Hệ thống kỹ thuật truyền hình số thế hệ thứ 2 sử dụng mạng đơn tần có ưu điểm vượt trội như sử dụng băng tần, băng thông hiệu quả hơn chỉ sử dụng một tần số phát cho tất cả các máy phát
TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ MẠNG ĐƠN TẦN
Giới thiệu về truyền hình số
Truyền hình số ra đời mang nhiều ưu điểm vượt trội so với truyền hình analog, như tối ưu hóa khả năng sử dụng phổ tần, truyền được nhiều chương trình trên cùng một kênh tần số, khả năng phát hiện và sửa lỗi cao, khắc phục được nhiều hạn chế của truyền hình analog và tương thích với nhiều loại dịch vụ cũng như có thể phát sóng các chương trình HDTV Việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình số được thực hiện qua nhiều phương thức như cáp đồng trục, cáp quang, vệ tinh và truyền hình số mặt đất Đầu vào của thiết bị truyền hình số nhận tín hiệu analog; trong quá trình mã hóa, tín hiệu analog được biến đổi thành tín hiệu số bằng quá trình biến đổi A/D Sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền hình số mô tả luồng từ tín hiệu analog qua xử lý và phát sóng số.
Hình 1-1: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số
Các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình đã chọn Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát, rồi được chuyển tới các thành phần xử lý tiếp theo và đến thiết bị nhận cuối cùng để hiển thị hoặc lưu trữ Việc xác định chính xác các tham số này giúp tối ưu hóa chất lượng hình ảnh và âm thanh, đảm bảo tín hiệu số được nén, mã hóa và truyền tải một cách ổn định, tiết kiệm băng thông và giảm nhiễu trong quá trình truyền.
14 kênh thông tin được truyền tới thiết bị thu Tại phía thu, tín hiệu được giải mã và thực hiện biến đổi ngược lại so với quá trình xử lý ở phía phát, chuyển từ tín hiệu truyền hình số sang tín hiệu truyền hình analog Hệ thống tín hiệu truyền hình số xác định trực tiếp cấu hình của bộ mã hóa và bộ giải mã, đảm bảo quá trình giải mã phù hợp với chuẩn đã chọn Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số đã được mã hóa để chống lỗi trong quá trình truyền.
Đặc điểm của hệ thống truyền hình số
Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền dẫn chương trình truyền hình là hệ thống đa kênh cho phép phát sóng nhiều kênh cùng lúc Tín hiệu truyền hình số yêu cầu băng tần rộng hơn và không chỉ gồm hình ảnh mà còn kèm theo âm thanh và các thông tin khác như thời gian chuẩn, thông tin phụ và metadata Các thông tin này được ghép vào các khoảng trống của đường truyền nhằm tối ưu hóa việc truyền tải và đồng bộ giữa các kênh.
Công nghệ này ít bị tác động bởi nhiễu, có khả năng chống nhiễu và sửa lỗi tốt hơn, giúp khắc phục hiệu quả hiện tượng chồng phổ tín hiệu và hiện tượng bóng ma (Ghosts) so với truyền hình tương tự.
Truyền tín hiệu số được thực hiện dựa trên sự tương quan giữa các kênh truyền tín hiệu Do đó, các thông tin đồng bộ được đưa vào nhằm đồng bộ hóa các tín hiệu giữa các kênh và làm cho quá trình khóa mã trở nên dễ dàng hơn.
Quá trình xử lý tín hiệu số đơn giản và linh hoạt hơn so với tín hiệu tương tự, nhờ cho phép sửa đổi thời gian gốc, chuyển đổi giữa các chuẩn, dựng hậu kỳ và giảm độ rộng băng tần mà vẫn bảo toàn các đặc trưng cơ bản của tín hiệu Vì vậy, DSP giúp rút ngắn thời gian xử lý, tăng tính linh hoạt và tối ưu hiệu suất cho các hệ thống truyền thông và cảm biến.
Các tiêu chuẩn truyền hình số trên thế giới
Hiện tại trên thế giới chủ yếu sử dụng 3 tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số đó là : ATSC của Mỹ, DiBEG (ISDB-T) của Nhật, DVB-T của Châu Âu
1.3.1 Tiêu chuẩn ATSC (Advanced Television System Committee)
Ngay từ đầu những năm 1990, Mỹ đã xuất hiện bốn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất (HDTV) được đề xuất bởi nhiều tổ chức và nhóm nghiên cứu khác nhau nhằm nâng cao độ phân giải và chất lượng hình ảnh Đến năm 1993, sau nhiều cuộc thử nghiệm, Ủy ban Tư vấn về dịch vụ truyền hình đã tổng hợp kết quả và đề xuất khung chuẩn HDTV, đặt nền móng cho quá trình chuẩn hóa và triển khai trên quy mô quốc gia Các tiêu chuẩn này tập trung vào độ phân giải cao, khả năng tương thích thiết bị và hiệu quả truyền tải tín hiệu, tạo đà cho sự phát triển của công nghệ phát sóng và thiết bị nhận HDTV.
