Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo tiêu chuẩn HD-Radio

i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AAB Analog Audio Bandwidth : Độ rộng băng thông âm thanh tương tự AAS Auxiliary Application Service : Dịch vụ ứng dụng bổ trợ ADC Analog-to-Digital Converter : B

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ HUY BÌNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THU THANH SỐ

THEO CHUẨN HD–RADIO

Ngành: Công nghệ Điện tử – Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 Tổng quan công nghệ phát thanh số HD-Radio 4

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Giới thiệu chung về công nghệ phát thanh số HD-Radio 5

Chương 2 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC và FM-IBOC 7

2.1 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC 7

2.1.1 Giới thiệu 7

2.1.2 Dạng sóng và phổ tín hiệu 11

2.1.3 Các mode dịch vụ và các lựa chọn hệ thống 15

2.1.4 Kênh logic 15

2.1.5 Các thành phần chức năng 21

2.2 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh số FM-IBOC .26

2.2.1 Giới thiệu 27

2.2.2 Các dịch vụ và các giao thức 28

2.2.3 Dạng sóng và phổ của tín hiệu 30

2.2.3.1 Phân vùng tần số và quy ước phổ 30

2.2.3.2 Hệ thống phát tín hiệu lai 32

2.2.3.3 Dạng tín hiệu lai mở rộng .34

2.2.3.4 Hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số 35

2.2.3.5 Tạp âm và những hạn chế khi phát tín hiệu 38

2.2.4 Cấu hình hệ thống 38

2.2.4.1 Các mode dịch vụ 38

2.2.4.2 Trễ tín hiệu tương tự 39

2.2.4.3 Mức công suất băng biên 40

2.2.5 Kênh logic 40

2.2.5.1 Đặc tính của các thông số 40

2.2.5.2 Chức năng của các thông số 41

2.2.5.3 Ánh xạ phổ 41

2.2.6 Các thành phần chức năng 51

Chương 3 Thiết kế máy thu HD-Radio 58

3.1 Xây dựng sơ đồ khối của máy thu HD-Radio 58

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy thu HD-Radio 59

3.2 Thiết kế phần cứng của máy thu HD-Radio 62

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý thực hiện máy thu HD-Radio 62

3.2.2 Đầu vào AM/FM – T4260 63

3.2.3 Bộ biến đổi ADC IF – AFEDRI8201 66

3.2.4 Bộ xử lý số băng tần sơ sở – TMS320DRI350 68

3.2.5 Bộ xử lý âm thanh số 70

3.2.5.1 Bộ xứ lý âm thanh số 8 kênh – TAS5508 70

3.2.5.2 Bộ xử lý âm thanh số với hiệu ứng 3 chiều – TAS3103A 74

3.2.6 Khuếch đại công suất âm thanh 76

3.2.6.1 Bộ khuếch đại công suất ra loa – TAS5121DKD 76

3.2.6.2 Bộ khuếch đại công suất cho tai nghe – TPA6100A2 77

3.2.7 Bộ điều khiển trung tâm – ATmega128L 78

3.2.8 Bộ hiển thị thông tin – LCD PG 12864 81

3.2.9 Mạch nguồn 82

3.2.10 Bảng danh sách linh kiện 83

3.3 Phần mềm điều khiển máy thu HD-Radio 84

KẾT LUẬN .85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AAB (Analog Audio Bandwidth) : Độ rộng băng thông âm

thanh tương tự AAS (Auxiliary Application Service) : Dịch vụ ứng dụng bổ trợ

ADC (Analog-to-Digital Converter) : Bộ biến đổi tương tự số

AFE (Analog Front End) : Khối đầu vào tương tự

AGC (Automatic gain control) : Điều khiển độ lợi tự động

AM (Amplitude Modulation) : Điều biến biên độ

BPF (Band Pass Filter) : Bộ lọc thông dải

DAC (Digital-to-Analog Converter) : Bộ biến đổi số tương tự

DDC (Digital Down Converter) : Bộ biến đổi xuống số hóa

DSP (Digital Signal Processing/Processor) : Xử lý tín hiệu số/ Bộ xử lý tín hiệu số FCC (Federal Communications Commission) : Hiệp hội Viễn thông liên bang (Mỹ) FEC (Forward Error Correction) : Sửa lỗi tiến

FM (Frequency Modulation) : Điều biến tần số

Frequency Synthesizer : Bộ tổng hợp tần số

GCS (Ground Conductive Structure) : Cấu trúc dẫn điện trên mặt đất

I/O (Input/Output) : Đầu vào đầu ra

IBOC (In-Band On-Channel) : Trên băng trong kênh

IDS (IBOC Data System ) : Hệ thống dữ liệu IBOC

IF (Intermediate Frequency) : Trung tần

IF Filter (Intermediate Frequency filter) : Bộ lọc trung tần

LDO (Language Dependent Object) : Đối tượng phụ thuộc ngôn ngữ

LNA (Low noise amplifier) : Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MAC (Medium Access Control) : Tầng MAC

McBSP (Multichannel Buffered Serial Port) : Cổng nối tiếp đệm đa kênh

MF (Medium Frequency) : Tần số trung gian

MPS (Main Program Service) : Dịch vụ chương trình chính

NAB (National Association of Broadcasters ) : Hiệp hội phát thanh quốc gia

NPRM (Notice of Proposed Rulemaking) : Bản thông báo về phát hành luật NSRC (National Radio Systems Committee) : Ủy ban quốc gia về các hệ thống radio

OSC (Oscillator) : Bộ tạo dao động

OSI (Open Systems Interconnection) : Mô hình kết nối các hệ thống mở PDS (Personal Data Service) : Dịch vụ dữ liệu cá nhân

ii

PHY (PHYsical, layer protocol) : Giao thức lớp vật lý

PIDS (Primary IBOC Data Service) : Dịch vụ dữ liệu IBOC chính

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : Bộ điều biến biên độ vuông góc

RBDS (Radio Broadcast Data System) : Hệ thống dữ liệu phát quảng bá radio

RF (Radio Frequency) : Tần số vô tuyến

S/N (Signal-to-Noise Ratio) : Hệ số tín hiệu trên tạp âm

SAP (Service Access Point) : Điểm truy cập dịch vụ

SCA

(Subsidiary Communications Authorization) : Ủy quyền truyền thông phụ trợ

SCCH (System Control Channel) : Kênh điều khiển hệ thống

SDU (Service Data Unit) : Khối dữ liệu dịch vụ

SIS (Station Identification Service) : Dịch vụ xác định vị trí

THD+N

(Total Harmonic Distortion plus Noise) : Méo hòa âm tổng cộng + ồn

TI (Texas Instrument) : Hãng linh kiện Texas Instrument VCO (Voltage Controlled Oscillator) : Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VHF (Very High Frequency) : Tần số rất cao

