DVB-T2 - Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho truyền hình có độ phân giải cao

1. DVB-T2 - Những tiêu chí cơ bản.

Những tiêu chí cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2 có thể tóm tắt như sau:

- DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tương quan giữa các chuẩn trong họ DVB. Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi giữa các tiêu chuẩn DVB phải thuận tiện cao nhất đến mức có thể, ví dụ giữa DVB-S2 (tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2 vẫn lấy) và DVB-T2.

- DVB-T2 phải kế thừa những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn DVB khác. DVB-T2 phải chấp nhận 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốt của DVB-S2, cụ thể:

+ Cấu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dữ liệu trong khung BB (Base Band Frame).

+ Sử dụng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check).

- Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định  và di chuyển được, do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiện đang tồn tại ở mỗi gia đình và sử dụng lại các cơ sở anten phát hiện có.

- Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 phải đạt được dung lượng cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%.

- DVB-T2 phải đạt được hiệu quả cao hơn DVB-T trong mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network)

- DVB-T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ cụ thể. Điều đó có nghĩa là DVB-T2 phải có khả năng đạt được độ tin cậy cao hơn đối với một vài dịch vụ so với các dịch vụ khác.

- DVB-T2 phải có tính linh hoạt đối với băng thông và tần số.

- Nếu có thể, phải giảm tỷ số công suất đỉnh/ công suất trung bình của tín hiệu để giảm thiểu giá thành truyền sóng.

Trên cơ sở những tiêu chí trên, từ tháng 6/2007 đến tháng 3/2008, trên 40 tổ chức đã tập trung nghiên cứu tiêu chuẩn DVB-T2, thông qua nhiều buổi hội thảo, hội nghị qua mạng và Email. Cuối cùng cuối năm 2008, những nội dung cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2 đã được ban hành.

Với những công nghệ sử dụng trong DVB-T2, dung lượng dữ liệu đạt được tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB-T, ngoài ra DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T.

DVB-T2 thậm chí còn đạt được dung lượng cao hơn so với DVB-T trong mạng đơn tần (SFN) với cùng giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ (67%). DVB-T2 còn cho phép sử dụng khoảng bảo vệ lớn hơn 20% so với DVB-T, điều này cũng đồng nghĩa với việc mở rộng vùng phủ sóng của các máy phát trong mạng SFN.

2. Một số nội dung chính trong tiêu chuẩn DVB-T2.

2.1. Mô hình cấu trúc DVB-T2.

Hệ thống DVB-T2 được chia thành 3 khối chính ở phía phát (SS1, SS2, SS3) và 2 khối chính ở phía thu (SS4, SS5) như trình bày trong hình 1.

SS1: Mã hoá và ghép kênh.

Khối SS1 có chức năng mã hoá tín hiệu video/audio cùng các tín hiệu phụ trợ kèm theo như PSI/SI hoặc tín hiệu báo hiệu lớp 2 (L2 Signalling) với công cụ điều khiển chung nhằm đảm bảo tốc độ bit không đổi đối với tất cả các dòng bit. Khối này có chức năng hoàn toàn giống nhau đối với tất cả các tiêu chuẩn của DVB. Đầu ra của khối là dòng truyền tải MPEG-2TS (MPEG - 2 Transport Stream).

SS2: Basic T2 - Gateway

Đầu vào của SS1 được định nghĩa trong [1], đầu ra là dòng T2 - MI. Mỗi gói T2-MI bao gồm Baseband Frame, IQ Vector hoặc thông tin báo hiệu  (LI hoặc SFN). Dòng T2-MI chứa mọi thông tin liên quan đến T2-FRAME. Mỗi dòng T2-MI có thể được cung cấp cho một hoặc một vài bộ điều chế trong hệ thống DVB-T2. Dạng thức giao diện của T2-MI được định nghĩa trong [2].

SS3: Bộ điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Modulator)

Bộ điều chế DVB-T2 sử dụng Baseband Frame và T2- Frame mang trong dòng T2-MI đầu vào để tạo ra DVB-T2 Frame.

