iBiquity Digital Corporation đã phát triển phát thanh số theo giải pháp cải tiến hệ thống phát thanh FM tương tự hiện tại, và công nghệ này được gọi là IBOC. Hệ thống có khả năng phát thanh số và cung cấp các loại hình dịch vụ dữ liệu khác cho các thiết bị thu di động hay cố định từ các hệ thống trạm phát mặt đất phát trên băng tần VHF. Các đài phát thanh có thể phát đồng thời chương trình phát thanh tương tự
Trang 27
hiện tại với các chương trình phát thanh số chất lượng cao. Với công nghệ này các đài phát thanh có thể chuyển đổi từ phát thanh tương tự sang phát thanh số trong khi vẫn duy trì các hệ thống chương trình hiện tại đồng thời không cần xin cấp phép thêm băng tần mới. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu hệ thống phát thanh FM IBOC. 2.2.1. Giới thiệu
Giải pháp của iBiquity FM IBOC cho phép các đài phát thanh có thể thực hiện chuyển sang phát thanh số nhưng không là gián đoạn các chế độ dịch vụ hiện tại. Các đài phát có thể thực hiện theo cách là : đầu tiên sử dụng hệ thống lai, phát thanh số nhưng đồng thời vẫn duy trì các chương trình phát thanh tương tự hiện tại, sau đó chuyển hẳn sang phát thanh số.
Hệ thống FM IBOC được thiết kế với độ linh hoạt lớn, đáp ứng các yêu cầu của các đài phát, đồng thời có thể chấp nhận nhiều cấu hình định dạng chương trình khác nhau. Mỗi một hệ thống (hệ thống lai hoặc là hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số) đều có thể cầu hình theo rất nhiều sự lựa chọn khác nhau tùy theo yêu cầu, có nghĩa là ta có thể điều chỉnh: thông lượng vào, độ trễ, cường độ tín hiệu của các chương trình âm thanh và dữ liệu khi nó được biến đổi sang dạng tín hiệu IBOC.
Trang 28
Hình 2-17. Sơ đồ khối hệ thống FM IBOC 2.2.2. Các dịch vụ và các giao thức
Hệ thống iBiquity FM IBOC cung cấp rất nhiều các dịch vụ khác nhau đáp ứng theo yêu cầu của các đài phát thanh. Các dịch vụ này bao gồm: MPS (Main Program Service), PDS (Personal Data Service), SIS (Station Indetification Service) và AAS (Auxiliary Application Service).
Dịch vụ MPS phát chương trình hiện tại dưới dạng tín hiệu số, đi kèm với nó là các dữ liệu số có liên quan đến chương trình âm thanh. Trong khi MPS phát chương
Trang 29
trình truyền thống đến người nghe thì dịch vụ PDS cho người nghe khả năng lựa chọn các dịch vụ dữ liệu, nó cung cấp các thông tin cá nhân, thông tin người dùng. Dịch vụ SIS cung cấp các thông tin điều khiển và thông tin nhận dạng để người dùng có thể tìm và lựa chọn đài phát và các dịch vụ họ cần. Dịch vụ ASS cho phép một số lượng không giới hạn khách hàng và các ứng dụng đặc biệt trong hệ thống phát thanh số IBOC cùng tồn tại đồng thời. Các ứng dụng phụ có thể được thêm bất cứ lúc nào trong tương lai.
Hình 2-18. Mô hình phân lớp của hệ thống FM IBOC
Các dịch vụ này được cung cấp đồng thời bằng cách sử dụng cấu trúc phân lớp, thể hiện trên hình 2-18. Các chương trình âm thanh nguồn hay dữ liệu được truyền từ lớp 5 đến lớp 1 đến máy phát và tại máy thu tín hiệu lại được chuyển lại từ lớp 1 đến lớp 5 và đến người nghe.
Ở các máy phát, lớp 5 nhận các chương trình âm thanh hay dữ liệu từ các đài phát thanh. Lớp 4 sẽ thực hiện mã hóa nguồn (chẳng hạn như nén âm thanh), cũng như các thông tin nhận dạng trạm phát và khả năng điều khiển. Lớp 3 đảm bảo khả năng
Trang 30
truyền của dữ liệu từ lớp 4 trên phương diện độ mạnh của tín hiệu và hiệu quả truyền dẫn, và lớp 2 cung cấp khả năng hạn chế lỗi, đánh địa chỉ và ghép kênh. Lớp 1 nhận tín hiệu từ lớp 2 và tạo thành tín hiệu FM-IBOC cho việc truyền dẫn tín hiệu trên băng tần VHF.
