DVB-S2 là thế hệ truyền dẫn thứ hai cho phát quảng bá vệ tinh. Sự ra
đời của DVB-S2 là một bước đột phá về công nghệ so với thế hệ thứ nhất
DVB-S bởi những cải tiến trong mã sửa sai mới (BCH & LPDC) và kết
hợp với các kiểu điều chế và mã hoá cấp cao. Ứng dụng công nghệ DVB-S2
sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất sử dụng băng thông trong truyền dẫn vệ
tinh: từ 30% đến 131% so với DVB-S đồng thời giảm giá thành thuê
transponder vệ tinh.
Bài viết này giới thiệu về công nghệ DVB-S2, điểm khác biệt giữa hai hệ
thống DVB-S2 và DVB-S, tại sao nên sử dụng DVB-S2, mã sửa sai BCH &
LDPC, điều chế và mã hoá cấp cao ( VCM & ACM) đồng thời phân tích
hiệu quả của công nghệ DVB-S2 so với công nghệ DVB-S hiện tại.
1. Giới thiệu.
Kỷ nguyên truyền dẫn thông tin bằng vệ tinh thực sự có hiệu quả vào
những năm 80. Khi đó, truyền dẫn qua vệ tinh đã tiết kiệm băng thông và
giá thành khi sử dụng các kiểu điều chế QPSK và BPSK. Những năm 90, công
nghệ phát quảng bá qua vệ tinh đã phát triển rộng rãi sau khi ETSI công
bố chuẩn DVB-S đầu tiên, kết hợp điều chế QPSK với mã sửa lỗi hướng
truyền trong và ngoài (Viterbi và Reed-Solomon).
Cuộc cách mạng về mã sửa lỗi kết hợp với các cấu hình điều chế mới
và một loạt các đặc tính mới là nền tảng làm nên tiêu chuẩn DVB-S2. Đây
là tiêu chuẩn mới nhất trong các tiêu chuẩn của ETSI về truyền dẫn thông
tin vệ tinh. Kiểu điều chế này cũng đã khép lại con đường tiệm cận giới
hạn về mặt lý thuyết (giới hạn shannon).
DVB-S2 với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với
DVB-S đang được kỳ vọng sẽ đem lại hiệu quả to lớn khi được ứng dụng,
với khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều dịch vụ có tốc độ lớn như truyền
hình có độ phân giải cao HDTV, Internet tốc độ cao, truyền số liệu và
các ứng dụng chuyên nghiệp… trên cùng một bộ phát đáp của vệ tinh mà hệ
thống DVB-S trước đó khó có thể thực hiện được.
2. Công nghệ DVB-S2.
Nhìn thoáng qua (Hình 1) thì tiêu chuẩn DVB-S2 (ETSI TR 102 376) có
ít sự thay đổi đáng kể nào khi so sánh với tiêu chuẩn DVB-S (EN-301210
và EN-300421): Mã sửa sai trong Viterbi và ngoài Reed-Solomon được thay
thế bằng mã sửa sai LDPC (Low-Density Parity Check) và BCH
(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) tương ứng.
Ngoài ra, điều chế phức tạp hơn và số lượng bit hữu ích / hertz tăng
lên. Tiêu chuẩn mới cung cấp các kiểu điều chế QPSK (2 bit/hz), 8PSK (3
bit/Hz), 16APSK (4 bit/Hz) và thậm chí là 32APSK (5 bit/Hz). So sánh
với kiểu điều chế QAM, các cấu hình điều chế APSK (Amplitude and
Phase-Shift Keying ) cho phép việc bù dễ dàng với bộ phát
đáp-transponder phi tuyến.
Sự khác nhau chính và cũng là hiệu quả của DVB-S2 khi so sánh với
DVB-S là khả năng kết hợp các dòng dữ liệu vào một sóng mang, điều chế,
mã hoá thay đổi và tương thích (VCM và ACM) và cấp bên trong dòng dữ
liệu không phải MPEG (non-MPEG2).
Sự kết hợp các dòng dữ liệu khác nhau sẽ làm tăng số lượng tín hiệu
truyền tải trên một sóng mang. Trong thực tế, điều này có thể xem như
việc sử dụng bộ ghép kênh (MUX), nhưng lại không phải chịu những bất lợi
từ việc định lại tham chiếu thời gian chương trình PCR và sự thay đổi
thông tin dịch vụ - thông tin đặc trưng chương trình (SI-PSI).
