Công nghệ Điện tử Viễn thông Phân tích một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn truyền hình số DVBT2 so với DVBT

83 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ATSC Advanced Television System Commitee Uỷ ban hệ thống truyền hình mới của Mỹ ACE Active Constellation Extension - mở rộng chòm sao tích cực dùng trong DVB-T2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM VĂN HIỂN

PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN

TÍNH ƯU VIỆT CỦA TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH

SỐ DVB-T2 SO VỚI DVB-T

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ THÁI TRỊ

HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Phân tích một số yếu tố cơ bản tạo

nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so

với DVB-T” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Thái Trị

Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo

trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà

Nội đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Ngô Thái Trị

người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và

hoàn thiện luận văn này

Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè,

đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua Tôi xin kính chúc các thầy cô

giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc

Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014

TÁC GIẢ

Phạm Văn Hiển

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T) 3

1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744 3

1.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn 3

1.1.2 Nội dung chính của tiêu chuẩn 3

1.2 Thực hiện bằng cách sử dụng COFDM 9

1.3 Ghép đa tần trực giao OFDM 9

1.3.1 Nguyên lý OFDM: 9

1.3.2 Số lượng sóng mang 10

1.3.3 Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT 12

1.3.4 Tổ chức kênh trong OFDM 15

1.3.5 Phương thức mang dữ liệu trong COFDM 19

1.4 Mã hóa kênh trong DVB-T 20

1.4.1 Mã hóa phân tán năng lượng 21

1.4.2 Mã ngoại (outer coding) 22

1.4.3 Ghép xen ngoại (outer interleaving) 22

1.4.4.Mã hoá nội (inner coding) 24

1.4.5.Ghép xen nội 26

1.5 Một số khả năng ưu việt của DVB-T 31

1.5.1 Điều chế phân cấp 32

1.5.2 Mạng đơn tần SFN 37

1.6 Kết luận chương I 40

CHƯƠNG II TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 41

2.1 Những ưu điểm cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2: 41

2.2 Mô hình cấu trúc của hệ thống DVB-T2: 42

2.3 Một số tính năng mở rộng của DVB-T2 44

2.3.1 Các thông số mở rộng của DVB-T2: 44

2.3.2 Giải pháp kỹ thuật cơ bản trong DVB-T2 : 44

2.4 Kết luận chương II 59

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƯU VIỆT CỦA DVB-T2 SO VỚI DVB-T 61

3.1 Kích thước FFT 61

3.1.1 Các thông số mở rộng FFT 61

3.1.2 Kết quả đo kiểm thực tế 63

3.2 Mở rộng băng thông 64

3.3 Pilot tán xạ 66

3.4 Khoảng bảo vệ - GI 67

3.4.1 Các chế độ điều chế và khoảng bảo vệ - GI 67

3.4.2 Kết quả đo kiểm thực tế 72

3.5 Chòm sao xoay 74

3.5.1 Một số thông số chòm sao xoay 74

3.5.2 Kết quả đo kiểm 76

3.6 Kết luận chương III 81

KẾT LUẬN CHUNG 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ATSC

Advanced Television System Commitee

Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của Mỹ) ACE

Active Constellation Extension - mở rộng chòm sao tích cực (dùng trong DVB-T2)

BPSK Binary Phase Shift Keying - Khoá dịch pha hai mức BCH bose-chaudhuri -hocquenghem

CCIR

Consultative Committee on International Telegraph and Telephon

Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế CCITT

Consultative Committee on International Radio

Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế CENELEC

Comté Européen de Normalisation ELECtrotechnique

Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử Châu âu COFDM

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao có mã

CSIF

Common Source Intermediate Format Định dạng trung gian cho nguồn chung (dùng trong chuẩn Mpeg) DCT Discrete Cosine Transform - Chuyển đổi cosin rời rạc

DFT Discrete Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Modulation - Điều chế xung mã vi sai

DQPSK

Differential Quadratue Phase Shift Keying Khoá dịch pha vi sai bốn mức

DTTB

Digital Terrestrial Television Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB Digital Video Broadcasting - Quảng bá truyền hình số DVB-C DVB – Cable - Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB – Satellite - Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB – Terrestrial - Truyền dẫn truyền hình số mặt đất

ETSI

European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu âu

ES dòng cơ bản (Elementary Stream) FEC Forward Error Correction - Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying - Khoá dịch tần

GOP Group Of Pictures - Nhóm ảnh (trong Mpeg) HDTV High Definition TeleVision - Truyền hình phân giải cao

I In-phase - Đồng pha (dùng trong QAM)

Q Quadrature phase - Vuông pha (dùng trong QAM)

IDFT Inverse DFT -DFT ngược

IEC

International Electrotechnical Commission (part of the ISO)

Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế

IFFT Inverse FFT - FFT ngược

ISDB-T

Intergeted Services Digital Broadcasting – Terrestrial

Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (Nhật)

ISO International Standard Organization - Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

ITU

International Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LP Low Priority bit stream - Dòng bít ưu tiên thấp

PLP Physical Layer Pipes - ống lớp vật lý (dùng trong DVB-T2)

LDPC

Low Density Parity Check- kiểm tra cường độ ưu tiên thấp (dùng

trong DVB-T2)

MB Macro Block - Khối macro (dùng trong MPEG-2)

ML Main Level (dùng trong MPEG-2)

MP Main Profile (dùng trong MPEG-2)

MPEG Moving Pictures Experts Group

Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu chuẩn hình ảnh động

MISO (Multiple Input, Single Output) - đa anten phát, một anten thu

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép đa tần trực giao

OOK On-Off-Keying - Khoá tắt mở

PAL

Phase Alternating Line

Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét)

QAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadratue Phase Shift Keying - Khoá dịch pha vuông góc

SDTV Standard Definition TeleVision - Truyền hình phân giải tiêu chuẩn

SFN Single Frequency Network - Mạng đơn tần số

TS Transport Stream - Luồng truyền tải

TR Tone Reservation - hạn chế âm sắc

UHF Ultra-High Frequency

VLC Variable Length Coding - Mã có độ dài thay đổi

VSB Vestigial sideband - Biên tần cụt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sơ đồ puncturing và dãy được truyền sau khi biến đổi nối tiếp

song song 25

Bảng 1.2: Hoán vị các bit theo mode 2k 31

Bảng 2.1: Ví dụ so sánh DVB-T2 với DVB-T tại Anh 42

Bảng 2.2: Ví dụ về cấu hình DVB-T2 được ghép bởi 3 ống lớp vật lý 48

Bảng 3.1: Thông số kích thước FFT trong DVB-T2 / 8MHz 61

Bảng 3.2: Các thông số đo với FFT thay đổi 8K và 16K 64

Bảng 3.3: Tăng lưu lượng dữ liệu kênh truyền tương ứng với các chế độ sóng mang mở rộng 65

Bảng 3.4 : Các dạng pilot tán xạ [tham khảo theo TS 102 831] 67

Bảng 3.5: Độ dài khoảng bảo vệ trong DVB-T2 (kênh 8Mhz) 69

Bảng 3.6: Tốc độ bit cực đại và cấu hình trong kênh 8MHz,32k,1/128,PP7 71 Bảng 3.7 : Kết quả đo kiểm khi FFT: 32K thay đổi GI 73

Bảng 3.8 : Kết quả đo kiểm khi FFT: 16K thay đổi GI 73

Bảng 3.9: Giá trị của góc xoay 76

Bảng 3.10: Các thông số đo khi chưa xoay chòm sao 78

Bảng 3.11: Các thông số đo khi chưa xoay chòm sao 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất 5