SS4: Giải điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Demodulator)

Bộ giải điều chế SS4 nhận tín hiệu cao tần (RF Signal) từ một hoặc nhiều máy phát (SFN Network) và cho một dòng truyền tải (MPEG-TS) duy nhất tại đầu ra.

SS5: Giải mã dòng truyền tải (Stream Decoder)

Bộ giải mã SS5 nhận dòng truyền tải (MPEG-TS) tại đầu vào và cho tín hiệu video/audio tại đầu ra.

2.2. Lớp vật lý DVB-T2.

Mô hình lớp vật lý của DVB-T2 được trình bày trong hình 2. Đầu vào hệ thống có thể bao gồm một hoặc nhiều dòng truyền tải MPEG-TS hoặc dòng GS (Generic Stream).

Đầu vào của lớp vật lý là tín hiệu cao tần RF. Tín hiệu đầu ra cũng có thể được chia thành hai đường để cung cấp cho anten thứ 2, thường là 1 máy phát khác.

Việc xử lý dòng dữ liệu vào và FEC phải được lựa chọn sao cho có khả năng tương thích với cơ chế sử dụng trong DVB-S2. Điều đó có nghĩa, DVB-T2 phải có cùng cấu trúc baseband-frame, baseband-header, gói "0' (Null packet) LDPC/BCH FEC và đồng bộ dòng dữ liệu như DVB-S2.

Các thông số COFDM của DVB-T cũng được mở rộng so với DVB-T, trong đó bao gồm:

- FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K

- Khoảng bảo vệ: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4

- Pilot phân tán : 8 biến thể khác nhau phù hợp với các khoảng bảo vệ khác nhau

- Pilot liên tục: tương tự như DVB-T, tuy nhiên tối ưu hơn

- Tráo: bao gồm tráo bit, tráo tế bào, tráo thời gian và tráo tần số

Việc có một khoảng lựa chọn rộng hơn các thông số COFDM cùng với mã sửa sai mạnh hơn, cho phép DVB-T2 đạt được dung lượng cao hơn DVB-T gần 50% đối với mạng MFN và thậm chí còn lớn hơn đối với mạng SFN.

DVB-T2 còn có một số tính chất mới góp phần cải thiện chất lượng hệ thống.

- Cấu trúc khung (Frame Structure), trong đó có chứa symbol nhận diện đặc biệt được sử dụng để quét kênh (channel scanning) và nhận biết tín hiệu nhanh hơn.

- Chòm sao xoay, nhằm tạo nên tính đa dạng trong điều chế tín hiệu, hỗ trợ việc thu tín hiệu có tỷ lệ mã sửa sai lớn.

- Các giải pháp kỹ thuật đặc biệt nhằm giảm tỷ số giữa mức đỉnh và mức trung bình của tín hiệu phát.

- Tuỳ chọn đối với khả năng mở rộng khung dữ liệu trong tương lai (future extension frame).

2.3. Những giải pháp kỹ thuật cơ bản.

2.3.1. Ống lớp vật lý (Physical Layer Pipes - PLPs).

Đòi hỏi của thị trường đối với độ tin cậy của các dịch vụ và sự cần thiết phải có các loại dòng dữ liệu khác nhau đã dẫn tới khái niệm "ống" lớp vật lý hoàn toàn trong suốt có khả năng truyền tải dữ liệu độc lập với cấu trúc và các thông số PLP khác nhau. Cả dung lượng và độ tin cậy đều có khả năng điều chỉnh cho phù hợp với từng nhà cung cấp nội dung/dịch vụ, tuỳ thuộc vào loại đầu thu, môi trường.

DVB-T2 còn cho phép "gán" các giá trị: đồ thị chòm sao, tỷ lệ mã và tráo thời gian cho từng PLP, ngoài ra còn "dạng thức hoá" nội dung theo cùng một cấu trúc khung "baseband frame" như được áp dụng trong DVB-S2.