Chức năng điều chế và mã hoá thay đổi -VCM (Variable Coding and
Modulation) cho phép xác định một cấu hình điều chế khác nhau và mức sửa
lỗi cho mỗi dòng dữ liệu trên cùng một sóng mang.
Chức năng điều chế và mã hoá tương thích - ACM (Adaptive Coding and
Modulation) cho phép thay đổi động cấu hình điều chế và mức bảo vệ lỗi
cho mỗi khung dữ liệu. Khi kết hợp các dòng dữ liệu với các đầu cuối thu
có cơ cấu hồi tiếp, tính năng ACM đặc biệt thích hợp cho việc tối ưu
băng thông cho một mạng tương tác: Các thông số truyền dẫn có thể được
tối ưu cho mỗi bộ đầu cuối và các ảnh hưởng do thời tiết như là fading
do mưa có thể được bù dễ dàng và an toàn.
DVB-S2 được ví như là một bộ công cụ cho các dịch vụ tương tác: Điều
chế và mã hoá cao cấp, truyền tải bất kì dạng (format) dữ liệu nào. Mục
tiêu của bộ công cụ DVB-S2 là một hệ thống đơn phục vụ cho các ứng dụng
khác nhau.
2.1. Điều chế và mã sửa sai cao cấp.
a. Điều chế: Có 4 kiểu điều
chế QPSK, 8PSK, 16APSK và 32APSK (Hình 2). Tất cả đã được tối ưu để hoạt
động với các transponder phi tuyến. Bộ điều chế sử dụng bộ lọc băng gốc
(B.B filter) và điều chế vuông góc (Quadrature Modulation) tạo ra các
dạng phổ tín hiệu và tín hiệu cao tần RF. Đây là bộ lọc dạng cosin tăng
có 3 dạng phổ ứng với 3 hệ số roll-off (α): 0,20; 0,25 và 0,35. Giảm hệ
số α sẽ làm tăng độ suy giảm bên ngoài kênh phi tuyến (do nhiễu ISI tăng
lên), phổ tín hiệu ra sẽ “vuông” hơn.
b. Mã sửa sai cao cấp: DVB-S2 sử dụng phương pháp mã hoá khối BCH và LDPC.
- Kích thước khối mã hoá: 64800 bit (hoặc 16200).
- Tỷ lệ mã sửa sai: 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10.
c. Quá trình tạo khung (Frame):
Truyền dẫn tín hiệu được tổ chức thành các khung nối tiếp nhau. Có
thể hình dung các khung này như những toa tầu chở hàng nối đuôi nhau,
Trên mỗi khung (toa tầu) gồm phần mào đầu-Header (H), trong mỗi Header
chứa các bit đồng bộ và báo hiệu (điều chế, mã hoá...) và khối mã hoá
mang thông tin (Code block). Với ACM quá trình bảo vệ có thể thay đổi
từng khung một (16APSK, 8PSK, QPSK2/3…) tuỳ theo điều kiện truyền dẫn
(trời nắng, có mây mù hay mưa…).
2.2. DVB-S2 truyền tải bất cứ định dạng dữ liệu nào.
- DVB-S2 có thể tiếp nhận dòng truyền tải đơn chương trình hoặc đa
chương trình, dạng MPEG-TS hay dạng generic (ví dụ như IP...).
- DVB-S2 tương thích tốt với các loại mã hoá MPEG-2, HDTV cũng như các hệ thống mã hoá mới (như H.264AVC, VC1…).
- Mỗi dòng tín hiệu đầu vào có thể được bảo vệ bằng các cách khác nhau.
Khi qua hệ thống truyền dẫn DVB-S2, tín hiệu sau giải mã đúng như ban
đầu.
3. Tại sao nên sử dụng DVB-S2?
Sử dụng tiêu chuẩn DVB-S2 hiện là hướng đi hoàn thiện trong thực tế.
Hoàn thiện ở đây muốn nói đến sự tiết kiệm đáng kể về dải thông, tăng
hiệu quả công suất của quá trình truyền dẫn, được thiết kế với các tính
năng tối ưu và yêu cầu tỷ số C/N thấp khi thu.
