TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ MULTIMEDIA (Digital Compressed Television and Multimedia) - Phần 4 pot

DVB-T OFDM Dùng VHF UHF  COFDM Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing: + Có thể chia dòng truyền bit thành hàng ngàn sóng mang phụ tốc độ thấp trong FDM ghép kênh  Chèn mã Vi

IV ĐIỀU CHẾ/ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ:

Các phương pháp điều chế số cơ bản:

 ASK (Amplitude Shift Keying)/OOK Keying)

(On-Off- FSK (Frequency Shift Keying)

 PSK (Phase Shift Keying)

 Điều chế mức cao 16 – 32 – 64 QAM (với việc

không dùng mã xoắn Viterbi, tốc độ bit hiệu dụng

~ 38Mb/s (64QAM)

4.2 DVB-S (QPSK):

+ Phi tuyến, băng rộng (36Mhz/ kênh), công suất hạn chế

+ QPSK (Q-Quatery/ Quadrarure), đơn sóng mang:

Dữ liệu (video/ audio) dưới dạng gói có độ dài cố định trong dòng truyền tải MPEG-2

 Phân bố năng lượng

 R-S (mã ngoài; sửa sai 1)

QAM 16.32.64

Hình 4.1 Tiêu chuẩn DVB-C

Các lớp bảo vệ để truyền dữ liệu đi ít có sai lầm

Các bước xử lý tiếp theo:

1 Tạo dòng dữ liệu thành cấu trúc thông dụng với

việc cài thêm các bytes đồng bộ

2 Ngẫu nhiên hoá dòng dữ liệu

3 Cộng mã sửa sai 1: Reed-Solomon vào từng gói

dữ liệu (gọi là mã hoá ngoài, giống nhau cho tất

cả các hệ thống) (chèn dữ liệu cho từng gói dữliệu)

4 Chèn mã xoắn Viterbi (mã sửa sai thứ 2) (gọi là

mã hoá trong)

5 Điều chế QPSK (pha vuông góc)

Phổ tín hiệu SQPSK(f)=4Eb[sinTbf /(Tbf]2

Eb – năng lượng truyền 1 bit tín hiệu số

Tb – Thời gian bit; Tb =1/fb

+ Bộ phát đáp 36MHz: truyền 1 dòng dữ liệu có ích 39Mb/s với mã sửa sai Viterbi tỉ lệ ¾ (thu di động)

Hình 4.2 Tiêu chuẩn DVB-S

 Chèn mã Viterbi (sửa sai 2 )mã trong

4.3 DVB-T (OFDM)

 Dùng VHF (UHF)

 COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing):

+ Có thể chia dòng truyền bit thành hàng ngàn sóng

mang phụ tốc độ thấp trong FDM (ghép kênh

 Chèn mã Viterbi (sửa sai 2 )

mã trong

+ 2 Mode: 2K (1705 carriers), trong dải thông 7,61

Mhz và thời gian symbol hiệu dụng Tu=224s); 8K (6817 carriers, trong dải thông 7,61 MHz và

Tu=86s)

+ Mỗi sóng mang được điều chế theo sơ đồ X-QAM (4,16, 32-QAM)

+ Điều chế COFDM (fading lựa chọn tần số) khi

mỗi sóng mang được điều chế ở tốc độ bit trung bình (tốc độ symbol ~ 1 kbaud hoặc 4 kbaud ứng với mode 2K hoặc 8K) và khoảng thời gian rất

dài so với thời gian đáp ứng thay đổi kênh Đo đómỗi sóng mang phụ chiếm 1 dải tần hẹp, trong đó đáp ứng tần số kênh là phẳng cục bộ

Máy phát FEC

Máy thu FEC

Phân tán

năng lượng

Mã hóa ngoài (R-S)

Chèn ngoài

Mã hóa trong (chập) Viterbi

Hình 4.4

FEC ( Forward error correction, F- sửa lỗi dữ liệu

trước khi lỗi xuất hiện)COFDM: Sửa lỗi trong hệ thống truyền hình số (mặt

đất và vệ tinh)