Hình 1.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol 11

Hình 1.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ 13

Hình 1.4: Chèn thêm các scattered pilot 15

Hình 1.5: Phân chia kênh 16

Hình 1.6: Ví dụ về đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính Trục z miêu tả đáp ứng kênh 16

Hình 1.7: Chèn các sóng mạng phụ 17

Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ 17

Hình 1.9: Dạng tín hiệu minh họa khi có khoảng bảo về 18

Hình 1.10: Các sóng mạng đồng bộ 18

Hình 1.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol 19

Hình 1.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T 20

Hình 1.13: Sơ dồ miêu tả nguyên lý ngẫu nhiên, 21

giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu 21

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại 23

Hình 1.15: Các bước trong quá trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại (n = 2,3, 8) 24

Hình 1.16: Sơ đồ thực hiện mã chập tốc độ 1/2 25

Hình 1.17 Sơ đồ thực hiện việc ghép nội và mapping theo mô hình không phân cấp và mapping theo mô hình phân cấp 29

Hình 1.19: Chòm sao phân cấp DVB-T 33

Hình 1.20: Sơ đồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp 35

Hình 1.21: Đồng bộ miền tần số 38

Hình 1.22: Đồng bộ về mặt thời gian 39

Hình 2.1: Mô hình cấu trúc DVB-T2 43

Hình 2.2: Mô hình hệ thống của DVB-T2 45

Hình 2.3: Vai trò T2-Gateway 46

Hình 2.4: Các Ống lớp vật lý 48

Hình 2.5: Khung T2 với chế độ M-PLP 50

Hình 2.6: DVB-T2 với chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác nhau 50

Hình 2.7: Mật độ phổ công suất đối với mode 2K và 32K 52

Hình 2.8: Mô hình MISO 53

Hình 2.9: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T(trái) và DVB-T2(phải) 54

Hình 2.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM 54

Hình 2.11: Chòm sao 16-QAM xoay 55

Hình 2.12: Hiệu quả của chòm sao xoay so với không xoay 55

Hình 2.13: Tráo tế bào 57

Hình 2.14: Tráo thời gian 59

Hình 3.1: Mối liên hệ giữa kích thước FFT và GI 62

Hình 3.2: Phổ tín hiệu DVB-T2 lý thuyết với khoảng bảo vệ - GI=1/8 (kênh 8Mhz với chế độ sóng mang mở rộng 8K, 16K, 32K) 65

Hình 3.3: Đồ thị chòm sao 256-QAM 68

Hình 3.4: GI biểu diễn theo miền thời gian 70

Hình 3.5: Tốc độ bit cực đại với các chế độ Khoảng bảo vệ khác nhau 72

Hình 3.6: Biểu đồ chòm sao của điều chế 16-QAM 74

Hình 3.7: Biểu đồ chòm sao xoay của điều chế 16-QAM 75

Hình 3.8: Cơ sở của bộ điều chế mã hóa xen bit với trễ và ánh xạ xoay 76

Hình 3.9: Chòm sao khi chưa xoay 77

Hình 3.10: Chòm sao khi đã xoay 79

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật, các nghành công nghệ

trong đó có công nghệ điện tử viễn thông đã có sự phát triển vượt bậc trong ba thập

kỷ vừa qua đem lại nhiều thành tựu phát minh ứng dụng trong sản xuất, trong đời

sống xã hội Công nghệ truyền hình là một bộ phận quan trọng trong lĩnh vực điện

tử viễn thông, nó có những ứng dụng rộng rãi to lớn trong phát triển văn hóa đời

sống tinh thần xã hội Trong hơn một thập kỷ qua chúng ta đã chứng kiến sự

chuyển đổi mạnh mẽ của công nghệ truyền hình từ phương thức tương tự xang

công nghệ số Ở Việt Nam quá trình chuyển đổi này thực sự ngoạn mục với sự phổ

cập từng bước trong lĩnh vực truyền hình quảng bá và truyền hình trả tiền Từ đầu

những năm 90 cho đến nay nghành truyền hình đã ứng dụng các thành tựu về công

nghệ truyền hình số trong truyền dẫn vệ tinh, phát triển mạng truyền hình cáp và

phổ cập hệ thống truyền hình số mặt đất

Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền hình, chuẩn truyền hình số

DVB-T là chuẩn phát sóng truyền hình số mặt đất đã được triển khai thành công,

được nhiều nước chấp nhận Tuy nhiên, từ sau sự ra đời của chuẩn DVB-T thì các

nghiên cứu về kỹ thuật truyền dẫn vẫn tiếp tục được triển khai Mặt khác, nhu cầu

về phổ tần cao càng khiến cho việc gia tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên mức tối

đa càng cấp thiết Từ đó đã phát triển lên chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2

là DVB-T2

Chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 với rất nhiều ưu điểm vượt trội so với

DVB-T mà ở đó có rất nhiều thông số để mỗi nhà mạng có thể lựa chọn tùy vào

mục tiêu của mình cũng như địa hình, địa điểm khác nhau Đó là lý do em chọn đề

tài: “Phân tích các nhân tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền

hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T”

Bố cục luận văn bao gồm ba chương, trong chương I: Truyền hình số mặt

đất theo tiêu chuẩn DVB-T, trong chương II: Trình bày một số nội dung chính của

tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 Chương III: Một số yếu tố cơ bản tạo

nên tính ưu việt của DVB-T2 so với DVB-T

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, được sự hướng dẫn khoa học tận tình của TS.Ngô Thái Trị, luận văn đã được hoàn thành.Do thời gian có hạn, trình

độ bản thân còn hạn chế, thêm vào đó luận văn của em là vấn đề tương đối mới nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự đóng góp của các thầy, các

cô cùng các bạn

CHƯƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T)

1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744

Tiêu chuẩn phát thanh truyền hình số mặt đất ETSI EN 300744 được Uỷ

ban kỹ thuật phát thanh truyền hình Châu Âu JTC nghiên cứu và đề xuất Tiêu

chuẩn này đã được Dự án truyền hình số Châu Âu (DVB project) thông qua ngày

11 tháng 6 năm 1999, công bố và ngày 30 tháng 9 năm 1999 Thành lập tháng 9

năm 1993, đến nay DVB đã có hơn 200 thành viên thuộc 30 nước trên thế giới,

nhiệm vụ của nó là thiết lập môi trường dịch vụ truyền hình số sử dụng tiêu chuẩn

nén MPEG-2

JTC được thành lập năm 1990, là một tổ chức kết hợp của Uỷ ban phát

thanh truyền hình Châu Âu (EBU), Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử

Châu Âu (CENELEC) và Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI)

1.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn này mô tả hệ thống truyền dẫn cho truyền hình số mặt đất

Nó xác định hệ thống điều chế, mã hoá kênh dùng cho các dịch vụ truyền hình số

mặt đất nhiều chương trình như: LDTV/SDTV/EDTV/HDTV

- Tiêu chuẩn mô tả chung hệ thống cơ bản của truyền hình số mặt đất

- Tiêu chuẩn xác định các yêu cầu chỉ tiêu chung, và các đặc điểm của hệ

thống cơ bản, mục đích để đạt được chất lượng dịch vụ

- Tiêu chuẩn xác định tín hiệu được điều chế số để cho phép việc tương

thích giữa các phần thiết bị được sản xuất bởi các nhà sản xuất khác nhau Đạt

được điều này bằng cách mô tả chi tiết tín hiệu xử lý ở phía các module, trong khi

đó thì việc xử lý ở các máy thu là để mở cho các giải pháp thực hiện khác nhau

1.1.2 Nội dung chính của tiêu chuẩn

- Hệ thống được định nghĩa là một thiết bị gồm những khối chức năng, tín

hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 nhận được tại đầu ra của bộ ghép kênh