3.1. Tăng dung lượng truyền dẫn trên cùng một băng thông.
So sánh với tiêu chuẩn DVB-S trước đây với cùng điều kiện truyền
dẫn: DVB-S2 có khả năng truyền dữ liệu lớn hơn tới 30% so với DVB-S
trong cùng điều kiện băng thông [1]. Hay nói cách khác một tín hiệu
truyền dẫn theo tiêu chuẩn DVB-S2 yêu cầu băng thông ít hơn 30% so với
khi sử dụng tiêu chuẩn DVB-S. Đặc biệt khi ứng dụng điều chế, mã hoá VCM
và ACM hiệu suất sử dụng băng thông tăng tương ứng 66% và 131% [4].
Điều này có nghĩa là giá thành thuê transponder sẽ thấp hơn.
3.2. Tăng hiệu quả công suất của quá trình truyền dẫn.
Sử dụng DVB-S2 còn làm tăng hiệu quả công suất của quá trình truyền
dẫn. Trong vùng phủ sóng, một tín hiệu DVB-S2 yêu cầu thu được ở mức
thấp hơn khoảng 2.5 dB so với một tín hiệu DVB-S trong cùng điều kiện
bảo vệ lỗi. Ngoài ra, DVB-S2 còn có thể tương thích được bất kì đặc tính
transponder vệ tinh với sự khác nhau lớn của các tần số phổ (từ 0.5 đến
4.5 bit/s trên một đơn vị băng thông) và yêu cầu về tỷ số C/N kết hợp
(từ -2dB đến +16dB).
Khi DVB-S2 được ứng dụng với các ứng dụng điểm-điểm như IP
unicasting, gain của tín hiệu DVB-S2 còn lớn hơn DVB-S. Chức năng điều
chế và mã hoá thay đổi (VCM) cho phép thực hiện điều chế và mức bảo vệ
lỗi khác nhau để sử dụng hoặc thay đổi trên cơ sở từng frame một. Chức
năng này còn có thể kết hợp với việc sử dụng kênh đường về (return
channel) để đạt được điều chế mã hoá tương thích khoá vòng
(closed-loop).
Vì vậy các thông số truyền dẫn được tối ưu cho mỗi thuê bao riêng biệt phụ thuộc vào điều kiện đường truyền.
ACM cho phép sử dụng lại từ 4 đến 8 dB phần công suất thường dùng để
dự phòng cho suy hao do mưa (clear sky margins) trong các truyền dẫn
thông tin vệ tinh thông thường DVB-S. Do đó vùng phủ sóng vệ tinh tăng
gấp 2 hoặc 3 lần dẫn tới giá thành dịch vụ giảm đột ngột.
3.3. DVB-S2 được thiết kế với các tính năng tối ưu.
DVB-S2 đã được tối ưu cho các ứng dụng vệ tinh băng rộng như:
- Các dịch vụ quảng bá: Truyền dẫn các chương trình SDTV hoặc HDTV.
- Các dịch vụ tương tác bao gồm cả truy nhập internet.
- Các ứng dụng chuyên nghiệp: phân phối tín hiệu truyền hình số tới các
trạm phát hình số mặt đất, truyền số liệu và các ứng dụng chuyên nghiệp
khác (DSNG, Internet Truncking, Cable Feeds…).
DVB-S2 không bị hạn chế với kiểu mã hoá video và audio MPEG-2 mà có
thể tương thích với các kiểu mã hoá MPEG-2, MPEG-4 và HDTV. Tiêu chuẩn
này cũng mềm dẻo hơn khi chấp nhận bất kì dạng đầu vào, bao gồm dòng bit
liên tục, dòng truyền tải MPEG đơn hoặc đa chương trình, IP hay ATM.
Đặc tính này cho phép các dòng dữ liệu khác và các cấu hình dữ liệu
trong tương lai có thể sử dụng được với DVB-S2 mà không cần tới một tiêu
chuẩn mới.
3.4. Yêu cầu về tỷ số C/N thấp.
Các mode truyền dẫn của DVB-S2 đòi hỏi tỷ số C/N khi thu thấp. Kết
quả đạt được bởi mô phỏng máy tính trên kênh nhiễu trắng (Hình 4).