1 Phân tán năng lượng:

Loại bỏ chuỗi chạy dài long run (0,1) trong tín

hiệu như các bytes chèn vào gói 0; Tức tạo chuỗi giả ngẫu nhiên từ dòng bit đến (còn gọi là xáo trộn

dữ liệu) bằng đa thức 1+ X14 + X15 (bit thứ 14 và

15 đi vào cổng exclusive OR, sau đó đi ngược đến đầu vào) Đầu ra là chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random binary sequency) Nó được dùng cho máy thu nhằm khôi phục lại dữ liệu gốc Chú ý có một số dữ liệu không được xáo trộn

(byte đồng bộ dòng truyền, các byte đồng bộ gói truyền con)

2 Mã hóa ngoài (R-S):

Là mã mức khối (block level code): cộng 16 bytes phụ vào các gói 188 bytes của dòng truyền để tạo ra gói 204 bytes (=16+188) Thuật toán sửa lỗi này đặc trưng bằng 3 thông số:

n = 204 – độ dài gói truyền cuối

k = 188 – độ dài gói truyền gốc

t = 8 – số bytes có thể sửa

Ta còn gọi mã R-S bằng R-S (204,188) của T/S, với ATSC: R-S (207,187) Mã R-S là trường

DVB-hợp đặc biệt của các mã BCH (Bose – Chandhuri –Hocgenghem)

3 Chèn ngoài (Forney interleaving)

Chèn ngoài nhằm trải các lỗi theo thời gian để mã hoá ngoài có hiệu quả hơn Mã hoá ngoài có thểsửa đến 8 bytes trong 1 dòng truyền

4 Mã hoá trong (mã hoá chập)- mã hoá Viterbi.

Mã hoá trong tại mức bit (còn mã R-S tại mức

khối), không phải lưu toàn bộ dữ liệu trong bộ

nhớ, do đó hoạt động nhanh:

n- số dòng dữ liệun=2 hoặc 3; được biểu diễn với tỉ lệ ½

hoặc 2/3

4.3.1 OFDM

 Kỹ thuật ghép kênh FDM tương tự (Frequency

Division Multiplexing): phân chia dữ liệu vào một

số kênh, rồi các dữ liệu từ các kênh khác nhau này được điều chế tại nhiều tần số khác nhau: Tín

hiệuchính s(t) được phân thành n symbols trên 1 chu kỳ T riêng Các symbols rộng 2,4,6,… bit

(song song); s(t)  tín hiệu (từng tín hiệu được

điều chế trên tải tần riêng; Rồi được cộng với nhau

và biến đổi lên tần số phát sóng)

 FDM số (1960, R.W Chang): FDM tương đương IDFT tại máy phát và DFT tại máy thu R.W Chang đưa ra nguyên lý trực giao, cho phép dồn sát các tải lại với nhau (tức là cưc đại hoá độ rộng băng tần)

mà không bị can nhiễu giữa các kênh lân cận (ICI) hoặc can nhiễu giữa các symbols (ISI)

67

0 l

k

k k

k , , m k

, , m

) t

khác

, 0

e )

t (

);

T m 68 T

, l t

( T

'

k 2

j k

, l

,

m

s

s n

s

s t ( l 68 m 1 ) T T

) m 68 l

Ts- thời gian symbol;

Tu-nghịch đảo của khơng gian tải;

 - thời gian của khoảng bảo vệ ;

0- tần số trung tâm của tín hiệu RF/rad

k’ – chỉ số tải tương đối so với tần số trung tâm

Tính trực giao sẽ đúng nếu các khoảng không gian của tải đúng bằng nghịch đảo chu kỳ thời gian màchúng được truyền qua đó.

fk fk+1 fk+2

1/T

Hình 4.4 Không gian tải= 1/T (trường

hợp trực giao)

Tạo I,Q

giải điều chế tải (FFT)

FIFO (làm trơn)

song song

 nối tiếp RF

G(t)

I Q

4.3.2 Nguyên lý COFDM (truyền tức thời dữ liệu

qua phát sóng, có nghĩa là mã hoá ghép kênh theo tần số trực giao)