(Multiplexer), đầu ra là tín hiệu RF đi tới anten

Hệ thống tương thích trực tiếp với chuẩn nén tín hiệu video MPEG-2 ISO/IEC 13818

Do hệ thống được thiết kế cho truyền hình số mặt đất hoạt động trong băng tần UHF hiện có, nên đòi hỏi hệ thống phải có khả năng chống nhiễu tốt từ các máy phát tương tự hoạt động cùng kênh hoặc kênh liền kề, đòi hỏi hệ thống phải có hiệu suất sử dụng phổ tần cao băng tần UHF, điều này có thể đảm bảo bằng việc sử dụng mạng đơn tần (SFN)

Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ thống phát hình số mặt đất Các tín hiệu hình ảnh, âm thanh sẽ qua một loạt quá trình xử lý để cuối cùng tại đầu ra anten cũng vẫn là tín hiệu cao tần phát đi nhưng những tính năng ưu việt của truyền hình số mặt đất lại hoàn toàn được thể hiện trong các quá trình xử lý này Các khối nét đứt trên hình sẽ có khi cấu hình hệ thống dùng cho điều chế phân

cấp Khối Splitter (bộ tách) phân chia dòng dữ liệu thành 2 luồng với những mức

ưu tiên khác nhau, tốc độ bit và tỷ lệ mã hóa khác nhau, có nghĩa là khả năng chóng lỗi của từng dòng bit là khác nhau Sơ đồ chung ta thấy một hệ thống máy phát chủ yếu sẽ gồm phần điều chế OFDM và phần mã hoá sửa lỗi Cụ thể chức năng của các khối như sau:

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất

a Phần ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2

Các tín hiệu đầu vào gồm hình ảnh, âm thanh và các dữ liệu phụ sẽ được

số hóa nhờ khối ghép kênh và mã hóa nén MPEG-2 Đầu ra của khối này sẽ là

dòng truyền truyền tải MPEG-2 (dòng dữ liệu số) với một tốc độ bit nhất định

đưa vào máy phát Đây là quá trình số hóa tín hiệu

b Khối mã hóa phân tán năng lượng và phối hợp ghép kênh

Để đảm bảo cho việc truyền dẫn không có lỗi, dòng dữ liệu TS đến từ khối nén sẽ được ngẫu nhiên hoá Các gói dữ liệu này đầu tiên được nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS Mục đích của quá trình này là phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài

“0” và “1”), đồng thời đây cũng được xem là quá trình phối hợp để ghép kênh truyền tải

c Khối mã ngoại và ghép xen ngoại (Outer encoder and interleaver)

Dòng dữ liệu sau khi đã được ngẫu nhiên hóa sẽ tiếp tục được xử lý tại khối mã ngoại và ghép xen ngoại Sở dĩ gọi là "ngoại" vì việc xử lý ở đây là theo byte, còn mã nội và ghép xen nội là xử lý theo "bit" Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed- Solomon RS (204, 188, t=8) để mã hoá dữ liệu đã được ngẫu nhiên hoá nhằm tạo ra các gói dữ liệu đã được bảo vệ lỗi Do được mã hoá theo mã RS (204,188, t=8) nên mỗi gói dữ liệu sẽ được thêm 16 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa tới 8 lỗi trong một gói Việc ghép ngoại chính là ghép các byte với một chu kỳ ghép qui định trước, thường độ sâu ghép là l=12 Đây cũng là việc nhằm giảm tính phụ thuộc thống kê của lỗi

d Khối mã nội (inner encoder)

Đây là quá trình mã hoá tiếp theo nhưng việc mã sẽ chi tiết đến từng bit Thông số mã hóa ở đây chính là tỷ lệ mã hóa n/m (1/2, 2/3, 3/4 ) Nghĩa là cứ m bít truyền đi thì chỉ có n bit mang thông tin, các bit còn lại là để sửa lỗi

e Khối ghép xen nội (inner interleaver)

Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bit, thông tin sẽ rất khác

so với ban đầu Quá trình này để giảm thiểu lỗi đến mức tối đa

f Các khối điều chế tín hiệu (Mapper, Frame Adaptation, OFDM )

Đây là quá trình xử lý phức tạp nhất, nhưng về nguyên lý ta có thể hiểu như sau: dữ liệu sau khi đã hoàn thành mã sửa lỗi sẽ được ánh xạ lên chòm sao điều chế (khối mapper), và sau khi thêm các pilot đồng bộ, các dữ liệu sẽ được đưa lên các sóng mang Và tất nhiên là có rất nhiều sóng mang Việc chèn thêm

các khoảng bảo vệ cũng sẽ được thực hiện nhằm tối ưu hoá tính ưu việt của truyền

hình số

g Khối D/A:

Thực ra đây không phải là biến đổi Digital/Analog thuần tuý thông

thường Mà đó là quá trình hoàn chỉnh hàng ngàn sóng mang để đảm bảo việc

phát tín hiệu lên anten Hệ thống DVB-T có thể hoạt động trong băng tần 8Mhz,

7Mhz và 6Mhz, chủ yếu chỉ khác nhau ở tần số clock của hệ thống và một số

thông số liên quan đến tần số clock sẽ phải tính lại Sơ đồ cấu trúc, các nguyên tắc

mã, sự xắp xếp, ghép xen được giữ nguyên, chỉ có tốc độ thông tin của hệ thống sẽ

giảm theo hệ số 7/8 hoặc 6/8

- Truyền hình số mặt đất sử dụng nguyên lý ghép đa tần trực giao có mã

(COFDM) Ghép đa tần trực giao (OFDM) được thực hiện tiếp nối theo sau quá

trình mã hoá kênh (Channel Coding)

- Ghép kênh phân chia tần số (FDM) là cơ sở của ghép đa tần trực giao

OFDM Dòng truyền tải nối tiếp MPEG-2 đầu vào được chuyển đổi thành n

dòng bít song song, với n phù hợp với số lượng sóng mang Những dòng bít

song song này sẽ được ánh xạ lên những sóng mang riêng rẽ, những sóng mang

riêng rẽ được ghép trực giao, kỹ thuật này cho phép truyền đồng thời đa sóng

mang trên kênh truyền mà các sóng mang kế cận không gây can nhiễu sang nhau

Những sóng mang riêng rẽ được điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM

- Mã hoá kênh cần thiết cho việc truyền tải dữ liệu nhằm chống lỗi sai

trên đường truyền do tác động của nhiễu Mã hoá kênh gồm hai phần chính:

khối mã ngoài (Outer Coder) nhằm kiểm soát sửa loạt lỗi sai xảy ra có chiều dài

xác định, khối mã hoá trong (Inner Coder) nhằm kiểm soát sửa và báo lỗi cho một

loạt lỗi sai có chiều dài lớn hơn chiều dài lỗi quy định

- Mã ngoài sử dụng mã Reed-Solomon RS(188,204), ghép xen ngoài

(Outer Interleave) có chiều sâu l=12 bytes, giống như truyền hình vệ tinh và

truyền hình cáp Mã trong sử dụng mã vòng xoắn giống như truyền hình vệ tinh

với các tỷ lệ mã hoá khác nhau

- Khoảng bảo vệ mềm dẻo cho phép thiết kế hệ thống với nhiều cấu hình khác nhau như: mạng đơn tần diện rộng hoặc máy phát đơn lẻ, đảm bảo việc sử dụng tối đa băng tần

