2 Truyền hình số DVB

Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



Truyền hình số là bớc phát triển tiếp theo của truyền hình màu tơng tự.

Để truyền với chất lợng tơng đơng cần tốc độ bit là 216 Mbps cho hình ảnh và

1536 kbps cho âm thanh. Do đó mã hóa nguồn là cực kỳ quan trọng trong hệ

thống DVB. Các hệ thống truyền hình số hiện nay sử dụng kỹ thuật nén

MPEG-2 cho phép nén xuống tốc độ 3,5 Mbps cho cả hình ảnh và âm thanh.

Hiện nay đang tồn tại 3 chuẩn truyền hình số là ATSC (Advanced

Television Systems Committee) của Mỹ, chuẩn DVB của Châu âu, và chuẩn

ISDB (Intergrated Service Digital Broadcasting) của Nhật. Trong đó có hai

chuẩn sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM là chuẩn DVB và

ISDB. Các chuẩn này đợc ban hành thành các chuẩn cụ thể cho truyền hình

mặt đất, vệ tinh và truyền hình cáp. Trong đó chuẩn truyền hình số mặt đất

DVB-T đã tỏ rõ u thế của mình và đã đợc nhiều nớc lựa chọn trong đó có cả ở

nớc ta. Do đó dới đây sẽ tập trung vào DVB-T nh là một ứng dụng của OFDM.

Truyền hình số mặt đất DBV-T của Châu âu chọn kỹ thuật COFDM

(Coded Orthogonal Division Frequency), là kỹ thuật điều chế đa sóng mang

OFDM kết hợp với kỹ thuật mã hóa kênh truyền, vì những lý do sau:

- Loại bỏ nhiễu: Sự tồn tại đồng thời của truyền hình số và truyền hình

tơng tự yêu cầu hệ thống tuyệt đối không gây nhiễu với truyền hình tơng tự và các nhiễu băng hẹp khác, bởi vì truyền hình tơng tự rất

nhạy cảm với nhiễu. Trớc khi sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng

mang thì vấn đề này đợc giải quyết bằng cách giảm công suất phát và

sử dụng các kỹ thuật mã hóa để đạt đợc tốc độ lỗi bit yêu cầu.

- Hiệu ứng đa đờng (multipath effect): Sóng truyền theo nhiều đờng tới

máy thu với trễ truyền dẫn khác nhau là nguyên nhân chính làm suy

giảm chất lợng các kênh truyền hình mặt đất. Kiến trúc mạng đơn tần

SFN của DVB tạo ra nhiều tín hiệu cùng tới máy thu từ các trạm phát

khác nhau và do phản xạ thông thờng. Sự tồn tại của nhiều tín hiệu

với độ trễ khác nhau tại máy thu yêu cầu một kỹ thuật điều chế mạnh

để chống lại hiệu ứng này. COFDM cho phép loại bỏ hoàn toàn hiệu

ứng đa đờng miễn là độ dài của khoảng bảo vệ GI đợc thiết kế một

74



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



cách hợp lý. Độ dài của khoảng bảo vệ càng lớn thì cho phép khoảng

cách giữa các trạm phát trong mạng đơn tần càng xa, tuy nhiên sẽ

phải trả giá là sự giảm hiệu suất sử dụng băng thông. Sự bố trí hợp lý

các tín hiệu pilot tại các khe thời gian và tần số cho phép chịu đợc

hiệu ứng Doppler và tạo ra khả năng di động cho các thiết bị đầu

cuối.



5.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T

Chuẩn truyền hình số DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial)

đợc ban hành bởi ETSI (European Telecommunication Standards Institute)

dựa trên các ý tởng sau:

- Đa ra mô hình hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất

- Xác định yêu cầu về chất lợng tín hiệu và khả năng tơng thích cho

các loại dich vụ khác nhau.

- Quan tâm tới vấn đề xử lý tín hiệu ở mày thu để mở rộng các giải

pháp thực hiện khác nhau.

- Nhằm vào mục đích chống hiệu ứng nhiều đờng, chống pha đinh lựa

chọn tần số và chống hiệu ứng Doppler.

- Tạo khả năng thiết lập mạng đơn tần.

- Tạo khả năng đa phơng tiện.

- Tạo khả năng di động.

