Mở đầu Hai phương án có thể dùng để thiết lập mạng truyền hình số, đó là mạng đơn tần (Single Frequency Network: SFN) và mạng đa tần (Multi Frequency Network: MFN). Mạng đơn tần Mạng đa tần - Các máy phát hoạt động ở - Các máy phát hoạt động ở các tần cùng một tần số. số khác nhau. - Tiết kiệm dải tần quốc gia.
- Lãng phí dải tần quốc gia. - Có thể dùng cho thu di động. - Không thể dùng cho thu di động. Một trong những khả năng nổi bật của truyền hình kĩ thuật số và đặc biệt nhờ vào phương pháp điều chế OFDM mà chúng ta có thể xây dựng mạng truyền hình số với các tính năng ưu việt là mạng đơn tần (SFN).1 Thế nào là mạng đơn tần Một vài máy phát có thể hoạt động trên cùng một kênh tần số vô tuyến, đây là một ưu điểm lớn do tín hiệu được điều chế COFDM mang lại.
Một hệ thống đa sóng mang OFDM có thể chống lại tốt các tín hiệu trễ cho dù chúng có đặc trưng động hay tĩnh. Bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ giữa các symbol liền kề cho nên chúng trở nên dài hơn, quá trình này làm giảm tốc độ bít dữ liệu điều chế trên mỗi sóng mang phụ nhưng lại khắc phục được nhiễu đa đường. Thông 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thường, các tia phản xạ trong thành phố thường nằm trong khoảng một vài micrô giây trong khi ở các vùng nông thôn và miền núi nó có thể lên tới hàng chục micrô giây, vì thế các khoảng thời gian bảo vệ dài hơn được áp dụng. Mạng đơn tần Single Frequency Network hoạt động dựa trên các máy phát đồng kênh.
Các máy phát này phát cùng một tín hiệu tại bất kỳ thời điểm nào và tới bất kỳ điểm nào trong vùng dịch vụ như hình vẽ 2.1 Các máy phát trong mạng đơn tần Có 3 luật lệ "vàng" đối với mạng đơn tần: Mỗi máy phát trong mạng đơn tần sẽ phát: Cùng một tần số Tại cùng một thời điểm Lượng thông tin phát đi giống nhau. Nếu mỗi máy phát tuân theo quy tắc này, thì mỗi bộ giải điều chế sẽ thu các tín hiệu giống nhau nhưng có độ trễ khác nhau và không lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ và khi đó thì công suất thu ở mỗi máy thu được cộng lên một đại lượng gọi là độ lợi của mạng. Độ lợi của mạng phụ thuộc vào nhà điều hành mạng và nó được tăng lên theo vùng phổ tần số sử dụng. Để mạng đơn tần hoạt 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com động phải cần tới một sự đồng bộ hoá nghiêm ngặt cả về miền thời gian lẫn miền tần số.
Những luật lệ trên đã tạo nên những yêu cầu cho mạng đơn tần cơ sở, vì nó có ảnh hưởng trực tiếp trong quá trình thiết kế mạng phát hình: đó là yêu cầu phải đồng bộ các máy phát cả về mặt thời gian lẫn tần số.2 Yêu cầu trong miền tần số của SFN Thực ra thì mỗi máy phát trong mạng SFN cũng sẽ được quản lý và điều khiển chính xác về mặt tần số làm việc như trong các mạng tần số thông thường. Nhưng với hoạt động của mạng SFN dùng điều chế OFDM thì sự ổn định cũng như tính chính xác của tần số làm việc phải đảm bảo sao cho mỗi sóng mang phụ có một vị trí tuyệt đối trong "không gian" mà băng tần đã từng sử dụng. Trong miền tần số thì tần số thực của mỗi sóng mang phụ sẽ phải giống nhau và đều do các máy phát tạo ra, điều này có nghĩa là cần phải có sự quản lý chặt chẽ trong việc đổi tần lên tín hiệu OFDM (tần số trung tâm của kênh vô tuyến) cũng như việc xử lý các xung đồng hồ của bộ điều chế OFDM. Bộ điều chế xây dựng trên các bộ xử lý số, sử dụng phép biến đổi IFFT, khoảng cách giữa các sóng mang chính xác có được từ việc xử lý số các xung đồng hồ chuẩn.
