Tài liệu 37537092 mạng đơn tần

Mạng đơn tần phát sóng truyền hình số mặt đất Việc phát triển mạnh mẽ và đa dạng của các hệ thống dịch vụ truyền hình số mặt đất hiện nay như: Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T (Digital Video Broadcasting- Terrestrial) [1] cho các máy thu cố định và di động, truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-H (Digital Video Broadcasting- Handheld) [2] và truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn T-DMB (Terrestrial- Digital Multimedia Broadcasting) [3] cho các thiết bị cầm tay trên thế giới và trong nước... cùng với sự cạn kiệt về nguồn tài nguyên tần số quốc gia thì việc thiết kế mạng đơn tần cho phát sóng truyền hình số mặt đất SFN (Single Frequency Network) là cần thiết và cấp bách. TS. Nguyễn Đăng Thành; Ths. Trần Nam Trung ThS. Nguyễn Như Nhất; KS. Hà Doãn Liêm; KS. Đỗ Trần Quỳnh GIỚI THIỆU Việc phát triển mạnh mẽ và đa dạng của các hệ thống dịch vụ truyền hình số mặt đất hiện nay như: Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T (Digital Video BroadcastingTerrestrial) [1] cho các máy thu cố định và di động, truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-H (Digital Video Broadcasting- Handheld) [2] và truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn T-DMB (Terrestrial- Digital Multimedia Broadcasting) [3] cho các thiết bị cầm tay trên thế giới và trong nước... cùng với sự cạn kiệt về nguồn tài nguyên tần số quốc gia thì việc thiết kế mạng đơn tần cho phát sóng truyền hình số mặt đất SFN (Single Frequency Network) là cần thiết và cấp bách. Đặc điểm kỹ thuật của SFN là: các máy phát trong mạng SFN sử dụng chung một tần số phát, cùng phát các chương trình giống nhau và trong cùng một thời gian [4], [5]. Ưu điểm của mạng phát thanh truyền hình số mặt đất SFN: sử dụng băng tần tần số hiệu quả hơn do tất cả máy phát trong mạng SFN chỉ phát ở một kênh sóng duy nhất, hiệu quả phủ sóng cao hơn so với các hệ thống khác do sử dụng các máy phát có công suất nhỏ và phân tán trong khu vực phủ sóng có địa hình phức tạp, ít can nhiễu hơn trong mạng đơn tần, công suất sử dụng cho cùng một diện tích phủ sóng nhỏ hơn và độ tin cậy cao. Một số bài báo trong tạp chí định kỳ của IEEE đã đề cập đến vấn đề tối ưu mạng đơn tần SFN với tiêu chí tối ưu vùng phủ sóng [6], tối ưu theo tiêu chí giá thành của mạng SFN [7] hay tối ưu theo chất lượng dịch vụ của mạng SFN. Bài báo đề cập đến các mô hình mạng đơn tần SFN được tối ưu theo các tiêu chí khác nhau có thể áp dụng cho việc thiết lập mạng đơn tần truyền hình số mặt đất phù hợp với điều kiện Việt Nam. CÁC GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO MẠNG ĐƠN TẦN SFN Mô hình tổng quan mạng đơn tần SFN Hình 1 là mô hình tổng quan mạng đơn tần. Dòng dữ liệu MPEG được đưa vào ghép kênh MPEG-2 sau đó đưa qua bộ tiếp hợp mạng đơn tần (SFN adapter), bộ tiếp hợp này được đồng bộ bằng các tín hiệu đồng bộ 1pps và 10Mhz thu từ vệ tinh nhờ bộ GPS gắn kèm bộ tiếp hợp. Dòng truyền tải TS MPEG ở đầu ra bộ tiếp ứng mạng đơn tần được truyền tới bộ tiếp ứng mạng và máy phát (Tx Network adapter), dữ liệu sau đó được truyền qua mạng. Mạng truyền dẫn tín hiệu ở đây có thể là cáp quang, vệ tinh hay Internet. Tại các máy phát thuộc SFN, dữ liệu truyền qua mạng được thu bằng bộ thu tiếp hợp mạng (Rx Network adapter). Dòng dữ liệu truyền tải TS MPEG đầu ra được đưa qua bộ xử lý đồng bộ. Tại đây bộ xử lý đồng bộ thực hiện hiệu chỉnh thời gian trễ áp dụng cho các máy phát, nhờ bộ GPS thu tín hiệu đồng bộ 1pps và 10 Mhz từ vệ tinh. Dữ liệu được hiệu chỉnh đồng bộ sẽ được đưa qua bộ điều chế DVB và tín hiệu RF đầu ra bộ điều chế sẽ được đưa qua bộ khuếch đại công suất lớn trước khi đưa tới anten phát. Hình 1: Sơ đồ khối mạng đơn tần Sử dụng mạng đơn tần máy phát phân tán SFN dụng nhiều máy phát công suất nhỏ độ cao anten vừa phải sẽ phủ sóng tốt hơn cho cùng một diện tích phủ sóng. Lý thuyết đã chứng minh với cùng một diện tích phủ sóng S, công suất phủ sóng sử dụng cho SFN phân tán nhỏ hơn so với vùng phủ sóng khi sử dụng một máy phát duy nhất. Bên cạnh đó, sử dụng mạng đơn tần phân tán cho phép dễ dàng nới rộng vùng phủ sóng của mạng đơn tần bằng cách bố trí thêm các máy phát có công suất nhỏ, độ cao anten thấp tại các vị trí cần thiết. Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn đối với mạng đơn tần phân tán sử dụng các máy phát có công suất nhỏ, anten thấp. Để chứng minh các luận cứ đã nêu ở trên chúng ta phân tích vùng phủ sóng của hai trường hợp dưới đây. Sử dụng các bộ phát lặp tín hiệu RF cùng kênh OCR (On- Channel Repeater) Trong SFN khoảng cách giữa các máy thu bị hạn chế bởi khoảng thời gian bảo vệ được xác định bằng các kiểu điều chế OFDM [6], [7], [12]. Đối với tiêu chuẩn truyền hình số DVB-T chế độ điều chế 2K và 8K, khoảng cách cực đại giữa các máy phát tương ứng với các khoảng thời gian bảo vệ 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 khoảng thời gian hữu ích của một symbol OFDM cho trong Bảng 1. Chế độ điều chế OFDM 2K, với khoảng thời gian bảo vệ bằng 1/32 tương ứng với khoảng cách lớn nhất giữa hai máy phát là 2,1 Km. Trong khi đó, ở chế độ điều chế OFDM 8K với khoảng bảo vệ là 1/4, khoảng cách này lên tới 67,2 km. Khoảng bảo vệ càng dài, khoảng cách cực đại giữa các máy phát càng lớn. Nhưng khoảng bảo vệ dài thì hiệu quả truyền dẫn giảm, vì vậy thông số khoảng bảo vệ sẽ hạn chế khoảng cách cực đại giữa các máy phát trong mạng đơn tần. Đối với tiêu chuẩn T-DMB của Hàn Quốc sử dụng điều chế OFDM 4K với các kiểu I, II, III, IV, thông số về thời gian trễ cực đại và khoảng cách cực đại cho phép giữa các máy phát được cho trong Bảng 2. Bảng 1: Thời gian trễ cực đại và khoảng cách cực đại cho phép tương ứng với các chế độ điều chế OFDM khác nhau trong tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T. Khoảng bảo vệ 1/4 1/8 1/16 1/32 Trễ cực đại Khoảng cách cực trong chế độ 2K đại trong chế độ 2K (µs) 56 16,8km 28 8,4km 14 4,2km 7 2,1km Trễ cực đại trong chế độ 8K (µs) 224 112 56 28 Khoảng cách cực đại trong chế độ 8K 67,2km 33,6km 16,8km 8,4km Khoảng cách cực đại cho phép giữa các máy phát