Nhằm mục đích tìm giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn trong truyền hình số mặt đất, bài báo này tập trung nghiên cứu kênh truyền sóng vô tuyến trong truyền hình số mặt đất, các ảnh hưởng của kênh truyền lên chất lượng truyền dẫn. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Kênh truyền sóng trong truyền hình số mặt đất
và tác động đến chất lượng truyền dẫn Nguyễn Trung Hiền1,2, Nguyễn Ngọc San2, Nguyễn Đình Thu1, Lê Nhật Thăng2
Tóm tắt — Trong hơn hai thập niên qua, hệ thống quảng bá truyền
hình số mặt đất (DTTB – Digital Television Terrestrial
Broadcasting) đã phát triển mạnh trên khắp thế giới Thời gian
gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ xử lý tín
hiệu số tiên tiến, hệ thống DTTB thế hệ tiếp theo được nghiên cứu
để cung cấp nhiều loại dịch vụ với chất lượng tốt hơn và hiệu suất
phổ tần cao hơn Đối với truyền hình số mặt đất, kênh truyền dẫn
có nhiều nhược điểm như: Giảm chất lượng do truyền sóng đa
đường từ phản xạ trên bề mặt, nhiễu xạ với các vật cản nhọn, tán
xạ khi qua môi trường không đồng nhất Nhằm mục đích tìm giải
pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn trong truyền hình số mặt
đất, bài báo này tập trung nghiên cứu kênh truyền sóng vô tuyến
trong truyền hình số mặt đất, các ảnh hưởng của kênh truyền lên
chất lượng truyền dẫn
Từ khóa – Truyền hình số mặt đất, kênh truyền sóng, chất lượng
truyền dẫn
Truyền hình số được giới thiệu từ năm 1994 ở Mỹ và 1996
ở châu Âu và Nhật Bản, đầu tiên là qua hệ thống qua vệ tinh và
sau đó là mạng mặt đất Kỳ vọng được đặt nhiều vào hệ thống
truyền hình số nói chung và hệ thống truyền hình số mặt đất
(DTTB) nói riêng Điểm quan trọng nhất là hệ thống DTTB phải
đáp ứng truyền hình HDTV với yêu cầu cao về chất lượng đường
truyền [1] [3] Sau khi ITU chấp nhận tiêu chuẩn DTTB thứ tư:
Quảng bá đa phương tiện truyền hình số mặt đất – DTMB, vào
tháng 12/2011, hiện tại có 4 chuẩn DTTB được sử dụng rộng rãi
ở nhiều nước: ATSC (Hệ thống truyền hình tiên tiến) của Mỹ,
DVB-T (Truyền hình số mặt đất) của Viện tiêu chuẩn viễn thông
châu Âu -ETSI, ISDB-T (Quảng bá số tích hợp dịch vụ mặt đất)
của Nhật và DTMB (Quảng bá đa phương tiện truyền hình số
mặt đất) của Trung Quốc [5][6] Nhìn chung các chuẩn này đều
hỗ trợ tốt HDTV, tuy nhiên do sự bùng nổ của thông tin và nhu
cầu dịch vụ đa dạng về tốc độ và chất lượng, điều này đòi hỏi
cần có hệ thống DTTB với hiệu năng mạnh hơn và nhờ sự phát
triển nhanh của các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến mà hệ
thống DTTB thế hệ thứ hai đã ra đời
Trong truyền dẫn vô tuyến, các đặc tính kênh vô tuyến có
tầm quan trọng đặc biệt vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất
lượng truyền dẫn và dung lượng Trong các hệ thống vô tuyến
thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các
tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước
khi thiết kế hệ thống Nhưng trong các hệ thống vô tuyến tiên
tiến thường sử dụng điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp
hơn Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục
nhận được thông tin về các tính chất thông kê ngắn hạn thậm chí
tức thời của kênh
Các yếu tố chính là hạn chế của hệ thống thông tin vô tuyến bắt nguồn từ môi trường vô tuyến Các yếu tố này là:
+ Suy hao theo khoảng cách, che tối bởi các vật cản trên đường truyền
+ Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu
xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference)
+ Nhiễu cùng tần số hay các tần số lân cận gây méo cho tín hiệu mong muốn
Để làm rõ ảnh hưởng của kênh truyền sóng vô tuyến trong truyền hình số mặt đất lên chất lượng truyền dẫn, sau phần giới thiệu bài báo tập trung trình bày với phần 2: Hệ thống DTTB; phần 3: Mô hình kênh truyền sóng của DTTB; phần 4: Các yếu
tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn và phần cuối cùng là Kết luận
Kiến trúc cơ bản của hệ thống DTTB như hình 1 Mặc dù cả bốn chuẩn ATSC, DVB-T, ISDB-T và DTMB đều được ITU chấp nhận cho hệ thống DTTB thế hệ thứ nhất nhưng chúng có những đặc tính kỹ thuật khá khác biệt [1] [2]
Video coding
Audio coding
Video decoding
Audio decoding
Chương trình trung gian
Lớp truyền tải
Giải điều chế và giải mã kênh
Điều chế và mã hóa kênh Lớp
truyền tải
Video
Audio
Số liệu
Máy chủ ứng dụng
Luồng chương trình
Luồng truyền tải
Kênh quảng bá
vô tuyến Tháp truyền hình
Anten người dùng
Luồng chương trình
Luồng truyền tải
Dữ liệu và hướng dẫn
Video
Audio
MÁY PHÁT
MÁY THU
Hình 1 Kiến trúc hệ thống DTTB điển hình
ATSC
Trang 2Đây là chuẩn DTTB đầu tiên được đề xuất ở Mỹ năm 1995
ATSC cho phép sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang Mục đích
ban đầu khi thiết kế ATSC là thu HDTV cố định ngoài trời trên
kênh 6MHz với tốc độ dữ liệu 19,39Mb/s Dù có công suất phát
thấp nhưng do độ phức tạp cao, lan truyền lỗi trong quá trình cân
bằng hồi tiếp quyết định nên ATSC nhạy cảm với kênh pha đinh
đa đường và khó hỗ trợ máy thu di động
DVB-T
Được ETSI công bố vào năm 1997, đây là chuẩn DTTB được
sử dụng rộng rãi nhất với trên 60 quốc gia Công nghệ nền tảng
của DVB-T là truyền dẫn đa sóng mang ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao (OFDM), mã hóa với khả năng chống pha
đinh đa đường khá tốt DVB-T có thể hỗ trợ máy thu cố định
trong và ngoài nhà, máy thu di động trên kênh 8MHz và tốc độ
dữ liệu trong dải 4,98Mb/s đến 31,67Mb/s
ISDB-T
Chuẩn này được Nhật phát triển năm 1999 Về công nghệ
T khá giống với DVB-T, tuy nhiên so với DVB-T,
ISDB-T có hai cải tiến cơ bản: ISDB-Thứ nhất, bộ ghép xen dài hơn giúp cải
thiện chất lượng thu di động Thứ hai, với công nghệ OFDM
truyền dẫn phân đoạn băng tần (BST-OFDM) giúp ISDB-T hỗ
trợ đa dịch vụ
Bảng 1 Thông số hệ thống cơ bản của các chuẩn DTTB
Chuẩn
ứng
dụng
A.52/A.53 EN 300 744 ARIB
STD-B31 GB 20600-2006
Băng
Mã hóa
Sơ đồ
truyền
dẫn
Đơn sóng
mang
Coded-OFDM với kích thước FFT:
2k và 8k
BST-OFDM với kích thước FFT:
2k 4k và 8k
TDS-OFDM với kích thước FFT: 3780
Thời
gian bảo
vệ
- 1/32, 1/16, 1/8 và 1/4 1/4, 1/7, 1/9
Mã hóa
kênh
Mã lưới tỷ lệ
2/3
+RS(207,187,
t=10)
Mã xoắn đục lỗ
1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 + RS(204,188, t=8)
LDPC(7488,300 8/4512/6016) + BCH(762,752)
Sơ đồ
QPSK, 16QAM và 64QAM
DQPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM
QPSK,
4QAM-NR, 16, 32 và 64QAM
Đan xen Đan xen lưới
12/1
Đan xen bit + đan xen
ký hiệu
Đan xen bit + đan xen thời gian–
tần số
Đan xen xoắn
Tốc độ
số liệu 19,39Mb/s
4,98–
31,67Mb/s
3,65 – 23,23Mb/s
4,81 – 32,49Mb/s
DTMB
DTMB được triển khai ở Trung Quốc từ năm 2006 Công
nghệ chìa khóa của DTMB là sơ đồ truyền dẫn đa sóng mang
mới với tên gọi OFDM đồng bộ thời gian (TDS-OFDM), trong