Đặc biệt, một nhóm dịch vụ có thể cùng chia sẻ một thông tin chung, ví dụ bảng PSI/SI hoặc CA. Để tránh phải truyền "đúp" các thông tin này đối với từng PLP, DVB-T2 có chứa "PLP chung" được chia sẻ bởi một nhóm PLP. Như vậy, máy thu phải giải mã 2 PLP tại cùng 1 thời điểm khi thu một dịch vụ: PLP dữ liệu và PLP chung đi kèm. Hai mode đầu vào, do đó được định nghĩa: đầu vào mode A sử dụng duy nhất một PLP và đầu vào mode B sử dụng nhiều PLP.

2.3.1.1. Đầu vào mode A.

Đầu vào mode A là mode đơn giản nhất. Ở đây chỉ có duy nhất một PLP được sử dụng, truyền tải duy nhất một dòng dữ liệu. Hệ quả độ tin cậy của các nội dung thông tin giống nhau như đối với DVB-T.

2.3.1.2. Đầu vào mode B.

Đầu vào mode B là mode tiên tiến được sử dụng cho nhiều PLP (hình 4). Ngoài độ tin cậy cao đối với các dịch vụ nhất định, mode B còn cho phép khoảng tráo thời gian dài hơn và tiết kiệm năng lượng hơn đối với đầu thu.

2.3.2. Băng tần phụ (1.7 Mhz và 10 Mhz).

Để đáp ứng các dịch vụ chuyên dụng, ví dụ truyền tín hiệu từ camera về một studio lưu động, DVB-T2 còn bao gồm tuỳ chọn băng tần 10Mhz. Các máy thu dân dụng không hỗ trợ băng tần này. DVB-T2 còn sử dụng cả băng tần 1.712 Mhz cho các dịch vụ thu di động  (trong băng III và băng L)

2.3.3. Các mode sóng mang mở rộng (đối với 8K, 16K, 32K).

Do phần đỉnh xung vuông trong đồ thị phổ công suất suy giảm nhanh hơn đối với kích thước FFT lớn. Điểm ngoài cùng của phổ tín hiệu OFDM có thể trải rộng hơn, điều này cũng đồng nghĩa với việc nhiều sóng mang phụ trên một symbol được sử dụng để truyền tải dữ liệu. Độ lợi (gain) đạt được ở giữa 1.4% (8Kmode) và 2.1% (32Kmode). Hình 5 so sánh phổ của 2K so với 32K ở điều kiện bình thường và 32K trong mode sóng mang mở rộng. Sóng mang mở rộng là 1 đặc tính tuỳ chọn, bởi lẽ với đặc tính này khó có có thể đạt được mặt nạ phổ (spectrum mask) cũng như tỷ số bảo vệ.

2.3.4. MISO dựa trên Alamouti (trên trục tần số).

Do DVB-T hỗ trợ mạng đơn tần (SFN), sự hiện diện của tín hiệu có cường độ mạnh tương tự nhau từ 2 máy phát có thể tạo nên điểm "lõm" (deep notches). Để khắc phục hiện tượng này, máy phát đòi hỏi phải có công suất cao hơn.

DVB-T2 có tuỳ chọn sử dụng kỹ thuật Alamouti: [3] với một cặp máy phát [hình 6]. Alamouti là một ví dụ của MISO (Multiple Input, Single Output), trong đó mỗi điểm của đồ thị chòm sao được truyền bởi một máy, còn máy phát thứ 2 truyền phiên bản có chỉnh sửa một chút của từng cặp của chòm sao với thứ tự ngược lại trên trục tần số.

Kỹ thuật Alamouti cho kết quả tương đương với phương thức thu phân tập trên phương diện đạt được sự kết hợp tối ưu giữa hai tín hiệu, tỷ số tín/tạp cuối cùng, đó là công suất tổng hợp của hai tín hiệu trong không gian.

2.3.5. Symbol khởi đầu (P1 và P2).

Những symbol đầu tiên của khung DVB-T2 ở lớp vật lý là các symbol khởi đầu (preamble symbols). Các symbol này truyền một số lượng hạn chế các thông tin báo hiệu bằng phương thức truyền có độ tin cậy. Khung đầu tiên được bắt đầu bằng symbol P1, điều chế BPSK với độ tin cậy cao. Với khoảng bảo vệ ở cả hai đầu, symbol P1 mang 7 bit thông tin (bao gồm kích thước FFT của symbol dữ liệu). Các symbol P2, số lượng được cố định cho mỗi kích thước FFT, cung cấp thông tin báo hiệu lớp 1 kể cả tĩnh, động và khả năng cấu trúc.

