại. Còn khi bít có trọng số nhỏ nhất của trường TYPE là 1, thì mã PLS cuối sẽ tạo ( … ) với là chuỗi nhị phân bù 64 bít lối ra của mã PLS được xáo trộn bởi chuỗi nhị phân:
0111000110011101100000111100100101010011010000100010110111111010
2.2.2.5.3. Chèn điều khiển.
Hai loại cấu hình khả dĩ PLFRAME:
Không có điều khiển.
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/ ), Q = (1/ ). 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.
2.2.2.5.4. Xáo trộn lớp vật lý.
Trước khi điều chế, mỗi PLFRAME bao gồm cả PLHEADER sẽ được ngẫu nhiên hóa để phân tán năng lượng (để tránh trường hợp có các cụm bít 0 và 1 liên tục quá dài) bằng nhân ( I + jQ) lấy mẫu bởi chuỗi ngẫu nhiên phức tạp ( + j ):
Chú ý: chuỗi ngẫu nhiên hóa 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 hóa có khoảng lớn hơn yêu cầu khoảng lớn nhất của 70.000 biểu tượng.
Chuỗi ngẫu nhiên hóa được khởi tạo lại ở phần cuối mỗi PLHEADER (hình 2.15). Khoảng thời gian khung PLFRAME tùy thuộc vào việc lựa chọn điều chế, nên độ dài chuỗi ngẫu nhiên hóa 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 + + .
Chuỗi y cấu tạo từ đa thức: 1 + + + + .
Chuỗi phụ thuộc vào lựa chọn số mã xáo trộn n là kí hiệu trong đoạn tiếp. Hơn nữa, cho x(i), y(i) và (i) ký hiệu biểu tượng thứ i của chuỗi x, y, và 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.
y (0) = y(1) = ... = y(16) = y(17) = 1.
Định nghĩa đệ qui của các biểu tượng sau:
x (i+18) = x(i+7) + x(i) modulo 2, i = 0, ..., -20.
y(i+18) = y(i+10) + y(i+7) + y(i) modulo 2, i = 0, ..., -20. Chuỗi mã vàng thứ n , n = 0, 1, 2,..., -2, được định nghĩa như:
(i) = [x((i+n) modulo ( -1)) + y(i)] modulo 2, i = 0,..., -2.
Chuỗi bít nhị phân này được chuyển đổi thành một chuỗi giá trị nguyên ( giả sử giá trị là 0, 1, 2, 3) theo phép biến đổi:
(i) = 2 ((i+ 131 072) modulo ( -1)) + (i); i = 0, 1, 2,..., 66 419. Cuối cùng, chuỗi mã xáo trộn phức tạp thứ n + j (i) được xác định:
+ j (i) = exp(j (i) ).
Bảng 12: Khối biểu đồ khả dĩ cho xáo trộn tạo chuỗi PL với n = 0.
exp(j )
0 1 I Q
1 j -Q I
2 -1 -I -Q
3 -j Q -I
Hình 2.16: Cấu hình của khối xáo trộn mã PL cho n = 0.
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, 262141}, 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.
2.2.2.6. 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-off sẽ là = 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 < (1- ).
H (f) = với = (1- ).
H (f) = 0 với > (1- ). Vị trí: = = là tần số Nyquist và hệ số roll-off .
Điều chế vị trí góc vuông được thực hiện bởi nhân cùng pha và lấy mẫu góc vuông (sau khi lọc băng cơ sở) bởi sin (2 ) và cos (2 ) tách biệt ( là tần số sóng mang). Kết quả hai tín hiệu được gộp lại để thu được tín hiệu điều chế lối ra.
2.3. Điều chế mã hóa thích nghi trong DVB-S2. 2.3.1. Giới thiệu. 2.3.1. Giới thiệu.