ACATS (Advisory Committee on Advance Television Service) gồm 15 thành viên tiên tiến đã thuyết phục các nhóm nghiên cứu chọn lọc những điểm mạnh của từng tiêu chuẩn, sau đó kết hợp chúng để hình thành một tiêu chuẩn duy nhất cho dịch vụ truyền hình tiên tiến.
Năm 1995, Ủy ban Tư vấn ACATS đã chính thức trình lên FCC một khuyến nghị liên quan đến tiêu chuẩn truyền hình độ phân giải cao số hóa (Digital HDTV) Động thái này đánh dấu bước đi quan trọng trong việc xác định khuôn khổ kỹ thuật cho HDTV số hóa và định hình lộ trình phát triển bộ tiêu chuẩn, nhằm tối ưu chất lượng hình ảnh và khả năng tương thích giữa các hệ thống truyền hình.
Mỹ với tên “The Grand Alliance” Đó là kết quả của sự cạnh tranh và sau đó là sự tập trung trí tuệ của 7 tổ chức, công ty lớn
Vào năm 1996, FCC đã chấp thuận tiêu chuẩn truyền hình số DTV của Mỹ dựa trên gói dữ liệu MPEG-2 188 byte, các tham số kỹ thuật được quy định bởi Ủy ban Dịch vụ Truyền hình Tiên tiến (ATSC – Advanced Television System Committee) ATSC cho phép 36 chuẩn video, từ HDTV (High Definition Television) đến các định dạng SDTV (Standard Definition Television), với các phương thức quét xen kẽ (interlaced) và quét liên tục (progressive) cùng với nhiều tỷ lệ khung hình khác nhau.
Tiêu chuẩn ATSC DTV là một hệ thống dự định truyền các tín hiệu video, audio và dữ liệu chất lượng cao trên một kênh 6MHz Hệ thống này có thể truyền đáng tin cậy khoảng 19 Mbit/s trong kênh truyền hình mặt đất 6MHz và khoảng 38 Mbit/s trong kênh truyền hình cáp 6MHz Để thực hiện điều đó, tín hiệu video nguồn có thể mã hoá tới 5 lần để tốc độ dòng bit tín hiệu truyền hình quy ước (NTSC) giảm xuống tới 50 lần hoặc cao hơn Để giảm tốc độ dòng bit, kỹ thuật nén Video và Audio được sử dụng trong hệ thống.
Sơ đồ khối của hệ thống ATSC được minh họa hình dưới:
Hình 1-2: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số chuẩn ATSC
Mã hoá và nén tín hiệu nguồn:
Cho phép hạn chế tốc độ bit (nén dữ liệu) phù hợp cho từng ứng dụng là một yếu tố then chốt giúp tối ưu hóa truyền thông Hệ thống điều chỉnh băng thông cho các dòng dữ liệu video số, dữ liệu âm thanh số và dữ liệu phụ (dữ liệu điều kiện và điều khiển truy nhập, dữ liệu phục vụ) nhằm cân bằng chất lượng dịch vụ và hiệu quả sử dụng mạng, đồng thời tối ưu hóa quá trình nén và truyền tải dữ liệu.
Ghép kênh và truyền tải:
Thông tin được chia nhỏ thành các gói dữ liệu, mỗi gói đi kèm một tiêu đề nhận biết nhằm phân biệt loại gói dễ dàng Các gói dữ liệu được sắp xếp theo thứ tự hợp lý, bao gồm gói video, gói audio và dữ liệu phụ, và sau đó được ghép lại vào một dòng dữ liệu đơn để tối ưu hóa xử lý và truyền tải.
Hệ thống DTV sử dụng dòng truyền tải MPEG-2 để ghép và truyền dẫn tín hiệu video, âm thanh và dữ liệu trong hệ thống phát sóng quảng bá Dòng truyền tải này cho phép ghép nhiều luồng dữ liệu và truyền đồng thời trên một kênh thông tin, đồng thời thích hợp khi băng thông hoặc dung lượng lưu trữ có hạn, hay trong các đường truyền với chế độ truyền không đồng bộ (ATM).
Thu/Phát: gồm quá trình mã hoá và điều chế kênh truyền
Trong hệ thống truyền số, mã hoá kênh truyền có nhiệm vụ bổ sung thông tin cho chuỗi bit dữ liệu nhằm hỗ trợ quá trình tái tạo tín hiệu tại phía thu và giảm thiểu lỗi do suy hao trong truyền Điều chế là quá trình chuyển các thông tin trong dòng dữ liệu số lên thành tín hiệu truyền dẫn, gồm hai chế độ chính: chế độ phát quảng bá mặt đất (8-VSB) và chế độ truyền dữ liệu qua cáp tốc độ cao (16-VSB).