Các bit đầu tiên của thông tin báo hiệu (L1 - Pre-signalling) có phương thức điều chế và mã hoá cố định, các bit còn lại (L1 - Post-signalling) tỷ lệ mã được xác định là 1/2 nhưng phương thức điều chế có thể được lựa chọn giữa QPSK, 16-QAM và 64-QAM. Symbol P2 nói chung, còn chứa dữ liệu PLP chung và/hoặc PLP dữ liệu.

2.3.6. Mẫu hình tín hiệu Pilot (Pilot Pattern).

Pilot phân tán ((Scattered Pilots) được xác định từ trước cả về biên độ và pha, và được "cấy" vào tín hiệu với khoảng cách đều nhau trên cả hai trục thời gian và tần số. Pilot phân tán được sử dụng để đánh giá sự thay đổi trên đường truyền.

Trong khi DVB-T áp dụng mẫu hình tĩnh (static pattern) độc lập với kích thước FFT và khoảng bảo vệ, DVB-T2 tiếp cận một cách linh hoạt hơn, bằng cách định nghĩa 8 mẫu hình khác nhau để có thể lựa chọn, tuỳ thuộc vào kích thước FFT và khoảng bảo vệ đối với mỗi đường truyền riêng biệt.

Pilot phân tán cho phép giảm thiểu độ "vượt mức" (overhead) từ 4  8% khi sử dụng mẫu hình PP3 và khoảng bảo vệ 1/8. Đối với Pilot liên tục, tỷ lệ phần trăm của DVB-T2 phụ thuộc vào kích thước FFT và đạt khoảng từ 0.7  2.5% đối với 8K, 16K và 32K.

2.3.7. Phương thức điều chế 256-QAM.

Trong hệ thống DVB-T, phương thức điều chế cao nhất là 64-QAM cho phép truyền tải 6bit/symbol/sóng mang (có nghĩa là 6bit/tế bào OFDM). Ở DVB-T2, phương thức điều chế 256QAM (hình 8) cho phép tăng lên 8bit/tế bào OFDM, tăng 33% hiệu xuất sử dụng phổ và dung lượng dữ liệu đối với một tỷ lệ mã cho trước. Thông thường, tăng dung lượng dữ liệu thường đòi hỏi một tỷ số công suất sóng mang trên tạp nhiễu cao hơn (4 hoặc 5dB, tuỳ thuộc vào kênh truyền và  tỷ lệ mã sửa sai), bởi lẽ khoảng cách Euclide giữa hai điểm cạnh nhau trên đồ thị chòm sao chỉ bằng khoảng 1/2 so với 64-QAM và do vậy đầu thu sẽ nhậy cảm hơn đối với tạp nhiễu. Tuy nhiên, mã LDPC tốt hơn nhiều so với mã cuốn (Convolution code) và nếu chọn tỷ lệ mã mạnh hơn một chút cho 256QAM so với tỷ lệ mã sử dụng trong 64-QAM của DVB-T, tỷ số công suất sóng mang trên tạp nhiễu C/N sẽ không thay đổi trong khi vẫn đạt được một độ tăng trưởng tốc độ bit đáng kể. 256-QAM do vậy sẽ là một sự lựa chọn đầy hứa hẹn trên thực tế.

2.3.8. Chòm sao xoay (Rotated Constellation).

Một trong số các kỹ thuật mới được sử dụng trong DVB-T2 là chòm sao xoay (Rotated Constellation) và trễ Q (Q-delay). Sau khi đã định vị, chòm sao được "xoay" một góc trên mặt phẳng I-Q như mô tả trên hình 9.