đó sử dụng chuỗi tạp âm giả ngẫu nhiên (PN) thay cho tiền tố
chu kỳ (CP) làm khoảng bảo vệ giữa các khối dữ liệu liền kề để
đạt được hiệu suất phổ tần cao hơn, đồng bộ nhanh hơn DTMB cũng sử dụng mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp hiệu năng cao (LDPC) phía sau mã BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquengham) để cải thiện tốt hơn hiệu năng hệ thống DTMB có thể hỗ trợ tốc độ
dữ liệu lên đến 32,49Mb/s trong độ rộng kênh 8MHz
Tổng kết các hệ thống cơ bản của bốn chuẩn DTTB được trình bày trong bảng 1 [3] [4]
Trong thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối, xe cộ chuyển động… Nói chung quá trình truyền sóng trong thông tin vô tuyến rất phức tạp Quá trình này có thể chỉ
có một đường truyền thẳng (LOS: Line Of Sight), hay nhiều đường mà không có LOS hoặc đồng thời cả hai Truyền sóng nhiều đường xẩy ra khi có phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ
Phản xạ xẩy ra khi sóng vô tuyến đập vào các vật cản có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng Nói chung phản xạ gây
ra do bề mặt của Trái đất, núi và tường của tòa nhà…
Nhiễu xạ xẩy ra do sóng điện từ gặp phải các bề mặt sắc cạnh
và các thành gờ của các cấu trúc rộng Tán xạ xẩy ra khi kích thước của các vật thể trong môi trường truyền sóng nhỏ hơn bước sóng Thực tế tán xạ thường xuất hiện khi sóng vô tuyến gặp phải các biển hiệu giao thông, cột đèn đường…
Ngoài phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, sóng vô tuyến còn bị suy hao đường truyền Cường độ tín hiệu cũng bị thay đổi theo thời gian do sự chuyển động của máy thu hoặc máy phát Để phân tích, ta có thể đặc trưng ảnh hưởng truyền sóng vô tuyến thành hai loại: Suy hao tín hiệu phạm vi rộng và méo tín hiệu phạm vi hẹp Suy hao tín hiệu phạm vi rộng gây ra do suy hao đường truyền và sự che tối máy phát và máy thu, còn méo tín hiệu phạm
vi hẹp xẩy ra do truyền sóng nhiều đường
Đối với truyền hình số mặt đất, mô hình truyền sóng cần phải được xác định để tính toán tổn hao đường truyền từ đó xác định vùng phủ sóng, và tính toán các thông số khác của kênh vô tuyến
có ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu truyền qua kênh Một số
mô hình phổ biến được sử dụng trong nghiên cứu đối với kênh truyền sóng truyền hình số mặt đất bao gồm [7]:
1 Mô hình NTIA-ITS Longley-Rice, còn được gọi là mô
hình ITM (Irregular Terrain Model)
Mô hình này khá phổ biến và được FCC (Federal Communication Commission) – Mỹ chấp nhận là tiêu chuẩn cho
dự đoán vùng phủ sóng với dải tần rộng từ 20MHz – 20GHz, độ cao anten từ 0,5m – 3.000m, khoảng cách máy thu từ 200m – 500km Mô hình này được phát triển cho giải pháp truyền dẫn điểm – vùng Kết hợp với bản đồ SRTM, mô hình cho kết quả tính toán tổn hao đường truyền khá chính xác
2 Mô hình Hata-Davidson
Mô hình này là phiên bản thay đổi của mô hình Hata, được khuyến nghị bởi TIA (The Telecommunications Industry Association) để cho phép mở rộng tham số đầu vào và khoảng cách để phù hợp với hệ thống DTTB Mô hình sử dụng HAAT (Height Average Above Terrain) trong tính toán
3 Mô hình theo khuyến nghị ITU-R P.1546
Trang 3Là mô hình do ITU-R đề xuất để dự đoán vùng phủ sóng
điểm – vùng cho các dịch vụ mặt đất ở dải tần 30MHz – 3GHz
4 Mô hình dựa trên lý thuyết nhiễu xạ cạnh sắc đơn
Mô hình được phát triển để tính toán tổn hao đường truyền
