Mỗi khung FEC (chuỗi 64800 bíts hoặc 16200 bíts) được chuyển từ nối tiếp sang song song (mức song song = : 2 cho QPSK, 3 cho 8PSK, 4 cho 16APSK, 5 cho 32APSK) từ hình 2.9 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
.
Chuỗi vào là khung FEC, chuỗi ra là khung XFEC (chuỗi FEC phức tạp) chứa 64800/ (trường hợp khung XFEC thường) hoặc là 16200/ (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 (ρ là thành phần biên độ và ф là thành phần pha).
2.2.2.4.1. Ánh xạ bít vào chòm sao QPSK.
Với QPSK, hệ thống sử dụng tiêu chuẩn mã Gray điều chế QPSK (không đổi). Các bít được ánh xạ vào chòm sao QPSK như hình 2.9. Năng lượng trung bình mỗi biểu tượng là = 1.
Hai bít khung FEC được ánh xạ vào một kí tự QPSK, ví dụ bít 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.
2.2.2.4.2. Ánh xạ bít vào chòm sao 8PSK.
Với 8PSK, hệ thống dùng tiêu chuẩn mã Gray điều chế 8PSK (không đổi). Ánh xạ bít vào chòm sao 8PSK như hình 2.10. Mức năng lượng trung bình của biểu tượng là = 1.
Các bít 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. Giản đồ chòm sao tín hiệu 8PSK.
2.2.2.4.3. Ánh xạ bít 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 có bán kính là và (hình 2.11).
Tỷ lệ bán kính của vòng tròn ngoài với vòng trong ( = / ) theo bảng 8. Nếu 4 + 12 = 16, năng lượng trung bình của tín hiệu là 1. Các bít 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.
Hình 2.11. Giản đồ chòm sao tín hiệu 16APSK.
Bảng 8: Tỉ lệ bán kính tối ưu (kênh tuyến tính) cho 16APSK.
Tỉ lệ mã Hiệu suất điều chế/mã hóa phổ
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
2.2.2.4.4. Ánh xạ bít vào chòm sao 32APSK.
Giản đồ chòm sao của điều chế 32APSK (hình 2.12) gồm ba vòng tròn đồng tâm, các điểm PSK tương ứng trên vòng tròn là 4, 12, 16, vòng trong cùng có bán kính , vòng ở giữa bán kính là và vòng ngoài cùng bán kính là . Bảng 9 chỉ rõ giá trị của = / và = / .Nếu 4 + 12 + = 32 thì năng lượng tín hiệu trung bình bằng 1.
Các bít 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).
Hình 2.12. Giản đồ chòm sao tín hiệu 32APSK.
Bảng 9: Tỷ lệ bán kính và tối ưu (kênh tuyến tính) cho 32APSK.
Tỷ lệ mã Hiệu suất điều chế/mã hóa phổ
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 2.2.2.5. Khung lớp vật lý (PL).
Khối hệ thống PLFraming sẽ tạo ra khung lớp vật lý (đặt tên là FLFRAME) bằng quá trình sau (hình 2.13):
- 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 10.
- 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.
Luồng vào của khối có thể là một XFECFRAME và lối ra là một PLFRAME bị xáo trộn.
Hình 2.13. Định dạng của một “khung lớp vật lý” PLFRAME.
Bảng 10: S = số khe (M = 90 biểu tượng) mỗi XFECFRAME.
= 64 800 (khung thường)
= 64 800 (khung ngắn)
(bít/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+1) + P int{(S-1)/16}], nơi mà P = 36 và int{.} là phần nguyên.
2.2.2.5.1. Chèn khung PL giả.
Một khung giả PLFRAME bao gồm trường PLHEADER và 36 khe của sóng mang chưa được điều chế (I = (1/ ), Q= (1/ .
2.2.2.5.2. 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 gồm 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 = 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 Hỏa đen trắng. Mã RM dễ dàng giải mã). Nó phát 7 bít cho mục đích phát tín hiệu tầng vật lý. 7 bít 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 dài khung FECFRAME (64800 hay 16200 bít) và báo sự có/vắng mặt của điều khiển.
PLHEADER, được biểu diễn bởi chuỗi nhị phân ( , ,…, ) được điều chế vào 90 /2BPSK biểu tượng theo qui tắc:
= = (1/ ) (1-2 ) = = (1/ ) (1-2 ) = = (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.