Điều chế/ Giải điều chế số

IV. ĐIỀU CHẾ/ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ: Các phương pháp điều chế số cơ bản:  ASK (Amplitude Shift Keying)/OOK (On-Off- Keying)  FSK (Frequency Shift Keying)  PSK (Phase Shift Keying) 4.1. DVB-C (QAM)  Kênh cáp: tuyến tính hơn kênh vệ tinh, tỉ lệ S/N cao nhưng băng tần hạn chế (78 MHz/ kênh), bị ảnh hưởng nhiễu, echo và sự lặp lại của tín hiệu.  Điều chế mức cao 16 – 32 – 64 QAM (với việc không dùng mã xoắn Viterbi, tốc độ bit hiệu dụng ~ 38Mb/s (64QAM) 4.2. DVB-S (QPSK): + Phi tuyến, băng rộng (36Mhz/ kênh), công suất hạn chế. + QPSK (Q-Quatery/ Quadrarure), đơn sóng mang: Dữ liệu (video/ audio) dưới dạng gói có độ dài cố định trong dòng truyền tải MPEG-2  Phân bố năng lượng  R-S (mã ngoài; sửa sai 1) QAM 16.32.64 Hình 4.1. Tiêu chuẩn DVB-C Các lớp bảo vệ để truyền dữ liệu đi ít có sai lầm. Các bước xử lý tiếp theo: 1. Tạo dòng dữ liệu thành cấu trúc thông dụng với việc cài thêm các bytes đồng bộ 2. Ngẫu nhiên hoá dòng dữ liệu. 3. Cộng mã sửa sai 1: Reed-Solomon vào từng gói dữ liệu (gọi là mã hoá ngoài, giống nhau cho tất cả các hệ thống) (chèn dữ liệu cho từng gói dữ liệu) 4. Chèn mã xoắn Viterbi (mã sửa sai thứ 2) (gọi là mã hoá trong) 5. Điều chế QPSK (pha vuông góc) Phổ tín hiệu SQPSK(f)=4Eb[sinTbf /(Tbf]2 Eb – năng lượng truyền 1 bit tín hiệu số Tb – Thời gian bit; Tb =1/fb + Bộ phát đáp 36MHz: truyền 1 dòng dữ liệu có ích 39Mb/s với mã sửa sai Viterbi tỉ lệ ¾ (thu di động)  Phân bố năng lượng  R-S (sửa sai 1; mã ngoài ) Q P S K Hình 4.2. Tiêu chuẩn DVB-S  Chèn mã Viterbi (sửa sai 2 )mã trong 4.3. DVB-T (OFDM)  Dùng VHF (UHF)  COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing): + Có thể chia dòng truyền bit thành hàng ngàn sóng mang phụ tốc độ thấp trong FDM (ghép kênh theo tần số) Hình 4.3. Tiêu chuẩn DVB-T  Phân bố năng lượng  R-S (sửa sai 1 mã ngoài; ) OFDM 2K/ 8K  Chèn mã Viterbi (sửa sai 2 ) mã trong + 2 Mode: 2K (1705 carriers), trong dải thông 7,61 Mhz và thời gian symbol hiệu dụng Tu=224s); 8K (6817 carriers, trong dải thông 7,61 MHz và Tu=86s). + Mỗi sóng mang được điều chế theo sơ đồ X-QAM (4,16, 32-QAM) + Điều chế COFDM (fading lựa chọn tần số) khi mỗi sóng mang được điều chế ở tốc độ bit trung bình (tốc độ symbol ~ 1 kbaud hoặc 4 kbaud ứng với mode 2K hoặc 8K) và khoảng thời gian rất dài so với thời gian đáp ứng thay đổi kênh. Đo đó mỗi sóng mang phụ chiếm 1 dải tần hẹp, trong đó đáp ứng tần số kênh là phẳng cục bộ Máy phát FEC Máy thu FEC Phân tán năng lượng Mã hóa ngoài (R-S) Chèn ngoài Mã hóa trong (chập) Viterbi Dữ liệu Dữ liệu Hình 4.4 FEC ( Forward error correction, F- sửa lỗi dữ liệu trước khi lỗi xuất hiện) COFDM: Sửa lỗi trong hệ thống truyền hình số (mặt đất và vệ tinh) 1. Phân tán năng lượng: Loại bỏ chuỗi chạy dài long run (0,1) trong tín hiệu như các bytes chèn vào gói 0; Tức tạo chuỗi giả ngẫu nhiên từ dòng bit đến (còn gọi là xáo trộn dữ liệu) bằng đa thức 1+ X14 + X15 (bit thứ 14 và 15 đi vào cổng exclusive OR, sau đó đi ngược đến đầu vào). Đầu ra là chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random