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Tổng quan hệ thống IBOC 6

Hình 2-1 Mô hình phân lớp của AM IBOC 9

Hình 2-2 Sơ đồ khối hệ thống AM IBOC 10

Hình 2-3 Sơ đồ khối tầng RF (AM IBOC) 11

Hình 2-4 Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC lai 12

Hình 2-5 Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số 14

Hình 2-6 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA1 18

Hình 2-7 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA2 18

Hình 2-8 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA3 .19

Hình 2-9 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA4 .19

Hình 2-10 Các khối chức năng của lớp 1 (AM IBOC) 21

Hình 2-11 Sơ đồ nguyên tắc khối trải tín hiệu 22

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên tắc khối điều khiển hệ thống 23

Hình 2-13 Khối phát tín hiệu OFDM (AM IBOC) 23

iii

Hình 2-14 Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC lai 25

Hình 2-15 Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số.26 Hình 2-16 Sơ đồ khối tầng RF (FM IBOC) 27

Hình 2-17 Sơ đồ khối hệ thống FM IBOC 28

Hình 2-18 Mô hình phân lớp của hệ thống FM IBOC 29

Hình 2-19 Các vùng tần số trong chế độ A 31

Hình 2-20 Các vùng tần số trong chế độ B 31

Hình 2-21 Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng thấp 32

Hình 2-22 Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng cao 32

Hình 2-23 Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai 33

Hình 2-24 Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai mở rộng 34

Hình 2-25 Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC toàn tín hiệu số 36

Hình 2-26 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP1 42

Hình 2-27 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP2 43

Hình 2-28 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP4 44

Hình 2-29 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP3 44

Hình 2-30 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP5 45

Hình 2-31 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP6 46

Hình 2-32 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP7 47

Hình 2-33 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS1 48

Hình 2-34 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS2 49

Hình 2-35 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS3 49

Hình 2-36 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS4 50

Hình 2-37 Các khối chức năng của lớp 1 (FM IBOC) 52

Hình 2-38 Khối chức năng phát tín hiệu OFDM (FM IBOC) 54

Hình 2-39 Hệ thống truyền dẫn (FM IBOC) 55

Hình 2-40 Khối chức năng trong phần truyền dẫn của hệ thống FM IBOC lai và FM IBOC lai mở rộng 56

Hình 3-1 Sơ đồ khối máy phát radio truyền thống 58

Hình 3-2 Sơ đồ khối máy thu radio truyền thống 58

Hình 3-3 Mô hình hoạt động của hệ thống HD-Radio 59

Hình 3-4 Sơ đồ nguyên lý máy thu HD–Radio 60

Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý thực hiện máy thu HD-Radio 62

Hình 3-6: Sơ đồ khối IC T4260 64

Hình 3-7 Sơ đồ ứng dụng IC T4260 65

Hình 3-8 Sơ đồ khối của AFEDRI8201 67

iv

Hình 3-9 Sơ đồ khối ghép nối AFEDRI8201 67

Hình 3-10 Sơ đồ khối TMS320DRI300 69

Hình 3-11 Sơ đồ khối TMS320DRI350 69

Hình 3-12 Sự khác nhau giữa DRI300 và DRI350 70

Hình 3-13 Sơ đồ khối chức năng của TAS5508 73

Hình 3-14 Khuyến cáo cấu hình kênh TAS5508 + TAS5121 73

Hình 3-15 Sơ đồ khối phần cứng TAS3103A 75

Hình 3-16 Sơ đồ khối chức năng của TAS3103A 75

Hình 3-17 Sơ đồ ứng dụng TAS5121 76

Hình 3-18 Sơ đồ ứng dụng của TPA6100A2 77

Hình 3-19 Sơ đồ chân ATmega128L 80

Hình 3-20 Màn hình LCD PG 12864-B 81

Hình 3-21 Sơ đồ khối chức năng LCD PG 12864 – B 81

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống AM Hybrid 13

Bảng 2-2 Tóm tắt đặc tính phổ của hệ thống phát toàn số 14

Bảng 2-3 Qui định của FCC về phổ tần AM 15

Bảng 2-4 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA1 17

Bảng 2-5 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA2 17

Bảng 2-6 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA3 17

Bảng 2-7 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA4 17

Bảng 2-8 Tóm tắt dạng phổ của tín hiệu FM Hybrid 33

Bảng 2-9 Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống lai mở rộng 35

Bảng 2-10 Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống phát toàn tín hiệu số 37

Bảng 2-11 Quy định về FCC về phổ tần số FM 38

Bảng 2-12 Các dịch vụ được phép trên hệ thống FM IBOC 39

Bảng 3-1 Chức năng các chân của LCD PG 12864-B 81

Bảng 3-2 Bảng danh sách linh kiện cho thiết kế máy thu HD-Radio 83

Trang 1

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự phát triển vượt trội của các phương tiện truyền thông đại chúng khác so với radio, nhưng chúng ta không thể phủ nhận được tác động mạnh mẽ của radio đối với người nghe Chỉ thua truyền hình về mặt hình ảnh nhưng bù lại những tiện ích của radio thì lớn hơn rất nhiều Với một chiếc radio gọn nhẹ người ta có thể mang nó đi bất kì đâu và có thể nghe được mọi lúc mọi nơi, thêm vào đó giá cả hợp túi tiền Chỉ tính sơ số lượng máy điện thoại di động có tích hợp chức năng radio hay các mẫu xe ô tô được lắp radio cũng có thể thấy sức mạnh của radio vẫn là rất lớn

Trong sự phát triển như vũ bão của công nghệ kỹ thuật số vài thập niên trở lại đây, radio cũng có những bước tiến quan trọng nhằm lấy lại thị phần đã mất bởi các phương tiện truyền thông khác Sự ra đời của radio vệ tinh, radio internet và HD-Radio đã đánh mạnh vào thị hiếu của giới trẻ và các yêu cầu chất lượng ngày càng cao của người nghe Các công nghệ radio kỹ thuật số mới này cung cấp cho người nghe nhiều kênh lựa chọn hơn, chất lượng âm thanh tốt hơn (có thể tương đương chất lượng CD) và các dịch vụ dữ liệu khác Điều này đã mở ra cuộc cách mạng trong ngành phát thanh, nó là cơ hội lớn để các đài phát thu hút nhiều người nghe hơn và tăng doanh thu

HD-Radio là công nghệ phát thanh mới tiên tiến, là một trong trong những bước tiến lớn nhất trong nhiều thập kỉ qua Bản quyền HD-Radio là của iBiquity Digital HD-Radio ra đời nhằm mang lại chất lượng âm thanh và nhiều lựa chọn mới cho các đài phát Công nghệ mới này cho phép các hãng truyền thông sử dụng những sóng hiện tại để đồng thời gửi đi những tín hiệu số và tín hiệu tương tự Theo đó, người nghe

sẽ chỉ cần một bộ thu thanh cũ là có thể tiếp tục thưởng thức các chương trình mà họ yêu thích Để nghe âm thanh tốt hơn và có những lựa chọn khác, người dùng sẽ cần một bộ thu thanh mới Công nghệ mới này cung cấp cho người nghe chất lượng âm thanh FM tương đương với chất lượng CD, còn AM sẽ được nâng cấp lên bằng chất lượng của FM Một đặc tính của HD-Radio làm nó trở nên phổ biến đó là các thông tin như tên bài hát và nghệ sĩ sáng tác, tình trạng giao thông, cập nhật thời tiết, tin tức và những lời cảnh báo khẩn cấp có thể truyền qua màn hình