- Để thích ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau, kỹ thuật OFDM có hai chọn lựa về số lượng sóng mang, ba sơ đồ điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM

và khoảng bảo vệ khác nhau cho phép làm việc với mạng đơn tần nhỏ và lớn

- Trong một điều kiện xác định, việc thu chương trình truyền hình từ một

số máy phát hoạt động trên cùng một tần số là rất có lợi, tất nhiên, các máy phát này đều truyền tải một chương trình truyền hình được đồng bộ chặt chẽ tạo nên mạng đơn tần

- Hệ thống cũng cho phép hai mức mã kênh và điều chế phân cấp Trong trường hợp này sơ đồ khối của hệ thống có thêm phần các khối vẽ đứt nét như trên hình vẽ 2.1 Bộ chia chia dòng tín hiệu đầu vào thành hai dòng tín hiệu MPEG độc lập: dòng tín hiệu có độ ưu tiên cao và dòng tín hiệu có độ ưu tiên thấp Hai dòng bít này được phân bố trên biểu đồ chòm sao bởi khối Mapper

- Để đảm bảo có thể dùng máy thu đơn giản thu được tín hiệu phân cấp này, hệ thống chỉ sử dụng mã kênh và điều chế phân cấp mà không dùng mã nguồn phân cấp Theo phương thức này, một chương trình truyền hình được truyền đồng thời dưới hai dạng: tốc độ bít thấp với độ phân giải thấp và dạng thứ hai là tốc độ bít cao với độ phân giải cao hơn Trong cả hai trường hợp, máy thu chỉ cần một bộ bao gồm các khối với chức năng ngược lại với máy phát: khối giải ghép xen trong, giải mã hoá trong, giải ghép xen ngoài, giải mã hoá ngoài và giải ghép kênh Máy thu chỉ cần có thêm chức năng phân tách dòng bít được chọn từ sự phân bố trong biểu đồ sao

- Điều chế phân cấp cho phép truyền song song các chương trình khác nhau với mức độ sửa lỗi khác nhau và vùng phủ sóng khác nhau

- Để tránh nhiễu do sóng phản xạ hoặc do các máy phát liền kề trong mạng đơn tần, khoảng bảo vệ được đưa xen vào giữa các symbol liên tiếp của

OFDM Nếu không, sóng phản xạ sẽ gây nhiễu lên các symbol nằm phía sau và

làm tăng tỷ số lỗi Như vậy, độ dài khoảng bảo vệ sẽ phụ thuộc vào độ lớn của

vùng phủ sóng Hay nói cách khác, khoảng cách giữa các đài phát kế cận sẽ

quyết định độ dài của khoảng bảo vệ Ví dụ, với mạng đơn tần lớn, khoảng bảo vệ

phải ít nhất là 200µs

- Có 2 phương án về số lượng sóng mang Khoảng cách tốt nhất là 896µs

đối với 8k-mode và 224µs đối với 2k-mode Tương ứng với 2 phương án về số

lượng sóng mang, khoảng cách giữa các sóng mang sẽ là 1116 Hz và 4464 Hz

- Đối với hệ thống DVB-T sử dụng độ rộng băng tần 8MHz, điều này

quyết định số lượng cụ thể của sóng mang: 6817 sóng mang cho OFDM symbol

đối với 8k-mode (6048 sóng mang dùng để truyền thông tin, còn lại dùng để

truyền đồngbộ và tín hiệu khác) và 1705 sóng mang cho OFDM symbol đối với

2k-mode (1512 sóng mang dùng để truyền thông tin) Các OFDM symbols được

tính toán bằng phương pháp biến đổi Fourier ngược (IDFT)

1.2 Thực hiện bằng cách sử dụng COFDM

Để đáp ứng các yêu cầu cũng như tính năng của truyền hình số mặt đất,

nhóm nghiên cứu của DVB-T đã đưa ra một phương thức điều chế mới COFDM

Tính ưu việt cũng như lý do tại sao dùng phương thức này sẽ được trình bày

trong phần sau, đây là nguyên lý cốt lõi của một hệ thống DVB-T

1.3 Ghép đa tần trực giao OFDM

1.3.1 Nguyên lý OFDM:

- COFDM là một phương thức ghép kênh đa sóng mang trực giao trong đó

vẫn sử dụng các hình thức điều chế số cơ sở tại mỗi sóng mang Tuy nhiên ta có

thể gọi là phương thức điều chế COFDM Phương thức này rất phù hợp cho

những yêu cầu của phát hình mặt đất

- COFDM phù hợp với điều kiện truyền sóng nhiều đường, thậm chí cả khi

có độ trễ lớn giữa các tín hiệu thu được Chính điều này đã dẫn đến khái niệm

mạng đơn tần (SFN), nơi có nhiều máy phát cùng gửi tín hiệu giống nhau trên

cùng một tần số, mà thực ra đây chính là hiệu ứng "nhiều đường nhân tạo"

COFDM cũng giải quyết được vấn đề nhiễu đồng kênh dải hẹp Đây là hiện

tượng thường thấy trong các dịch vụ tương tự do các sóng mang gây ra

- Chính nhờ các ưu điểm trên mà COFDM đã được chọn cho hai tiêu chuẩn phát sóng là DVB-T và DAB, và tuỳ theo từng ứng dụng của từng loại mà

có những lựa chọn cũng như yêu cầu khác nhau Tuy nhiên ưu thế đặc biệt của COFDM về hiện tượng nhiều đường và nhiễu chỉ đạt được khi có sự lựa chọn tham số cẩn thận và quan tâm đến cách thức sử dụng mã sửa lỗi

- Ý tưởng đầu tiên của COFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy

ra trong phát sóng các kênh mặt đất Đáp ứng của kênh không tương đồng với từng dải tần nhỏ do có nhiều tín hiệu nhận được (tín hiệu chính + tín hiệu echo), nghĩa là sẽ không còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu Để giải quyết vấn đề này thì cơ chế đầu tiên là phải phân tách luồng dữ liệu để truyền tải trên một số lượng lớn các dải tần số nhỏ cách biệt nhau, nghĩa

là điều chế dữ liệu lên một số lượng lớn sóng mang dựa trên kỹ thuật FDM Và

để có thể xây dựng lại được những dữ liệu đã mất ở bên thu thì cần mã hóa dữ liệu trước khi phát Do có một số đặc điểm chủ chốt sau đây đã giúp cho COFDM rất phù hợp cho các kênh mặt đất, đó là:

• Các sóng mang trực giao - orthogonality (COFDM)

• Chèn thêm các khoảng bảo vệ - guard interval

• Sử dụng mã sửa lỗi (COFDM), xen bit - symbol và thông tin trạng thái kênh

Phần này chúng ta sẽ cùng giải thích các đặc điểm này cũng như ý nghĩa của chúng

1.3.2 Số lượng sóng mang

- Giả thiết rằng chúng ta điều chế các thông tin số cho một sóng mang Trong mỗi symbol, chúng ta truyền sóng mang với biên độ và pha xác định Biên độ và pha này lựa chọn theo chòm sao điều chế Mỗi symbol vận chuyển một lượng bít thông tin nhất định, lượng bit này bằng với loga (cơ số 2) của số trạng thái khác nhau trong chòm sao

- Bây giờ hãy tưởng tượng là có hai đường tín hiệu nhận được với một độ

trễ tương đối giữa chúng Giả sử ta xem xét symbol thứ n được phát đi, thì máy

thu sẽ cố gắng giải điều chế dữ liệu bằng cách kiểm tra tất cả thông tin nhận

được liên quan đến symbol thứ n kể cả thông tin thu trực tiếp lẫn thông tin thu

được do trễ

- Khi khoảng trễ lớn hơn một chu kỳ symbol (xem hình 2.2- trái), thì tín

hiệu thu được từ đường thứ hai sẽ chỉ thuần tuý là nhiễu, vì nó mang thông tin

thuộc về các symbol trước đó Còn nhiễu giữa các symbol (ISI) ngụ ý rằng chỉ có

một chút ít tín hiệu trễ ảnh hưởng vào chu kỳ symbol mong muốn (mức độ chính

xác tuỳ thuộc vào chòm sao sử dụng và mức suy hao có thể chấp nhận)