binary sequency). Nó được dùng cho máy thu nhằm khôi phục lại dữ liệu gốc. Chú ý có một số dữ liệu không được xáo trộn (byte đồng bộ dòng truyền, các byte đồng bộ gói truyền con) 2. Mã hóa ngoài (R-S): Là mã mức khối (block level code): cộng 16 bytes phụ vào các gói 188 bytes của dòng truyền để tạo ra gói 204 bytes (=16+188). Thuật toán sửa lỗi này đặc trưng bằng 3 thông số: n = 204 – độ dài gói truyền cuối k = 188 – độ dài gói truyền gốc t = 8 – số bytes có thể sửa Ta còn gọi mã R-S bằng R-S (204,188) của DVB- T/S, với ATSC: R-S (207,187). Mã R-S là trường hợp đặc biệt của các mã BCH (Bose – Chandhuri – Hocgenghem) 3. Chèn ngoài (Forney interleaving) Chèn ngoài nhằm trải các lỗi theo thời gian để mã hoá ngoài có hiệu quả hơn. Mã hoá ngoài có thể sửa đến 8 bytes trong 1 dòng truyền. 4. Mã hoá trong (mã hoá chập)- mã hoá Viterbi. Mã hoá trong tại mức bit (còn mã R-S tại mức khối), không phải lưu toàn bộ dữ liệu trong bộ nhớ, do đó hoạt động nhanh: n- số dòng dữ liệu n=2 hoặc 3; được biểu diễn với tỉ lệ ½ hoặc 2/3 4.3.1. OFDM  Kỹ thuật ghép kênh FDM tương tự (Frequency Division Multiplexing): phân chia dữ liệu vào một số kênh, rồi các dữ liệu từ các kênh khác nhau này được điều chế tại nhiều tần số khác nhau: Tín hiệuchính s(t) được phân thành n symbols trên 1 chu kỳ T riêng. Các symbols rộng 2,4,6, bit (song song); s(t)  tín hiệu (từng tín hiệu được điều chế trên tải tần riêng; Rồi được cộng với nhau và biến đổi lên tần số phát sóng).  FDM số (1960, R.W. Chang): FDM tương đương IDFT tại máy phát và DFT tại máy thu. R.W. Chang đưa ra nguyên lý trực giao, cho phép dồn sát các tải lại với nhau (tức là cưc đại hoá độ rộng băng tần) mà không bị can nhiễu giữa các kênh lân cận (ICI) hoặc can nhiễu giữa các symbols (ISI). Phương trình dùng cho DVB-T:               0m 67 0l k kk k,l,mk,l,m )t(j max min 0 )t(CeRe)t(A (4.1) Với       khaùc ,0 e)t( );T.m.68T,lt( T 'k2j k,l,m ss n ss T)1m.68l(tT)m68l(;  (4.2) k- số tải (k=kmin-kmax); l- số symbol OFDM (l=0-67); K – số tải đã phát; Ts- thời gian symbol; Tu-nghịch đảo của không gian tải;  - thời gian của khoảng bảo vệ ; 0- tần số trung tâm của tín hiệu RF/rad k’ – chỉ số tải tương đối so với tần số trung tâm k’=k-(kmax+kmin)/2 Cm,o,k- symbol phức cho tải k của symbol dữ liệu số 1 trong frame m. Cm,l,k- symbol phức cho tải k của symbol dữ liệu số (l+1) trong frame m. l= 0-67, k=kmin-kmax xác định số tải tích cực trong OFDM symbol. Phần thực được sử dụng (phát sóng) + Trực giao: (cos giữa 2 vector bằng 0). Nếu các tín hiệu được biểu diễn bằng các vector, thì tín hiệu này phải vuông góc với từng vector khác. Tính trực giao sẽ đúng nếu các khoảng không gian của tải đúng bằng nghịch đảo chu kỳ thời gian mà chúng được truyền qua đó. fk fk+1 fk+2 1/T Hình 4.4. Không gian tải= 1/T (trường hợp trực giao) + Các khối chức năng FDM số: IFFT  XLPF s1(t) s2(t) sn(t) S1(t) Sn(t) S2(t) (điều chế tải) G(t) RF (Máy phát) Biến đổi lên tần số truyền (s) Tuner Biến đổi xuống A D C Tạo I,Q giải điều chế tải (FFT) FIFO (làm trơn) song song  nối tiếp RF G(t) I Q s(t) (Máy