Các chương trình đã được định đạng nhận từ lớp 2 trong dạng các khung dữ liệu riêng lẻ được truyền thông qua các kênh logic. Các khung được tạo thành bằng cách ghép các bit từ lớp 2 và nhóm lại để xử lý thông qua các kênh logic. Một kênh logic đơn giản là đường truyền dẫn các khung tín hiệu từ lớp 2 đến lớp 1 với các đặc tính của loại dịch vụ được lựa chọn. Các mode dịch vụ sẽ xác định các kênh logic và các đặc tính truyền dẫn của chúng.
2.2.3. Dạng sóng và phổ của tín hiệu
iBiquity FM IBOC được thiết kế mềm dẻo, các đài phát có thể lựa chọn một trong 3 cấu hình hệ thống để thực hiện: Hệ thống phát tín hiệu dạng lai, hệ thống phát tín hiệu lai mở rộng và hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số. Hệ thống lai và lai mở rộng vẫn duy trì phát tín hiệu FM tương tự hiện tại, trong khi hệ thống phát toàn tín hiệu số thì không.
Trong tất cả các hệ thống trên thì tín hiệu số đều được điều chế theo phương thức OFDM. Dòng dữ liệu được điều chế đồng thời trên rất nhiều sóng mang trực giao nhau, OFDM sử dụng nhiều sóng mang với băng thông nhỏ mang đồng thời nhiều ký hiệu ở tốc độ thấp. Độ dài của mỗi ký hiệu được tính toán để đảm bảo chống được fading đa đường và nhiễu giao thoa OFDM cũng rất linh hoạt, sẵn sàng cho phép việc ánh xạ các kênh logic với những đặc trưng riêng lên các nhóm sóng mang khác nhau.
Phổ của mỗi loại tín hiệu được chia trên các băng biên khác nhau. Tất cả các phổ này được mô tả trên băng cơ bản, với các băng biên cao và băng biên thấp xung quanh tần số trung tâm 0 Hz.
2.2.3.1. Phân vùng tần số và quy ước phổ
Các sóng mang phụ OFDM được ánh xạ trong các vùng khác nhau tần số. Mỗi một vùng tần số được gộp từ 18 sóng mang dữ liệu phụ và một sóng mang định thời, hình 2-19 (chế độ A) và hình 2-20 (chế độ B). Vị trí của sóng mang định thời phụ (theo chế độ A và B) thay đổi với việc định vị trí các vùng tần số trong phổ.
Trang 31
Mỗi một vùng tần số, sóng mang dữ liệu phụ từ d1 đến d18 mang tín hiệu số, trong khi sóng mang định thời phụ mang tín hiệu điều khiển hệ thống. Các sóng mang OFDM được đánh số từ 0 (ở vị trí trung tâm) đến + 546 và – 546 ở hai đầu.
Ngoài các vị trí sóng mang định thời trong mỗi một băng tần số, phụ thuộc vào loại hình dịch vụ, có 5 sóng mang phụ được chèn thêm vào phổ ở các vị trí – 546, – 279, 0, 279 và 546. Tất cả việc làm này được thực hiện một cách đều đặn trong toàn bộ phổ tín hiệu.
Để tiện theo dõi, mỗi một sóng mang định thời được đánh số nhận dạng duy nhất từ 0 đến 60. Tất cả sóng mang định thời ở băng thấp được mô tả trên hình 2-21. Sóng mang định thời ở băng cao hình 2-22. Các hình này chỉ ra được mối quan hệ giữa các sóng mang định thời và số sóng mang OFDM.
Hình 2-19. Các vùng tần số trong chế độ A
Trang 32
Hình 2-21. Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng thấp
Hình 2-22. Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng cao 2.2.3.2. Hệ thống phát tín hiệu lai
Trong hệ thống phát tín hiệu dạng lai, tín hiệu số được truyền trong các băng biên chính thứ nhất (primary main sideband) trên cả hai biên của tín hiệu FM tương tự, thể hiện trên hình 2-23. Tín hiệu âm thanh tương tự có thể là đơn hay lập thể, hoặc có thể gồm cả kênh SCA. Mỗi một băng biên chính thứ nhất được gộp từ 10 vùng tần số, được sắp xếp trong khoảng 356 đến 545 hay – 356 đến – 545. Các sóng mang phụ 546 và – 546 cũng được nằm trong các băng biên chính thứ nhất, đây là các sóng mang phụ định thời được thêm vào.