Trong tiêu chuẩn DVB S2, tính năng ưu việt mới được đưa vào đó là giải thuật điều chế và mã hóa. Tại cấu hình đơn giản nhất, hệ thống DVB-S2 hoạt động trong kiểu điều chế và mã hóa tương phản - CCM (Constant coding and modulation), khi đó tất cả các dịch vụ phải chịu cùng khối thủ tục điều chế và mã hóa. Tiến tới một bước xa hơn, hệ thống DVB-S2 sử dụng kiểu điều chế và mã hóa thay đổi - VCM (Variable Coding and Modulation). Khi đó, chức năng của DVB-S2 cho phép sự lựa chọn một đặc điểm, sự kết hợp mỗi dịch vụ của tốc độ mã FEC và điều chế constellation (MODCOD) dựa theo kiểu liên kết mỗi dịch vụ. Đối với mỗi dịch vụ, một sự lựa chọn khác nhau của 32 MODCODs, từ QPSK 1/4 tới 32APSK 9/10 cho phép lựa chọn linh hoạt hiệu quả giữa công suất phát và hiệu suất mã. Ví dụ như QPSK 1/4 chỉ cung cấp 0.49 bít mỗi Symbol nhưng có thể cho phép C/N xuống tới 2.35dB. Trong khi đó 32 APSK 9/10 có hiệu suất bít lên đến 3.65bít/Symbol nhưng yêu cầu tỷ số C/N lên đến 16.05dB. Như vậy, trong ghép kênh vệ tinh, các dịch vụ với MODCODs khác nhau có thể cùng tồn tại.
Để tối ưu hóa hơn nữa hệ thống và bảo vê ̣ nó ch ống lại sự suy yếu theo thời gian (ví dụ fading do một cơn mưa lớn), hệ thống sử dụng VCM kết hợp với việc dùng một kênh truyền phản hồi để thông báo các điều kiện truyền tại nơi nhận. Dựa vào kết quả thu được từ việc phản hồi phía thu, bên phát sẽ điều chỉnh thông số hệ
thống phát thích hợp để bảo đãm chất lượng phía thu tốt nhất có thể. Đây đƣợc gọi là điều chế và mã hóa thích nghi – ACM (Adaptive Coding and Modulation). Thông tin này có thể được dùng bởi nhà cung cấp dịch vụ để có được chu trình kín điều chế và mã hóa thích nghi, mặc dù cho phép các thông số truyền được thích nghi trong thời gian thực đối với mỗi dịch vụ riêng lẻ, tùy thuộc vào trang thái kênh, và bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hiện tại. ACM cho phép sự tái sử dụng của 4 tới 8dB công suất, cái mà về cơ bản bị lãng phí trong các liên kết vệ tinh quy ước để bù đắp cho những lần fading sâu. Kỹ thuật này làm tăng khả năng dùng vệ tinh trung bình và giảm rõ rệt giá thành dịch vụ. Khái niệm này được chỉ rõ trong hình 2.17.
Hình 2.17: Điều chế và mã hóa thích nghi trong DVB-S2.
2.3.2. Nguyên lý mã hóa và điều chế thích nghi.
Mô hình mã hóa điều chế thích nghi là sự hoạt động của bộ phát tương ứng theo các điều kiện của kênh biến thiên theo thời gian. Để đáp ứng hiệu quả với các thay đổi của đặc tính kênh truyền, các bước sau đây được thực hiện:
- Đánh giá đặc tính kênh: để lựa chọn phù hợp các thông số được sử dụng cho sự truyền dẫn tiếp theo, một sự đánh giá tin cậy của hàm truyền của kênh trong suốt khe thời gian phát tích cực tiếp theo là rất cần thiết.
- Lựa chọn các thông số phù hợp cho truyền dẫn tiếp theo: dựa trên sự dự đoán các điều kiện kênh cho khe thời gian tiếp theo, bộ phát lựa chọn kiểu điều chế và các kiểu mã hóa kênh cho phù hợp.
2.3.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống mã hóa và điều chế thích nghi.
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống mã hóa điều chế thích nghi.
2.3.2.2. Chức năng các khối:
- Nguồn (Source): đây là nơi các bít thông tin được tạo ra.
