Tải bản đầy đủ
Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO–OFDMtrong truyền hình số mặt đất DVB–T2

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO–OFDMtrong truyền hình số mặt đất DVB–T2

Tải bản đầy đủ

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

Chương 4

Ứng dụng hệ thống MISO–OFDM

trong truyền hình số mặt đất DVB–T2
4.1

Giới thiệu kỹ thuật MISO
Tiêu chuẩn DVB-T2 đã đưa ra tùy chọn cho phép ứng dụng kỹ thuật MISO để

nâng cao hiệu quả truyền dẫn, đặc biệt trong mạng đơn tần SFN. Để hiểu rõ về điều
này, chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình hệ thống MIMO, trong đó MISO là một trường
hợp đặc biệt.
Kỹ thuật MIMO là kỹ thuật truyền dẫn tận dụng phân tập (không gian, thời
gian, mã hóa,…) cho phép nâng cao khả năng sử dụng băng thông và chất lượng tín
hiệu mà không phải tăng công suất máy phát. Việc triển khai nhiều anten phát và
nhiều anten thu trong kỹ thuật MIMO cho phép đạt được tăng ích phân tập
(diversity gain) và tăng ích ghép kênh (multiplex gain).

Hình 4.1: Mô hình một hệ thống MIMO với bốn anten phát (Tx), bốn anten thu
(Rx) và các tín hiệu đi qua một kênh H.
Hình 4.1 biểu diễn một mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO với bốn anten phát
và anten thu (trong trường hợp MISO, tại máy thu sẽ chỉ có một anten). Kênh
truyền dẫn không dây, ký hiệu là H, được mô phỏng bởi một ma trận kênh thể hiện
các méo tín hiệu và những tương quan giữa các anten. Có thể thấy giữa các anten có
57

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

nhiều đường đi tín hiệu khác nhau. Về lý thuyết, các đường đi khác nhau này có thể
được lợi dụng để truyền tải nhiều thông tin hơn hoặc nâng cao độ dự phòng trong
truyền dẫn. Trong thực tế sẽ có nhiễu chéo giữa các tín hiệu đến một anten, do đó
cần tính toán để phân biệt tín hiệu đến từ anten phát nào.
Các hệ thống MISO hay cao hơn là MIMO cung cấp các ưu điểm sau so với các
hệ thống đơn anten:
-

Tăng ích dàn: Do sử dụng nhiều anten, tăng ích dàn tăng làm tăng tỉ số tín
hiệu trên nhiễu, từ đó vùng phủ sóng và cự ly tăng mà không cần tăng công
suất.

-

Tăng ích phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao động ngẫu
nhiên (hoặc yếu dần). Phân tập là một kỹ thuật mạnh để truyền tín hiệu trong
môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời
gian, tần số và không gian để phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát.
Điều này sẽ làm giảm tỉ lệ lỗi bít. Có thể sử dụng phân tập không gian
(anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số. Tuy nhiên phân tập không
gian được ưa thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền
dẫn.

-

Tăng ích ghép kênh không gian: Kênh MISO/MIMO đưa ra một sự tăng
tuyến tính của dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông.
Độ lợi này được thực hiện bằng việc phát các tín hiệu độc lập từ các anten
riêng biệt.

-

Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số
trong kênh không dây.

Nhược điểm của hệ thống MISO:
-

Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu.

-

Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng
tần. Khi đa anten được sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian
của tín hiệu mong muốn và tín hiệu đồng kênh có thể được khai thác để giảm
giao thoa.
58