trong mạng đơn tần, khi sử dụng tiêu chuẩn T-DMB của Hàn Quốc, lớn nhất ứng với kiểu I có khoảng bảo vệ là 246µs và bằng 96 km và nhỏ nhất ứng với kiểu III có khoảng bảo vệ là 31µs và bằng 12 km. Tần số RF hoạt động với kiểu I là <=375MHz , thiết kế này được tính toán để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng dàn trải Doppler và trễ. Dải tần số RF hoạt động của kiểu điều chế I theo tiêu chuẩn T-DMB Hàn quốc, tương ứng với dải kênh tần số băng III của truyền hình. Để đảm bảo chất lượng phủ sóng vùng mù (các khu vực bi che khuất, máy phát chính không phủ sóng tới được) và nới rộng vùng phủ sóng của mạng đơn tần, chúng ta phải sử dụng các bộ OCRs (On-Channel Repeaters). Bảng 2: Thời gian trễ cực đại và khoảng cách cực đại cho phép tương ứng với các chế độ điều chế OFDM khác nhau trong tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất T-DMB. Kiểu I II III IV Trễ cực đại (µs) 246 62 31 123 Khoảng các cực đại 73,2km 18,6km 9,3km 37km Việc sử dụng các bộ OCR trong mạng đơn tần làm giảm giá thành lắp đặt và bảo dưỡng của mạng so với việc sử dụng các máy phát có công suất lớn, anten cao để mở rộng vùng phủ sóng của mạng đơn tần. Tuy nhiên, công suất của các bộ OCR này bị hạn chế vì các anten phát là không hoàn toàn độc lập, bên cạnh đó việc xử lý trễ tín hiệu trong các bộ OCR này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu của các máy thu trong mạng. Thông thường, yêu cầu thời gian xử lý trễ cực đại cho phép trong một bộ OCR là bằng 3/10 khoảng thời gian bảo vệ. Các yêu cầu đối với bộ phát lặp cùng kênh OCR: + Các bộ OCR phải đảm bảo tần số RF là không đổi và đồng bộ giữa tín hiệu thu và phát. Bất cứ thay đổi nào về tần số sẽ gây ra hiệu ứng dịch tần Doppler, hiện tượng này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thu của các máy thu trong mạng đơn tần. + Các bộ OCRs cần loại bỏ tín hiệu hồi tiếp gây ra do có độ cách li thấp giữa các anten thu phát. Nếu độ cách li giữa anten thu phát là thấp, tín hiệu hồi tiếp từ anten máy phát có thể can nhiễu lên tín hiệu thu. Can nhiễu do tín hiệu hồi tiếp từ anten phát đến tín hiệu thu đầu vào của bộ OCR có thể làm suy giảm chất lượng của tín hiệu thu và là nguyên nhân gây dao động công suất khuếch đại của bộ khuyếch đại trong bộ OCR. + Các bộ OCR yêu cầu có chất lượng cao trong phát sóng tín hiệu. Các bộ OCR phải khôi phục hiệu quả tín hiệu bị can nhiễu do tín hiệu phản xạ đa đường giữa máy phát chính và bộ lặp. Nếu không loại bỏ được can nhiễu này, tín hiệu phát lại từ bộ OCR cũng bị can nhiễu và là nguyên nhân gây suy giảm vùng phủ sóng. + Độ trễ thời gian xử lý của các bộ OCR càng nhỏ càng tốt. Nếu độ trễ thời gian xử lý của các bộ OCR lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ sẽ làm suy giảm chất lượng tín hiệu tại đầu vào máy thu. Thời gian trễ lớn nhất cho phép do các bộ OCR gây ra đối với hệ thống SFN thông thường nhỏ hơn hoặc bằng 3/10 thời gian khoảng bảo vệ. Có nhiều loại OCR khác nhau: OCR thông thường và OCR sử dụng bộ cân bằng. Các bộ OCR thông thường Các bộ phát lặp thông thường