- Mã hóa (Encoder): các bít thông tin từ nguồn đến được mã hóa qua một bộ FEC.
- Chuyển mạch điều chế (Modulator Switch): đây là khối quyết định logic sơ đồ điều chế các bít từ khối mã hóa hoặc nguồn, nó yêu cầu thông tin từ khối đo đạc kênh.
- Điều chế (Modulator): chuyển đổi dữ liệu nhị phân từ nguồn hoặc các symbol từ khối mã hóa thành dạng sóng sin phức để truyền.
- Chèn pilot (pilot insert): ở đây các symbol pilot được chèn vào luồng thông tin để sử dụng PSAM (Pilot Symbol Assisted Modulation).
- Kênh (Channel): fading Rayleigh và AWGN được áp dụng để phát tín hiệu qua.
- Giải điều chế (Modulator): chuyển đổi tín hiệu thu thành các bít thông tin hoặc các symbol.
- Đo đạc kênh (Channel Measures): xác định chất lượng kênh, dự đoán sự thích nghi, thông tin được gỡi trở về bộ ngưỡng chuyển mạch kênh cho các quyết định thích nghi. Tại đây, các symbol pilot được tách ra khỏi luồng thông tin và được lưu giữ dùng cho khối đo đạc kênh.
- Giải mã (Decoder): FEC được xóa bỏ từ các symbol, thông tin bít thu được gởi về Sink.
- Sink: BER và hiệu suất phổ được tính toán ở đây khi frame hoặc block thu được và giải điều chế /giải mã.
2.3.2.3. Ứng dụng ACM trong truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh.
Trong DVB-S2, chức năng ACM cho phép thay đổi động về phương thức điều chế và mã hóa phía bên phát để đáp ứng yêu cầu bên thu đảm bảo được chất lượng mong muốn. Trong hình ảnh minh họa trên (hình 2.17) các dịch vụ khác nhau được truyền đến các vị trí khác nhau theo các MODCOD khác nhau. Tùy vào điều kiện thời tiết mà chất lượng kênh truyền thay đổi làm cho chất lượng bên thu thay đổi, thông tin phản hồi sẽ điều khiển bên phát thay đổi MODCOD để đảm bảo thu được tỷ lệ BER mong muốn.
Trong truyền hình, khi thực hiện các đường truyền phục vụ sản xuất chương trình như truyền tín hiệu chương trình trực tiếp từ hiện trường về trung tâm, các dịch vụ góp tin, phát tín hiệu đường trục các chương trình đến các trạm phát lại đòi hỏi chất lượng thu luôn ổn định. Tuy nhiên, do điều kiện đường truyền vệ tinh phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, do đó việc sử dụng ACM được coi là giải pháp tốt nhất cho các ứng dụng truyền hình vệ tinh đơn hướng. Tuy nhiên, đối với các dịch vụ quảng bá ACM sẽ gặp nhiều khó khăn.
2.4. Kết luận chƣơng 2.
Để thấy được hiệu quả của công nghệ DVB-S2 so với DVB-S, ta xét ví dụ so sánh về số lượng các chương trình SDTV và HDTV được truyền dẫn bằng 2 công nghệ DVB-S và DVB-S2 trong cùng điều kiện công suất và băng thông vệ tinh (bộ phát đáp 36 MHz): Chảo thu 60 cm; trường hợp thứ nhất sử dụng nén MPEG-2, tốc độ nén video là 4.4 Mbít/s với chương trình SDTV và 18 Mbít/s với chương trình HDTV; trường hợp thứ hai sử dụng nén video cao cấp Advanced Video Coding (AVC), tốc độ nén với chương trình SDTV là 2.2 Mbít/s và 9 Mbít/s với chương trình HDTV.