trong trường hợp hai vật cản sắc cạnh DKE (Double-Knife Edge
Diffraction) hoặc nhiều vật cản tách biệt
Các mô hình tương tự cho các vật cản đầu tù và các cạnh
cách biệt kép được giới thiệu trong khuyến nghị ITU-R
P.526-13 của ITU
Ở đây, ta khảo sát trường hợp xác định ảnh hưởng của vật
cản đơn nằm trong đường truyền giữa máy phát và máy thu, xem
xét vật cản như một màn chắn rộng, năng lượng không đi qua
được, màn chắn hấp thụ, bán vô hạn Cạnh trên của vật cản gọi
là cạnh sắc
Hình 2 Nguyên lý Huygens đối với nhiễu xạ cạnh sắc
Nguyên lý Huygens được sử dụng để dự đoán sự nhiễu xạ
của sóng phẳng trên cạnh sắc Theo nguyên lý Huygens, mọi
điểm trên mặt sóng là là một nguồn sóng thứ cấp, nó lan truyền
tiếp với cùng tốc độ Nói cách khác, nhiễu xạ là sự bẻ cong sóng
quanh cạnh vật cản, và nó phụ thuộc vào kiểu địa hình và cây
cối Nguyên lý Huygens và hiện tượng nhiễu xạ được trình bày
trong hình 2
Mô tả hình học nhiễu xạ cạnh sắc theo nguyên lý Huygens
trình bày trong hình 3
Áp dụng nguyên lý Huygens dạng toán học, cường độ trường
nhiễu xạ có thể dự đoán được Đóng góp của tất cả các nguồn
thứ cấp trong vùng phía trên cạnh vật cản là tổng các trường
thành phần theo biên độ và pha Kết quả cho thấy sự giảm cường
độ trường do nhiễu xạ cạnh sắc theo dB Đó là tham số tổn hao
truyền sóng và có thể được tính toán bằng việc sử dụng tham số
Fresnel
Hệ số nhiễu xạ do nhiễu xạ cạnh sắc được cho bởi:
d
i
E
Hình 3 Minh họa nhiễu xạ cạnh sắc
Trong đó E d là trường nhiễu xạ, E i là trường tới (thường E i =
E 0 , với E 0 là cường độ trường trong không gian tự do) và 𝐹(𝜈)
là tích phân Fresnel:
Một dạng khác là:
1 1 2 2
2 2
F C C S S
Trong đó 𝐶(𝜈), 𝑆(𝜈) tích phân sin và cos Fresnel, chúng có
thể được ước lượng toán học
Tham số Fresnel vô hướng được tính toán theo công thức:
1 2
1 2
h
d d
Hoặc
1 2
2
d d
Trong đó:
h là độ cao giữa cạnh sắc (đỉnh của vật cản) và đường nhìn
thẳng, LOS
là góc nhiễu xạ (rad)
d 1 là khoảng cách giữa máy phát và vật cản theo LOS
là bước sóng Các xấp xỉ sau được thực hiện để lý thuyết có giá trị:
d 1 , d 2 ≫ h; d 1 , d 2 ≫
Nguồn thứ cấp Huygens
Vật cản cạnh sắc Mặt sóng
Sóng
thứ cấp
Nhiễu
xạ
Vùng che tối
Mặt sóng phẳng không đổi
Cạnh sắc
Màn chắn
hấp thụ
Trang 4Phương trình (1) có thể được ước tính sử dụng giải pháp số
Kết quả gần đúng được tính bởi phương trình (6)
0 95
2
0 225
d
d
, d
d
d
G dB
,
(6)
Với 𝜈 > −0,7 xấp xỉ sau đây có thể được dùng:
d
Việc sử dụng miền Fresnel cũng là một cách hữu ích để khảo
sát nhiễu xạ cạnh sắc Miền Fresnel là các hình elip tròn xoay
đồng trục nằm giữa máy phát và máy thu Chúng được định
nghĩa bởi quỹ tích các điểm mà khoảng cách (a+b) bằng với
khoảng cách (d 1 +d 2 ) giữa máy phát và máy thu (đường LOS)
cộng với n lần nửa bước sóng
Khoảng hở miền Fresnel được định nghĩa là (ℎ 𝑟⁄ ) và có thể 𝑛
1 2
1 2
2
2
n
d d r
Hình 4 Suy hao nhiễu xạ vật cản cạnh sắc
Nếu cạnh sắc cản trở miền Fresnel, khi đó cường độ trường
có thể được tính toán ở bất kỳ vị trí nào, bởi vì chúng mang năng
lượng lan truyền chính của sóng điện từ
Fresnel như cho trong hình 4 Quan sát hình này, ta thấy rằng
tham số Fresnel có giá trị -0,8 khi vật cản chiếm 0,6 miền
Fresnel thứ nhất và tổn hao vật cản lúc đó là 0dB Khoảng hở
này là đặc tính chính quyết định vật cản đó có có gây cản trở
đáng kể hay không
được coi là vùng không được cản trở, đôi khi gọi là vùng cấm,