Các thành phần I và Q được tách bởi quá trình tráo sao cho chúng được truyền trên miền tần số và thời gian khác nhau. Nếu có một thành phần bị huỷ hoại trên kênh truyền, thành phần còn lại có thể được sử dụng để tái tạo lại thông tin. Kỹ thuật này tránh được mất mát trên kênh Gauss và tạo được độ lợi 0.7dB trên kênh có phađing. Độ lợi này còn lớn hơn trên kênh 0dB phản xạ (SFN) và kênh xoá (nhiễu đột biến, phađing có chọn lọc) (Hình 10). Điều này cũng đồng nghĩa với việc có thể sử dụng tỷ lệ mã, tốc độ bit cao hơn.

2.3.9. 16K, 32K FFT và tỷ lệ khoảng bảo vệ 1/128.

Tăng kích thước FFT đồng nghĩa với việc làm hẹp khoảng cách giữa các sóng mang và làm tăng chu kỳ symbol. Việc này, một mặt làm tăng can nhiễu giữa các symbol và làm giảm giới hạn tần số cho phép đối với hiệu ứng Doppler. Mặt khác, chu kỳ symbol dài hơn, cũng có nghĩa là tỷ lệ khoảng bảo vệ nhỏ hơn đối với cùng giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ trên trục thời gian. Tỷ lệ khoảng bảo vệ bằng 1/128 trong DVB-T2, cho phép 32K sử dụng khoảng bảo vệ có cùng giá trị tuyệt đối như 8K 1/32 như hình 11.

2.3.10. Mã sửa sai LDPC/BCH.

Trong khi DVB-T sử dụng mã sửa sai trong và ngoài là mã cuốn và mã R-S (Convolutional and Reed-Solomon Codes), DVB-T2 và DVB-S2 sử dụng LDPC/BCH. Các mã này cho phép khả năng bảo vệ tốt hơn, truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng một kênh thông tin.

2.3.11. Tráo bit, tế bào, thời gian và tần số.

Mục đích của tráo là trải nội dung thông tin trên miền thời gian và/hoặc tần số sao cho kể cả nhiễu đột biến lẫn phađing đều không có khả năng xoá đi một chuỗi bit dài của dòng dữ liệu gốc. Tráo còn được thiết kế sao cho các bit thông tin được truyền tải bởi một điểm xác định trên đồ thị chòm sao không tương ứng với chuỗi bit liên tục trong dòng dữ liệu gốc.

2.3.12. Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình (Peak - to - average Power Ratio - PAPR).

PAPR trong hệ thống OFDM cao có thể làm giảm hiệu xuất bộ khuếch đại công suất RF. Cả hai kỹ thuật làm giảm PAPR được sử dụng trong hệ thống DVB-T2: mở rộng chòm sao tích cực (Active Constellation Extension - ACE) và hạn chế âm sắc (Tone Reservation - TR).

Kỹ thuật ACE làm giảm PAPR bằng cách mở rộng các điểm ngoài của đồ thị chòm sao trên miền tần số, còn TR làm giảm PAPR bằng cách trực tiếp loại bỏ các giá trị đỉnh của tín hiệu trên miền thời gian.

Hai kỹ thuật bổ sung cho nhau, ACE hiệu quả hơn TR ở mức điều chế thấp còn TR hiệu quả hơn ACE ở mức điều chế cao. Hai kỹ thuật không loại trừ nhau và có khả năng sử dụng đồng thời. Tuy nhiên ACE không được sử dụng với chuẩn xoay.

3. Kết luận.

Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 (DVB-T2) được công bố tháng 2-2009 (sau DVB-S2 và DVB-C2 cho truyền hình số trên vệ tinh và truyền hình cáp). DVB-T2 sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật mới như: ống vật lý, băng tần phụ, các mode sóng mang mở rộng, MISO dựa trên Alamouti, symbol khởi đầu (P1,P2), mẫu hình tín hiệu Pilot, chòm sao xoay,… mục đích là làm tăng độ tin cậy của kênh truyền và tăng dung lượng bit. Trên thực tế, DVB-T2 có khả năng truyền tải dung lượng bit lớn hơn DVB-T gần 50% đối với mạng MFN và thậm chí cao hơn đối với SFN.

DVB-T2 là hệ thống truyền hình số mặt đất lý tưởng cho truyền hình có độ phân giải cao HDTV (High Defination Televition).

Posted in: Truyền hình