HD-Radio dần xuất hiện ở rất nhiều nước trên thế giới, trong đó có Đông Nam Á Trên khắp nước Mỹ, hơn 1.500 trạm AM và FM đang phát sóng sử dụng công nghệ HD-Radio và có hơn 700 kênh HD2 miễn phí trên sóng FM HD-Radio xuất hiện lần

Các hãng sản xuất ô tô cũng đã lắp đặt HD-Radio cho các model mới nhất của mình Volvo là nhà sản xuất ô tô đầu tiên tại Mỹ ứng dụng công nghệ HD-Radio kỹ thuật

số trên hầu hết các mẫu xe Hãng Ford đã lắp đặt HD-Radio cho model năm 2008, các model 2005-2007 cũng có thể trang bị HD-Radio Các hãng lớn như Hyundai Corp, BMW AG và Jaguar đã có kế hoạch sử dụng thiết bị này và một số hãng khác cũng đang có kế hoạch tương tự

Lịch sử phát thanh Việt Nam đánh dấu bởi mốc 11h30 phút ngày 7-9-1945, Đài Tiếng nói Việt Nam chính thức cất tiếng chào đời Nội dung buổi phát thanh đầu tiên bằng tiếng Việt bắt đầu bằng câu: “Đây là Tiếng nói của Việt Nam, phát thanh từ Hà Nội, thủ đô nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà” Đến nay tất cả các tỉnh, thành phố trên cả nước đều có đài phát thanh riêng Đài Tiếng nói Việt Nam là đài phát thanh quốc gia,

là cơ quan thuộc Chính phủ, cùng với các đài địa phương thực hiện chức năng thông tin, tuyên truyền đường lối, chính sách của Đảng và pháp luật của Nhà nước, góp phần nâng cao dân trí, phục vụ đời sống tinh thần của nhân dân bằng các chương trình phát thanh Với nhiệm vụ quan trọng như vậy đặt ra yêu cầu cho các đài phát luôn phải không ngừng cải tiến kỹ thuật áp dụng công nghệ tiến tiến để nâng cao chất lượng phát thanh

Công nghệ HD-Radio có nhiều thuận lợi để triển khai tại Việt Nam Các đài phát hoàn toàn có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có, điều này giúp tiết kiệm chi phí chuyển đổi công nghệ Không phải cấp thêm giải tần, các đài phát có thể mở thêm nhiều hệ mới trên cùng băng tần đã có Các đài phát có thể phát song song cả tín hiệu phát thanh kỹ thuật số và tín hiệu phát thanh tương tự Tần số phát thanh là tài nguyên quốc gia và công nghệ HD-Radio cho phép khai thác hiệu quả tài nguyên này

Việc nâng cao chất lượng phát thanh cũng là yêu cầu cấp bách Ngày càng nhiều người nghe nhất là giới trẻ yêu cầu chất lượng âm thanh tốt hơn các dịch vụ dữ liệu

Trang 3

đa dạng phong phú HD-Radio hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu chất lượng này Thêm vào đó nghe HD-Radio là miễn phí, người nghe chỉ phải đầu tư thiết bị thu thanh ban đầu.Có thể nói phát thanh số hiện là xu hướng tất yếu trên thế giới vì vậy mà Việt Nam cần sớm nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới này

Hiện nay các thiết bị thu thanh HD-Radio trên thị trường có giá thành vẫn ở mức cao (khoảng 100 đến 200 USD) Việc nghiên cứu quy trình chế tạo máy thu thanh HD-Radio ở Việt Nam là cần thiết Việc nghiên cứu chế tạo thành công làm cho việc ứng dụng công nghệ phát thanh HD-Radio sẽ nhanh chóng thuận lợi và đem lại lợi nhuận

Để thực hiện các mục tiêu trên thì việc nghiên cứu làm chủ công nghệ HD-Radio là rất quan trọng Là học viên Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, bên cạnh việc hoàn thành chương trình học thì một nhiệm vụ quan trọng nữa đối với Tác giả là nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới vào cuộc sống để đem lại lợi ích cho cộng đồng Trước các yêu cầu của ngành phát thanh trong nước hiện tại với

sự hướng dẫn của TS Trương Vũ Bằng Giang, Trường Đại học Công nghệ, Tác giả

đã thực hiện luận văn “Thiết kế chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio” với mục đích làm chủ được công nghệ HD-Radio để có thể tiến tới lắp ráp sản xuất máy thu HD-Radio tại Việt Nam

Nội dung luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan công nghệ phát thanh số HD-Radio

Chương 2: Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC và FM-IBOC Chương 3: Thiết kế máy thu HD-Radio

Đề tài nằm trong khuôn khổ hợp tác thiết kế và chế tạo máy thu HD-Radio giữa trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và Đài Tiếng nói Việt Nam (VOV)

số Tại Mỹ, bên cạnh xu hướng phát triển phát thanh số qua vệ tinh, xu hướng tận dụng toàn bộ cơ sở hạ tầng của phát thanh, đặc biệt là sử dụng tần số và giấy phép

đã có cho nhiều đài tư nhân trên AM và FM được đặc biệt quan tâm Tiêu chuẩn trên băng trong kênh IBOC được phát triển Tổ chức US Digital Radio, tiền thân của iBiquity, đưa IBOC ra trình Hiệp hội Viễn thông liên bang FCC của Hoa Kỳ vào 7-10-

1998 Vào 1-11-1999, FCC đã đưa ra bản thông báo về phát hành luật về phát thanh

số trên mặt đất Vào 2-7-2001, Hiệp hội phát thanh quốc gia NAB đưa ra quyết định ủng hộ hệ thống IBOC và khuyến nghị FCC tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo để nhanh chóng thúc đẩy IBOC

Tháng 9-2005, Ủy ban quốc gia về các hệ thống radio NSRC, đã thông qua tiêu chuẩn IBOC trong bộ tiêu chuẩn NRSC-5A Tiêu chuẩn NRSC-5A xác định các yêu cầu cho phát thanh âm thanh số và dữ liệu kèm theo trên các kênh AM và FM Tiêu chuẩn này và các tài liệu tham chiếu cũng đưa ra những giải thích chi tiết cho các tiểu hệ thống RF và truyền dẫn, giao vận và dồn kênh dịch vụ Bản sao của tiêu chuẩn có thể được tải ở địa chỉ http://www.nrscstandards.org

