CáC ĐặC ĐIểM CƠ BảN CủA MáY PHáT Số DVB-T TS. Phạm Đắc Bi 1. Mở đầu Thế hệ máy phát số DVB-T ra đời đã khắc phục đợc các nhợc điểm của thế hệ máy phát tơng tự nh khả năng mang nhiều chơng trình trong một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu đa đờng và thu di động . Về cấu trúc máy phát số DVB-T và máy phát hình tơng tự giống nhau nhng điểm khác biệt là phần điều chế. Đã có nhiều tác giả viết về DVB-T dựa trên các quan điểm phân tích, đánh giá khác nhau. Vì vậy bài viết này sẽ chỉ giới thiệu một cách tổng quát và cơ bản về phần điều chế trong máy phát số DVB-T và các u nhợc điểm của hệ phát này. Hình 1 biểu diễn sơ đồ khối của bộ điều chế DVB-T Phân tán năng lơng Mã hoá ngoài Ghép xen ngoài Mã hoá trong Định vị (Mapper) Thích ứng khung IFFT Chèn khoảng bảo vệ Lọc FIR IF RF Khuếch đại Lọc Band Pass Tách sóng M peg Ghép xen trong 2. Nguyên lý OFDM Nh chúng ta đã biết hệ phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (ghép tần số trực giao có mã sửa sai) nh một phơng thức điều chế dữ liệu . OFDM là một dạng đặc biệt của hệ thống điều chế đa sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng mang. Các sóng mang đợc điều chế với tốc độ bit thấp và với số lợng sóng mang lớn sẽ mang đợc luồng dữ liệu có tốc độ bit cao. ý tởng đầu tiên của OFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong phát sóng các kênh mặt đất. Đáp ứng của kênh không tơng đồng với từng dải tần nhỏ do có nhiều tín hiệu nhận đợc (tín hiệu chính + tín hiệu phản xạ), nghĩa là sẽ không còn năng lợng đủ để thu hoặc sẽ thu đợc nhiều hơn một tín hiệu. Để có thể lập lại đợc những dữ liệu đã mất ở bên thu cần mã hóa dữ liệu trớc khi phát. Hình 1. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T 2.1. Tính trực giao của các sóng mang. Việc sử dụng số lợng lớn sóng mang tởng nh không có triển vọng lắm trong thực tế, và không chắc chắn, vì sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo. Và cũng có vẻ nh sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này. Nhng vấn đề trên đã đợc giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện đợc đặt đều đặn cách nhau một khoảng f U = 1/ T U , với T U là khoảng symbol hữu ích (u: useful). Đây chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao. Hình 2 biểu diễn hình ảnh của phổ tín hiệu OFDM với 16 sóng mang trực giao nhau trong dải thông kênh truyền dẫn và phổ tín Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 hiệu RF của máy phát số DVB-T có dải thông 8MHz. Các thành phần phổ của máy phát số DVB- T (gồm hàng ngàn sóng mang) chiếm hết dải thông 8MHz . Hình 2. Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế - Về mặt toán học, việc trực giao sẽ nh sau: sóng mang thứ k đợc biễu diễn: tjk K U et = )( với u = 2/ T U , và điều kiện trực giao mà sóng mang phải thoả mãn là: lkT Lkdttt U T LK U == = + , ,0)()( * - 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 phơng diện phổ: điểm phổ có năng lợng cao nhất của một sóng mang rơi vào điểm bằng không của sóng mang khác. Vì các sóng mang đợc đặt rất gần nhau nên tổng cộng dải phổ cũng chỉ nh ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng đợc điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tởng. Có nhiều nguyên nhân gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra nhiễu tơng hỗ giữa các sóng mang (ICI). Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong việc lấy mẫu tần số của máy thu hay phase-noise trong các bộ tạo dao động nội. Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hởng này có thể đợc giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận đợc. 2.2. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu Kỹ thuật điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phơng và các bộ lọc nhng chúng ta đã tránh đợc điều này dựa trên phép biến đổi FFT. Bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng mang đã đợc điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào đợc gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lợng bit cố định. Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và đợc xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang. Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc. Trong thực tế các thành phần Re và Im đợc biểu diễn bằng chuỗi nhị phân đợc bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng đợc biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ đợc biến đổi DA để nhận đợc tín hiệu trong băng tần cơ bản. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 Quá trình xử lý ở phía thu sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tơng ứng các tổ hợp bit đợc cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền. 2.3. Lựa chọn điều chế cơ sở Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ đợc điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở đợc chọn là QPSK, 16QAM hay 64QAM mỗi sóng mang sẽ vận chuyển đợc số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit. Tuy nhiên với công suất phát cố định, khi có nhiều bit dữ liệu trong một symbol thì các điểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi. Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số liệu đầu vào đợc tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở. Mỗi nhóm bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tơng ứng với một điểm trên biểu đồ chòm sao. Hình 3 biễu diển các chòm sao của điều chế QPSK(4 QAM), 16-QAM và 64-QAM không phân cấp. Trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập sẽ đợc truyền trong cùng một thời điểm. Luồng dữ liệu có mức u tiên cao(HP) đợc điều chế QPSK và luồng có mức u tiên thấp đợc điều chế 16-QAM hoặc 64- QAM. 00 0010 000010 4QAM 16QAM 64QAM Hình 3. Biễu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM Hình 4. Biễu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với = 4. 3. Số lợng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang Tín hiệu truyền đi đợc tổ chức thành các khung (Frame). Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát - Transmission Parameter Signalling - TPS carriers). Lý do của việc hình thành các siêu khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ cấu hình tham số phát, điều này tránh việc phải chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (đợc đánh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 đặc trong dải thông 8 MHz (Việt Nam chọn dải thông 8MHz, có nớc chọn 7MHz). Hình 5 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số. time f r e q u e n c y Channel Bandwidth sub-carriers OFDM symbol OFDM symbol Hình 5: Phân bố sóng mang của DVB-T (cha chèn khoảng bảo vệ) Nh vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa: - Các sóng mang dữ liệu (video, audio, .) đợc điều chế M-QAM. Số lợng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K. - Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha. - Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. Chúng không có vị trí cố định trong miền tần số, nhng đợc trải đều trong dải thông 8MHz. Bên máy thu khi nhận đợc các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt đợc "đáp ứng kênh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần). - Khác với sóng mang các chơng trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác. Hình 6 biểu diễn phân bố sóng mang pilot rời rạc và liên tục với múc công suất lớn hơn các sóng mang dữ liệu 2,5 dB. time f r e q u e n c y Channel Bandwidth DVB-T Transmission Frame Boosted pilot Hình 6. Phân bố các pilot của DVB-T - Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thông số phát đợc điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chòm sao, chúng nằm trên trục thực. Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K. Các sóng mang TPS này không những có vị trí cố định trên biểu đồ chòm sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz. Hình 7 biểu diễn vị trí các pilot và sóng mang TPS đợc điều chế BPSK. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 Hình 7. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao Sóng mang dữ liệu 4. Chèn khoảng thời gian bảo vệ Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu đợc trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tơng hỗ giữa các sóng mang (ICI). Để tránh điều này ngời ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trớc mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định. time f r e q u e n c y Channel Bandwidth Used part duration Guard Interval duration OFDM symbol duration Hình 8. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Mỗi khoảng symbol đợc kéo dài thêm vì thế nó sẽ vợt quá khoảng tổ hợp của máy thu T U . Nh vậy 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 vợt 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 đợc thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vợt quá khoảng bảo vệ. Độ dài khoảng bảo vệ đợc lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đờng(multi path) của máy thu. Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ đợc thực hiện tại phía phát. Khoảng thời gian bảo vệ T g có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB [1]: 1/4T U, 1/8T U, 1/16T U và 1/32T U. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 S OFDM (t) T s T want T g Tín hiệu thu đợc sau khi sửa biên độ Phản xạ 1 Nhiễu đồng kênh Phản xạ 2 Tín hiệu chính t t t t t Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vợt quá khoảng thời gian bảo vệ T g , thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tợng phản xạ (xem hình 9). Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ T g là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích, vì vậy, cùng chế độ phát, T g càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng ít, số lợng chơng trình sẽ giảm. Nhng T g càng lớn khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả. Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao và với thông số khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T. Các máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát cùng một kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số(chúng tôi sẽ trình bày kỹ trong kỳ sau). Hình 9. Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ 5. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T Thông thờng, thông tin trên một kênh cao tần 8MHz của máy phát DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng dữ liệu mà nó có khả năng truyền tải và có thể thấy các tham số phát nh kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) và khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) sẽ quyết định khả năng này. Bảng 1 thống kê tổng vận tốc dòng dữ liệu máy phát DVB- T có thể truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trên một kênh cao tần 8MHz với các nhóm thông số phát khác nhau. Bảng 1. Tổng vận tốc dòng dữ liệu Máy phát số DVB-T còn một tham số nữa là chế độ phát 2K hoặc 8K. Chế độ phát 2K sử dụng 1705 sóng mang, trong đó có 1512 sóng mang dữ liệu và 193 sóng mang tham số phát và các pilots. Chế độ phát 8K sử dụng 6817 sóng mang, trong đó có 6048 sóng mang dữ liệu và 769 sóng mang tham số phát và các pilot (xem mục 3). Trong chế độ 8K số lợng sóng mang dữ liệu gấp 4 lần trong chế độ 2K nhng thời gian để truyền hết số lợng sóng mang này cũng gấp 4 lần nên tổng vận tốc dòng dữ liệu cũng bằng chế độ 2K. 6. Đánh giá 3 phơng pháp điều chế số của ATSC, ISDB-T và DVB-T Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 Hệ thống ATSC của Mỹ phát triển từ đầu những năm 1990 và sử dụng kỹ thuật điều chế điều biên cụt của những năm 1980. Điều biên cụt 8VSB (Vestigal Side Band) vẫn bị các khuyết tật vốn có của nó, không có khả năng cho thu di động, không khắc phục hiện tợng phản xạ và không thiết lập đợc mạng đơn tần nh giải pháp của hệ ISDB-T và DVB-T. Hệ ISDB-T của Nhật Bản có điểm tơng đồng về mặt kỹ thuật với DVB-T đó là sử dụng COFDM. Hai hệ này (ISDB-T và DVB-T) cho khả năng thu di động, khắc phục hiện tợng phản xạ, thiết lập mạng đơn tần. Tuy nhiên, ISDB-T có ba điểm khác biệt so với DVB-T. Một là, sử dụng ghép xen thời gian, trong khi DVB-T không sử dụng kỹ thuật này. Đợc chứng minh ở Brazil, ghép xen thời gian cho phép tăng khả năng chống nhiễu xung. Tuy nhiên, nó lại làm tăng giá thành do phải tăng độ phức tạp của máy thu và làm tăng thời gian trễ. Ngoài ra, điều này còn làm tăng giá vận hành do các trạm phát sẽ phải đồng bộ với nhau không chỉ về tần số mà còn cả về độ dịch thời gian. Dù rằng đem lại một số lợi ích về mặt kỹ thuật nhng DVB-T vẫn quyết định không chọn giải pháp kỹ thuật ghép xen thời gian vì các lý do thơng mại. Sở dĩ nh vậy vì DVB-T đánh giá rằng đây là một giải pháp không cần thiết, các ảnh hởng của nhiễu xung có thể khắc phục đợc thông qua bộ giải MPEG-2. Và ta sẽ tiết kiệm đợc rất nhiều chi phí cho đầu thu, cho mạng phân phối và cho công tác vận hành. Hai là, phân đoạn (vùng) tần số cho các dịch vụ khác nhau. Trong ISDB-T, ngời ta dành 10 khoảng tần số cho dịch vụ hình ảnh và 3 khoảng cho dịch vụ âm thanh. Việc phân chia này làm tăng giá thành cả về phần cứng và phần mềm, vì máy thu phải làm việc với các khoảng tần số khác nhau. Việc phân đoạn tần số này còn làm sai nguyên tắc của một kênh truyền số là một kênh băng rộng trong đó các dịch vụ đợc đặt ở các mức khác nhau. Nếu chia kênh thành các đoạn tần số khác nhau cho các dịch vụ khác nhau, khi một đoạn tần số bị ảnh hởng, thì toàn bộ dịch vụ nằm trong đoạn đó sẽ bị mất. Đó là một trong những lý do tại sao các nhà thiết kế DVB-T đã không sử dụng kỹ thuật này. Có một phơng pháp khác cũng có thể đạt đợc cách phân chia dịch vụ này là sử dụng phơng pháp điều chế phân cấp nh đợc thực hiện trong DVB-T và trong cả ISDB-T. Ba là, ISDB-T không tơng thích với các hệ phát số qua vệ tinh DVB-S và phát số qua cáp DVB-C. Vì vậy, nhiều nớc không quan tâm sử dụng hệ ISDB-T của Nhật. 7. Tài liệu tham khảo. [1]. ETSI EN 300744. Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television. [2]. Digital Video Broadcasting. The international Standard for Digital Television. [3]. Digital Broadcasting Seminar, Hanoi 21 july 2003 (ROHDE & SCHWARZ). [4]. DVBS Comments to the Submission for the ANATEL CONSULTA PúBLICA N 0 .291 BRASILIAN DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION (DTV) SYSTEM. [5]. The How and why of COFDM, J.H. Stott, BBC Research and Development. Tp chớ Bu chớnh Vin thụng & Cụng ngh thụng tin Thỏng 8/2004 . CáC ĐặC ĐIểM CƠ BảN CủA MáY PHáT Số DVB-T TS. Phạm Đắc Bi 1. Mở đầu Thế hệ máy phát số DVB-T ra đời đã khắc phục đợc các nhợc điểm của thế hệ máy phát. một cách tổng quát và cơ bản về phần điều chế trong máy phát số DVB-T và các u nhợc điểm của hệ phát này. Hình 1 biểu diễn sơ đồ khối của bộ điều chế DVB-T