và nếu vùng này thoáng khi đó tổng tổn hao đường truyền thực
tế giống như trường hợp không có vật cản
Vùng không được cản trở này được minh họa đơn giản trong hình 5
Hình 5 Khoảng trống 0,6 miền Fresnel nhứ nhất Trong thực tế, mặt cắt đứng giữa máy phát và máy thu, đường nhìn thẳng (LOS), miền Fresnel thứ nhất và vùng 0,6
miền này được trình bày trong hình 6 Vùng cấm nơi không cho
phép vật cản nào được tô đậm trong hình
Hình 6 Vùng cấm thực tế: 0,6F1
Các cơ chế vật lý của quá trình truyền lan sóng điện từ là truyền lan trong không gian tự do, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Các cơ chế này xác định quá trình truyền lan của tín hiệu điện
từ Các phương pháp và mô hình đã được phát triển để dự đoán
sự lan truyền của sóng vô tuyến Một điều cần nhớ là kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian Các mô hình truyền lan được chia thành hai loại là mô hình thống kê – thực nghiệm và mô hình hình học – tất định Các mô hình thực nghiệm thích nghi tốt hơn với việc tính toán vùng phủ sóng gần đúng và nhanh Mô hình thực nghiệm tính toán cường độ trường mà không yêu cầu hiểu biết chi tiết về địa hình Các mô hình này sử dụng dữ liệu đo lường rộng rãi ở các môi trường truyền dẫn khác nhau và sử dụng các phương trình đơn giản, ít phụ thuộc dữ liệu bản đồ
Các mô hình hình học tất định có thể yêu cầu tính toán nhiều, mất thời gian, nhưng chúng cho kết quả tính toán vùng phủ sóng
vô tuyến theo địa lý chính xác hơn rất nhiều Các mô hình này
Khoảng cách giữa hai trạm (m)
Mặt cắt đường truyền từ máy phát (Tx) đến máy thu (Rx)
Mặt cắt đứng
Cong trái đất
Tham số nhiễu xạ Fresnel,
Trang 5yêu cầu hiểu biết chi tiết về địa hình và đưa vào trong tính toán
độ cong trái đất
Các mô hình thống kê – thực nghiệm điển hình được sử dụng
cho hệ thống DTTB là mô hình Hata-Davidson, mô hình ITU-R
P.1546 Bên cạnh đó là các mô hình hình học – tất định phổ biến
cho DTTB là mô hình nhiễu xạ cạnh sắc đơn và đặc biệt là mô
hình Longley Rice
Đối với đường truyền dẫn tín hiệu từ trạm phát DTTB đến
máy thu đầu cuối sử dụng sóng vô tuyến, các yếu tố ảnh hưởng
tới chất lượng truyền dẫn bao gồm [8]:
1 Pha đinh
Cũng giống như các hệ thống vô tuyến nói chung, truyền dẫn
DTTB chịu ảnh hưởng mạnh từ hiện tượng pha đinh bắt nguồn
từ môi trường truyền Trước hết là pha đinh che tối do các vật
cản trên đường truyền Điều này thường hay xảy ra do DTTB
thường phát ở những nơi đông dân cư, có nhiều vật kiến trúc gây
cản trở sóng điện từ lan truyền Bên cạnh đó, một số trường hợp
thiết kế máy thu DTTB sử dụng anten trong nhà, khi đó tổn hao
khi sóng thâm nhập tòa nhà cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến
chất lượng tín hiệu
Loại thứ hai là pha đinh do đa đường Mặc dù các máy thu
DTTB là cố định, ngoài ra để tránh các vật cản trên đường truyền
thì cột anten phát DTTB thường khá cao, tuy nhiên trong vùng
đô thị tín hiệu thu được tại anten chủ yếu do đường không trực
tiếp và khi đó phải tính đến ảnh hưởng của truyền đa đường, đặc
biệt khi DTTB sử dụng điều chế OFDM thì ảnh hưởng của nhiễu
liên ký hiệu, ISI do đa đường càng nghiêm trọng
Các yếu tố về thời tiết cũng cần phải đưa vào trong tính toán
dự trữ đường truyền cho hệ thống DTTB, đặc biệt với nước ta
khí hậu nhiệt đới, thời tiết thường xuyên thay đổi, mưa nhiều ảnh