Hiện nay tại Hoa Kỳ có hơn 1.500 đài phát thanh HD-Radio Theo tính đến hết năm

2008 đã có 90% dân số Hoa Kỳ sẽ nghe được HD-Radio Có hơn 550 đài HD-Radio trên toàn Hoa Kỳ đưa ra hai hay ba kênh trên và ngoài các kênh chính tương tự và

số

Trên thế giới, có một số nước cũng đã và đang tiến hành thử nghiệm HD-Radio:

• Pháp: 4-2006, Towercast, một tổ chức phát thanh độc lập bắt đầu phát tín hiệu HD-Radio trên sóng 88,2MHz ở Paris, sử dụng hệ thống máy phát công suất thấp của hãng BE

• Thái Lan: 3-2006, Hãng BE lắp đặt một hệ thống HD-Radio cho một đài công cộng hướng tới cộng đồng trên phương tiện công cộng Theo kế hoạch thực hiện lắp đặt hơn 10000 máy thu trên các xe buýt

Trang 5

• Philippines: Đài phát sóng HD-Radio đầu tiên phát sóng ở đây 9-11-2005 trên sóng 105,1MHz và hiện nay đang tiến hành các khảo sát chuyển đổi mạng phát thanh AM và FM sang HD-Radio

• Brazil: Đài Kiss FM ở Sao Paulo phát sóng với tín hiệu HD-Radio vào

Về máy thu, từ cuối quý III năm 2006 các máy thu HD đã có mặt nhiều trên thị trường với nhiều chúng loại và giá thành từ 100 đến hơn 200USD

IBOC là kỹ thuật cho phép các đài phát thanh cơ hội để chuyển đổi sang phát thanh

số từ hệ thống phát thanh tương tự đang sử dụng, đồng thời duy trì các dịch vụ phát thanh hiện tại, và không phải xin thêm băng tần số mới Người nghe có cơ hội được nghe đài với chất lượng âm thanh cao hơn, được sử dụng nhiều hơn các loại dịch vụ

từ hệ thống phát thanh băng MF và VHF Hệ thống này đã được phát triển bởi hai công ty đó là USA Digital Radio và Lucent Hiện nay được phát triển bởi iBiquity, đây là công ty đã được thành lập bởi sự hợp nhất của hai công ty trên

Sơ đồ tổng quan của hệ thống IBOC được trình bày trong hình 1-1

Hiện nay để thực hiện hệ thống IBOC có 3 sự lựa chọn: Hai sự lựa chọn áp dụng cho phát thanh FM, một cho phát thanh AM Hệ thống AM là đơn giản nhất và có nhiều

ưu điểm trong việc điều khiển mức công suất đầu ra thích hợp với nhiều mức khác nhau Hệ thống FM có thể thực hiện theo hai cách là : thứ nhất là kết hợp ở mức thấp hay gọi là hệ thống khuếch đại chung, cách thứ hai là kết hợp ở mức cao hay là sử dụng các bộ khuếch đại riêng cho mỗi tín hiệu

Các ưu điểm của hệ thống IBOC:

• Tránh được việc xin thêm băng tần mới cho việc chuyển sang phát thanh số

• Tạo ra sự chuyển đổi từ phát thanh tương tự sang phát thanh số

Trang 6

• Đưa các dịch vụ dữ liệu vào phục vụ khách hàng

• Chuyển sang phát thanh số với chi phí thấp

• Rất linh hoạt trong việc chuyển đổi, không cần thiết phải chuyển đổi cùng lúc tất cả các trạm phát

• Duy trì dịch vụ hiện tại, không làm thay đổi thói quen của người nghe

• Người nghe có thể được sử dụng thêm nhiều dịch vụ mới nếu có nhu cầu với chi phí đầu tư thấp Linh hoạt trong việc lựa chọn sản phẩm

Hình 1-1 Tổng quan hệ thống IBOC

Trang 7

Chương 2 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh

AM-IBOC và FM-IBOC

Việc đưa công nghệ phát thanh số IBOC vào sử dụng nhằm mục đích nâng cao chất lượng dịch vụ cho các hệ phát thanh AM tương tự hiện nay Các đài phát có thể phát đồng thời tín hiệu tương tự và tín hiệu số và không phải xin thêm băng tần mới Phương pháp này cũng cho phép các đài phát thanh chuyển hoàn toàn phát thanh số

mà không phát theo kiểu Hybrid (Hybrid là hệ thống phát thanh trong đó tồn tại cả tín hiệu tương tự và số)

2.1.1 Giới thiệu

Phát thanh AM đăng ký hoạt động ở các tần số với các khoảng cách giữa các tần số 10kHz và băng tần là 20kHz, kết quả là tạo ra giao thoa giữa các băng tần cạnh nhau Trong suốt khoảng thời gian trong ngày, nhiễu chủ yếu do sóng đất, ban đêm có thêm nhiễu từ sóng trời do phản xạ từ tầng điện ly

Thậm chí ngay khi không bị nhiễu từ các trạm, tín hiệu AM cũng bị suy giảm rất nhiều từ các yếu tố khác nhau Ảnh hưởng nhiều nhất là cấu trúc dẫn điện trên mặt đất (Ground Conductive Structure – GCS) Các ảnh hưởng này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của biên độ và pha của tín hiệu AM Không giống như tín hiệu ở tần số cao hơn, suy giảm tín hiệu AM bị ảnh hưởng từng phần vì bước sóng là lớn khi so sánh với các cấu trúc trên mặt đất

Một đặc điểm rất quan trọng của hệ thống phát thanh IBOC là cung cấp một chất lượng âm thanh tốt hơn chất lượng âm thanh của hệ thống hiện tại Tuy nhiên, điều rất quan trọng là làm thế nào để nhiễu giao thoa giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự

là nhỏ nhất

Thiết kế AM IBOC của iBiquity Digital gồm chức năng chính là: mã hóa (cách thức

mã hóa để giảm lượng thông tin dư thừa trong tín hiệu âm thanh số, đồng thời giảm tốc độ bit cần thiết theo đó giảm băng thông yêu cầu); mã hóa FEC để chống lỗi tạo

ra tín hiệu với độ an toàn cao; trải tín hiệu, tăng khả năng chống lỗi của tín hiệu, đặc biệt là nhóm lỗi (error burst); modem, điều chế và giải điều chế tín hiệu

Trang 8

Trong phần sau, chúng ta sẽ tập trung vào phần thiết kế hệ thống và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống thông qua một số các thông số đánh giá quan trọng: thông lượng vào, cường độ tín hiệu và độ trễ

Một số loại hình dịch vụ mà hệ thống AM IBOC có khả năng cung cấp:

• Dịch vụ chương trình chính (Main Program Service – MPS): MPS duy trì chương trình phát thanh tương tự hiện tại trong cả hai dạng tương tự và số Hơn nữa, chương trình chính bao gồm dữ liệu số, dữ liệu này liên qua trực tiếp đến các chương trình âm thanh

• Dịch vụ dữ liệu cá nhân (Personal Data Service – PDS): Không giống như MPS, PDS cho phép người sử dụng lựa chọn dịch vụ dữ liệu mong muốn Cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu, thông tin người dùng có giá trị