Độ chính xác này khác nhau tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa các sóng mang khoảng ~1KHz hoặc ~4 KHz tương ứng với mode 2K hoặc 8K. Đặc biệt khả năng chống nhiễu xen vào kênh trong quá trình lan truyền do máy thu chuyển động trong khi thu (hiệu ứng Dopler). Trong thực tế, độ chính xác của tần số máy phát trong khoảng một vài Hz, với máy thu thông thường có sai số do hiệu ứng Doppler là một vài chục Hz. Việc đồng bộ cho máy phát dựa vào tần số chuẩn lấy từ các máy thu GPS được sử dụng để đồng bộ mạng SFN, như thấy trên hình vẽ 2.
11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TX1 TX2 GPS GPS 10 MHz 10 MHz (10-9) (10-9) SIGNAL COFDM UP SIGNAL UP COFDM to PROCESSOR CONVERTER PA COFDM PA CONVERTER to PROCESSOR BROADCAST BROADCAST RECEIVER F0 in few Hz TX1 frequency TX2 frequency Hình vẽ 2.2 Đồng bộ trong miền tần số 2.3 Yêu cầu trong miền thời gian của SFN [3] Trong miền thời gian, sự phân bố thời gian trễ của mạng sẽ được cân bằng từ nguồn tới tất cả các anten máy phát cho nên nó sẽ bức xạ các bit thông tin giống nhau tại cùng một thời điểm. Sự trễ trong các mạng phân bố sơ cấp là do nhiều nguyên nhân: trễ do các tuyến liên kết có thể thay đổi (các tuyến viba, các đường thuê riêng hoặc tuyến vệ tinh), quá trình xử lý tại các bộ điều chế …Dù sao đi nữa thì độ trễ tại mỗi nhánh của mạng cũng sẽ được cân bằng để đảm bảo các symbol OFDM sẽ được bức xạ chính xác tại mỗi anten của các máy phát trong mạng tại cùng một thời điểm. Giá trị khoảng bảo vệ được chọn sẽ là điểm chính trong cấu hình mạng SFN vì khoảng bảo vệ sẽ phản ánh trễ phản xạ lớn nhất mà hệ thống có thể chấp nhận được và nó cũng phản ánh khoảng cách lớn nhất giữa hai máy phát trong mạng. Yêu cầu về mặt thời gian chính là một thách thức lớn nhất, vì nó đòi hỏi mỗi máy phát phải phát cùng một symbol tại cùng một thời điểm, nên tất yếu dẫn đến đồng bộ về thời gian.
Việc đồng bộ này sẽ đảm bảo sao cho các trễ (tự nhiên hay nhân tạo) đều nằm trong phạm vi của khoảng bảo vệ như ta thấy minh họa trên hình vẽ 2. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TX1 TX2 GPS GPS 1 pps 1 pps PRIMARY COFDM COFDM PRIMARY DISTRIBUTION NETWORK PROCESSOR PA COFDM PA PROCESSOR DISTRIBUTION NETWORK RECEIVER Delivery Time in few s TX1 Time TX2 Time Hình vẽ 2.3 Đồng bộ trong miền thời gian Cửa sổ thời gian sẽ cho phép loại bỏ khoảng bảo vệ trong lúc lấy mẫu tín hiệu tại máy thu. Vì thế khoảng bảo vệ phải được bố trí như là một "quĩ thời gian": nó sẽ được dùng trong không gian nhưng không sử dụng để bù lỗi đồng bộ thời gian của các máy phát. Độ chính xác trong miền thời gian phụ thuộc vào khoảng cách giữa các máy máy phát trong mạng và khoảng thời gian bảo vệ được thiết lập trong mạng, nó liên quan đến việc chống lại các tia phản xạ và hiệu ứng đa đường.