7 Hoạt động của SFN

8 Hệ thống phân lớp có thể được định

dạng lại, có thể cân bằng chống sai pha

2 Cấu trúc OFDM frame:

 Cấu trúc cơ sở của 1 tín hiệu COFDM là thay đổi được số tải 1705 (mode 2K) và 6817 (mode 8K) Các tải này chiếm không gian cùng độ rộng băng tần 7,61MHz

 Các tải tần bao gồm:

1 Dữ liệu với một số thay đổi bit tải (2,4,6)

2 TPS (transmission parameter signalling)

3 Pilot (để đồng bộ máy thu) có 2 loại:

a Liên tục: 177 trong 8K;

45 trong 2K (cùng tần số)

b Tán xạ (scattered): 524 trong 8K;

131 trong 2K (cài đặc trưng trong symbol)

3 Khoảng bảo vệ (để đếm echo và phản xạ, để máy

thu đồng bộ điểm bắt đầu của 1 symbol): được cộng vào điểm bắt đầu symbol

hữu liệu

dữ đo

T

B- Hiệu quả của mã khối R-S (188/204=0,92

C- Tốc độ mã hoá chập (1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8)

M- Số bit / tải (M=2 cho QPSK;

M=4 cho 16-QAM;

M=6 cho 64-QAM)N- Số tải dữ liệu đã được sử dụng (1512 cho 2K;

COFDM frame) Hình 4.6 biểu diễn 67 bit truyền/ frame (Trong 37 bit thông tin, hiện nay chỉ dùng 23 bit, còn 14 bit dùng cho dự phòng trong tương lai)

Thông tin truyền đến máy thu bằng các tải TPS, gồm:

1 Thông tin ánh xạ chòm sao (loại điều chế)

2 Thông tin phân lớp,

Bắt đầu 23 bit thông tin + 14 bit dự phòng

Hình 4.6 Các loại bit truyền TPS

Các tải TPS không dùng điều chế thông thường như tải dữ liệu (tải dữ liệu: nhiều phần dùng được cho điều chế, ví dụ QPSK hoặc n-QAM) Các tải TPS chỉ được điều chế vi sai DBPSK.

5 Tải Pilot

Khi truyền tín hiệu COFDM có 1 số vấn đề:

1.fading của một số tải nhất định (do biên

độ thấp, do echo mạnh gây ra can

nhiễu, dẫn đến phá huỷ cấu tạo, ví dụ

can nhiễu ISI – intersymbol interference)

2.Can nhiễu cùng kênh CCI (Co channel

interference)

3 Nhiễu trắng (ở tất cả các tần số)

4 Can nhiễu kênh kề ACI (adjacent channel

interference) khi thu di động

5 Nhiễu pha đối với pha điều chế các

symbol (do dao động ngoại sai không

Có 2 loại tải Pilot: liên tục (45 hoặc 177) và phân tán (131 hoặc 524) Các tải pilot chỉ tải thông tin về biên độ và vị trí của chúng (không tải thông tin dữliệu) Pilot liên tục (nằm cùng vị trí trong COFDM symbol) được dùng để tính lỗi pha chung CPE

(common phase error) Pilot phân tán được cài vào COFDM symbol với một số cố định các pilot/

symbol (17 trong 2K, 68 trong 8K) Các pilot phân tán kết hợp với pilot liên tục để xấp xỉ méo kênh

Điều chế số

QAM/ QPSK/ COFDM

Chèn dữ liệu trong

Chèn dữ liệu ngoài l=12

Mã ngoài R-S (204, 188)

M

U

X

M U X

M U X

Video Audio Data

Program 1

Program 2

SI

Bộ tương thích đầu ra Bộ tương thích kênh (tối

ưu hóa kênh)

Cao tần QPSK

Bảo vệ lỗi truyền

Khối

Mã hóa

M U X

Giải Điều chế

Khuếch đại IF

chuyển

đổi tần số

dịch tần

dao động

Video audio

4.4 Máy thu DVB-T:

1 Dòng truyền tải TS (MPEG-TS) bao gồm:

a Tín hiệu video: MPEG-2-4:2:0 MP@ ML

b Tín hiệu audio: MPEG-2 layer II

Dòng MPEG-TS có thể thay đổi 531 Mb/s T)( còn ATSC không thay đổi)