1.3.2 Tiêu chuẩn DiBEG (Digital Broadcasting Expert Group)
Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DiBEG của Nhật, còn được biết đến là ISDB-T hoặc ARIB, dùng kỹ thuật ghép kênh theo đoạn dải tần BST-OFDM (Band Segmented OFDM) và cho phép áp dụng các phương thức điều chế tín hiệu số khác nhau cho từng segment dữ liệu, như QPSK, DQPSK, 16-QAM và 64-QAM Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành 13 khối OFDM, mỗi khối có dải phổ 432 kHz và chứa các tín hiệu chỉ thị cùng các tham số truyền dẫn như loại điều chế và các mã sửa lỗi được sử dụng trong từng khối.
Hình 1-3:OFDM phân chia dải tần (Band Segmented OFDM)
ISDB – T cho phép hệ thống có dải phổ 5,6 MHz và 432 KHz Trong môi trường một kênh truyền hình 6MHz có thể sử dụng ba loại máy thu:
• 5,6 MHz với bộ giải điều chế OFDM và màn hình HDTV để thu loại mọi hình dịch vụ
• 5,6 MHz với bộ giải điều chế OFDM để thu di động với màn hình tiêu chuẩn (SDTV)
• 432 KHz với bộ giải điều chế OFDM để thu âm thanh và dữ liệu
DiBEG có khả năng được sử dụng trong dải tần làm việc 7/8 MHz, mở rộng phạm vi ứng dụng và tối ưu hóa hiệu suất cho các hệ thống truyền hình số ISDB-T trên thực tế là một biến thể của chuẩn DVB-T, mang lại sự tương thích và linh hoạt giữa các nền tảng phát thanh số dựa trên công nghệ DVB-T.
1.3.3 Tiêu chuẩn DVB – T (Digital Video Broadcasting Terrestrial)
Trong hệ thống các trạm mặt đất DVB-T, các kênh VHF và UHF đóng vai trò then chốt cho việc truyền tín hiệu số with tốc độ cao Những kênh này là phương tiện chủ lực để đảm bảo chất lượng và hiệu suất truyền hình số, tối ưu hóa băng thông và khả năng phát sóng trên phạm vi rộng Tuy nhiên, hiện tượng truyền lại đa đường gây dội vang và làm suy giảm tín hiệu ở một số tần số, đòi hỏi các kỹ thuật điều biến và thiết kế hệ thống phù hợp Quản lý kênh VHF/UHF và xử lý hiện tượng đa đường là yếu tố quyết định để duy trì chất lượng âm thanh và hình ảnh trong truyền dẫn DVB-T.
Trong truyền tín hiệu lặp, độ trễ mở rộng tín hiệu chủ yếu là do sự phản xạ của môi trường xung quanh và các bề mặt vật thể, có thể lên tới vài chục ms Khi phía thu có thể di chuyển, tín hiệu trực tiếp từ phía phát có thể bị mất do kênh Rayleigh, vì vậy phía thu buộc phải khai thác các đám mây tín hiệu phản hồi quanh vật thể để duy trì liên lạc và cải thiện chất lượng nhận tín hiệu.
Trong mạng đơn tần số (SFN), việc chọn tần số kênh phù hợp rất quan trọng vì các máy phát phát tín hiệu giống nhau tại cùng thời điểm và có thể phát tín hiệu lặp lại gây nhiễu trong khu vực dịch vụ, với độ trễ lên tới vài trăm ms Để khắc phục vấn đề này, các bộ tương thích kênh DVB-T được thiết kế dựa trên điều chế đa sóng mang trực giao COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing – ghép kênh phân chia theo tần số đã được mã hóa).
Dòng bit truyền có thể được chia thành hàng ngàn sóng mang phụ có tốc độ thấp để ghép kênh FDM Hệ thống hoạt động ở hai mode chính: mode 2K dành cho mạng chuyển đổi (tương ứng với 1705 sóng mang phụ trong dải thông 7,61 MHz và Tu = 224 μs) và mode 8K dành cho SFN (tương ứng với 6817 sóng mang phụ trong dải thông 7,61 MHz và Tu = 86 μs).
Cấu trúc khung OFDM trong DVB – T
Trong hệ thống COFDM, tín hiệu được tổ chức thành các khung; mỗi khung có thời trễ Tf và chứa 68 symbol OFDM Bốn khung liên tiếp tạo thành một siêu khung (superframe).
Mỗi symbol OFDM được tạo nên bởi tập hợp k = 6817 sóng mang ở chế độ 8K, và 1705 sóng mang ở chế độ 2K và được truyền thời gian Ts = Tu + ∆
Trong đó : Tu: chu kỳ hữu ích của symbol OFDM
∆ : Khoảng bảo vệ (Guard interval)
Khoảng bảo vệ Δ được chèn trước phần Tu của mỗi symbol và nó là bội số của chu kỳ cơ bản T = 7/64 hoặc 8/64, được tính bằng đơn vị thời gian Giá trị của khoảng bảo vệ được sử dụng như một tham số điều chỉnh nhằm tối ưu đồng bộ và giảm nhiễu trong hệ thống truyền thông Việc lựa chọn Δ dựa trên chu kỳ cơ bản và bảo đảm Δ là bội số của T giúp bảo vệ dữ liệu và duy trì độ ổn định của tín hiệu khi truyền Trong thiết kế, khoảng bảo vệ đóng vai trò là một phần bổ sung cho mỗi symbol và ảnh hưởng đến hiệu quả mã hóa cũng như khả năng đồng bộ giữa nguồn phát và thiết bị nhận Các giá trị phổ biến của khoảng bảo vệ thường là các bội số của T như 7/64 hoặc 8/64, phù hợp với yêu cầu đồng bộ và hiệu suất hệ thống.