- Khi khoảng trễ nhỏ hơn một chu kỳ symbol (hình 1.2- phải) thì chỉ một

phần tín hiệu thu được từ đường thứ hai đựoc xem như là nhiễu vì nó mang

thông tin của symbol trước đó Phần còn lại sẽ mang thông tin của chính

symbol mong muốn, tuy nhiên sự đóng góp của nó cũng có thể có ích hoặc có thể

mang tính tiêu cực đối với thông tin từ đường thu chính thức

Hình 1.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol

- Điều này cho chúng ta thấy rằng, nếu chúng ta muốn giải quyết với tất

cả các mức tín hiệu trễ khác nhau thì tốc độ symbol phải được giảm xuống sao

cho tổng khoảng trễ (giữa tín hiệu thu được đầu tiên với tín hiệu thu được cuối

cùng) cũng chỉ là một phần khiêm tốn của chu kỳ symbol Khi đó thông tin mà một sóng mang đơn vận chuyển sẽ bị giới hạn khi có hiệu ứng nhiều đường Vậy thì nếu một sóng mang không thể vận chuyển được tốc độ thông tin theo yêu cầu thì tất nhiên sẽ dẫn đến ý tưởng chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành rất nhiều dòng song song với tốc độ thấp hơn, mỗi dòng được vận chuyển bởi một sóng mang, nghĩa là sẽ có rất nhiều sóng mang Đây chính là một dạng của FDM - bước đầu tiên để tiến tới COFDM

- Mặc dù vậy thì vẫn có thể tồn tại ISI với các symbol trước đó Để khử hoàn toàn thì phải kéo dài khoảng truyền của một symbol sao cho nó lớn hơn

khoảng tổng hợp tín hiệu mà máy thu thu được Vậy thì việc chèn thêm khoảng

bảo vệ có thể là ý tưởng tốt (chúng ta sẽ trở lại vấn đề này sau)

1.3.3 Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT

a Trực giao

Việc sử dụng một số lượng lớn các sóng mang có vẻ như không có triển

vọng lắm trong thực tế: chắc chắn, chúng ta sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải

điều chế và bộ lọc đi kèm theo? Và cũng có vẻ như sẽ cần một dải thông lớn hơn

để chứa các sóng mang này Nhưng thật may cả hai điều lo lắng này đều được

xua tan nếu chúng ta thực hiện một việc đơn giản sau đây: các sóng mang được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/ TU, với TU là khoảng symbol hữu ích (u: useful) với điều kiện là các sóng mang này phải được đặt trực giao nhau

• Về ý nghĩa vật lý: khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cao tần khác gây nhiễu

• Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất rơi vào điểm bằng không của sóng mang kia Hơn nữa chúng ta sẽ không bị lãng phí về mặt phổ Các sóng mang được đặt rất gần nhau vì thế tổng cộng dải phổ cũng chỉ như ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng được điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng

b Củng cố tính trực giao bằng khoảng bảo vệ

Thực tế, các sóng mang được điều chế có thể phân tích thành các số

phức Nếu khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu

của cùng sóng mang (ISI) mà còn cả nhiễu xuyên sóng mang (ICI) Để tránh điều

này chúng ta chèn thêm khoảng bảo vệ để giúp đảm bảo các thông tin tổng hợp là

đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định

Hình 1.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ

Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ

hợp của máy thu TU Vì tất cả các sóng mang đều tuần hoàn trong TU nên toàn

bộ tín hiệu được điều chế cũng vậy Vì thế đoạn thêm vào tại phần đầu của

symbol để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối

symbol Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong

khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao được thoả

mãn ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ

Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ hiện

tượng nhiều đường DAB sử dụng khoảng bảo vệ xấp xỉ TU / 4; DVB-T có nhiều

lựa chọn hơn nhưng tối đa cũng chỉ là TU / 4

Còn nhiều thứ nữa có thể gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây

ra ICI Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong các bộ tạo dao động nội hoặc trong việc

lấy mẫu tần số của máy thu hay các tín hiệu tạp pha (phase-noise) trong các bộ tạo

dao động nội Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hưởng này có thể được giữ ở

mức giới hạn có thể chấp nhận được

c Sử dụng FFT

Chúng ta đã tránh được hàng ngàn bộ lọc, nhờ tính trực giao, vậy thì việc thực hiện giải điều chế các sóng mang, các bộ ghép kênh và các bộ tổ hợp thì sao? Thực tế, chúng ta làm việc với tín hiệu thu được dưới dạng lấy mẫu (theo định lý Nyquyst) Quá trình tổ hợp trở thành quá trình tổng kết, và toàn bộ quá

trình giải điều chế dựa trên dạng biến đổi Furier rời rạc (DFT) Rất may là việc

thực hiện biến đổi Furier nhanh đã có rồi (các mạch tổ hợp đã sẵn có), vì vậy chúng ta có thể xây dựng thiết bị COFDM phòng thí nghiệm rất dễ dàng Các phiên bản chung của FFT đều hoạt động trên cơ sở các mẫu thời gian 2M (tương ứng với các mẫu được lấy trong khoảng tổ hợp) và vận chuyển cùng số lượng các hệ số tần (frequency coefficient) Các hệ số này tương ứng với dữ liệu được giải điều chế từ nhiều sóng mang Thực tế vì chúng ta lấy mẫu trên cơ sở giới hạn Nyquyst, nên không phải tất cả các hệ số được lấy đều tương ứng với các sóng mang tích cực mà chúng ta đã sử dụng Biến đổi FFT ngược được sử dụng trong máy phát để tạo ra tín hiệu OFDM từ dòng dữ liệu đầu vào

d Lựa chọn điều chế cơ sở

Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao Nếu càng có nhiều trạng thái trong chòm sao thì mỗi sóng mang càng vận chuyển được nhiều bit trong một symbol, tuy nhiên khi đó các điểm trong chòm sao cũng càng gần nhau hơn, trong khi công suất phát thì cố định nên

sẽ giảm khả năng chống lỗi Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi Tại máy thu, giá trị giải điều chế tương ứng (hệ số tần lấy từ FFT máy thu) được nhân với một số phức tuỳ ý (đáp ứng kênh tại tần số sóng mang) Chòm sao sẽ được quay luân phiên và thay đổi về kích cỡ Vậy thì làm thế nào chúng ta xác định được điểm trong chòm sao mà chúng ta gửi đi?