thu) Hình 4.5. Tín hiệu có dạng phức, tuy nhiên chỉ có phần thực là được truyền 4.3.2. Nguyên lý COFDM (truyền tức thời dữ liệu qua phát sóng, có nghĩa là mã hoá ghép kênh theo tần số trực giao) 1. Các yêu cầu: 1. Độ rộng băng tần truyền hình số bằng 6,7,8 MHz 2. Không can nhiễu với phát sóng tương tự 3. BER=10-10 – 10-12 4. Chống phản xạ nhiều đường 5. Cho phép truyền với kênh máy phát tương tự 6. Phủ sóng cục bộ, quốc gia 7. Hoạt động của SFN 8. Hệ thống phân lớp có thể được định dạng lại, có thể cân bằng chống sai pha 2. Cấu trúc OFDM frame:  Cấu trúc cơ sở của 1 tín hiệu COFDM là thay đổi được số tải 1705 (mode 2K) và 6817 (mode 8K). Các tải này chiếm không gian cùng độ rộng băng tần 7,61MHz.  Các tải tần bao gồm: 1. Dữ liệu với một số thay đổi bit tải (2,4,6) 2. TPS (transmission parameter signalling) 3. Pilot (để đồng bộ máy thu) có 2 loại: a. Liên tục: 177 trong 8K; 45 trong 2K (cùng tần số) b. Tán xạ (scattered): 524 trong 8K; 131 trong 2K (cài đặc trưng trong symbol) 3. Khoảng bảo vệ (để đếm echo và phản xạ, để máy thu đồng bộ điểm bắt đầu của 1 symbol): được cộng vào điểm bắt đầu symbol  Dữ liệu có ích Khoảng bảo vệ [b/s]ích höõu lieäu döõ ño Toác B.C.M.NTä  B- Hiệu quả của mã khối R-S (188/204=0,92 C- Tốc độ mã hoá chập (1/2; 2/3; 3/4; 5/6; 7/8) M- Số bit / tải (M=2 cho QPSK; M=4 cho 16-QAM; M=6 cho 64-QAM) N- Số tải dữ liệu đã được sử dụng (1512 cho 2K; 6048 cho 8K) T- Thời gian toàn bộ symbol có chứa khoảng bảo vệ (896 s + 28 s cho 8K với khoảng bảo vệ 1/32; 224 s + 7 s cho 2K với khoảng bảo vệ 1/32) 4. Tải TPS Các tải TPS (Tranmission Parameter signalling) là các tải chứa thông tin hệ thống; có 17 tải TPS/ COFDM symbol (mode 2K) và 68 tải TPS/COFDM symbol (mode 8K). Chỉ có 1 bit thông tin được tải trong mỗi symbol. Tất cả các bit thông tin được tải trong 68 symbols (mode 8k) liên tiếp (gọi là COFDM frame). Hình 4.6 biểu diễn 67 bit truyền/ frame (Trong 37 bit thông tin, hiện nay chỉ dùng 23 bit, còn 14 bit dùng cho dự phòng trong tương lai) Thông tin truyền đến máy thu bằng các tải TPS, gồm: 1. Thông tin ánh xạ chòm sao (loại điều chế) 2. Thông tin phân lớp, 3. Khoảng bảo vệ, 4. Tốc độ mã hoá trong, 5. Mode truyền (2K,8K), 6. Số frame/ siêu frame (0 hoặc 3) 1 16 37 14 Bắt đầu 23 bit thông tin + 14 bit dự phòng Bit đồng bộ Bit bảo vệ lỗi Hình 4.6. Các loại bit truyền TPS Các tải TPS không dùng điều chế thông thường như tải dữ liệu (tải dữ liệu: nhiều phần dùng được cho điều chế, ví dụ QPSK hoặc n-QAM). Các tải TPS chỉ được điều chế vi sai DBPSK. 5. Tải Pilot Khi truyền tín hiệu COFDM có 1 số vấn đề: 1.fading của một số tải nhất định (do biên độ thấp, do echo mạnh gây ra can nhiễu, dẫn đến phá huỷ cấu tạo, ví dụ can nhiễu ISI – intersymbol interference). 