Các symbol trong 1 khung OFDM được đánh số từ 0 tới 67 tất cả các symbols đều chứa số liệu và các thông tin báo hiệu
Mỗi khung OFDM chứa các thông tin báo hiệu ngoài dòng truyền tải MPEG-
2 sau khi đã mã hóa đường truyền:
- Các sóng mang pilots phân tán
- Các sóng mang pilots liên tục
- Các sóng mang TPS (thông báo thông số truyền dẫn)
Các sóng mang pilots được sử dụng cho đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian, đánh giá kênh nhận dạng chế độ truyền dẫn và cũng có thể được sử dụng rượt theo nhiễu pha, Tại phía thu căn cứ vào các sóng mang pilots thu được sẽ nội suy các thông số về sai pha, tần số của tín hiệu trên đường truyền để việc giải điều chế các sóng mang được chính xác hơn
Các sóng mang được đánh dấu bằng chỉ số k thuộc băng tần( kmin/ kmax), và được xác định bằng kmin=0 và kmax= 1704 ở chế độ 2K, và kmax= 6816 ở chế độ 8K Với kênh RF là 8Mhz thì độ rộng hữu ích là 7,61Mhz
Loại sóng mang Mode 2K Mode 8K
Bảng1-1: Số lượng sóng mang trong COFDM
Số hiệu sóng mang kmin 0 0
Số hiệu sóng mang kmax 1704 6016
Thời gian hữu ích Tu 224 896
Khoảng cách giữa các sóng mang 1/Tu
Khoảng cách giữa 2 sóng mang kmin và kmax
Bảng 1-2: Một số thông số chính
Tín hiệu COFDM truyền đi được mô tả bằng phương trình sau:
Trong đó: ψ m,l,k (t) = ej2π.k/Tu.(t-∆-l.Ts-68.m.Ts) với (l+68m).Ts ≤ t ≤ l+68m +1).Ts
Trong hệ OFDM, tín hiệu được mô tả trên lưới các chỉ số k (sóng mang), l (symbol OFDM) và m (khung truyền dẫn) k là chỉ số của sóng mang, l là chỉ số của symbol OFDM, m là chỉ số của khung truyền dẫn và M là tổng số sóng mang truyền dẫn Ts là chu kỳ của symbol OFDM, Tu là chu kỳ hữu ích của symbol OFDM X[k,l,m] = 0 với những giá trị còn lại, nghĩa là chỉ các giá trị hợp lệ của k, l và m được dùng để biểu diễn dữ liệu, các giá trị không hợp lệ sẽ bằng 0.
24 fc: tần số trung tâm của sóng mang k’: chỉ số của sóng mang tương đối so với tần số trung tâm
C m,l,k : biên độ phức cho sóng mang k của symbol số hiệu l trong khung thứ m
Các giá trị Cm,l,k là các giá trị điều chế được chuẩn hóa các điểm phức trên biểu đồ chòm sao ứng với hệ số α dùng cho số liệu
1.4.1 Các tín hiệu pilot chuẩn
Trong một khung OFDM, các sóng mang được điều chế với các thông tin chuẩn và giá trị phát đi được máy thu nhận biết Các sóng mang này được phát với mức công suất tăng 2,5 dB so với các sóng mang dữ liệu, và thông tin trên các sóng mang này là các tín hiệu pilot phân tán và tín hiệu pilot liên tục.
Cứ 4 symbol OFDM thì có 1 pilot liên tục trùng vị trí với pilot phân tán Các pilots phân tán và liên tục được dải đều trong băng tần từ kmin tới kmax Các sóng mang số liệu là cố định từ symbol này đến symbol khác đó là 1512 sóng mang số liệu hữa ích ở chế độ 2k và 6048 sóng mang số liệu ở chế độ 8k
Giá trị thông tin của các pilot phân tán và liên tục được lấy từ chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PRBS, là một chuỗi các giá trị, mỗi giá trị tương ứng với một sóng mang pilot Các pilot phân tán và liên tục được điều chế bằng chuỗi PRBS, với Wk tương ứng với chỉ số sóng mang k của chúng Chuỗi PRBS này cũng điều khiển pha khởi đầu của thông tin TPS.