Yêu cầu về tỷ số C/N của hai hệ thống DVB-S và DVB-S2 là bằng nhau trong việc khai thác các mode truyền dẫn khác nhau và trong quá trình vi chỉnh hệ số roll- off, tốc độ symbol của hệ thống DVB-S2. Kết quả kiểm chứng cho thấy độ lợi về dung lượng của hệ thống DVB-S2 so với DVB-S là khoảng 30 %. Hơn nữa bằng việc kết hợp hệ thống DVB-S2 với mã hóa AVC (H.264/AVC hoặc VC1…), mỗi bộ phát đáp 36Mhz của vệ tinh có thể truyền dẫn 21-26 kênh SDTV, hoặc 5-6 chương trình HDTV trên một Bộ phát đáp. Điều này sẽ làm giảm giá thành thuê trên một kênh của vệ tinh.
Bảng 13: So sánh DVB-S2 và DVB-S
Công suất vệ tinh (dBW)
51 53.7
Hệ thống DVB-S DVB-S2 DVB-S DVB-S2 Mã hóa & điều chế QPSK 2/3 QPSK 3/4 QPSK 7/8 8PSK 2/3 Tốc độ Symbol (Mbaud) 27,5 (α=0.35) 30.9 (α=0.0) 27.5 (α=0.35) 29.5 (α=0.25) Tỷ số C/N (dB) 5.1 5.1 7.8 7.8 Tốc độ hữu ích (Mbít/s) 33.8 46 44.4 58.8 Số lượng chương trình SDTV 7 (MPEG2) 15 (AVC) 10 (MPEG2) 21 (AVC) 10 (MPEG2) 20 (AVC) 13 (MPEG2) 26 (AVC) Số lượng chương trình HDTV 1-2 (MPEG2) 3-4 (AVC) 2 (MPEG2) 5 (AVC) 2 (MPEG2) 5 (AVC) 3 (MPEG2) 6 (AVC)
Các ứng dụng mới đã được dự tính phát qua vệ tinh như truyền dẫn HDTV và phân phối các dịch vụ dựa trên nền IP sẽ thực hiện hiệu quả dựa trên hệ thống DVB- S2. Việc kết hợp DVB-S2 và cấu hình mã hóa video và audio mới (ví dụ như H.264/AVC/VC-9) có thể phát 21-26 chương trình SDTV hoặc 5-6 chương trình HDTV trên một bộ phát đáp 36Mhz. Trong các ứng dụng truyền dẫn chuyên nghiệp, DVB-S2 có khả năng cung cấp điều chế và mã hóa tương thích (ACM), tính năng này có hiệu quả lớn với các dịch vụ điểm-điểm như là các trạm DSNG nhỏ. Trong các ứng dụng mới này, hệ thống DVB-S2 sẽ làm được những điều mà hệ thống DVB-S không thể làm được.
CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG VỀ ĐIỀU CHẾ MÃ HÓA SỬ DỤNG TRONG DVB-S2 VÀ CÁC KẾT QUẢ.
3.1. Giới thiệu chung.
Cho đến nay, DVB-S2 cũng đã được ứng dụng khá rộng rãi trong kỹ thuật thông tin, đặc biệt trong ngành truyền hình. Nhiều hãng truyền hình trên thế giới đã ứng dụng DVB-S2 cho các ứng dụng truyền dẫn chương trình phục vụ sản xuất chương trình, các ứng dụng tin tức, ứng dụng truyền dẫn đường trục và cả truyền hình quảng bá. Ở Đài Truyền hình Việt Nam, DVB-S2 cũng đã được sử dụng cho dịch vụ truyền tiếp các chương trình đến các trạm phát lại trên hệ thống vệ tinh Vinasat từ đầu năm 2012. Các ứng dụng góp tin, truyền chương trình trực tiếp từ hiện trường về trung tâm để sản xuất chương trình trực tiếp cũng đã được sử dụng xe vệ tinh DVB-S2 từ đầu năm 2013.
Một hệ thống thu phát vệ tinh sử dụng DVB-S2 nói chung là rất phức tạp nên việc đo đạc các kết quả để đánh giá dựa trên hệ thống thực tế phục vụ cho việc nghiên cứu luận văn thực sự gặp nhiều khó khăn và khó thực hiện. Trong khuôn khổ luận văn