Mối liên hệ giữa dung lượng kênh và băng thông của các kênh nhiễu
trắng được xác định bởi công thức nổi tiếng do Shannon tìm ra, đó là:
C = W log2(1 + P/N)
Se = C/W
Trong đó:
Se : Hiệu quả phổ (bit/s/Hz).
C : là dung lượng kênh (bit/giây).
W: là băng thông của kênh (Hz).
P : là công suất máy phát (w).
N: là công suất nhiễu (w).
So sánh DVB-S2 với DVB-S chúng ta có thể thấy độ lợi (gain) dung
lượng tốc độ bit của tín hiệu DVB-S2 đạt tới 25-35 % so với DVB-S (cùng
tỷ số C/N và tốc độ symbol) tuỳ thuộc vào mode truyền dẫn và ứng dụng.
DVB-S2 có tính linh hoạt rất lớn, nó có thể tương thích với bất kì đặc
tính của transponder nào: Hiệu suất phổ có thể đạt từ 0.5 đến 4.5
bit/s/Hz, C/N trong khoảng từ -2 đến +16 dB trong môi trường có nhiễu
trắng.
Nhìn trên hình 4, chúng ta thấy DVB-S2 chỉ còn cách đường giới hạn
Shannon từ 0.7 đên 1 dB, điều này có nghĩa rằng với DVB-S2“Từ nay về
sau, chúng ta sẽ không bao giờ phải thiết kế một hệ thống khác cho phát
quảng bá vệ tinh” [2].
4. Mã sửa sai BCH & LDPC.
Mã sửa sai kiểm tra độ ưu tiên cường độ thấp LDPC (low-density
parity check code) là một lớp các mã khối tuyến tính tương ứng là một ma
trận kiểm tra độ ưu tiên H. Ma trận H chỉ gồm các số 0 và 1 nằm rải
rác. Điều đó có nghĩa rằng cường độ của các số 1 trong ma trận này rất
thấp. Việc mã hoá được thực hiện bằng các phương trình biến đổi từ ma
trận H để tạo ra các bit kiểm tra độ ưu tiên. Việc giải mã được thiết
lập bằng cách sử dụng “các đầu vào mềm” (soft-inputs) kết hợp với các
phương trình này để tạo ra các ước lượng mới cho các giá trị thông tin
đã được gửi. Mã LDPC có thể loại trừ được các tầng lỗi. Để xác định được
tầng lỗi, một mã phía ngoài (mã ngoại) được thêm vào trong công nghệ
LDPC, đó là mã BCH. Mã ngoại BCH có hiệu quả với tầng lỗi thấp. Vì vậy,
tổ chức DVB đã chọn phương pháp mã ngoại BCH và mã nội LDPC là mã sửa
sai của tiêu chuẩn DVB-S2.
5. Điều chế và mã hoá thay đổi VCM.
Một đặc tính nổi bật của công nghệ DVB-S2 là các dịch vụ khác nhau
có thể phát trên cùng một sóng mang. Mỗi dịch vụ vẫn giữ cấu hình điều
chế và tỷ lệ mã sửa sai riêng. Đây là một kiểu ghép kênh trên lớp vật lý
được gọi là điều chế và mã hoá thay đổi – VCM (Variable Coding and
Modulation). VCM thực sự phát huy hiệu quả khi các dịch vụ khác nhau
không cần tỷ lệ mã sửa sai giống nhau (chẳng hạn có thể chấp nhận mất
một kênh thứ hai trong trường hợp fading do mưa) hoặc các dịch vụ khác
nhau được chỉ định cho các trạm khác nhau trong những điều kiện thu
thông thường khác nhau.
6. Điều chế và mã hoá tương thích ACM.
Hiện nay các dịch vụ DVB IP/Unicast cung cấp bởi vệ tinh sử dụng
tiêu chuẩn DVB-S cho đường truyền dẫn. DVB-S được phát triển cho các ứng
dụng quảng bá ở đó quá trình bảo vệ tín hiệu khi xuyên qua các lớp vật
lý của bầu khí quyển đối với tất cả các dịch vụ là hằng số và nó không
đổi suốt thời gian truyền dẫn (quá trình tối ưu đường truyền dẫn chỉ
thực hiện cho trường hợp xấu nhất: dịch vụ tồi nhất, phút tồi nhất và vị
trí tồi nhất).