Chuỗi PRBS hoạt động theo đa thức sau:
Chuỗi PRBS được khởi tạo sao cho bit ra đầu tiên trùng với sóng mang đầu tiên (kmin) Mỗi sóng mang được sử dụng để sinh một giá trị mới dựa trên chuỗi PRBS, và giá trị này được tạo ra trên từng sóng mang, bất kể sóng mang đó là pilot hay không pilot.
Các pilot phân tán (scattered pilots) với số lượng là 131 trong symbol 2k và
524 trong symbol 8k được đưa vào bộ tạo khung COFDM tại khối thích ứng khung( frame adaptation)
Pilots phân tán đóng vai trò là thông tin tham chiếu cho máy thu để đánh giá tình trạng của kênh truyền và từ đó thực hiện sửa lỗi Thông tin chuẩn được lấy từ chuỗi PRBS và được truyền qua các ô pilots phân tán trong từng symbol OFDM với mức công suất tăng cường nhằm tăng độ tin cậy của việc ước lượng kênh Việc điều chế các pilots phân tán được thực hiện bằng các kỹ thuật phù hợp nhằm tối ưu hóa độ nhạy và độ chính xác của đo đạc kênh.
Có nghĩa là sau khi điều chế các pilots phân tán chỉ có phần thực và không có phần ảo Trong đó:
M: là chỉ số khung COFDM K: là chỉ số của sóng mang điều chế
L: là chỉ số của symbol OFDM
Thêm vào các pilots ở trên đây, 45 sóng mang pilots liên tục ở chế độ 2k, và
Trong hệ thống DVB-T sử dụng khung COFDM ở chế độ 8k, 177 sóng mang pilot liên tục được chèn vào khung dữ liệu Các pilot này chứa thông tin chỉ dẫn giúp máy thu DVB-T thực hiện đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác Chúng được phân bố đều trên mỗi symbol, tối ưu hóa khả năng đồng bộ và khôi phục tín hiệu trong điều kiện nhiễu và suy giảm kênh.
Các tín hiệu pilot liên tục được điều chế bằng chuỗi PRBS và được truyền ở mức công suất tăng thêm 2,5 dB so với các ô dữ liệu Các ô dữ liệu được chuẩn hóa sao cho E(c · c*) = 1.
Các pilots liên tục được điều chế như sau:
Điều này có nghĩa là, giống như các sóng mang phân tán, sau khi điều chế sóng mang liên tục chỉ có phần thực Re mà không có phần ảo Im Tình trạng này làm cho tín hiệu dễ xử lý và phân tích hơn, vì nó giảm sự phức tạp và cho phép biểu diễn tín hiệu bằng một thành phần duy nhất.
Vị trí các sóng mang pilot liên tục
Bảng 1-3: vị trí các sóng mang pilot liên tục
TPS (Transmission Parameter Signalling) là các sóng mang được dùng để hiển thị và cung cấp các tham số liên quan đến sơ đồ điều chế và mã hóa kênh truyền Thông tin này cho phép hệ thống nhận diện cấu hình kênh, điều chế và mã hóa, từ đó tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu và cải thiện độ tin cậy của tín hiệu Việc triển khai TPS giúp mạng có thể điều chỉnh tham số điều chế và mã hóa theo điều kiện truyền dẫn, nâng cao hiệu quả và tính linh hoạt của hệ thống.
TPS được truyền đồng thời trên 17 sóng mang ở chế độ 2k và trên 68 sóng mang ở chế độ 8k; mỗi sóng mang TPS nằm trong cùng một symbol OFDM mang một bit thông tin được mã hóa bằng mã vi sai giống nhau.
Sóng mang TPS truyền tải các thông tin về:
Mạng Đơn Tần
Trong thực tế, hiện tượng phản xạ sóng khi thu các chương trình truyền hình gây nhiễu tín hiệu và méo hình Đối với công nghệ analog, nhiều sóng từ anten thu gửi tới gây ra bóng ma lem nhem và thậm chí các hình ảnh phá nhau làm mất đồng bộ, khiến TV không thể xem được.
Trong phát sóng hình số, hiện tượng phản xạ tín hiệu vẫn có thể xảy ra, nhưng nhờ kỹ thuật ghép đa tần trực giao OFDM và thông số khoảng thời gian bảo vệ của DVB‑T, các thiết bị thu DVB‑T đã khắc phục hiệu quả hiện tượng này Các tia sóng đến từ nhiều hướng với quãng đường truyền tới anten thu khác nhau sẽ chịu các độ trễ khác nhau do hiện tượng đa đường; OFDM kết hợp với guard interval giúp đồng bộ hóa tín hiệu và giảm méo, nhiễu, từ đó cải thiện chất lượng nhận hình và trải nghiệm người xem.
Xem mỗi điểm phản xạ như một máy phát con, toàn hệ thống được hình dung như một mạng đơn tần tự nhiên Lý do là các tia sóng (chùm sóng) trong mạng này đều mang cùng dòng truyền tải, tạo nên sự đồng nhất về tần số và hướng truyền Chính sự tổ chức này làm cho các thành phần liên thông với nhau và giữ cho tín hiệu được truyền tải ở cùng tần số, góp phần làm rõ tính chất của mạng ở mức tổng thể.