Bảng 2-8 tóm tắt các thông số băng tần trên và dưới của các băng biên chính thứ nhất đối với dạng tín hiệu lai.
Mật độ phổ công suất của mỗi sóng mang OFDM trong băng biên chính thứ nhất, mức công suất này liên quan đến công suất của tín hiệu tương tự chủ, cho trên bảng 2-8. Giá trị 0dB sẽ là công suất sóng mang số, công suất này tương đương với tổng công suất của sóng mang không điều chế FM với tín hiệu tương tự. Giá trị được lựa chọn sao cho tổng công suất trung bình trong băng biên chính thứ nhất (cả băng thấp và cao) là thấp hơn công suất tổng cộng của sóng mang tín hiệu tương tự không điều chế 23dB.
Trang 33
Hình 2-23. Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai
Trang 34
2.2.3.3. Dạng tín hiệu lai mở rộng.
Hệ thống phát tín hiệu dạng lai mở rộng được tạo bằng cách thêm sóng mang OFDM vào băng biên chính thứ nhất, được giới thiệu trong dạng tín hiệu lai. Phổ tín hiệu lai mở rông thể hiện trên hình 2-24. Phụ thuộc vào mode dịch vụ, một hai hay bốn các vùng tần số có thể thêm vào bên trong môi băng biên chính thứ nhất. Bảng 2-9 tóm tắt băng tần cao và thấp của băng biên chính thứ nhất đối với dạng tín hiệu lai mở rộng. Phổ thêm vào này được gọi là băng biên mở rộng thứ nhất (PX sideband – primary extended sideband)
Hình 2-24. Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai mở rộng
Mật độ phổ công suất của mỗi sóng mang OFDM trong băng biên chính thứ nhất và băng biên mở rộng thứ nhất quan hệ với mức công suất tín hiệu tương tự, giá trị được lựa chọn sao cho công suất trung bình tổng cộng trong băng biên chính thứ nhất (cả băng thấp và cao) là thấp hơn công suất tổng của sóng mang FM tín hiệu tương tự không điều chế 23dB. Mức công suất của sóng mang trong băng biên mở rộng thứ nhất là tương đương với mức của sóng mang trong băng biên chính thứ nhất .
Trang 35
Bảng 2-9. Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống lai mở rộng
2.2.3.4. Hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số
Hệ thống phát thanh toàn bộ tín hiệu số được thực hiện bằng cách loại bỏ phần tín hiệu tương tự và thay vào đó là tín hiệu số, mở rộng toàn bộ băng thông của băng biên số thứ nhất và thêm băng biên thứ hai với công suất thấp hơn thay thế phần phổ của tín hiệu tương tự. Phổ tín hiệu của hệ thống phát toàn tín hiệu sô thể hiện trên hình 2-25.
Thêm 10 vùng tần số chính và 4 vùng tần số mở rộng trong mỗi băng biên thứ nhất của hệ thống phát toàn tín hiệu số. Mỗi một băng biên thứ hai cũng có 10 vùng tần số chính thứ hai và 4 vùng tần số mở rộng thứ hai. Không giống như băng biên thứ
Trang 36
nhất, tuy nhiên, các vùng tần số chính thứ hai được bố trí gần kênh trung tâm hơn so với các vùng tần số mở rộng.
Hình 2-25. Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC toàn tín hiệu số
Mỗi băng biên thứ hai cũng cung cấp một miền bảo vệ thứ hai nhỏ, bao gồm 12 sóng mang OFDM và sóng mang định thời 279 hay – 279. Các băng biên được chỉ định có tác dụng như là “bảo vệ” vì chúng được sắp xếp trong vùng của phổ có khả năng chịu ảnh hưởng ít nhất bởi nhiễu giao thoa của tín hiệu tương tự hay tín hiệu số. Việc thêm sóng mang định thời được đặt ở trung tâm của kênh (0). Việc sắp đặt vùng tần số của miền bảo vệ thứ hai không áp dụng khi miền bảo vệ thứ hai không bao gồm vùng tần số như định nghĩa trong hình 2-19 và hình 2-20.
Độ dài tổng cộng của toàn bộ phổ tín hiệu số dùng để nối các khoảng là 396,803Hz. Bảng 2-10 tóm tắt băng tần cao và thấp của băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai đối với hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số.