hưởng nghiêm trọng đến chất lượng truyền dẫn
2 Can nhiễu hệ thống
Can nhiễu trong hệ thống DTTB trước tiên phải kể đến nhiễu
ISI do hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM và ảnh hưởng của
truyền sóng đa đường Về bản chất khi thiết kế hệ thống, tiền tố
chu trình - CP, đã được tính toán đưa vào để loại trừ ảnh hưởng
chồng lấn ký hiệu Tuy nhiên để đảm bảo hiệu năng dung lượng
tốt hơn thì ISI vẫn tồn tại ở mức độ nào đó và cần có kỹ thuật xử
lý triệt để nhằm tránh ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn
Nhiễu liên sóng mang, ICI, cũng là loại nhiễu đặc trưng cho
truyền dẫn đa sóng mang OFDM ICI trở nên nghiêm trọng với
ảnh hưởng của đường truyền làm mất tính trực giao của các sóng
mang con Để đảm bảo chất lượng tín hiệu DTTB thì nhiễu ICI
phải được xử lý trước khi thực hiện giải điều chế OFDM
3 Hạn chế băng tần
DTTB với kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu hình số về bản chất
khi ghép các kênh truyền hình số lên sóng mang vô tuyến dùng
chung đã mang lại hiệu quả sử dụng phổ tần tốt hơn nhiều so với
truyền hình tương tự trước đây Tuy nhiên với băng tần UHF sử
dụng cho DTTB rất chật chội thì việc mã hóa tín hiệu hình, nén
và ghép kênh lên sóng mang cũng ảnh hưởng tới chất lượng tín
hiệu DTTB Khi có nhiều tiêu chuẩn hình ảnh như HD, 4K hay UHD, 8K và 3DTV với yêu cầu băng tần ngày càng rộng thì vấn
đề hạn chế băng tần càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng truyền dẫn của DTTB
Bên cạnh đó, nhiễu vô tuyến của các kênh lân cận, băng tần lân cận cũng cần phải được loại trừ tránh ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu DTTB
V CÁCGIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
Giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn trong hệ thống DTTB đã được nghiên cứu kỹ càng và triển khai trong chuẩn DTTB-2 mới nhất, các giải pháp đó là [9] [10]:
+ Truyền dẫn đa sóng mang sử dụng OFDM Các vấn đề tồn tại của OFDM như ISI, ICI, PAPR được khắc phục triệt để bởi các giải pháp kỹ thuật cụ thể
+ Mã hóa kênh mạnh để kiểm soát tốt lỗi bit Bên cạnh mã Reed Solomon thì mã LDPC cũng được triển khai trong hệ thống DTTB-2
+ Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần nhờ điều chế bậc cao, lên đến 256QAM ở chuẩn DTTB-2
+ Truyền dẫn thích ứng với các sơ đồ điều chế, mã hóa được kết hợp với nhau đa dạng đảm bảo chất lượng đường truyền yêu cầu
+ Thiết kế anten tốt hơn, vừa đảm bảo tính hướng, vừa hỗ trợ phân tập giúp cải thiện tốt chất lượng truyền dẫn của DTTB Giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn trong hệ thống DTTB đã được nghiên cứu kỹ càng và triển khai trong chuẩn DTTB-2 mới nhất, các giải pháp đó là:
Truyền dẫn dựa trên OFDM
Do đặc tính chịu đựng kênh pha đinh chọn lọc tần số tốt và khả năng cung cấp tốc độ số liệu cao nên OFDM là thành phần không thể thiếu cho hệ thống DTTB tương lai cũng như các hệ thống thông tin vô tuyến Trong DTTB-2, công nghệ CP-OFDM truyền thống cũng được sử dụng với tiền tố chu trình (CP) đóng vai trò khoảng bảo vệ chống nhiễu giữa các ký hiệu (ISI), cũng như nhiễu giữa các sóng mang (ICI) Một số tần số hoa tiêu trong
ký hiệu OFDM được sử dụng cho đồng bộ và ước tính kênh qua