DVB-T có hai chế độ là 2k và 8k tơng ứng với số điểm biến đổi

IFFT/FFT. Mode 2k có 1705 sóng mang, mode 8k có 6817 sóng mang. Với

mỗi mode đều có thể truyền tải ở hai chế độ phân cấp và không phân cấp. Đối

với chế độ không phân cấp, các chơng trình đợc phát với cùng mức tín hiệu do

vậy chỉ các vùng có cờng độ trờng lớn hơn mức ngỡng mới có thể thu đợc.

Còn ở chế độ phân cấp thì các chơng trình đợc phát với mức độ u tiên về mức

tín hiệu khác nhau, do đó có những vùng chỉ thu đợc các chơng trình u tiên.

DVB-T sử dụng các kỹ thuật QPSK, 16-QAM, 64-QAM để điều chế cho các

75



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



sóng mang, nhng chế độ phân cấp chỉ thực hiện đợc khi sử dụng kỹ thuật điều

chế 16-QAM và 64-QAM.

Dới đây là sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số theo chuẩn DVB-T:

MPEG-2

Mã hóa

Hình ảnh

Mã hóa

âm thanh



Mux



Cao tần



Ngẫu nhiên

hóa

(Scramble)



Mã hóa

ngoài



Cài xen

ngoài



Điều chế

OFDM



Mux



Mã hóa

Dữ liệu



Cài xen

trong



Mã hóa

trong



Pilot & TPS

Signals



Hình 5-4 Sơ đồ khối hệ thống phát sóng DVB-T

Đầu vào máy phát DVB-T là dòng truyền tải MPEG-2 đa chơng trình có

tốc độ bit từ 4,98 Mbps đến 31,67 Mbps. Khi hoạt động ở chế độ phân cấp thì

sẽ có thêm bộ splitter để chia dòng truyền tải thành hai dòng u tiên cao và u

tiên thấp. Hai dòng truyền tải này đợc mã hóa khác nhau và đa tới bộ điều chế

phân cấp.

Đầu tiên dòng MPEG-2 đợc ngẫu nhiên hóa để thích ứng với đặc tính

kênh truyền và chế độ làm việc của máy phát. Quá trình ngẫu nhiên hóa đợc

thực hiện bằng cách cộng modul-2 với chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS cho bởi đa

thức sinh 1 + x14 + x15 với chuỗi khởi đầu là 100 1010 1000 0000.

Nh đã đề cập, các ứng dụng của OFDM thờng sử dụng chuỗi mã hóa

gồm mã hóa khối, mã vòng xoắn và cài xen. Mã hóa ngoài sử dụng mã hóa

khối Reed Solomon (204, 188) tức là khối đầu vào là 188 byte và đầu ra là

204 byte. Bộ mã này có khả năng sửa sai 8 byte. Tiếp đó là bộ cài xen ngoài

để tăng khả năng sửa sai của mã khối RS (204, 188) trong trờng hợp xảy ra lỗi

chùm. Mã hóa trong sử dụng mã vòng xoắn với tốc độ cơ bản là 1/2. Nếu

truyền ở chế độ phân cấp thì hai dòng truyền tải đợc mã hóa với tốc độ khác

76



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



nhau. Do đó ngoài tốc độ cơ bản là 1/2 còn có các tốc độ mã hóa vòng xoắn

khác là 2/3, 3/4, 5/6 và 7/8. Tiếp theo là bộ cài xen trong bao gồm cài xen bit

và cài xen symbol. ở chế độ không phân cấp dòng bit sau mã hóa tới bộ cài

xen bit đợc chia thành 2, 4, 6 luồng tơng ứng với các phơng pháp điều chế

QPSK, 16-QAM và 64-QAM. ở chế độ phân cấp hai dòng bit sau khi đợc mã

hóa riêng sẽ cùng đợc đa tới bộ cài xen trong và mỗi dòng chia làm hai luồng

cho điều chế 16-QAM, với điều chế 64-QAM thì dòng u tiên cao đợc chia làm

2 luồng còn dòng u tiên thấp đợc chia làm 4 luồng. Cài xen symbol (symbol

interleaving) đợc thực hiện sau cài xen bit. Mục đích của cài xen symbol là

xáo trộn các symbol trớc khi điều chế vào các sóng mang.