(DVB-1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2

……

7/8 1/2

……

17,4 14,9

……

19,3 16,5

……

20,4 17,5

……

21,1 18

2 Dùng điều chế COFDM (Code Orthogonal

Frequency Divission Multiplexing) có 2 chế độphát trong dải thông 7/8MHz

a) Chế độ phát 2K (2000 sóng mang)

b) Chế độ phát 8K (8000 sóng mang)

 Các sóng mang được tạo bằng phép FFT (chứ

không phải hình sin)

 Dòng TS được điều biên và điều pha (QAM) với

03 trạng thái:

4- QAM16- QAM64- QAM

 Dùng 5 giá trị tỉ lệ mã sửa sai: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8

 Dùng 04 giá trị khoảng thời gian bảo vệ: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32

(Khoảng bảo vệ là khoảng thời gian trống giữa các dòng số tích cực, nhằm khắc phục phản xạ)

3 Tín hiệu truyền đi gồm các frame (khung), mỗi

frame chứa 68 symbol OFDM (từ 067) để mang thông tin của máy phát cho máy thu biết: TPS

(Transmission Parameter Signalling) 4 frames liên tiếp = supperframe (để chèn đủ số nguyên gói mã sửa sai R-S 204 bytes trong dòng MPEG-2-TS)

Các sóng mang:

a Sóng mang Pilot:

 Sóng mang pilot: điều chế BPSK, còn các sóng

mang chương trình lại điều chế QAM

c) Các chương trình DC (data carrier), (không nằm trên trục hoành)

Công suất song mang pilot >sóng mang khác là 2,5

dB Tín hiệu pilot là chuỗi giả ngẫu nhiên PRPS có

đa thức sinh (X11+X2+X) và được tạo từ sơ đồ sau:

Trễ

1bit

Trễ 1bit

Trễ 1bit

Trễ 1bit

Trễ 1bit

Trễ 1bit

(1 2 3 9 10 11)

Hình 4.11 Tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Tín hiệu giả ngẫu nhiên này được điều chế BPSK (cóthành phần ảo =0) có thành phần thực: Re=4/3 x 2x(1/2 - wk);

wk- chuỗi giả ngẫu nhiên

+ Số lượng sóng mang pilot liên tục: 177 (8K); 45 (2K), nằm ở vị trí cố định trong từng OFDM

symbol

+ Số lượng các sóng mang pilot phân tán: 131 (2K);

524 (8K), vị trí không cố định (phân tán, giả ngẫu nhiên)

neáu ,

4/3

0 w

neáu

,

4/3 R

k k e

Tính vị trí sóng mang pilot phân tán đối với:

+ Tỉ lệ sửa sai

+ Chế độ phát 2K/ 8K

+ Số frame trong 1 supperframe

1 OFDM frame = 68 OFDM symbol

4 Máy thu tự động tìm thông số phát:

 Quá trình tự động tìm nhờ các pilot

 Nếu tần số sóng mang chính xác, pha đúng, thì

máy thu khôi phục được các sóng mang

 Nếu có sai tần số, pha, thì cần có giải pháp tự động đồng bộ với phía phát:

a) các pilot (từ phía phát) như là các cột móc cho máy thu

+ Lỗi xoay pha (chòm sao bi nhoè)+ Lỗi tần số: dịch tần (dao động nội), đồng hồ chuẩn; do nhiễu xuyên sóng

mang

b) Sóng mang TPS (khi đã xác định được kênh thu,

định vị được các sóng mang về tần số và pha)

+ +

+

+ +

Outer interleaving (forney)

Pilots and TPS addition

Time shift and combination

Guard interval insertion

Analogue conversion

Filtering

Upconversion

Transmission

Inverse FFT

Inner coding

Bit and symbol interleaving

R I

……011001010001…`

Hình 4.12 Các khối chức năng của DVB-T (COFDM)

4.5 ATSC (Mỹ)

Phát sóng trên mặt đất (8-VSB)

Dữ liệu

Ngẫu nhiên hoá

Mã R-S

Chèn dữ liệu

Mã hoá Trellis

M

U X

gài Pilot

Lọc tự động điều chỉnh chất lượng

6 MHz 0,31 pilot

0

0,71

Phổ tín hiệu điều chế

Hình 4.15