đó đạt được việc truyền dẫn tin cậy Công nghệ mới có tính then chốt của DTTB thế hệ hai là TDS-OFDM, nó khác so với CP-OFDM bằng việc sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) thay thế cho CP làm khoảng bảo vệ Bên cạnh đó chuỗi PN cũng có thể được sử dụng làm chuỗi hướng dẫn (TS) cho đồng bộ và ước tính kênh Như vậy TDS-OFDM ưu việt hơn CP-OFDM về hiệu suất phổ tần vì không cần tín hiệu dẫn đường
Nhược điểm của TDS-OFDM là không hoạt động tốt trên kênh đa đường chọn lọc tần số, đặc biệt khi kênh thay đổi nhanh
là điều kiện gây nhiễu giữa TS và khối dữ liệu OFDM Giải pháp đưa ra là sử dụng OFDM từ duy nhất (UW-OFDM), khi đó TS không độc lập với khối OFDM như trong TDS-OFDM mà nó được tạo ra từ các tần số hoa tiêu kết hợp dư bên trong khối dữ liệu OFDM Khi đó sẽ tránh được ISI giữa khối OFDM và TS
kế tiếp
Một số giải pháp khác khắc phục nhược điểm của TDS-OFDM như TDS-OFDM PN kép (DPN-TDS-OFDM), và mới gần đây là
Trang 6OFDM hướng dẫn thời gian tần số (TFT-OFDM) DPN-OFDM
sử dụng chuỗi PN lặp để tránh nhiễu ISI lên TS thứ hai, tuy nhiên
khi đó hiệu suất phổ tần sẽ giảm do có thêm TS đặc biệt khi TS
có độ dài lớn trong trường hợp mạng đơn tần (SFN) là mạng
được sử dụng phổ biến cho DTTB-2 Giải pháp cân bằng tốt giữa
hiệu suất phổ tần và chất lượng hệ thống là TFT-OFDM, khi đó
mỗi ký hiệu TFT-OFDM đều có thông tin hướng dẫn thời gian
– tần số gồm TS miền thời gian và một số lượng rất nhỏ hoa tiêu
nhóm miền tần số Với việc ước tính kênh kết hợp miền thời gian
và tần số, TS thu được sử dụng trực tiếp cho việc xác định trễ
của kênh truyền, trong khi các thông số của đường truyền được
xác định bằng các hoa tiêu miền tần số Trong tương lai,
TFT-OFDM sẽ dần được hoàn thiện và là giải pháp then chốt để khắc
phục đặc tính phức tạp của kênh vô tuyến khi truyền dẫn đa
phương tiện trên hệ thống DTTB-2
Điều chế và mã hóa kênh
Sơ đồ điều chế bậc cao nhất sử dụng cho các hệ thống DTTB
thế hệ đầu là 64-QAM Với DTTB-2, để nâng cao hiệu suất phổ
tần cần sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao hơn như 256-QAM Với
sự hỗ trợ của TFT-OFDM thì số trạng thái điều chế có thể còn
cao hơn như 512-QAM, 1024-QAM Đây là những hướng
nghiên cứu trong tương lai cho DTTB-2
Một kỹ thuật thu hút nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực điều
chế là quay chùm tín hiệu Khi đó chùm tín hiệu tiêu chuẩn sẽ
được quay một góc nhất định so với hai thành phần I, Q ban đầu
giúp hai thành phần này độc lập với pha đinh Giải pháp này còn
được gọi là phân tập không gian tín hiệu (SSD), đem lại độ lợi
phân tập mà không phải tăng công suất hoặc độ rộng băng tần
Với hệ thống DTTB, mã hóa kênh là giải pháp quan trọng
giúp cải thiện tốt độ tin cậy của thông tin khi truyền qua kênh vô
tuyến Các nghiên cứu mới đây đã đưa ra nhiều sơ đồ mã hóa
chất lượng cao Trong số đó mã LDPC hứa hẹn sẽ được sử dụng
phổ biến trong các hệ thống DTTB-2 và các hệ thống thông tin
vô tuyến do có hiệu năng cao và tính phức tạp thấp Để có đường
mã BCH thường được sử dụng cùng với LDPC
Kỹ thuật điều chế và mã hóa kênh thường được kết hợp với
nhau trong xử lý truyền dẫn trên kênh pha đinh BICM-ID là sơ
đồ điều chế mã hóa mạnh đã được sử dụng nhiều trong các hệ
thống DTTB-1 Với DTTB-2, giải pháp kết hợp BICM-ID và
SSD (BICM-ID-SSD) giúp cải thiện đáng kể hiệu năng hệ thống
trên kênh pha đinh nhanh Sơ đồ điều chế mã hóa được khuyến
cáo sử dụng là BICM-ID-SSD dựa trên LDPC
Truyền dẫn MIMO
MIMO là giải pháp hiệu quả trong việc tăng dung lượng hệ