TS có cùng tần số và các chùm sóng đến điểm thu có độ trễ khác nhau, nhưng vẫn nằm trong khoảng thời gian bảo vệ Mạng đơn tần tự nhiên này không chịu sự tác động của con người để chuẩn chỉnh đồng bộ như mạng đơn tần do con người chủ động tạo ra.
Theo thiết kế truyền thống, để đảm bảo vùng phủ sóng chắc chắn và ngăn ngừa hiện tượng giao thoa giữa các tín hiệu truyền hình số được phát, người ta thực hiện dùng mạng đa tần (MFN: Multi-Frequency Network), có nghĩa tần số phát của hai đài phát lân cận nhau phải khác nhau Tuy nhiên, cách làm này cạn kiệt tài nguyên tần số quốc gia và không mang lại hiệu quả kinh tế.
Do tính chất của nội dung các chương trình truyền hình trong một hệ thống là giống nhau và nhu cầu phủ sóng ở diện rộng, các nhà nghiên cứu truyền hình số đề xuất xây dựng hệ thống mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network) SFN được đặc trưng bởi tập hợp các máy phát đồng bộ trong hệ thống cùng phát trên một tần số và cùng một tín hiệu, giúp tối ưu hoá việc sử dụng quỹ tần số Nhờ đó có thể tăng số trạm phát sóng lên mà vẫn đảm bảo chất lượng phủ sóng tốt nhất mà không cần tăng công suất phát hay độ cao của anten.
Ngoài các ưu điểm cơ bản, mạng SFN cho thấy nhiều điểm nổi trội so với mạng MFN như mức tiêu thụ công suất của toàn hệ thống thấp hơn, giảm thiểu lỗi dịch tần do hiệu ứng Doppler và lỗi truyền phát dữ liệu, cùng với trễ và sai số theo thời gian giảm nhờ giảm khoảng cách từ đài phát tới máy thu và giảm nhiễu giao thoa Tại một vị trí trong vùng phủ sóng SFN, máy thu nhận được một tập hợp tín hiệu hình truyền cùng tần số và nội dung (ví dụ với DVB-T), nhưng các tín hiệu đến có thời gian trễ khác nhau tùy theo khoảng cách tới từng đài phát Như vậy máy thu sẽ không thể làm việc nếu không có bộ phận xử lý trễ thời gian trong một hệ SFN.
Trong hệ DVB-T, khoảng bảo vệ (guard interval) là kỹ thuật phổ biến để giảm trễ và nhiễu giữa các symbol, đồng thời tăng tính đồng bộ của hệ thống khi tín hiệu từ nhiều nguồn phát đến cùng một đầu thu Khoảng bảo vệ có thể kiểm soát mức trễ thời gian lên đến 224 μs, giúp tối ưu hóa sự ghép thời gian và chất lượng tín hiệu Hệ thống DVB-T áp dụng modulation OFDM và chèn khoảng bảo vệ giữa các symbol của khung OFDM, do đó vùng phủ sóng của một cell trong mạng SFN sẽ phụ thuộc nhiều vào độ dài trễ nhận được và tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) Đây sẽ là một yếu tố để xác định bán kính vùng phủ sóng.
Mạng đơn tần (SFN) là hệ thống mạng phát sóng gồm nhiều trạm phát cùng dùng một tần số để phát cùng một nội dung thông tin, cho phép đồng bộ hóa tín hiệu trên cùng tần số và tạo vùng phủ sóng liền mạch Đây là một trong những phương pháp hiệu quả để mở rộng phạm vi phủ sóng mà không cần cấp thêm tần số, tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và giảm chi phí triển khai Việc đồng bộ giữa các trạm phát giúp tín hiệu từ mọi trạm cộng hưởng và giảm thiểu nhiễu, hạn chế hiện tượng chồng lấn tín hiệu tại biên vùng phủ SFN được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh truyền hình, phát thanh số và các hệ thống truyền thông cần phạm vi phủ sóng rộng với ngân sách tối ưu.
Mạng đơn tần có thể triển khai trên cả hệ thống phát thanh số T-DAB và hệ thống truyền hình số DVB-T Ngoài ra, mạng đơn tần còn được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến khác, chẳng hạn như mạng nội bộ không dây.
Mạng đơn tần sử dụng điều chế COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ghép kênh phân chia tần số trực giao theo mã COFDM
Để khắc phục hiện tượng nhiễu đa đường (tín hiệu phản xạ và tín hiệu chính cùng tới phía thu), người ta sử dụng một khoảng bảo vệ có thông số tỉ lệ với thời gian không truyền dữ liệu giữa các symbol Nhờ khả năng chống nhiễu đa đường, chúng ta có thể xây dựng mạng SFN với vùng phủ sóng chồng lấn từ nhiều máy phát phát cùng một tần số Tại khu vực giao thoa, tín hiệu yếu hơn giữa hai tín hiệu đến được xem như một echo của hiện tượng nhiễu đa đường Tuy nhiên, tín hiệu echo phải được bảo vệ và các trạm phát phải đồng bộ Vì vậy, nếu hai trạm phát ở xa nhau, độ trễ giữa hai tín hiệu từ hai máy phát và hệ thống sẽ đòi hỏi một khoảng bảo vệ lớn.