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

4.1.1 Tăng ích
Trong truyền dẫn không dây, khi sử dụng MIMO hay MISO nói riêng có thể thu
được hai kiểu tăng ích: tăng ích phân tập và tăng ích ghép kênh. Tăng ích phân tập
mang lại một tuyến mạnh nhờ vào việc truyền một tín hiệu trên nhiều kênh với đặc
tính khác nhau. Việc sử dụng các kênh độc lập giúp giảm đáng kể rủi ro tất cả các
kênh bị suy giảm cùng mức. Trong khi đó, tăng ích ghép kênh giúp tăng thông
lượng nhờ vào việc gửi dữ liệu trên nhiều ống dẫn với cùng một băng tần, nâng cao
hiệu năng sử dụng băng thông. Tuy nhiên, có một sự cân bằng giữa việc đạt được
tăng ích phân tập hay tăng ích ghép kênh trong hệ thống MIMO. Phần sau sẽ nói rõ
hơn mối liên hệ của sự cân bằng này.
4.1.2 Tăng ích phân tập
Một hệ thống có thể trở nên bền vững hơn trước ảnh hưởng của các kênh với
fading nhỏ nhờ việc tăng mức độ phân tập trong tín hiệu. Có một số cách để tăng độ
phân tập trong hệ thống truyền hình không dây. Phân tập tần số và phân tập thời
gian có thể được áp dụng cho cả hệ thống SISO và hệ thống đa anten. Riêng phân
tập không gian là chỉ duy nhất ứng dụng được trên truyền dẫn đa anten.
Có hai kiểu phân tập không gian chính: phân tập phát và phân tập thu. Phân tập
phát là tăng ích thu được khi sử dụng nhiều anten ở máy phát. Tương tự, phân tập
thu đạt được khi có nhiều anten ở máy thu. Một hệ thống truyền dẫn với NT anten
phát và NR anten thu có thể đạt được phân tập tối đa bậc NTNR [10]. Bậc phân tập
quyết định số kênh độc lập có thể phân tách được. Tất cả các tuyến cần suy giảm
một cách độc lập để hệ thống có thể đạt được phân tập đầy đủ.
Nếu máy phát biết trước kênh thì nó có thể tối ưu tín hiệu gửi đi dựa trên kỹ
thuật “beam forming” để bù suy hao kênh. Kỹ thuật “beam forming” đòi hỏi cần có
kênh hồi đáp từ trạm để cung cấp cho máy phát thông tin về trạng thái kênh. Các hệ
thống quảng bá vòng mở, chẳng hạn như chuẩn DVB-T2, sẽ không có kênh hồi tiếp,
do đó không thể tối ưu tín hiệu tại máy phát. Thay vào đó máy phát sẽ sử dụng các
phương pháp mã hóa để có lợi cho tất cả các máy thu. Một trong những phương
59

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

pháp mã hóa đó là mã không – thời gian Alamouti. Mã này được sử dụng trong
DVB-T2 và sẽ được mô tả trong phần sau.
4.1.3 Tăng ích ghép kênh
Thay vì tạo ra một tuyến truyền dẫn mạnh hơn, việc ghép kênh sẽ cho phép
truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng một băng tần. Thực chất, tăng ích ghép kênh đạt
được thông qua việc gửi nhiều tín hiệu song song độc lập tới máy phát. Các tín hiệu
này tới máy phát thông qua các kênh không gian khác nhau. Việc tăng dung lượng
này không đòi hỏi tăng công suất phát hoặc tăng băng thông so với truyền dẫn
SISO.
Để máy thu có thể phân tách được các tín hiệu truyền đến, điều cốt yếu là tín
hiệu phải đi trên các đường khác nhau và như vậy sẽ có ký hiệu không gian phân
biệt [3]. Hệ số độ tự do trong hệ thống MIMO là min{NT, NR}, tức là số anten ở
phía có ít anten hơn (phía phát hoặc phía thu).
4.1.4 Cân bằng giữa tăng ích phân tập và tăng ích ghép kênh
Lizhong Zheng và David Tse đã chỉ ra rằng có một sự cân bằng (tradeoff) cơ
bản giữa tăng ích ghép kênh và phân tập đạt được trong một hệ thống MIMO. Cả
hai loại tăng ích có thể đạt được trong một hệ thống nhưng tăng ích ghép kênh cao
sẽ dẫn tới ít phân tập hơn và ngược lại [10].
Hình 4.2 thể hiện một ví dụ cho mối quan hệ giữa tăng ích ghép kênh và lượng
tăng phân tập trong một hệ thống MIMO 2x2. Chữ số đầu tiên trong ngoặc là độ lới
ghép kênh không gian, chữ số thứ hai là tăng ích phân tập [10].