thống và cải thiện chất lượng truyền dẫn Hiện nay, MIMO và
OFDM trở thành hai công nghệ không thể thiếu ở lớp vật lý của
các hệ thống truyền dẫn vô tuyến
Trong khi hầu hết các hệ thống DTTB-1 chưa sử dụng
MIMO vì ở thời kỳ những năm 90 của thế kỷ trước công nghệ
này mới sơ khai Tuy nhiên với sự phát triển nhanh của công
nghệ MIMO, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xây dựng
hệ thống DTTB-2 trên nền MIMO nhằm cải thiện hiệu năng hệ
thống Thử nghiệm cho thấy, với bốn anten thu được sử dụng thì
hệ thống DTTB có thể hỗ trợ HDTV trong môi trường di động
với tốc độ di chuyển 500km/h, điều chế 64QAM trong điều kiện ngưỡng SNR tại máy thu giảm 6dB
Với đặc trưng của hệ thống quảng bá thì việc thực hiện phân tập phát tỏ ra khả thi hơn, khi đó anten thu của người sử dụng không cần phải thay đổi DTTB-2 khuyến cáo sử dụng phân tập phát với sơ đồ mã hóa khối không gian thời gian Alamouti (STBC) để mở rộng vùng phủ sóng khảng 30%
Với môi trường truyền dẫn hở, kênh vô tuyến có đặc tính ngẫu nhiên thay đổi theo thời gian Đặc tính của kênh vô tuyến thể hiện ở miền thời gian với tham số thời gian nhất quán, tán thời; miền tần số với tham số băng thông nhất quán, tán tần; miền không gian với tham số tổn hao đường truyền, chọn lọc không gian Để nâng cao hiệu năng cho các hệ thống thông tin vô tuyến thì việc sử dụng các kỹ thuật vô tuyến mới có vai trò hết sức quan trọng trong việc khai thác tốt kênh
Hệ thống DTTB có đặc trưng truyền dẫn rất khác biệt, đó là truyền dẫn điểm – vùng phù hợp cho dịch vụ quảng bá Bên cạnh
đó đặc điểm địa hình ảnh hưởng nhiều tới quá trình phủ sóng của
hệ thống DTTB với yêu cầu vùng phủ rộng, khu dân cư đông Việc nghiên cứu về kênh truyền sóng của hệ thống DTTB là hết sức cần thiết để nắm rõ được đặc trưng của kênh từ đó có thể đưa ra các giải pháp phù hợp để nâng cao chất lượng truyền dẫn cho hệ thống này./
[1] Error-Correction, Data Framing, Modulation and Emission Methods for Digital Terrestrial Television Broadcasting, Recommendation ITU-R BT 1306-6, Dec 2011
[2] Error-Correction, Data Framing, Modulation and Emission Methods for Second Generation of Digital Terrestrial Television Broadcasting Systems, Recommendation ITU-R BT.1877, May 2010
[3] Transition from analogue to digital terrestrial broadcasting, Report
ITU-R BT.2140-4 Oct.2011
[4] Digital Video Broadcasting (DVB); Frame Structure, Channel Coding and Modulation for a Second Generation Digital Terrestrial Television Broadcasting System (DVB-T2) ETSI Standard, EN 302 755, V1.3.1, Apr 2012
[5] Technical Review, No 25 July-September 2012, Asia-pacific Broadcasting Union – ABU
[6] DVB: Developing Global Television Standards for Today and Tomorrow, Peter Siebert DVB Project Office, Geneva Switzerland, 2011
[7] Kasampalis Stylianos, Modelling and Coverage Improvement of DVB-T Networks, Brunel University London Uxbridge, UK March 2018 [8] Marcin Dąbrowski, Investigation of Digital Terrestrial Television Receiver Architectures for DVB-T2 Standard, Warsaw University of Technology, 2013
[9] Md Sarwar Morshed, Synchronization Performance in DVB-T2 System, Tampere University of Technology, September 2009
[10] Cristina Regueiro Senderos, Reception Performance Studies for the Evaluation and Improvement of the New Generation Terrestrial Television Systems, Bilbao, May 2017