Khối điều chế OFDM bao gồm điều chế (Mapper), thích ứng khung

(Frame adaptation), biến đổi IFFT, chèn khoảng bảo vệ, điều chế số I/Q, và

biến đổi D/A. Dới đây là một sơ đồ của khối điều chế OFDM dùng cho truyền

hình số DVB-T:

Gross

DVB-T

data

rate



Re

Mapping



Im



Clock

8.192 MHz



I

IFFT

8k-T

4k-1/4T



s

s



Q



FIR



Digital

I/Q

mod



FIR



D/A



OFDM

signal



Clock

32.768 MHz



Hình 5-5 Sơ đồ điều chế OFDM cho DVB-T

Cấu trúc khung: tín hiệu truyền đi đợc tổ chức thành các khung, mỗi

khung có thời gian là TF gồm 68 symbol. Cứ 4 khung tạo thành một siêu

khung (Super Frame). Tất cả các symbol của một khung đều chứa số liệu và

các thông tin báo hiệu và đợc đánh số từ 0 đến 67. Các thông tin báo hiệu đợc

truyền trên các sóng mang xác định bao gồm:

- Các pilot phân tán là thông tin chỉ dẫn cho máy thu đánh giá tình

trạng kênh truyền để tiến hành sửa lỗi.

77



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



- Các pilot liên tục là các thông tin chỉ dẫn cho máy thu thực hiện đồng

bộ khung, đồng bộ tần số và đồng bộ thời gian. Các sóng mang pilot

đều đợc truyền với mức công suất tăng cờng 2,5 dB so với các sóng

mang khác.

- Các sóng mang báo hiệu thông số truyền dẫn TSP (Transmission

Parameter Signalling) đợc sử dụng để cung cấp các thông số liên

quan tới mã hóa,điều chế nh kiểu điều chế, phân cấp, khoảng bảo vệ,

tốc độ mã hóa...

Mỗi symbol OFDM đợc tạo nên bởi 1705 sóng mang ở mode 2k hoặc

6817 sóng mang ở mode 8k và đợc truyền trong thời gian TS = TU + TGI. Trong

đó TU là thời gian hữu ích còn TGI là khoảng bảo vệ Guard interval. Giá trị của

khoảng bảo vệ bằng 1/4; 1/8; 1/16 hoặc 1/32 TU.

Các tham số

Số lợng sóng mang

Số pilot phân tán

Số pilot liên tục

Số sóng mang TPS

Số sóng mang dữ liệu

Thời gian hữu ích TU

Khoảng cách tối thiểu giữa

các sóng mang 1/ TU

Băng thông hữu ích



Mode 2k

1705

131

45

17

1512

224 às



Mode 8k

6817

524

117

68

6048

896 às



4464 Hz



1116Hz



7,61 MHz



7,61 MHz



Bảng các tham số của DVB-T ở 2 mode

Tiêu chuẩn DVB-T đợc thiết kế truyền dẫn trong môi trờng chịu nhiều

ảnh hởng của nhiễu, pha đinh ... và có khả năng chống lại phản xạ nhiều đờng,

hiệu ứng Doppler cho phép thiết lập mạng đơn tần, thu di động. Trong tiêu

chuẩn lại có nhiều phơng án khác nhau nh mode truyền (mode 2k hay 8k), chế

độ truyền (u tiên hay không u tiên), phơng pháp điều chế, khoảng bảo vệ, tỷ số

mã hóa nên sự linh hoạt và hiệu quả. Do đó DVB-T đã tỏ rõ u thế của mình so

với các chuẩn truyền hình số khác và đang đợc sử dụng ở nhiều nớc trên thế

giới.

78



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



5.3



Mạng LAN không dây (Wireless LAN)

Cùng với những tiến bộ vợt bậc của máy tính cá nhân và các thiết bị



truyền thông, các ứng dụng chuyển mạch gói không dây cũng ngày càng đợc

quan tâm đã dẫn tới sự ra đời của mạng nội bộ không dây Wiless LAN.

Wiless LAN đã đợc IEEE ban hành thành chuẩn 802.11 vào năm 1999 và

ngày càng đợc hoàn thiện với các version khác nhau. Đặc tính của Wiless

LAN là tốc độ cao, tính di động thấp, độ trải trễ truyền dẫn thấp và thờng đợc

sử dụng ở môi trờng trong nhà. Do đó Wiless LAN chọn phơng thức điều chế

OFDM:

- OFDM giải quyết đợc khó khăn của Wiless LAN là bị phản xạ đa đờng lớn do các vật thể ở môi trờng trong nhà gây nên. Mặc dù độ trải

trễ do phản xạ đa đờng là nhỏ nhng do truyền dẫn tốc độ cao, chy kỳ

symbol nhỏ nên ảnh hởng của trễ đa đờng tới hệ thống Wiless LAN

là rất lớn.