60

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

Hình 4.2: Cân bằng phân tập - ghép kênh
4.1.5 Mã khối không – thời gian Alamouti
Mã khối không – thời gian (STBC) Alamouti là một sơ đồ phân tập phát được
phát triển bởi Siavash Alamouti. Ông đã chỉ ra rằng để đạt được những yêu cầu của
các hệ thống không dây thế hệ tiếp theo theo hướng hiệu quả kinh tế thì cần phải
tăng độ phức tạp của máy phát. Điều này cho phép các thiết bị trạm trở nên nhỏ hơn
và chỉ cần một anten [1].
Trong sơ đồ Alamouti, tín hiệu được xử lý theo các khối và được gửi tới các
anten phát khác nhau. Phương thức truyền của Alamouti là rất hấp dẫn bởi nó đạt
được full-rate trong khi vẫn duy trì được một độ phức tạp tuyến tính cho cả máy
phát và máy thu [1].
Giả sử hệ thống sử dụng điều chế M mức. Trong bộ mã hoá Alamouti, mỗi
nhóm m bit thông tin sẽ được điều chế với m=log2M. Sau đó, encoder sẽ lấy một
61

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

khối gồm hai symbol đã điều chế x1 và x2 và ánh xạ chúng vào anten phát theo ma
trận mã hoá:
𝑋=[

𝑠
𝑠

−𝑠
]
𝑠

Đầu ra encoder được truyền đi trong hai chu kỳ phát liên tiếp từ hai anten phát.
Ở khe thời gian đầu tiên, anten TX1 gửi đi tín hiệu s1 và anten TX2 gửi đi s2. Trong
khe thời gian thứ hai, TX0 gửi –s2* và TX1 gửi s1*. Dấu * ở đây là toán tử liên hợp
phức. Mô hình Alamouti là mô hình truyền tải full-rate bởi chỉ một ký hiệu duy nhất
được truyền đi trong một khe thời gian.

Hình 4.3: Sơ đồ khối của bộ mã hoá không – thời gian Alamouti
Tín hiệu truyền sẽ đi trên hai kênh, h1 và h2, đến máy thu. Hai tín hiệu phải có
hệ số tương quan nhỏ hơn 0.7 và xấp xỉ bằng công suất phát để mô hình đạt được
tăng ích phân tập [1].
Tín hiệu tại anten thu:

(4.1)
Tín hiệu ước lượng của s1 và s2 sẽ được tổng hợp theo không gian-thời gian
từ tín hiệu y1 và y2:

(4.2)

62

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

Tiêu chuẩn DVB-T2 cho phép tuỳ chọn sử dụng một phiên bản khác đôi chút
của mô hình Alamouti. Việc triển khai nó sẽ được nói tới ở chương sau.
4.1.6 Cấu trúc máy thu
Nhiệm vụ của máy thu là phải phân tách được các tín hiệu gửi từ các anten phát
dựa trên dấu hiệu không gian của chúng. Phần này giới thiệu bốn mô hình cấu trúc
máy thu với những đặc điểm và độ phức tạp tính toán khác nhau để có thể giải
tương quan tín hiệu nhận được và tìm ra tín hiệu gốc.
 Máy thu Zero-Forcing
Một máy thu zero-forcing (ZF), hay còn được gọi là bộ giải tương quan tuyến
tính, là một cấu trúc thu đơn giản sử dụng ma trận kênh đã biết trước để ước lượng
tín hiệu gửi đến. Máy thu ZF tính toán tín hiệu ước lượng 𝑠̂ như sau:
𝑠̂ = 𝐻 𝑟

(4.3)

Trong đó 𝐻 được định nghĩa bởi:
𝐻 = (𝐻 𝐻 ) 𝐻

(4.4)

𝐻 là chuyển vị liên hợp phức của H và r là tín hiệu thu được. Nếu H là ma trận
vuông và khả nghịch thì 𝐻 = 𝐻 .
Ưu điểm của máy thu ZF là giúp phân biệt các tín hiệu đã gửi một cách hoàn
hảo. Tuy nhiên, nó cũng làm tăng nhiễu đáng kể ở điều kiện tỉ số SNR thấp và như
vậy, nó chỉ thích hợp cho ứng dụng trong điều kiện SNR cao.
 Máy thu sai số bình phương trung bình tối thiểu MMSE
Máy thu MMSE tiếp cận theo một hướng khác để phân tách các tín hiệu đồng
kênh. Thay vì nâng cao độ hoàn hảo của việc tách tín hiệu, nó sẽ cố gắng để tối
thiểu ảnh hưởng của tạp nhiễu và nhiễu đồng kênh trong tín hiệu thu được. Tín hiệu
ước lượng 𝑠̂ được tính theo biểu thức:
𝑠̂ = (𝐻 𝐻 +∝ 𝐼) 𝐻 𝑟
Trong đó ∝ là độ lệch tiêu chuẩn của nhiễu [6].