• Dịch vụ xác định vị trí (Station Identification Service – SIS): Dịch vụ này cung cấp các thông tin cần thiết để điều khiển và xác định vị trí, cho phép người dùng xác định được đài phát mà mình muốn thu và loại hình dịch vụ mình cần

• Các dịch vụ ứng dụng bổ trợ (Auxiliary Application Service – AAS): Dịch vụ này cho phép các dịch vụ của khách hàng và các ứng dụng của phát thanh số cùng nhau tồn tại Dịch vụ này có thể thêm vào bất cứ thời điểm nào trong tương lai

Để cung cấp các dịch vụ trên, hệ thống được thiết kế theo giao thức phân lớp Các Lớp của hệ thống được trình bày trên hình 2-1 Các lớp của giao thức được xây dựng trên cơ sở ISO OSI

Lớp 5: Ứng dụng, nhận các nội dung từ người dùng (chương trình nguồn)

Lớp 4: Mã hóa, thực hiện nén và format dữ liệu âm thanh từ các nguồn khác nhau ở đầu vào

Lớp 3: Giao vận, cung cấp một hay nhiều giao thức ứng dụng riêng biệt đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả truyền dẫn của lớp 4

Lớp 2: Dịch vụ, ghép kênh cung cấp khả năng phát hiện lỗi và đánh địa chỉ Chức năng chính của nó là định dạng dữ liệu nhận từ lớp 3 trong các khung riêng lẻ cho việc xử lý dữ liệu ở lớp 1

Trang 9

Lớp 1: Vật lý, cung cấp việc điều chế, FEC, đóng khung, và các thông tin tín hiệu cần thiết để chuyển đổi tín hiệu số nhận được từ lớp cao hơn sang dạng tín hiệu AM IBOC để truyền dẫn trong băng thông MF đã được sắp xếp

Hình 2-1 Mô hình phân lớp của AM IBOC Chúng ta sẽ phân tích kỹ hơn lớp 1 trong hệ thống AM IBOC Lớp 1, lớp vật lý, truyền dẫn tín hiệu với sự phân loại dựa vào các đặc tính của dịch vụ, mã hóa nguồn, định dạng và ghép chương trình được thực hiện ở các lớp cao hơn Tuy nhiên hệ thống AM IBOC cung cấp rất nhiều cấu hình khác nhau, gọi là mode dịch vụ Trong các loại hình dịch vụ này, thông lượng vào và cường độ tín hiệu của kênh logic có thể thay đổi Do đó sau khi đánh giá được yêu cầu của ứng dụng mong muốn, lớp giao thức cao hơn sẽ lựa chọn mode dịch vụ sao cho phù hợp nhất với định dạng kênh logic Phần lớn các kênh logic và các mode dịch vụ phản ánh sự mềm dẻo và khả năng thích nghi của hệ thống, hệ thống có khả năng cung cấp đồng thời nhiều lớp âm thanh số và dữ liệu

Trang 10

Hình 2-2 Sơ đồ khối hệ thống AM IBOC

Trang 11

2.1.2 Dạng sóng và phổ tín hiệu

Dữ liệu số và âm thanh không thể truyền trực tiếp trên kênh RF, do đó cần phải điều chế tín hiệu lên sóng mang RF Hệ thống AM IBOC sử dụng kỹ thuật OFDM, mục đích là để làm cho tín hiệu có khả năng chống lỗi, chống nhiễu kênh kề và tạp âm OFDM là kỹ thuật điều chế song song, dòng dữ liệu được điều chế lên rất nhiều sóng mang truyền đồng thời OFDM có thể đảm bảo dữ liệu không bị nhiễu giao thoa và chống nhiễu tốt

Băng thông AM hẹp lên dẫn tới kỹ thuật điều chế OFDM được tối ưu hóa với thông lượng vào cao hơn Kỹ thuật của iBiquity Digital IBOC cho AM sử dụng phương pháp điều chế QAM cho mỗi sóng mang OFDM Hơn nữa thời gian của một ký hiệu được tối ưu hóa sao cho đảm bảo khoảng thời gian của các xung tạp âm ngắn hơn khoảng thời gian của ký hiệu QAM, đảm bảo tín hiệu số thu được đủ mạnh trong điều kiện thông thường trên một kênh AM Thiết kế hiện tại thì ký hiệu có độ dài là 5,8ms, khoảng cách giữa các sóng mang OFDM là 181,7Hz

Hình 2-3 Sơ đồ khối tầng RF (AM IBOC)

Hệ thống AM IBOC có thể cấu hình theo hai hệ thống: Hệ thống Hybrid (truyền cả tín hiệu số và tương tự) và hệ thống truyền toàn tín hiệu số Tín hiệu AM tương tự là

âm thanh kênh đơn (mono), hệ thống AM IBOC không cung cấp khả năng truyền âm thanh AM lập thể (stereo)

Trang 12

Trong hệ thống lai (hybrid), sóng mang OFDM được sắp xếp trong băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai ở hai bên biên của tín hiệu tương tự, và ở mức thấp của tín hiệu tương tự trong băng biên thứ 3, được trình bày trên hình 2-4 Mỗi một băng biên

có cả hai thành phần băng thấp và băng cao

Hình 2-4 Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC lai Thông tin trạng thái và thông tin điều khiển được truyền trên sóng mang định thời phụ trên cả hai biên của sóng mang chính

Các sóng mang phụ được chèn vào vùng thứ nhất, thứ hai và thứ ba Hai sóng mang phụ thêm vào giữa băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai và giữa băng biên thứ hai và băng biên thứ ba trên cả hai biên của sóng mang chính Các sóng mang phụ này gọi là sóng mang hệ thống dữ liệu IBOC (IBOC Data System – IDS) và được sử dụng cho các ứng dụng có độ trễ thấp, các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp như SIS hay RBDS, các loại dịch vụ này đang được sử dụng trên hệ thống FM

Số lượng sóng mang OFDM trong băng biên thứ hai, băng biên thứ ba và IDS bằng hai lần số lượng sóng mang cần thiết để truyền các giá trị chòm sao QAM Nguyên nhân là vì toàn bộ tín hiệu số phải duy trì quan hệ góc pha 900 với sóng mang AM, để làm giảm tối thiểu giao thoa đến tín hiệu tương tự khi nó được thu và được tách sóng Việc định vị trí cho các sóng mang phụ vuông pha với tín hiệu tương tự cũng cho phép việc giải điều chế của sóng mang phụ trên băng biên thứ ba và IDS trong trường hợp tồn tại sóng mang AM mức cao và tín hiệu tương tự Trong quá trình

Trang 13

truyền dẫn, quan hệ pha giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự phải được duy trì Ta

có thể khuếch đại tín hiệu tương tự và tín hiệu số bởi một máy phát hay sử dụng hai

bộ khuếch đại riêng biệt cho mỗi loại sau đó kết hợp lại nhưng pha phải đảm bảo duy trì

Công suất tổng cộng của toàn bộ các băng biên mang tín hiệu số, trong trường hợp

hệ thống lai, nhỏ hơn một lượng đáng kể so với công suất của tín hiệu AM tương tự Mức công suất của mỗi sóng mang OFDM, trong băng biên thứ nhất, được xác định trong mối quan hệ với sóng mang tương tự chính không điều chế Tuy nhiên, mức công suất của sóng mang trên băng biên thứ hai, IDS và băng biên thứ ba là có thể điều chỉnh được

Bảng 2-1 Tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống AM Hybrid

Bảng 2-1 tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống lai Các sóng mang phụ được đánh số

từ – 81 đến 81 với sóng mang phụ trung tâm được đánh tương ứng với số 0 Bảng 2-1 liệt kê các giải tần số xấp xỉ, băng thông, mức và loại điều chế cho mỗi băng biên Trong bảng sóng mang phụ từ 54 đến 56 và từ – 54 đến – 56 không được đưa vào, vì chúng không được truyền để tránh nhiễu giao thoa với tín hiệu kênh kề đầu tiên

Hệ thống có khả năng thực hiện phát thanh số với toàn bộ tín hiệu số Trong trường hợp này, tín hiệu tương tự được thay thế bởi tín hiệu số trên băng biên thứ nhất với công suất cao hơn Sóng mang AM không điều chế được giữ lại và băng biên thứ hai được dịch chuyển đến tấn số cao hơn ở trên băng cao của băng biên thứ nhất Băng

Trang 14

nhất Băng biên thứ hai và ba sử dụng một nửa số sóng mang phụ khi so sánh với số sóng mang trên các băng biên trong hệ thống lai, vì không cần thiết định vị trí chúng vuông pha với tín hiệu tương tự khi chúng không được điều chế Công suất của cả hai băng biên thứ hai và thứ ba được tăng lên

Băng thông giảm xuống dẫn tới ảnh hưởng của nhiễu kênh kề cũng giảm Các sóng mang định thời được sắp xếp trên cả hai side của sóng mang AM không điều chế, như là trong dạng lai nhưng ở mức cao hơn

Hình 2-5 Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số

Bảng 2-2 Tóm tắt đặc tính phổ của hệ thống phát toàn số

Ngoài 4 mode dịch vụ, các đài còn có sự lựa chọn các cấu hình cho mode dịch vụ MA1 và MA2 là sử dụng thêm hai trạng thái điều khiển: Điều khiển mức công suất

và điều khiển băng thông âm thanh tương tự

Điều khiển mức công suất sẽ lựa chọn một trong hai mức cho sóng mang trên băng biên thứ hai, biên ba và IDS như được chỉ ra trên bảng 2-1 Mức công suất cao hơn sẽ làm tăng cường độ tín hiệu của tín hiệu số Điều khiển băng thông âm thanh cho phép tín hiệu âm thanh tương tự có thể được phát một trong hai băng thông 5kHz hay 8kHz Phát thanh tương tự ở băng thông 8kHz phải giảm cường độ tín hiệu của tín hiệu số do có thể xuất hiện của nhiễu giao thoa kênh kề thứ hai

Để cung cấp khả năng thu trong điều kiện di động, hệ thống AM IBOC áp dụng phân tập thời gian giữa tín hiệu tương tự độc lập và truyền dẫn tín hiệu số của cùng một nguồn âm thanh Hơn nữa, hệ thống lai cho phép giảm mức âm thanh của tín hiệu số khi máy thu gần những vùng phủ sóng của trạm phát Hệ thống AM IBOC cung cấp khả năng này bằng cách làm trễ truyền dẫn tín hiệu tương tự khoảng vài giây so với truyền âm thanh số Khi tín hiệu số bị ngắt máy thu sẽ chuyển sang tín hiệu tương tự, việc này thực hiện được nhờ tác dụng của phân tập thời gian với tín hiệu số

2.1.4 Kênh logic

Kênh logic là đường dẫn dữ liệu thông qua lớp 1 với phân loại của dịch vụ, xác định

Trang 16

giao thức cao hơn: P1, P2, P3 và PIDS P1, P2, P3 được sử dụng cho mục đích truyền

âm thanh và truyền dữ liệu, trong khi kênh logic PIDS được thiết kế để mang các thông tin dịch vụ dữ liệu IBOC (IDS)

Kênh logic P1 và P2 thường được dùng truyền các thông tin gốc của âm thanh, trong khi P3 truyền thông tin phụ bổ xung tăng cường (chẳng hạn như tín hiệu lập thể) Kênh logic P1 và P3 luôn sẵn sàng với tất cả các loại mode dịch vụ, trong khi P2 chỉ sẵn sàng với mode dịch vụ MA2 và MA4 Các mode dịch vụ MA2 và MA4 cung cấp thông lượng vào cao hơn MA1 và MA3 bằng cách sẵn sàng thêm kênh logic P2 Kênh logic được xác định bởi các đặc tính thông số của chính nó và định dạng của các mode dịch vụ Để thực hiện các mode dịch vụ, các loại hình dịch vụ của các kênh logic đặc biệt có thể được xác định duy nhất dựa vào ba thông số đặc tính: thông lượng vào, độ trễ, cường độ tín hiệu Tốc độ mã kênh, độ sâu của trải tín hiệu, trễ, ánh xạ phổ là các thông số để xác định các đặc tính

Thông lượng vào của kênh logic là tốc độ dữ liệu cho phép và được tính bằng kbps

Độ trễ là trễ mà kênh logic bắt dữ liệu gánh chịu khi dữ liệu được truyền trên lớp 1

Độ trễ của kênh logic được định nghĩa như là tổng của độ sâu trải dữ liệu và trễ, nó không bao gồm quá trình xử lý trễ trên lớp 1 cũng không bao gồm trễ ở các mức cao hơn

Cường độ tín hiệu là khả năng của kênh logic chống lại sự suy giảm do các yếu tố như tạp âm nhiễu giao thoa và GCS Có 10 mức được thiết kế trên lớp 1 của hệ thống

AM IBOC Mức 1 là mức cao nhất chống lại sự suy giảm tín hiệu của kênh, trong khi mức 10 là thấp nhất, ở mức này có dung sai nhất định cho lỗi Như với thông lượng vào và độ trễ, lớp cao hơn phải xác định mức cường độ tín hiệu yêu cầu của kênh logic trước khi lựa chọn một mode dịch vụ

Ánh xạ phổ, tốc độ mã hóa kênh, độ sâu trải phổ xác định đặc tính cường độ tín hiệu của kênh logic Ánh xạ phổ ảnh hưởng cường độ tín hiệu bằng cách thiết lập quan hệ mức công suất, bảo vệ chống nhiễu và phân tập tần số của kênh logic Mã hóa kênh tăng cường độ tín hiệu bằng cách đưa thêm những thông tin phụ vào kênh logic Độ sâu trải tín hiệu chống lại nhiễu và do đó ảnh hưởng lên đặc tính cường độ tín hiệu của kênh logic Một số kênh logic trong một số dịch vụ nhất định sẽ lại trễ khung truyền dẫn bằng cách xác định khoảng thực hiện phân tập thời gian Sự đa dạng của trễ này cũng ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu, việc làm này sẽ giảm ảnh hưởng do việc thu di động gây ra