Cách đơn giản là giải điều chế vi sai (differential demodulation), kiểu như

DQPSK trong DAB Thông tin được mang đi chính là sự thay đổi về pha của

symbol này so với symbol tiếp theo Miễn là kênh thay đổi đủ chậm thì sẽ không

có vấn đề gì với đáp ứng kênh của nó Sử dụng quá trình giải điều chế visai (khác

với giải điều chế kết hợp - coherent demodulation ) sẽ gây ra suy giảm về chỉ

tiêu của nhiễu tạp âm nhiệt (thermal noise) - tuy nhiên DAB không cần là hệ thống

chống lỗi mạnh Khi đòi hỏi tốc độ lớn hơn (như ở trong DVB-T), sẽ rất có lợi

nếu sử dụng giải điều chế kết hợp Ở phương pháp này, đáp ứng kênh sẽ được xác

định và chòm sao nhận được được cân bằng chính xác rồi mới xác định xem điểm

nào trên chòm sao được phát đi (nghĩa là xác định được bit nào đã truyền đi)

Để làm được điều này ở DVB-T thì một số pilot phân tán phải được phát kèm

theo (gọi là scattered pilots) Sau đó phép nội suy sẽ được thực hiện, sử dụng bộ

lọc một chiều hoặc hai chiều để cân bằng tất cả chòm sao mang dữ liệu

Hình 1.4: Chèn thêm các scattered pilot 1.3.4 Tổ chức kênh trong OFDM

Các đặc tính của kênh truyền dẫn không cố định trong miền thời gian

Nhưng trong một khoảng thời gian ngắn thì thường là ổn định

a - Phân chia kênh

COFDM đã thực hiện việc phân chia kênh truyền dẫn cả trong miền thời

gian và miền tần số, tổ chức kênh RF thành tập các "dải tần phụ" hẹp và tập các

"đoạn thời gian" liên tiếp nhau Xem trên hình 1.5 sau đây

Hình 1.5: Phân chia kênh

Hình 1.6: Ví dụ về đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính

Trục z miêu tả đáp ứng kênh

b - Chèn các sóng mang phụ

Trong mỗi đoạn thời gian, gọi là mỗi symbol OFDM, mỗi dải tần phụ được trang bị một sóng mang phụ Để tránh nhiễu giữa các sóng mang, chúng được bố trí vuông góc với nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang được đặt bằng với nghịch đảo của một chu kỳ symbol

Hình 1.7: Chèn các sóng mạng phụ

c - Chèn khoảng bảo vệ

Do các "echo" được tạo ra bởi các bản sao của tín hiệu gốc khi bị trễ, nên

tại phần cuối của mỗi symbol OFDM sẽ có nhiễu liên symbol với phần đầu của

symbol tiếp theo Để tránh điều này, một khoảng bảo vệ được chèn vào mỗi

symbol như ta thấy hình 1.8 sau:

Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ

Trong khoảng bảo vệ này, mà thực ra tương ứng với một nhiễu giao thoa

giữa các symbol, các máy thu sẽ bỏ qua tín hiệu thu được

Hình 1.9: Dạng tín hiệu minh họa khi có khoảng bảo về

d - Đồng bộ kênh

Để giải điều chế tín hiệu một cách chính xác, các máy thu phải lấy mẫu chính xác tín hiệu trong suốt khoảng hữu ích của symbol OFDM (bỏ qua khoảng bảo vệ) Do đó, một cửa sổ thời gian sẽ được ấn định chính xác tại khoảng thời gian mỗi chu kỳ symbol diễn ra

Hệ thống DVB-T sử dụng các sóng mang "pilot", trải đều đặn trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò làm các điểm đánh dấu đồng bộ, như trên hình 1.10:

Hình 1.10: Các sóng mạng đồng bộ

Các tính năng khác nhau này (phân chia kênh, mã hoá dữ liệu, chèn

khoảng bảo vệ và các sóng mang đồng bộ) đã tạo ra các đặc tính cơ sở của

phương thức điều chế COFDM

Thật không may, tất cả tính năng này lại làm giảm tốc độ hữu ích của tải

thông tin Tuy nhiên, ta cũng có thể cân bằng giữa khả năng chống lỗi với dung

lượng kênh

Và để giúp các nhà phát hình có thể thoải mái sử dụng các hệ thống

truyền dẫn của mình trong từng điều kiện cụ thể, DVB-T đã đưa ra nhiều tham

số có thể lựa chọn như: kích cỡ FFT (2K, 8K), tỷ lệ mã hóa (1/2, 2/3, 3/4 ), và

khoảng bảo vệ (1/4 TS, 1/8 TS, 1/16 TS )

1.3.5 Phương thức mang dữ liệu trong COFDM

COFDM cho phép trải dữ liệu để truyền đi trên cả miền thời gian và miền

tần số, sau khi đã sử dụng mã hóa vòng để bảo vệ dữ liệu

Do có hiện tượng fading tần số giữa các dải tần cận kề, nên COFDM có

sử dụng xen tần số, nghĩa là các bit dữ liệu liên tiếp nhau sẽ được trải ra trên các

song mang cách biệt nhau

Hình 1.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol

Trong DVB-T việc mapping dữ liệu lên các symbol OFDM thực ra là điều chế từng sóng mang riêng rẽ, và có thể theo một trong ba chòm sao toạ độ phức 4QAM, 16QAM, 64QAM, như sau

Hình 1.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T

Tuỳ theo dạng điều chế được lựa chọn, tại một chu kỳ symbol cho mỗi sóng mang sẽ có 2 bit (4QAM), 4 bit (16QAM) hay 6 bit (64QAM) được truyền

đi Mỗi dạng điều chế có một khả năng chống lỗi khác nhau Thường thì 4QAM

có khoảng dung sai chịu nhiễu lớn gấp 4 đến 5 lần so với 64QAM

1.4 Mã hóa kênh trong DVB-T

Tín hiệu đưa vào là luồng số liệu nối tiếp, luồng số liệu này bao gồm các gói được nén theo tiêu chuẩn MPEG-2, mỗi gói dữ liệu có 188 byte (gồm có 1 byte đồng bộ và 187 byte dữ liệu)

Các gói dữ liệu này đầu tiên được nhân dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS Mục đích của quá trình này là phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài “0” và “1”) Các từ mã đồng

bộ không được đưa vào quá trình phân tán nói trên

Sau khi được nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS, các gói dữ liệu được đưa vào bộ mã ngoại (outer coding) Tại đây các gói số liệu được ghép

thêm các mã sửa sai vào từng gói

Dữ liệu lấy ra khỏi bộ mã ngoại (outer coding) được đưa đến khối ghép

xen ngoại (outer interleaving) để thực hiên việc ghép chập Tại đây các gói số liệu

được ghép theo byte Mục đích của quá trình này là loại bỏ tính thống kê của

nhiễu.Ta sẽ xem xét cụ thể các loại mã hóa được dùng như sau

1.4.1 Mã hóa phân tán năng lượng

Hình 1.13: Sơ dồ miêu tả nguyên lý ngẫu nhiên,

giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu

Nén theo tiêu chuẩn MPEG-2 có độ dài 188 byte (gồm 1Byte đồng bộ và

187 Byte dữ liệu) Thứ tự xử lý sẽ luôn được bắt đầu từ MSB (bit "0") của byte

đồng bộ gói (01000111)

Để đảm bảo cho việc truyền dẫn không có lỗi, dữ liệu sẽ được ngẫu

nhiên hoá theo sơ đồ trong hình 1.13

Thanh ghi dịch tạo ra chuỗi giả ngẫu nhiên gồm có 15 bit Đa thức tạo

chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên sẽ là: 1 + x14 + x15

Việc khởi tạo chuỗi giả ngẫu nhiên được thực hiện bằng cách nạp chuỗi

“1001010101000000” vào thanh ghi dịch Quá trình khởi tạo này được thực hiện theo chu kỳ cứ 8 gói MPEG-2 thì nạp một lần

Để tạo tín hiệu ban đầu cho bộ tách, byte đồng bộ trong gói MPEG-2 đầu tiên trong 8 gói MPEG-2 sẽ được đảo bit (từ 47HEX thành B8HEX) Quá trình đảo bit này được gọi là “phối hợp ghép truyền tải”

Việc thực hiện ngẫu nhiên hoá chỉ áp dụng với các byte số liệu do đó bit đầu tiên lấy ra khỏi thanh ghi dịch sẽ được tích chập với bit đầu tiên của byte đầu tiên theo sau byte đồng bộ đã được đảo bit (B8HEX) Để trợ giúp các chức năng đồng bộ khác, khi 7 byte đồng bộ của 7 gói tiếp sau được truyền, chuỗi PRBS vẫn hoạt động nhưng đầu ra của thanh ghi dịch bị khoá do đó các byte này không được ngẫu nhiên hoá Vì vậy chu kỳ của PRBS là 1503 bytes