- Tơng đối hiệu quả trong việc sử dụng băng thông.

- Thích hợp với tốc truyền thay đổi.

- Chống nhiễu băng hẹp tốt. Nhiễu băng hẹp gây ra do nhiều ngời sử

dụng và do các thiết bị khác gây ra.

- Hiệu quả tính toán cao: sử dụng biến đổi Fourier nhanh FFT cho

phép giảm độ phức tạp xuống do chỉ phải thực hiện Nlog2N phép tính

cho 1 symbol. Với N là số sóng mang.

- Đồng bộ tốt: máy thu OFDM ít chịu ảnh hởng của jitter thời gian hơn

so với dùng kỹ thuật trải phổ.

Theo chuẩn IEEE 802.11a, hệ thống WLAN làm việc ở tần số 5 GHz sử

dụng các sơ đồ điều chế khác nhau với tốc độ mã hóa khác nhau cho phép

truyền dữ liệu với tốc độ từ 6 Mbps đến 54 Mbps. Sự kết hợp giữa các sơ đồ

điều chế với tốc độ mã hóa vòng xoắn khác nhau cho phép truyền tải tốc độ

bit tơng ứng nh sau:

Tốc độ



Điều chế



Tốc độ



Số bit truyền

79



Số bit truyền



Số bit dữ



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp

bit



mã hóa



trên 1 sóng



trên 1 OFDM



liệu trên 1



(Mbps)

6

9

12

18

24

36

48

54



(R)

1/2

3/4

1/2

3/4

1/2

3/4

2/3

3/4



mang

1

1

2

2

4

4

6

6



symbol

48

48

96

96

192

192

288

288



symbol

24

36

48

72

96

144

192

216



BPSK

BPSK

QPSK

QPSK

16-QAM

16-QAM

64-QAM

64-QAM



Các tốc độ bit dùng trong WLAN

Bộ điều chế OFDM trong WLAN có tổng cộng 64 sóng mang bao gồm

12 sóng mang trống (zero), 48 sóng mang dữ liệu và 4 sóng mang dẫn đờng

(pilot). Độ rộng băng thông của WLAN là 20 MHz, do đó khoảng cách giữa

các sóng mang là 20MHz/64 = 312.5 kHz. Chu kỳ của một OFDM symbol là

4 às trong đó khoảng bảo vệ GI là 0,8 às. Khoảng bảo vệ ở đây là CP (cyclic

prefix). Bộ điều chế OFDM sử dụng biến đổi IFFT 64 điểm (64 point IFFT).

Dòng bit từ phân lớp MAC của của lớp liên kết dữ liệu đợc đa tới lớp vật

lý để truyền dẫn. Dòng bit đợc mã hóa vòng xoắn với tốc độ phù hợp để đạt đợc tỷ số lỗi bit cho phép. Dòng bit đã mã hóa ở dạng nối tiếp đợc biến đổi 48

dòng bit song song có tốc độ thấp để điều chế vào 48 sóng mang dữ liệu. Quá

trình điều chế ở đây thực chất là ánh xạ (Mapping) từng tổ hợp bit của 48

luồng dữ liệu song song theo sơ đồ điều chế (Constellation) để tạo thành 48 số

phức và đợc biến đổi IFFT 64 điểm và đợc biến đổi song song sang nối tiếp

tạo thành chy kỳ hữu ích của symbol. Khoảng bảo vệ dạng cyclic prefix với tỷ

lệ 1/5 sẽ đợc chèn vào bằng cách copy 16 điểm cuối của chu kỳ hữu ích để đặt

vào đầu chu kỳ tạo thành 1 OFDM symbol hoàn chỉnh có chu kỳ là 4 às. Tiếp

đó các symbol đợc điều chế vuông góc, nâng lên dải tần 5 GHz, khuyếch đại

công suất cao tần và dẫn tới anten phát để truyền đi. Phía thu thực hiện quá

trình ngợc lại với phía phát. Dới đây là sơ đồ bộ thu phát (Transceiver) của

WLAN:

80