Trang 17

Bảng 2-4 đến bảng 2-7 mô tả đặc tính thông số của mỗi kênh logic cho các mode dịch

vụ khác nhau

Bảng 2-4 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA1

Bảng 2-5 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA2

Bảng 2-6 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA3

Bảng 2-7 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA4

Trong bảng 2-4 và 2-5, kênh logic P3 và PIDS liệt kê rất nhiều giá trị cường độ tín hiệu Nguyên nhân là vì có hai mức công suất kết hợp những kênh logic này

Trang 18

Để cung cấp các mode dịch vụ, mỗi kênh logic được ánh xạ lên một băng tần số Hình 2-6 đến hình 2-9 chỉ ra ánh xạ phổ của mỗi kênh logic với các mode dịch vụ

Hình 2-6 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA1

Hình 2-7 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA2

Ở hình 2-6 kênh logic P1 được truyền trên cả hai phân băng cao và băng thấp của băng biên thứ nhất Việc truyền cùng thông tin giống nhau cho phép tăng khả năng chống nhiễu trong điều kiện tồn tại tín hiệu mạnh trên cả hai phần băng thấp và băng cao của kênh kề Hơn nữa ngoài việc phân tập tần số, kênh logic P1 trong mode dịch vụ MA1 còn được phân tập thời gian Việc này được thực hiện bằng cách truyền các thông tin dự trữ mà các thông tin này có trễ khác nhau ở máy phát Các thông tin

Trang 19

dự trữ này sử dụng mức trải tín hiệu ngắn do đó âm thanh số có thể thu được rất nhanh Nó cũng như các dịch vụ như sao lưu các thông tin không trễ, tăng cường độ tín hiệu chống lại các ảnh hưởng do GCS gây ra trong những thời điểm nhất định

Đó là lý do vì sao mà trong bảng 2-4 và bảng 2-6 thông số độ trễ của kênh logic P1 cao hơn so với các kênh khác Kênh logic P1, với cường độ tín hiệu cao hơn được thiết kế cho truyền các thông tin các thông tin âm thanh gốc

Hình 2-8 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA3

Hình 2-9 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA4

Trang 20

Vì cần phải giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu giao thoa đến tín hiệu tương tự chủ, các sóng mang trong băng biên thứ hai và thứ ba được định vị ở mức thấp, và như phương pháp đã đề cập từ trước, là duy trì mối quan hệ pha với tín hiệu chủ tương

tự Kênh logic P3 được truyền trên các sóng mang này và do đó nó giảm mức cường

độ tín hiệu so với kênh logic P1 Vì giảm cường độ tín hiệu, nên thông tin tăng cường, chẳng hạn như tín hiệu lập thể, thường được truyền trên kênh này Kênh logic P3 không được phân tập theo thời gian, nhưng có phân tập về tần số trong băng cao và thấp của băng biên thứ hai, chừng nào mà tín hiệu tương tự chủ được truyền với băng thông 5kHz hoặc thấp hơn Nếu tín hiệu âm thanh tương tự mở rộng sang băng biên thứ hai, thì cả hai băng biên cần được giải điều chế tín hiệu số Điều này giải thích tại sao mức tín hiệu số cần phải giảm để tránh ảnh hưởng của nhiễu kênh

kề thứ hai khi băng thông tín hiệu tương tự là 8 kHz Hình 2-7 mô tả sự khác nhau giữa MA1 và MA2 đó là kênh logic phát trên tần số phụ trước đây mang kênh logic P1 được loại đi và thay vào đó là kênh logic P2 Hơn nữa, phân tập thời gian đối với kênh logic P1 cũng bị mất Kênh logic P3 vẫn như cũ

Mode dịch vụ MA2 được thiết kế sử dụng các kỹ thuật nén âm thanh Trong các kỹ thuật này, các thông tin bổ trợ được cung cấp bởi bộ mã hóa thay vì được thêm vào

từ lớp 1 Bộ mã hóa âm thanh nhận rất nhiều dạng của âm thanh nguồn và truyền một cách độc lập trên kênh logic P1 và P2 Để thực hiện phân tập thời gian, kênh logic P1 được làm trễ ở máy phát, theo quan hệ với kênh logic P2 Điều này có thể thấy được trong đặc tính độ trễ trong bảng 2-5

Khi cả hai kênh logic P1 và P2 sử dụng phương pháp trải tín hiệu sâu trong mode dịch vụ MA2, thì việc thu tín hiệu số trong mode dịch vụ này lâu hơn trong mode dịch vụ MA1 Hơn nữa, cường độ tín hiệu của các kênh logic P1 và P2 của mode dịch

vụ MA2 kém hơn so với kênh logic đơn P1 của mode dịch vụ MA1 và do đó vùng phủ sóng của tín hiệu số sẽ ít hơn khi sử dụng mode dịch vụ MA2 khi so sánh với mode dịch vụ MA1

Hình 2-8 mô tả mode dịch vụ MA3 cho phát thanh toàn bộ tín hiệu số tương đương với mode dịch vụ MA1 Khi không có tín hiệu tương tự để phục vụ như một kênh dự trữ, ta có thể sử dụng phân tập thời gian cho kênh logic P1 phục vụ cho mục đích này

Hình 2-9 mô tả mode dịch vụ MA4 cho phát thanh toàn bộ tín hiệu số tương đương mode dịch vụ MA2 Khi không có tín hiệu tương tự để phục vụ như là kênh lưu trữ, phân tập thời gian của kênh logic P1 và P2 phục vụ cho việc dự trữ cho mỗi loại khác

Trang 21

nhau Cũng như vậy, để cung cấp khả năng thu tín hiệu nhanh hơn đối với âm thanh

số, kênh logic P1 sử dụng trải tín hiệu ngắn hơn

2.1.5 Các thành phần chức năng

Trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến từng bước của quy trình xử lý cần thiết để chuyển đổi rất nhiều các kênh logic khác nhau sang dạng tín hiệu của hệ thống AM IBOC Hình 2-10 mô tả các khối chức năng của quy trình xử lý ở lớp 1 Trong quá trình trải tín hiệu, kênh logic mất đặc tính của nó khi chúng được kết hợp hay được phân tách bởi quá trình xử lý trải tín hiệu

Hình 2-10 Các khối chức năng của lớp 1 (AM IBOC) Điểm truy nhập dịch vụ SAP: Định nghĩa giao diện kết nối giữa lớp 1 và lớp 2 Mỗi kênh truy cập vào lớp 1 trong các kênh riêng rẽ, với kích thước duy nhất và tốc độ