Mật độ phổ công suất của mỗi sóng mang trong OFDM được cho trên bảng 2-10. Giống như hệ thống lai và hệ thống mở rộng, giá trị công suất có quan hệ mức công suất của sóng mang tương tự FM không điều chế (mức công suất được quy định cho dù đài phát đó không phát tín hiệu tương tự nữa).
Mức công suất của băng biên thứ nhất thiết lập tổng công suất trung bình trên sóng mang số thứ nhất tối thiểu thấp hơn 10dB so với tổng công suất trên sóng mang số thứ nhất trong hệ thống lai. Một trong 4 mức công suất có thể lựa chọn cho các ứng
Trang 37
dụng trong các băng biên thứ hai . Bốn mức công suất thứ hai thiết lập mật độ phổ công suất của các sóng mang số thứ hai (thấp và cao) trong dải thấp hơn mật độ phổ công suất của tất cả sóng mang số thứ nhất của hệ thống phát toàn số từ 5 đến 20dB. Có thể áp dụng một mức công suất cho toàn bộ băng biên thứ hai .
Bảng 2-10. Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống phát toàn tín hiệu số
Trang 38
2.2.3.5. Tạp âm và những hạn chế khi phát tín hiệu
Tất cả các hệ thống FM IBOC đều phải tuân thủ những nguyên tắc của FCC (bảng 2- 11). Việc đo lường các thông số tín hiệu tương tự được thực hiện ở đầu vào anten bằng cách đo mật độ phổ công suất trung bình trong băng thông 1kHz và trong khoảng 10 giây mỗi lần.
Bảng 2-11. Quy định về FCC về phổ tần số FM
2.2.4. Cấu hình hệ thống
Hệ thống truyền dẫn của FM IBOC được cấu hình thông qua các mode dịch vụ của băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai, trễ của tín hiệu tương tự, và mức công suất của các băng biên. Cấu hình hệ thống sẽ xác định làm thế nào các kênh logic khác nhau được ghép vào nhau để tạo thành tín hiệu phát đi.
2.2.4.1. Các mode dịch vụ
Các mode dịch vụ sẽ ra lệnh cho việc thực hiện và cấu hình của kênh logic, các kênh logic này mang chương trình xuống lớp 1. Có hai loại mode dịch vụ: mode dịch vụ trên băng biên thứ nhất, là mode dịch vụ cấu hình cho kênh logic ở băng biên thứ nhất và mode dịch vụ trong băng biên thứ hai, nó sẽ cấu hình kênh logic trong băng biên thứ hai. Có 7 mode dịch vụ trong băng biên thứ nhất là MP1, MP2, MP3, MP4, MP5, MP6, MP7. Bốn mode dịch vụ trong băng biên thứ hai là MS1, MS2, MS3 và MS4.
Mode dịch vụ MP1 được sử dụng cho phát thanh trong hệ thống lai. Các mode dịch vụ MP2 đến MP4 tăng dung lượng của hệ thống lai bằng cách thêm một, hai, hay bốn vùng tần số mở rộng đối với mỗi băng biên thứ nhất. Cách mode dịch vụ từ MP5 đến MP7 dùng tất cả vùng tần số mở rộng thứ nhất, và được sử dụng để phát thanh trong hệ thống lai mở rộng hay phát thanh toàn bộ tín hiệu số. Các mode dịch vụ MS1 đến MS4 cấu hình các biên thứ hai trong hệ thống phát toàn tín hiệu số. Các
Trang 39
mode dịch vụ được phép đối với mỗi hệ thống FM IBOC được tóm tắt trong bảng 2- 12.
Bảng 2-12. Các dịch vụ được phép trên hệ thống FM IBOC
Tất cả các dạng tín hiệu trong mỗi hệ thống đều phải được xác định trong các mode dịch vụ ở băng biên thứ nhất hai băng biên thứ hai. Nếu các băng biên thứ hai không có (trong hệ thống lai hay lai mở rộng) thì các mode dịch vụ của nó được thiết lập là “none”. Các mode dịch vụ từ MP1 đến MP4 không được sử dụng trong hệ thống phát thanh toàn tín hiệu số. Chỉ có các mode dịch vụ MP5 đến MP7 có thể được liên kết với các mode dịch vụ trong băng biên thứ hai, MS1 đến MS4, khi hệ thống phát toàn tín hiệu số. Tất cả mọi sự kết hợp giữa các dịch vụ trong băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai đều được phép.
Bảng 2-12 chỉ ra có trên 19 khả năng kết hợp của các mode dịch vụ, do đó cung cấp