1.5.1 Phân loại mạng đơn tần
Trong mạng SFN, việc thiết lập và phân loại mối quan hệ tương quan hoặc không tương quan được thực hiện ở nhiều dạng cấu hình khác nhau, tùy theo yêu cầu của nhà điều hành và các điều kiện thực tế tại khu vực triển khai Mạng SFN cho phép đánh giá mức độ liên kết, đồng bộ và sự phụ thuộc giữa các trạm phát nhằm tối ưu hóa phạm vi phủ sóng, hiệu suất mạng và độ tin cậy Quá trình phân loại mối quan hệ này giúp lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp với đặc điểm địa hình, nguồn lực mạng và mục tiêu vận hành Nhờ vậy, mạng SFN có thể linh hoạt điều chỉnh để đạt được đồng bộ cao, giảm nhiễu và nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng.
Mạng SFN (Single Frequency Network) là mạng mà nội dung các chương trình được phát đồng bộ và giống hệt nhau trên toàn mạng Ngược lại, một mạng SFN không tương quan là mạng không có mối tương quan giữa các tín hiệu từ các trạm phát khác nhau, về nội dung hoặc về sự đồng bộ Có thể phân loại SFN theo mức độ tương quan giữa các tín hiệu từ các trạm phát và theo sự đồng bộ của chúng trên mạng, từ đó nhận diện các đặc điểm và tiêu chí đánh giá hiệu quả phát sóng của mạng SFN.
1 SFN quốc gia (National SFN), nơi mà có nhiều máy phát công suất cao, riêng biệt nhau Mạng SFN điển hình này sẽ bao phủ một khu vực rộng lớn giống như cả một khu vực hoặc một đất nước và được áp dụng như là một dịch vụ truyền hình quốc gia
2 SFN khu vực (Regional SFN), nơi mà có một hoặc nhiều máy phát công suất cao, riêng biệt nhau
3 SFN địa phương (Localized SFN) nơi có các trạm phát chính công suất cao có thể hoạt động trên các kênh khác nhau nhưng có các nhóm trạm phát SFN địa phương gần mỗi trạm phát chính
Một số vấn đề trong quy hoạch mạng đơn tần
Về nguyên tắc, sự trôi tần số giữa các đài phát sẽ gây dịch tần Doppler trên tín hiệu thu Để bộ san bằng đạt mức dịch tần tự nhiên khoảng 1 Hz, các máy phát trong một SFN phải đồng bộ với sai lệch chỉ khoảng 1 Hz; điều này chỉ có thể thực hiện được bằng cách dùng một máy thu GPS hoặc một đồng hồ tham chiếu có độ chính xác cao (ví dụ đồng hồ Cesium) Thông thường ta ghép thêm tại mỗi trạm phát một máy thu GPS vừa thuận tiện vừa tối ưu chi phí Với phương án này, ta có thể khẳng định lỗi di tần trong SFN sẽ nhỏ hơn so với việc chỉ dùng một đài phát công suất lớn phát trên phạm vi rộng và chịu nhiều ảnh hưởng bởi môi trường truyền sóng.
Trong hệ thống SFN, các máy phát phải truyền đi một tín hiệu đồng nhất và chính xác Để đạt được sự đồng bộ này, giải pháp đơn giản là phân chia tín hiệu cao tần (RF) sao cho nhiều máy phát phát ra cùng một tín hiệu gốc; đây là vấn đề then chốt khi sử dụng phương thức phát lặp chung kênh (on-channel repeaters) trong SFN Nếu không dùng các bộ phát lặp lại, các máy phát phải có bộ điều chế giống hệt nhau; các tín hiệu sau điều chế nếu không giống nhau sẽ khiến các máy thu không thể làm việc.
Với hiện tượng đa đường truyền, công nghệ hiện nay cho phép giải quyết triệt để nhờ đồng bộ tần số và thời gian giữa các máy phát trong SFN Dù các máy phát đặt ở khu vực khác nhau có yêu cầu về bộ lọc công suất và giản đồ anten khác nhau, dẫn đến méo tuyến tính không đồng nhất, trong SFN những bất lợi này không còn là vấn đề vì các máy thu có thể tự tiến hành sửa lỗi và tái đồng bộ tín hiệu.
39, khi chưa xác định được nguồn gốc của lỗi tuyến tính ở đâu, việc dùng các bộ khuếch đại giống nhau cũng không cần thiết phải đưa ra và cũng không cần phải đặt vấn đề phát lại.