bao gồm: OCR RF, OCR IF và OCR FIC sử dụng bộ loại bỏ can nhiễu có hồi tiếp (Feed-back Interference Canceller), có cấu trúc tương ứng như trong hình 2a, 2b và 2c. + Bộ OCR RF trong hình 2(a) luôn duy trì đồng bộ giữa tín hiệu thu và phát và thời gian trễ do xử lý là ngắn nhất vào khoảng (0,5~1 µs). Tuy nhiên, do độ cách li thấp giữa tín hiệu thu và phát lại nên không loại bỏ được tín hiệu hồi tiếp, vì vậy bộ OCR RF thường phát với công suất nhỏ. Chất lượng tín hiệu phát lại của bộ OCR RF loại này thường thấp, do không có khả năng loại bỏ can nhiễu đa đường. + Bộ OCR IF trong hình 2(b) là bộ phát lặp xử lý tín hiệu trung tần có cấu trúc đơn giản. Vì vậy thời gian trễ do xử lý tín hiệu thường vào khoảng (1~2 µs). Độ chọn lọc tần số bộ lọc thông dải trung tần của bộ phát lặp OCR IF tốt hơn so với bộ OCR RF. + Hình 2(c) là bộ OCR kiểu số sử dụng bộ lọc can nhiễu FIC. Bộ phát lặp này có thể phát với công suất lớn vì nó có khả năng loại bỏ được tín hiệu hồi tiếp từ anten phát vào anten thu, chất lương tín hiệu phát lại của nó cao hơn so với các bộ phát lặp OCRs tương tự [15]. Tuy nhiên, thời gian trễ do xử lý tín hiệu tương đối lớn so với bộ phát lặp OCRs tương tự và bộ phát lặp này cũng không loại bỏ được tín hiệu phản xạ đa đường, mặc dù nó loại bỏ được tín hiệu hồi tiếp từ an ten phát. Thời gian trễ do xử lý tín hiệu của bộ phát lặp này vào khoảng (10~20µs). Vì bộ phát lặp này có thời gian trễ tương đối lớn, nên không thể sử dụng bộ phát lặp này trong mạng đơn tần SFN theo tiêu chuẩn DVB-T chế độ điều chế phân chia trực giao theo tần số OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) 2K sóng mang. Tuy nhiên, bộ phát lặp này hoàn toàn có thể sử dụng được trong mạng đơn tần SFN theo chuẩn T- DMB kiểu I của Hàn quốc, do thời gian trễ cực đại cho phép của chế độ I theo tiêu chuẩn T-DMB là 246µs, trong khi đó trễ lớn nhất do bộ phát lặp này tương ứng 1/12 khoảng thời gian bảo vệ. Hình 2: Cấu trúc các bộ OCRs; (a) RF OCR; (b) IF OCR; (c) OCR với FIC Bộ phát lặp OCR cân bằng cho hệ thống mạng đơn tần T-DMB Bộ phát lặp OCR cân bằng có cấu hình được vẽ trong hình 3. Bộ phát lặp này khắc phục được những nhược điểm của bộ phát lặp OCR. Cấu trúc bộ OCR này bao gồm một an ten thu, một máy thu, một bộ vi xử lý số, một máy phát và một anten phát. Máy thu bao gồm một bộ chọn lọc tần số, một bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier), một bộ đổi tần xuống và một bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC (Analog to Digital Converter). Bộ vi xử lý số DSP (Digital Signal Processor) bao gồm một bộ ước lượng kênh đảo và một bộ lọc đáp ứng xung phức hữu hạn FIR (Finite Impulse Response). Máy phát bao gồm một bộ chuyển đổi số sang tương tự DAC, một bộ đổi tần lên, một bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và một bộ lọc kênh. Ngoài ra, bộ ước lượng kênh đảo bao gồm một bộ giải điều chế, một bộ ước lượng kênh và một bộ chuyển đổi đảo. Bộ phát lặp OCR cân bằng có các đặc tính sau: + Bộ phát lặp này có thể phát với công suất cao bởi vì nó loại bỏ được