63

(4.5)

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

Máy thu MMSE ít nhạy đối với nhiễu nhưng lại làm giảm chất lượng phân tách
tín hiệu. Trong điều kiện SNR cao với ∝ ≈ 0, máy thu MMSE sẽ tương đương với
một máy thu ZF.
 Máy thu V-BLAST
Cấu trúc V-BLAST tăng độ phức tạp tính toán của máy thu so với ZF và MMSE
nhưng mang lại sự cải thiện về khả năng phân tách tín hiệu và chống nhiễu. Máy thu
V-BLAST hoạt động bằng cách lặp đi lặp lại việc lựa chọn tín hiệu mạnh nhất trong
các tín hiệu dò được và loại nó ra khỏi tập các tín hiệu thu, cho đến khi tât cả các tín
hiệu đều được phát hiện thì dừng lại. Khi máy thu đã tách được tất cả các tín hiệu
độc lập, nó có thể xây dựng lại dòng bit đã gửi.
 Máy thu Hợp lệ tối đa ML
Máy thu ML có hiệu năng về tỉ lệ lỗi tốt nhất trong số bốn cấu trúc máy thu,
nhưng đồng thời cũng có độ phức tạp tính toán cao nhất.
Ước lượng hợp lệ tối đa của 𝑠̂ được tính như sau:
𝑠̂ = 𝑎𝑟𝑔𝑚𝑖𝑛‖𝑟 − 𝐻𝑠‖

(4.6)

Máy thu ML tính toán giá trị nhỏ nhất trên tất cả các vector từ mã có thể s, dẫn
tới độ phức tạp tính toán tăng lên rất nhiều khi số lượng anten phát tăng. Hình 4.4
biểu diễn sự gia tăng độ phức tạp tính toán khi sử dụng điều chế mức cao nhất trong
DVB-T2 là 256QAM.

64

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

Hình 4.4 Độ phức tạp tính toán đối với máy thu Maximum Likelihood khi sử dụng
điều chế 256QAM.
4.2

Ứng dụng MISO-OFDM trong DVB-T2
Mô hình hệ thống DVB-T2 nói chung được mô tả trong Hình 4.6. Đầu vào của

hệ thống có thể là một hoặc nhiều luồng truyền tải MPEG-2 (MPEG-2 Transport
Stream) và/hoặc một hay nhiều luồng GS (Generic Stream). Bộ tiền xử lý đầu vào
không được tính là thành phần của hệ DVB-T2; nó có thể là các bộ chia Service
hoặc giải ghép kênh luồng TS để phân các dịch vụ tới từng đầu vào của hệ thống T2
dưới dạng một hoặc nhiều luồng dữ liệu logic. Các luồng này sau đó sẽ được mang
đi trên các tuyến dẫn vật lý PLPs (Physical Layer Pipes) riêng.
Đầu ra hệ thống thông thường là một tín hiệu đơn được truyền trên một kênh
RF. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể tạo ra một bộ tín hiệu đầu ra thứ hai để đưa tới
một hệ anten thứ hai trong mô hình truyền dẫn MISO.
Một tín hiệu T2 có dạng sóng mang theo một profile cụ thể (chẳng hạn T2-base
profile hoặc T2-Lite profile), kể cả các FEF (Future Extension Frame).
65

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

TS/GS
inputs

Tiền xử lý
đầu vào

Xử lý đầu
vào

Xen bit,
Mã hóa

Tạo
Frame

OFDM
generatio
n

Hệ thống T2

Hình 4.5 Mô hình hệ thống DVB – T2
Luồng dữ liệu đầu vào phải chịu một điều kiện ràng buộc là, trong suốt khoảng
thời gian của một khung lớp vật lý (T2-frame), tổng dung lượng đầu vào (được hiểu
là lưu lượng cell sau mã hóa và điều chế) phải không vượt quá dung lượng cho phép
(được hiểu là số cell dữ liệu, không đổi theo thời gian) của khung T2 đối với bộ
thông số khung hiện tại. Tốc độ đầu vào lớn nhất đối với bất cứ luồng TS nào, kể cả
các gói null, là 72Mbit/s. Tốc độ lưu lượng ra lớn nhất đạt được sau khi bỏ các gói
null là khoảng 50 Mbit/s (trong một kênh 8MHz) [8]. Tốc độ này đã được thay đổi
đối với profile T2-Lite.

66

Chương 4 Ứng dụng hệ thống MISO-OFDM trong truyền hình sốmaặt đất DVB-T2

67