1.6.3 Trôi và trễ thời gian đối với tín hiệu phát
Trong hệ DVB-T, trễ thời gian và trôi thời gian giữa các máy phát được xử lý thông qua khoảng bảo vệ để duy trì đồng bộ Với máy thu, trôi và trễ tín hiệu nhận được được xem như một hiện tượng phụ thuộc vào khoảng cách từ máy thu tới máy phát Để đơn giản, ta xét hai máy phát có tọa độ tại (±c, 0), tức là hai máy phát cách nhau 2c km Máy thu có một tham số trễ thời gian được mô tả qua đường cong tham số nhận tín hiệu, và từ hệ phương trình liên quan có thể thấy sự khác biệt về trễ tới hai máy phát bằng 2a.
Hình 1-9: Đường cong mô tả hẳng số trễ Đường cong ( = a cos ℎ( ); = √ − sin ℎ( )), là đường Hyperbol với tâm tại hai đài phát, ta có thể biến đổi như sau:
Trong hệ thống SFN, với vị trí máy thu nằm trong khoảng 0 < a < c và khoảng cách tối đa tới máy phát bằng 2c, độ trễ lớn nhất sẽ xuất hiện trên đường thẳng cắt qua hai máy phát ở hai phía ngược lại; khi a = c, trễ tối đa nằm ở một phía của một trong hai máy phát (xem hình 2-1) và đặc tính này có thể được tận dụng để bố trí các máy phát cho hiệu quả tối ưu Điều này khác với hiện tượng đa đường trong hệ thống cũ với hai đài phát có tần số khác nhau, ở đó các nguồn gây trễ có cùng nguyên nhân sẽ nằm trên một đường elip có hai tiêu điểm là hai máy phát và tâm của ellip đặt tại máy thu, không phải trên đường hyperbol với tâm là máy phát Cần lưu ý rằng trong SFN trễ không những phụ thuộc vào phần tử anten mà còn chịu tác động của địa hình.
Trong một mạng SFN, độ trễ liên quan mật thiết tới tỉ lệ cường độ tín hiệu và có thể được ước lượng khi sử dụng anten Omni trực tiếp; sự suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách tới máy phát và hệ số suy giảm truyền phát Vì vậy, công suất tín hiệu thu P_RX được ước lượng gần đúng bằng công thức P_RX ≈ P_TX − L, với L là tổng suy hao đường truyền do khoảng cách và các yếu tố môi trường tác động.
Trong đó: P là công suất phát tại máy phát; r là cự ly từ máy thu tới máy phát
Trong bài toán này, ta thực hiện một phép so sánh đơn giản với hệ thống phát tín hiệu tần số nhằm nêu rõ ý nghĩa của sự đối chiếu giữa hai máy phát Ta đặt tỉ lệ tín hiệu từ hai nguồn phát trên hình 9.1 là một hằng số và dựa vào đó tiến hành giải phương trình, từ đó rút ra mối quan hệ giữa các tham số và kết quả của hệ thống.
41 Đây chính là phương trình đường tròn có tâm đặt tại (c, 5;?
Hình 1-10: Đường tròn mô tả hằng số tỉ lệ tín hiệu và hyperbol mô tả hằng số trễ
Dạng đường tròn không phụ thuộc vào hệ số suy giảm , trên thực tế tỉ lệ tín hiệu trên đường tròn vẫn ít nhiều bị ảnh hưởng bởi hệ số suy giảm này Với hệ số suy giảm cao hơn thì cần tỉ lệ tín hiệu cao hơn, như mô tả ở hình 2-2
Từ đây ta có thể kết luận: Không thể tạo ra một khu vực đánh dấu sẵn tỉ lệ tín hiệu với cùng một hằng số trễ thời gian Hơn nữa nếu khoảng cách giữa hai máy phát quá xa sẽ có khu vực trễ quá nhiều, không thể xử lý được tín hiệu thu, với hệ DVB-T khoảng bảo vệ cho hai chế độ điều chế được cho theo bảng 2-1
Bảng 1-10: Chu kỳ symbol và khoảng bảo vệ ở chế độ 8k và 2k
Quan sát khoảng bảo vệ của hai chế độ, ta thấy ở chế độ 8K khoảng cách giữa hai nguồn phát là 224 đơn vị, tương ứng 67 km, lớn hơn so với chế độ 2K với 56 đơn vị, tương ứng 17 km Kết quả cho thấy chế độ 8K có phạm vi bảo vệ rộng hơn chế độ 2K.
1.6.4 Vùng phủ sóng chắc chắn Đây là vấn đề quan trong nhất và phụ thuộc nhiều vào khoảng bảo vệ, để phân tích cụ thể, chúng ta lại chọn ví dụ như đã dùng ở trên, coi khoảng cách giữa hai máy phát là 2c, hệ số suy giảm tín hiệu phát là α Máy thu ở giữa hai máy phát sau đó dịch chuyển về hướng của một máy phát với khoảng cách pc, với -1