Các đặc điểm cơ bản của máy phát số DVB-T

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