2.Can nhiễu cùng kênh CCI (Co channel interference) 3. Nhiễu trắng (ở tất cả các tần số) 4. Can nhiễu kênh kề ACI (adjacent channel interference) khi thu di động 5. Nhiễu pha đối với pha điều chế các symbol (do dao động ngoại sai không chính xác) 6. Dịch Doppler (lỗi dịch tần số khi máy thu di động) Các tải Pilot được dùng để xấp xỉ lỗi biên độ và pha (xấp xỉ méo kênh). Kết quả xấp xỉ kênh dùng để sửa sai số kênh (gọi là cân bằng kênh). Có 2 loại tải Pilot: liên tục (45 hoặc 177) và phân tán (131 hoặc 524). Các tải pilot chỉ tải thông tin về biên độ và vị trí của chúng (không tải thông tin dữ liệu). Pilot liên tục (nằm cùng vị trí trong COFDM symbol) được dùng để tính lỗi pha chung CPE (common phase error). Pilot phân tán được cài vào COFDM symbol với một số cố định các pilot/ symbol (17 trong 2K, 68 trong 8K). Các pilot phân tán kết hợp với pilot liên tục để xấp xỉ méo kênh. 6. Thông số COFDM Có nhiều thông số điều chỉnh được: 1. mode tải 2K, 8K 2. loại điều chế: QPSK, 16-QAM, 64-QAM 3. Khoảng bảo vệ: ¼ ; 1/8; 1/16; 1/64 4. Tỉ lệ mã hoá trong (Viterbi): ½; 2/3; ¾; 5/6; 7/8 5. Các mode phân lớp 6. Lựa chọn độ rộng băng tần truyền (6; 7; 8 MHz) Điều chế số QAM/ QPSK/ COFDM Chèn dữ liệu trong Chèn dữ liệu ngoài l=12 Mã ngoài R-S (204, 188) ●Tương thích ●Phân tán năng lượng Mã Trong (xoắn) Vit- erbi M U X M U X M U X Video Audio Data Program 1 Program 2SI Bộ tương thích đầu ra Bộ tương thích kênh (tối ưu hóa kênh)Hình 4.7 Mã hóa nguồn, Ghép kênh MPEG-TS Sơ đồ cơ bản của các hệ thống truyền dẫn DVB Cao tầnQPSK Bảo vệ lỗi truyền Khối Mã hóa M U X Video code Audio code Data code Giải mã Giải Điều chế Khuếch đại IF chuyển đổi tần số dịch tần dao động Video audio CA Trạm phát lên (up link) Trạm phát xuống Máy thu Hình 4.8 Truyền hình DVB - S 4.4. Máy thu DVB-T: 1. Dòng truyền tải TS (MPEG-TS) bao gồm: a. Tín hiệu video: MPEG-2-4:2:0 MP@ ML b. Tín hiệu audio: MPEG-2 layer II Dòng MPEG-TS có thể thay đổi 531 Mb/s (DVB- T)( còn ATSC không thay đổi) 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 7/8 1/2 .. 7/8 1)4-QAM (QPSK): 2bit/ symbol 2)16-QAM: 4bit/ symbol 3)64- QAM: 6bit/ symbol 4,976 . 8,7 9,9 17,4 14,9 .. 16,1 5,5 .. . 9,6 11,0 19,3 16,5 .. 29,0 5,8 .. 10,2 11,2 20,4 17,5 .. 30,7 6,0 .. 10,5 12,0 21,1 18 .. 31,6 3 trạng thái: Tỉ lệ mã sửa sai Khoảng bảo vệ  1/4 1/8 1/16 1/32 2. Dùng điều chế COFDM (Code Orthogonal Frequency Divission Multiplexing) có 2 chế độ phát trong dải thông 7/8MHz a) Chế độ phát 2K (2000 sóng mang) b) Chế độ phát 8K (8000 sóng mang)  Các sóng mang được tạo bằng phép FFT (chứ không phải hình sin).  Dòng TS được điều biên và điều pha (QAM) với 03 trạng thái: 4- QAM 16- QAM 64- QAM  Dùng 5 giá trị tỉ lệ mã sửa sai: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8  Dùng 04 giá trị khoảng thời gian bảo vệ: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 (Khoảng bảo vệ là khoảng thời gian trống giữa các dòng số tích cực, nhằm khắc phục phản xạ) 3. Tín hiệu truyền đi gồm các frame (khung), mỗi frame chứa 68 symbol OFDM (từ 067) để mang thông tin của máy phát cho máy thu biết: TPS (Transmission Parameter Signalling). 4 frames liên tiếp = supperframe (để chèn đủ số nguyên gói mã sửa sai R-S 204 bytes trong dòng MPEG-2-TS)  TF: chu kỳ frame  TS: chu kỳ symbol= thời gian tích cực Tu+ (khoảng bảo vệ)  Mỗi symbol chứa 1705 sóng mang (2K) và 6817 sóng mang (8K) trong dải thông 8MHz OFDM symbol Subcarrrier (tải con)Đ ộ rộ ng kê nh 8M HZ Thời gian f Hình 4.9. Phân bố tải trong OFDM symbol Các sóng mang: a. Sóng mang Pilot:  Sóng mang pilot: điều chế BPSK, còn các sóng mang chương trình lại điều chế QAM.                                                                 ++ ++Pilot (BPSK) TPS (BPSK) Hình 4.10 Sơ đồ chòm sao 3 loại sóng mang: a) Pilot b) Thông số phát TPS c) Các chương trình DC (data carrier), (không nằm trên trục hoành) Công suất song mang pilot >sóng mang khác là 2,5 dB. Tín hiệu pilot là chuỗi giả ngẫu nhiên PRPS có đa thức sinh (X11+X2+X) và được tạo từ sơ đồ sau: Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit Trễ 1bit 1 1 1 1 1 1 (1 2 3 9 10 11) Hình 4.11. Tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Tín hiệu giả ngẫu nhiên này được điều chế BPSK (có thành phần ảo =0) có thành phần thực: Re=4/3 x 2x(1/2 - wk); wk- chuỗi giả ngẫu nhiên + Số lượng sóng mang pilot liên tục: 177 (8K); 45 (2K), nằm ở vị trí cố định trong từng OFDM symbol. + Số lượng các sóng mang pilot phân tán: 131 (2K); 524 (8K), vị trí không cố định (phân tán, giả ngẫu nhiên)       1w neáu , 4/3 0w neáu , 4/3 R k k e Tính vị trí sóng mang pilot phân tán đối với: OFDM symbol thứ  ( 067): k=Kmin+ 3 ( mod4) +12p k  Kmin  Kmax p - số nguyên dương  067 symbol Do đó máy thu có thể tìm chính xác vị trí sóng mang pilot phân tán ứng với từng frame, từng OFDM symbol b. Sóng mang TPS (điều chế BPSK)  Số lượng sóng mang thông số phát TPS: 17 (2K); 68 (8K)  Vị trí sóng mang TPS cố định  Các thông số của TPS: + Chọn điều chế QAM (4/16/64) + Chế độ điều chế phân cấp (ưu tiên), không phân cấp + Khoảng bảo vệ + Tỉ lệ sửa sai + Chế độ phát 2K/ 8K + Số frame trong 1 supperframe. 1 OFDM frame = 68 OFDM symbol. 4. Máy thu tự động tìm thông số phát:  Quá trình tự động tìm nhờ các pilot.  Nếu tần số sóng mang chính xác, pha đúng, thì máy thu khôi phục được các sóng mang.  Nếu có sai tần số, pha, thì cần có giải pháp tự động đồng bộ với phía phát: a) các pilot (từ phía phát) như là các cột móc cho máy thu. + Lỗi xoay pha (chòm sao bi nhoè) + Lỗi tần số: dịch tần (dao động nội), đồng hồ chuẩn; do nhiễu xuyên sóng mang b) Sóng mang TPS (khi đã xác định được kênh thu, định vị được các sóng mang về tần số và pha) +++ +++ IFFT LọcFIR DAC X F MPEG-2 ST randomisation RS Outer coding (R/S bytes added) Outer interleaving (forney) PRBS 188 188 188 204 204 GI R I Pilots and TPS addition Time shift and combination Guard interval insertion Analogue conversion Filtering Upconversion Transmission Inverse FFT Inner coding Bit and symbol interleaving R I 011001010001` Hình 4.12. Các khối chức năng của DVB-T (COFDM) 4.5. ATSC (Mỹ) Phát sóng trên mặt đất (8-VSB) Dữ liệu Ngẫu nhiên hoá Mã R-S Chèn dữ liệu Mã hoá Trellis M U X gài Pilot Lọc tự động điều chỉnh chất lượng 8-VSB Nângtần số Dữ liệu đồng bộ đoạn Dữ liệu đồng bộ mành Hình 4.13 VSB data frame Đồng bộ mành 1 Đồng bộ mành 2 Data + FEC Data + FEC 828 mẫu 1 đoạn = 77,3 s 242 ms 242 ms 323 đoạn 323 đoạn Hình 4.14 0,315,38 MHz 6 MHz 0,31 pilot 0 0,7 1 Phổ tín hiệu điều chế Hình 4.15