can nhiễu pha đinh nhiều đường và thực hiện bù méo tuyến tính giữa máy phát chính và bộ phát lặp. Bộ ước lượng kênh đảo, ước lượng các hệ số nhánh (tap coefficients) của bộ lọc số phức FIR trong miền thời gian và bộ lọc số phức FIR này thực hiện bù can nhiễu kênh thông qua thông tin đã được ước lượng. + Bộ OCR này có thể phát công suất lớn hơn so với các bộ OCRs RF và IF, do nó có khả năng loại bỏ được tín hiệu hồi tiếp gây ra bởi độ không cách li anten phát và anten. Tuy nhiên, việc loại bỏ tín hiệu hồi tiếp có công suất lớn hơn so với tín hiệu thu ở bộ OCR này là không hoàn toàn lý tưởng, cho nên bộ OCR này có công suất phát thấp hơn so với bộ OCR FIC. + Bộ OCR cân bằng có thời gian trễ do xử lý tín hiệu nhỏ vì nó có cấu trúc đơn giản của bộ lọc FIR phức để thực hiện bù kênh thay vì sử dụng bộ cân bằng và giải điều chế FFT, hay bộ điều chế lại IFFT. Trễ do bộ OCR này gây ra có thể điều chỉnh được. Quá trình xử lý tín hiệu số của bộ OCR cân bằng được thực hiện như sau: + Khối giải điều chế: tách sóng các symbol chuẩn pha (PRSs - Phase Reference Symbols) cho quá trình ước lượng kênh và truyền tới bộ ước lượng kênh. Các PRS này là các tín hiệu Pilot dùng để ước lượng kênh truyền được chèn vào cùng một vị trí cứ sau 75 OFDM symbol. Để có thể tách sóng các PRS này, cần thực hiện các quá trình đồng bộ và biến đổi FFT như trong hình 4. Khối đồng bộ bao gồm các khối đồng bộ tinh và thô, đồng bộ khung, đồng bộ symbols. + Khối ước lượng kênh (Hình 5): ước lượng can nhiễu của kênh dựa vào các tín hiệu PRSs, các tín hiệu này được xác định trước giữa máy phát và máy thu. Việc ước lượng kênh được thực hiện bằng cách so sánh các véc tơ tín hiệu Pilot YPRS thu được với véc tơ của tín hiệu Pilot đã được xác định sẵn XPRS trong miền tần số. Hình 3: Bộ phát lặp OCR cân bằng + Khối chuyển đổi đảo: hiện biến đổi hàm đảo của kênh truyền, từ miền tần số sang miền thời gian mà vẫn đảm bảo độ ổn định và tính chất của hàm truyền đạt. Khái niệm về chuyển đổi đảo như trong hình 5. XỬ LÝ TRỄ SỬ DỤNG CÁC BỘ TIẾP HỢP ĐƠN TẦN SFN Dòng dữ liệu ghép kênh TS MPEG-2 nguồn trước khi được phân phối cho các máy phát trong mạng đơn tần được chèn gói thông tin bắt đầu Megaframe MIP (Megaframe Initialization Packet) tại bộ tiếp hợp mạng đơn tần (SFN adapter). Hình 4: Cấu trúc khối giải điều chế của bộ phát lặp OCR Hình 5: Cấu trúc khối ước lượng kênh của bộ phát lặp OCR cân bằng. Việc chèn tín hiệu MIP được thực hiện liên tiếp cứ sau mỗi Megaframe, tương ứng với 500 ms. Cấu trúc của gói MIP được mô tả trong bảng 3. Gói thông tin chèn MIP chứa các thông tin sự sai khác giữa xung chuẩn 1 xung trong một giây 1pps từ vệ tinh (hay còn gọi là nhãn đồng bộ thời gian STS - Synchronization Time Stamp) và thời gian bắt đầu thực tế của một Megaframe. Hình 6: Khái niệm về chuyển đổi đảo MIP cũng chứa giá trị thời gian trễ lớn nhất cho phép (Tương ứng với trường hợp đường truyền xấu nhất) để đồng bộ tất cả máy phát trong mạng đơn tần. Quan hệ giữa 1pps và nhãn thời gian STS như trong hình 7. Bảng 3: Cấu trúc MIP Thông tin