- Trong mode 2K khoảng thời gian bảo vệ là: 7s / 14s / 28s / 56 s. Các giá trị này tương ứng với khoảng cách giữa các máy phát là: 2,1km / 4,2km / 8,4km / 16,8 km. - Trong mode 8K khoảng thời gian bảo vệ là: 28s / 56s / 112s / 224 s. Các giá trị này tương ứng với khoảng cách giữa các máy phát là: 8,4km / 16,8km / 33,6km / 67,2km.
Trong thực tế khoảng cách giữa các máy phát có thể lên tới 1,5 đến hai lần các khoảng cách ghi trên. Một máy thu đặt trong vùng phủ sóng của một máy 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phát cục bộ khi đó nó thu được tín hiệu từ máy phát này và các máy phát xung quanh trong khi khoảng thời gian trễ của các symbol OFDM phải nằm trong khoảng thời gian bảo vệ. Trong mode 8k khoảng thời gian bảo vệ có thể tăng lên bốn lần mà không làm giảm tốc độ bít. Khoảng thời gian bảo vệ: 1/32, 1/16, 1/8, 1/4 tương ứng với việc làm giảm đi 3,1%, 6,2%, 12,5%, 25% tốc độ bít truyền dẫn.
Để tốc độ bít cực đại thì khoảng thời gian bảo vệ phải giảm thiểu có thể. Với chế độ 2K thì thời gian bảo vệ nhỏ hơn dẫn tới khoảng cách giữa các máy phát ngắn hơn, điều này dẫn tới việc tăng số máy phát trong cùng diện tích phủ sóng so với các máy hoạt động ở chế độ 8k. Tuy nhiên về mặt công suất phát thì các máy hoạt động ở chế độ 8k trong mạng phải đủ lớn. Trong thực tế thì mạng đơn tần hoạt động ở mode 2k thường được quy hoạch trong một thành phố phục vụ cho việc thu di động.4 Thực hiện đồng bộ hoá mạng đơn tần.
Phát dòng truyền tải đa chương trình MPEG-TS có cùng nội dung, cùng vận tốc bit và cùng một thời điểm là một điều kiện khắt khe của mạng đơn tần. Vấn đề kỹ thuật giải quyết cho tất cả các máy phát phải phát cùng thời điểm không quá khó khăn. Để đồng bộ về tần số: hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cung cấp tần số 10MHz chính xác cho bộ exciter của tất cả các máy phát số trong mạng đơn tần đồng bộ với nhau. Để đồng bộ về thời gian của dòng chương trình, khối SFN trích gói MIP (Mega-frame Initialisation Packet) từ dòng MPEG-TS, xử lý nhãn thời gian chứa trong gói này, làm trễ sao cho các máy phát được đồng bộ về thời gian.
Tín hiệu 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1pps từ hệ thống định vị toàn cầu GPS được sử dụng như tín hiệu tham chiếu và độ trễ cực đại có thể lên đến 1 giây. Tóm lại, các nhà điều hành mạng sử dụng đồng hồ tham chiếu lấy từ GPS với xung chuẩn 1pps. Xung chuẩn này cho phép chèn thêm nhãn thời gian tại lúc ghép kênh, giúp cho tại mỗi máy phát bộ xử lý COFDM có thể gây trễ ghép kênh đầu vào cho đến khi có sự ổn định thời gian chung.5 Lợi ích cơ bản của mạng đơn tần - Mạng phát số không chiếm nhiều kênh sóng, tiết kiệm tài nguyên tần số nghĩa là SFN tạo ra hiệu quả lớn về phổ. - Hoạt động tốt nhất với mạng có dày đặc các máy phát công suất thấp nghĩa là SFN tận dụng tốt hiệu quả về công suất.
- Do có nhiều máy phát phát cùng một tần số, nên trong điều kiện nhất định sẽ làm tăng thêm cường độ trường cho khu vực thu, lợi ích gần như “phân tập không gian”.