1.4.2 Mã ngoại (outer coding)

Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed-Solomon RS (204, 188, t=8) để mã hoá dữ liệu đã được ngẫu nhiên hoá nhằm tạo ra các gói dữ liệu đã được bảo vệ lỗi

Do được mã hoá theo mã RS (204,188, t=8) nên mỗi gói dữ liệu sẽ được thêm 20 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa tới 8 lỗi trong một gói

Đa thức tạo mã là: G(x) = (x + λ0)(x +λ1)(x +λ2) (x+λ15) Với λ = 02 HEX

Mã RS ngắn được thực hiện bằng cách thêm 51 bytes, tất cả là “0”, trước khi byte dữ liệu được đưa vào bộ mã hoá RS Sau khi mã hoá RS, thì các byte rỗng sẽ được loại bỏ và các từ mã RS sẽ còn số byte là N= 204 byte

1.4.3 Ghép xen ngoại (outer interleaving)

Sơ đồ nguyên lý chung thực hiện việc ghép ngoại được cho trong hình 1.14 Theo sơ đồ việc ghép chập kiểu byte với độ sâu ghép l=12 sẽ được áp dụng với các gói được lấy ra khỏi bộ mã ngoại Cấu trúc dữ liệu sau khi ghép được chỉ ra trong hình 2.15-d Quá trình ghép chập này phải dựa trên tiếp cận tương hợp với tiếp cận Ramsey kiểu III, l=12 là tiếp cận Forney Những byte dữ liệu được ghép là các byte số liệu trong gói đã được bảo vệ lỗi và được giới hạn bởi byte

đồng bộ (đảo hay không đảo) Chu kỳ chèn là 204 byte

Bộ ghép gồm 12 nhánh, được kết nối theo kiểu vòng với các byte số liệu

bằng chuyển mạch đầu vào Mỗi nhánh j sẽ là một thanh ghi dịch First in -First

out, với j x M ô nhớ Trong đó: M= 17 =N/I, N= 204 byte

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại

Hình 1.15: Các bước trong quá trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại

(n = 2,3, 8)

Mỗi ô của thanh ghi dịch sẽ có 1 byte Đầu vào và đầu ra của bộ ghép phải được đồng bộ Để tạo sự đồng bộ, byte SYNC và SYNC1 phải được truyền trong nhánh “0” của bộ ghép

1.4.4.Mã hoá nội (inner coding)

Bộ mã nội sử dụng mã chập lỗ Nó cho phép lựa chọn các tốc độ mã hoá khác nhau: 1/2,2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Các phương pháp mã hoá này được dựa trên phương pháp mã chập với tốc độ mã hoá là 1/2 có 64 trạng thái được gọi là

mã mẹ Sơ đồ nguyên lý của thực hiện việc mã chập với tốc độ 1/2 được cho trong hình 2.16 Đa thức tạo mã là G1 = 171 oct cho đầu ra X và G2=133 oct cho đầu ra Y Bảng sau đưa ra chuỗi bit truyền dẫn được tạo ra tương ứng với các tốc độ mã hoá khác nhau Trong đó X và Y tương ứng với hai đầu ra của bộ

mã chập

Tốc độ mã hoá càng cao thì dòng số liệu càng lớn nhưng tỉ số C/N cũng càng lớn Tốc độ mã hoá 1/2 tạo ra dòng số liệu lớn nhất nhưng tỉ số C/N cũng cao nhất, tốc độ mã này được dùng cho các kênh bị nhiễu mạnh Tốc độ mã hoá

7/8 tạo ra dòng số liệu nhỏ nhất nhưng tỉ số C/N thấp nhất nên được dùng cho

Bảng 1.1: Sơ đồ puncturing và dãy được truyền sau khi

biến đổi nối tiếp song song

Tiêu chuẩn OFDM cho phép lựa chọn 3 phương thức điều chế

Quá trình tách các luồng con này được xem như việc chuyển các bit xdi thành các bit đầu ra be,do

Trong kiểu không phân cấp:

di Chỉ số bit đầu vào

be,do Bit lấy ra khỏi bộ tách

e Chỉ số luồng bit được tách (0≤ e ≤ v)

o Chỉ số bit của luồng bit tại đầu ra bộ ghép

Sau khi tách các bit được ánh xạ như sau:

Hình 1.18: Sơ đồ thực hiện việc ghép nội

và mapping theo mô hình phân cấp

Với mỗi một bộ ghép bit, đầu vào sẽ là:

B(e) = (be,0, be,1,be,2,be,3 be,125) (0≤ e≤ v) Vector lấy ra khỏi mỗi bộ

ghép bit là:

A(e) = (ae,0, ae,1, ae,2, ae,3, ae,125) Trong đó các ae,w với w = 0, 1, 2 125 được xác định như sau: ae,w = be He(w) là hàm hoán vị được xác định như sau:

y‟w = (a0,w, a1,w, av-1,w)

b- Bộ ghép ký tự

Mục đích của bộ ghép ký tự là đặt những ký tự có v bit lên 1512 (mode 2k) hoặc 6048 (mode 8k) sóng mang Bộ ghép ký tự đuợc thực hiện trên các khối có 1512 (mode 2k) hoặc 6048 (mode 8k) ký tự dữ liệu

Vì vậy trong mode 2k, 12 nhóm mỗi nhóm có 126 ký tự dữ liệu lấy từ bộ ghép bit sẽ được đọc một cách tuần tự vào trong vectơ

Y‟ =(y0‟, y1‟, y2‟, ,y1511‟)

Trong mode 8k, 48 nhóm mỗi nhóm có 126 ký tự dữ liệu được đọc vào trong vector:

Y‟ =(y0‟, y1‟, y2‟, y6047‟) Vector Y thu đuợc sau khi ghép là: Y=(y1, y2, y3, yNmax-1) Trong đó:

yH(q) = y‟q với những ký tự có chỉ số chẵn q=0, Nmax-1 yq = y‟H(q) với những ký tự có chỉ số lẻ q=0, Nmax-1

Nmax = 1512 trong mode 2k và Nmax = 6048 trong mode 8k H(q) là hàm

hoán vị được tính như sau:

R‟i là từ có (Nr-1) bit, trong đó Nr = log2Mmax Mmax = 2048 trong mode 2k

Mmax = 8192 trong mode 8k

R‟i được xác định như sau:

i=0,1 R‟i [Nr-2,Nr-3, ,1,0] =0,0 0

i=2 R‟i [Nr-2,Nr-3, ,1,0] =0,0 ,1

2<i<Mmax R‟i [Nr-3,Nr-4, ,1,0] = R‟i-1 [Nr-2,Nr-3, ,2,1] Trong

mode 2k: Ri‟[9] = R‟i-1[0] + R‟i-1[3]

Trong mode 8k: Ri‟[11] = R‟i-1[1]+R‟i-1[4]+ R‟i-1[6]

Vector Ri tạo ra từ vector R‟i bằng cách hoán vị bit theo bảng dưới đây

Chỉ số các bit của R‟i 1 0

Bảng 1.2: Hoán vị các bit theo mode 2k

Hàm hoán vị H(q) được xác định theo thuật toán sau:

Tương tự như y‟, y gồm có v bit: Y‟q = (y0,q‟, y1,q‟, ,yv-1,q‟)