Trang 22

xác định bởi mode dịch vụ Các khung truyền dẫn mang thông tin từ lớp 2 được mô

tả như là SDU của lớp 1

Trộn dữ liệu: Chức năng này phân bố tín hiệu số mang trên mỗi kênh logic để làm giảm chu kỳ của tín hiệu và giúp máy thu đồng bộ Ở đầu ra của bộ trộn kênh logic vẫn duy trì được đặc tính nhận dạng của nó

Mã hóa kênh: Khi truyền trên các kênh, dòng tín hiệu số có khả năng bị suy giảm rất nhiều do tạp âm, méo, fading và nhiễu giao thoa Hệ thống sử dụng rất nhiều kỹ thuật sửa lỗi để phục hồi lại tín hiệu do lỗi xuất hiện khi truyền Các thuật toán này tăng cường độ của tín hiệu và tăng khả năng thu được tín hiệu chính xác Quá trình sửa lỗi bit này được thực hiện ở máy thu để phục hồi lại dòng dữ liệu chính xác

Kỹ thuật mã hóa được định dạng bởi các mode dịch vụ và kênh logic vẫn duy trì được các đặc tính của nó

Hình 2-11 Sơ đồ nguyên tắc khối trải tín hiệu Trải tín hiệu: Trải tín hiệu theo thời gian và theo tần số được sử dụng để giảm ảnh hưởng của lỗi cụm dữ liệu Kỹ thuật sửa lỗi được tăng cường nếu tín hiệu được trải

ra và do đó khả năng mất cả một đoạn dữ liệu là rất khó có thể xảy ra Kỹ thuật trải

Trang 23

tín hiệu sử dụng trong hệ thống AM IBOC được thực hiện đối với phát thanh AM trong một môi trường nhiễu thay đổi và được định đạng bởi các mode dịch vụ Trong quá trình xử lý này kênh logic bị mất đặc tính nhận dạng của nó Đầu ra của

hệ thống trải tín hiệu được cấu trúc dạng ma trận Mỗi ma trận bao gồm thông tin từ toàn bộ hay một phần kênh logic và được kết hợp với phần cụ thể của phổ truyền đi Trễ cũng bắt buộc trên các kênh logic Chính nhờ chức năng này mà phân tập gian được hiện đối với kênh logic P1, trong các mode dịch vụ MA1 và MA3

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên tắc khối điều khiển hệ thống

Hình 2-13 Khối phát tín hiệu OFDM (AM IBOC)

Trang 24

Quá trình điều khiển hệ thống: Chức năng này phát các dữ liệu điều khiển hệ thống bao gồm các thông tin điều khiển nhận từ lớp hai (chẳng hạn như mode dịch vụ và lựa chọn cấu hình hệ thống), và trạng thái cho phát thanh trên sóng mang phụ định thời

Ánh xạ trên sóng mang phụ OFDM: Chức năng này sẽ phân định vị trí của dữ liệu

đã được trải và ma trận thông tin điều khiển lên sóng mang OFDM

Phát tín hiệu OFDM: Khối phát tín hiệu OFDM nhận các ký hiệu OFDM theo miền tần số từ đầu ra của khối ánh xạ sóng mang OFDM và đầu ra của khối phát tín hiệu OFDM là xung theo miền thời gian mang tín hiệu AM IBOC

Đầu vào của khối này là tín hiệu Xn với chiều dài L, biểu diễn là các giá trị chòm sao của mỗi sóng mang OFDM trong ký hiệu thứ n OFDM Đầu ra của khối này là tín hiệu băng cơ sở, tín hiệu theo miền thời yn(t) mang tín hiệu AM IBOC của ký hiệu thứ n

Để Xn[k] theo các tỉ lệ điểm các chòm sao từ ánh xạ sóng mang OFDM đối với ký hiệu thứ n, trong đó k = 0, 1, , L-1 là chỉ số sóng mang OFDM yn(t) là đầu ra theo miền thời gian của bộ phát tín hiệu OFDM đối với ký hiệu thứ n Ta có thể biểu diễn

–

L

k

nT t L k f j n s

n

s

e k X nT t W t y

Trong đó n = 0, 1, , ∞, 0 ≤ t ≤ ∞, L = 163 là số sóng mang của OFDM tối thiểu, và Ts

và ∆ƒ là độ dài của ký hiệu OFDM và khoảng cách các sóng mang

Truyền dẫn: Chức năng này định dạng lại tín hiệu AM IBOC băng tần cơ bản để truyền trên kênh MF Chức năng này bao gồm ghép các ký hiệu, biến đổi lên tần số cao hơn, bù mức tín hiệu Khi là hệ thống lai, khối chức năng này sẽ làm trễ, lọc và điều chế tín hiệu tương tự AM trước khi kết hợp chúng với tín hiệu số tạo thành tín hiệu AM IBOC truyền đi

Đầu vào của khối này bao gồm các tín hiệu: tín hiệu tương tự băng cơ bản, ký hiệu OFDM theo thời gian, yn(t) Tín hiệu tương tự băng cơ bản, m(t), lấy từ nguồn tín hiệu tương tự khi hệ thống trong chế độ lai Hơn nữa, tín hiệu tương tự phải được điều khiển trễ từ tầng 2 thông qua kênh SCCH Đầu ra của khối này là tín hiệu AM IBOC trên băng tần MF

số, tín hiệu a(t) trễ so với tín hiệu số y(t) là Tdd

Bộ lọc thông thấp: Trong hệ thống lai, bộ chọn này lọc tín hiệu tương tự theo trạng thái điều khiển AAB nhận từ tầng 2 Nếu bit này có giá trị 0 thì băng thông của bộ lọc này là 5 kHz Nếu bit có gí trị bằng 1, băng thông lọc là 8 kHz

Hình 2-14 Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC lai

Trang 26

Hình 2-15 Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số

Bộ kết hợp tương tự số: Trong hệ thống lai, tín hiệu tương tự AM a(t) được kết hợp với tín hiệu số y(t) để tạo thành tín hiệu phức hợp băng cơ bản z(t)

Re[z(t)] = Re[y(t)] + a(t) Im[z(t)] = Im[y(t)]

Biến đổi lên tần số cao: Tín hiệu z(t) sẽ được chuyển lên tần số mang RF

S(t) = Re(ej2π) Trong đó ƒc là tần số sóng mang RF, Re là phần thực của tín hiệu

Đối với hệ thống truyền hoàn toàn tín hiệu số z(t) được thay thế bằng y(t)

Đồng bộ GPS: Để đảm bảo độ chính xác thời gian đồng bộ, sử dụng hệ thống đồng

bộ theo GPS, việc đồng bộ này sẽ đồng bộ cả về thời gian và tần số

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

Hình 2-16 Sơ đồ khối tầng RF (FM IBOC)

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

Hình 2-20 Các vùng tần số trong chế độ B

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

Bảng 2-8 Tóm tắt dạng phổ của tín hiệu FM Hybrid