gói 32 bits Độ dài Mega-frame 8 bits Nhãn đồng bộ Thời gian trễ lớn thời gian STS nhất cho phép 24 bits 24 bits Để dành byte chèn Tại máy thu tiếp hợp mạng của máy phát trong mạng đơn tần, khi nhận được gói MIP, bộ điều chế số sẽ đo độ lệch hiện tại của nhãn thời gian thu được so với xung 1pps. Tiếp theo, bộ điều chế số đọc thông tin STS và giá trị thời gian trễ cực đại cho phép trong MIP, rồi cộng lại và trừ cho độ lệch hiện tại so với xung 1pps. Giá trị thu được là giá trị trễ thời gian được áp dụng cho tất cả các máy phát trong mạng đơn tần để đồng bộ [16]: STS (Từ MIP) + Trễ cực đại (Từ MIP) = Trễ hiện tại đo được so với 1pps(Từ GPS) + Trễ thêm vào(tính toán) Trễ cục bộ đo được tại các máy phát như trong hình 8. Sai số cực đại về trễ thời gian giữa các máy phát trong mạng đơn tần có thể hiệu chỉnh trong khoảng 1 giây, khoảng thời gian có thể hiệu chỉnh này phụ thuộc vào độ tin cậy của xung chuẩn 1pps từ máy thu GPS. Ngoài ra, các bộ điều chế DVB thường được gắn kèm bộ hiệu chỉnh trễ để đồng bộ chính xác thời gian phát sóng của mỗi máy phát trong mạng đơn tần. Hình 7: Chèn nhãn đồng bộ thời gian STS Hình 8: Đo trễ STS thu được tại máy phát. KẾT LUẬN Bài báo đề cập phân tích cấu hình SFN, một số thông số của những tiêu chuẩn truyền hình số mặt như DVB-T, T-DMB, phân tích cấu trúc các bộ phát lặp sử dụng trong SFN, phương pháp chèn tín hiệu đồng bộ thời gian MIP để đo, hiệu chỉnh trễ cục bộ và đồng bộ các máy phát trong SFN. Dựa trên các thông số kỹ thuật, mô hình SFN và các yếu tố quan trọng đối với SFN đã được phân tích chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mô hình thực tế chi tiết mạng đơn tần SFN, phát sóng thử nghiệm truyền hình số mặt đất quảng bá trên kênh 10 băng tần VHF, theo tiêu chuẩn T-DMB của Hàn quốc cho các thiết bị di động cầm tay, ở Việt Nam trong thời gian tới. Tài liệu tham khảo [1] ETSI Standard: EN 300 744 V1.5.1, “Digital Video Broadcasting (DVB); Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television”, [2] ETSI Standard: TS 102 428 V1.1.1, “Digital Audio Broadcasting (DAB); DMB Video Service; User Application Specification”. [3] J-T. Wang, J. Song, J. Wang, C-Y. Pan, Z-X. Yang, L. Yang, “A General SFN Structure with Transmit Diversity for TDS-OFDM System”, IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 52, No. 2, , pp. 245-251, June,2006. [4] F. Kuchen, T. C. Becker, W. Wiesbeck, “Optimizing the Coverage Area of Single Frequency Networks”, IEEE Conference International Broadcasting Convention, pp. 236 – 241, 12-16 Sep 1996. A. Ligeti và J. Zander, “Minimal Cost Coverage Planning for Single Frequency Networks”, IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 45, No. 1, pp. 78-87, March 1999. [5] CCETT, “Analysis of Interfering Effects in a Single Frequency Network,” CCETT GT V4/RSM 93, Sep. 1989. [6] G. Bumiller, “Influence of Single Frequency Network Transmission on the Physical Layer of a Multi Carrier Modulation System”, International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pp. 80-84, 6-8 April 2005.