Trong đó q‟ là chỉ số ký tự tại đầu ra của bộ ghép ký tự

1.5 Một số khả năng ƣu việt của DVB-T

• Một máy phát với 2 vùng phủ sóng riêng biệt

• Giải quyết được cả thu di động lẫn thu cố định

• Phát đồng thời các chương trình số cả ở dạng tiêu chuẩn (SDTV) lẫn dạng có độ phân giải cao (HDTV)

Cùng với ứng dụng trong hoạt động của mạng đơn tần SFN, điều chế phân cấp đã nêu bật được các khả năng to lớn của hệ thống DVB-T Và liệu điều chế phân cấp có phải là một cơ hội cho nhiều dịch vụ mới? Chúng ta sẽ cùng nhau xem xét vấn đề này

a- Chòm sao điều chế phân cấp

Dạng điều chế phân cấp thực ra là sự biên dịch của 16QAM và 64QAM thông qua 4QAM, như ta thấy trên hình vẽ:

Hình 1.19: Chòm sao phân cấp DVB-T

Điều chế phân cấp được xem như là sự phân tách kênh RF thành 2 mạch

ảo, mỗi mạch có một tốc độ bit riêng, một mức độ lỗi riêng và theo đó sẽ có vùng

phủ sóng khác nhau một chút Chính sự kết hợp giữa dạng chòm sao và tỷ lệ mã

hóa sẽ quyết định sự khác nhau giữa 2 kênh ảo này

Trên thực tế, việc mapping dòng dữ liệu đầu tiên sẽ sử dụng chòm sao

4QAM Mỗi cặp 2 bít của dòng dữ liệu này sẽ xác định góc phần tư mà sóng

mang chiếm giữ trong chòm sao Sau đó, dòng dữ liệu thứ hai sẽ quyết định vị

trí bên trong góc phần tư đó, bao gồm cả phần thực và phần ảo của sóng mang

Nếu dòng dữ liệu thứ hai được ánh xạ bởi các cặp 2 bít thì chòm sao

phân cấp chính là "4 QAM thông qua 4 QAM" Và hình dạng nó sẽ giống như 16

QAM Còn nếu 4 bít được sử dụng thì đó chính là "16 QAM thông

qua 4 QAM", tạo nên dạng chòm sao 64 QAM Dòng bít dữ liệu đầu tiên sẽ luôn

luôn sử dụng dạng điều chế 4 QAM, và được gọi là dòng bít ưu tiên cao (HP)

Dòng thứ hai, ít lỗi hơn, được điều chế ở dạng 4 QAM hoặc 16 QAM, được gọi

là dòng có mức ưu tiên thấp

Các loại điều chế phân cấp cũng có một hệ số thay đổi, đó là α Đây là tỷ

lệ giữa khoảng cách của hai điểm gần nhất của hai góc phần tư liền kề và khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trong cùng một góc phần tư của chòm sao Thực ra hệ số α càng lớn thì càng có lợi cho điều chế HP 4 QAM nhưng khi đó điều chế LP lại khó chống lỗi hơn

b- Các đặc tính điều chế phân cấp

Trong tiêu chuẩn DVB-T, điều chế phân cấp có hai đặc tính chính là:

- Cho phép phát sóng hai dòng truyền tải MPEG độc lập trên cùng một kênh RF

- Mỗi dòng truyền tải sẽ có một khả năng chống lỗi riêng, do đó sẽ có vùng phủ sóng riêng

Thực ra sự khác nhau giữa mức độ lỗi giữa HP và LP sẽ phụ thuộc cả vào dạng điều chế (4 QAM hay 16 QAM) và tỷ lệ mã hóa dùng cho dòng LP Dòng dữ liệu HP, luôn được điều chế ở dạng 4 QAM, có tốc độ bitrate hữu ích chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ mã hóa Trong khi đó dòng LP được các máy thu xem như là nguyên nhân tăng thêm nhiễu của các góc phần tư trong chòm sao Do vậy để đạt được lượng C/N có thể chấp nhận được thì dòng HP phải chịu thêm một lượng đền bù

c- Tại sao lại dùng điều chế phân cấp ?

Tại nhiều nước, việc triển khai dịch vụ số thường bằng cách chia sẻ dải tần UHF/VHF với các dịch vụ analog hiện hành, nhưng vẫn là sử dụng các kênh không mong muốn (taboo channel).Để tối ưu hóa tốc độ bit trong phát hình DVB-T, các nhà lập kế hoạch mạng đã lựa chọn các cách điều chế mật độ cao như: chòm sao 64 QAM và tỷ lệ mã bảo vệ 2/3

Tuỳ theo cấu hình mạng và vùng phủ sóng mà ta có những sự lựa chọn sau: + 2K/8K: tuỳ theo mạng MFN hay SFN, và kích cỡ lớn nhất của các khoảng cách giữa các máy phát

+ Khoảng bảo vệ: tuỳ theo vùng phục vụ (thành thị sẽ khác nông thôn, miền núi)

Nhưng trên tất cả, các tính năng của điều chế phân cấp còn cho phép

những điều chỉnh hơn nữa trong việc lập mạng như một số tình huống phủ sóng

như trên hình sau đây:

Hình 1.20: Sơ đồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp

Điều chế phân cấp còn cho ta sự cân bằng giữa tốc độ bit với mức độ lỗi,

hay chính là giữa tốc độ bit với vùng phục vụ

Trong thời kỳ đầu của DVB-T, điều chế phân cấp chỉ được xem như là cách để

tạo ra hai vùng phủ sóng cho một máy phát xác định Điều này thực sự là đúng,

tuy nhiên chỉ cần thiết khi thực thi hai loại hình dịch vụ vì lúc đó điều chế phân

cấp sẽ thể hiện được ưu thế về phổ mà vốn dĩ đã bị các dịch vụ analog chiếm

giữ khá nhiều

Tóm lại điều chế phân cấp thể hiện được khá nhiều tính linh hoạt, tuỳ

theo quan điểm cũng như mối quan tâm của các nhà phát hình mà có những lựa

chọn khác nhau Một số ví dụ dưới đây đã được ghi nhận:

• Quảng bá cho cả máy thu cố định và máy thu có thể di chuyển

Ứng dụng chính của điều chế phân cấp là cho các máy thu có thể dịch

chuyển khi anten thu đặt trong nhà bằng việc thay đổi một chút các tham số

điều chế Trong khi các máy thu cố định có ưu thế về độ khuếch đại của các

anten thu đặt trên nóc nhà thì thu dịch chuyển lại chịu bất lợi do suy hao gây

bởi chính các building Trên hình vẽ ta thấy so với loại điều chế thông thường

(REG) thì HP và LP bao phủ hai vùng riêng biệt

Dòng dữ liệu thô hơn HP (chứa các chương trình "lõi") sẽ được cả máy cố định và di chuyển thu Tuy nhiên khi thu di chuyển thì vùng phủ sóng HP sẽ lớn hơn một chút so với chính nó khi ở thể loại điều chế thông thường

Thực tế thì đâu là sự cân bằng nếu loại điều chế thông thường 64 QAM 2/3 được chuyển đổi thành phân cấp với HP là 4 QAM 1/2 và LP là 16 QAM 2/3

Tóm lại việc giảm tốc độ tổng thể cũng không bằng việc chúng ta đạt được dòng HP có khả năng chống lỗi cao Còn vùng LP thì hầu như không đổi thậm chí ngay cả trong trường hợp các máy thu di chuyển chịu sự suy giảm

Có lẽ trong những ngày đầu tiên thử nghiệm tiêu chuẩn DVB-T, điều chế phân cấp chưa thu hút được sự chú ý của các nhà phát hình Nhưng hiện nay tình hình thay đổi đã khiến điều chế phân cấp đang ở trong hoàn cảnh rất hấp dẫn