DVB-S2 sử dụng công nghệ ACM (Adaptive Coding and Modulation) cho
phép điều chế và mã hoá sửa lỗi thích nghi tuỳ thuộc vào các điều kiện
truyền dẫn: bầu trời trong xanh hay mưa, chảo thu nằm ở trung tâm hay ở
mép của búp sóng (beam) phát từ vệ tinh...
Mỗi đầu cuối DVB-S2 có thể hoạt động với một ngưỡng (margin) C/N rất
thấp vì vậy làm tăng số lượng chương trình trên cùng một băng thông của
vệ tinh.
Hệ số khuếch đại (gain) của các bộ phát đáp trên vệ tinh ứng dụng
ACM sẽ tăng lên khi tần số tăng (băng C, Ku và Ka). Do đó băng tần Ku và
Ka thích hợp hơn cả với ACM. Băng Ka ít chật trội hơn vì thế nên sử
dụng ACM.
DVB-S2 thực hiện quá trình truyền dẫn thích nghi này với từng người
sử dụng độc lập và chỉ với các dịch vụ điểm-điểm (hình 8). Tín hiệu được
đưa vào điều chế ACM ở phía phát, truyền dẫn qua vệ tinh bằng DVB-S2.
Tại phía thu, sau giải điều chế có máy đo tỷ số C/N+I và truyền tín
hiệu đo này về trung tâm điều khiển tốc độ bit để chuyển đổi kiểu
truyền dẫn đường xuống với mức bảo vệ thấp (8PSK, FEC 5/6) khi trời nắng
không có mây hoặc mức bảo vệ cao (QPSK, FEC 1/2) khi trời nhiều mây có
mưa.
7. Hiệu quả của công nghệ DVB-S2 so với DVB-S.
Để thấy được hiệu quả của công nghệ DVB-S2 so với DVB-S, ta xét ví
dụ so sánh về số lượng các chương trình SDTV và HDTV được truyền dẫn
bằng 2 công nghệ DVB-S và DVB-S2 trong cùng điều kiện công suất và băng
thông vệ tinh (transponder 36 MHz): Chảo thu 60 cm; trường hợp thứ nhất
sử dụng nén MPEG-2, tốc độ nén video là 4.4 Mbit/s với chương trình SDTV
và 18 Mbit/s với chương trình HDTV; trường hợp thứ hai sử dụng nén
video cao cấp Advanced Video Coding (AVC), tốc độ nén với chương trình
SDTV là 2.2 Mbit/s và 9 Mbit/s với chương trình HDTV.
Yêu cầu về tỷ số C/N của hai hệ thống DVB-S và DVB-S2 là bằng nhau
trong việc khai thác các mode truyền dẫn khác nhau và trong quá trình vi
chỉnh hệ số roll-off, tốc độ symbol của hệ thống DVB-S2. Kết quả kiểm
chứng cho thấy độ lợi về dung lượng của hệ thống DVB-S2 so với DVB-S là
khoảng 30 %. Hơn nữa bằng việc kết hợp hệ thống DVB-S2 với mã hoá AVC
(H.264/AVC hoặc VC1…), mỗi transponder 36Mhz của vệ tinh có thể truyền
dẫn 21-26 kênh SDTV, hoặc 5-6 chương trình HDTV trên một Transponder.
điều này sẽ làm giảm giá thành thuê trên một kênh của vệ tinh.
8. Kết luận.
DVB-S2 là tiêu chuẩn mới nhất trong hệ thống tiêu chuẩn DVB cho các
ứng dụng vệ tinh băng rộng, với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30%
đến 131% so với công nghệ DVB-S hiện nay. Công nghệ này thực sự là bộ
công cụ hữu hiệu cho các dịch vụ tương tác qua vệ tinh.
Tổ chức DVB không cho rằng DVB-S2 sẽ thay thế DVB-S trong một thời
gian ngắn trong lĩnh vực quảng bá truyền hình thông thường. Hàng triệu
bộ giải mã DVB-S đang hoạt động tin cậy và đóng góp vào những thành công
của thương mại vệ tinh số trên toàn cầu. Các ứng dụng mới đã được dự
tính phát qua vệ tinh như truyền dẫn HDTV và phân phối các dịch vụ dựa
trên nền IP sẽ thực hiện hiệu quả dựa trên hệ thống DVB-S2. Việc kết
hợp DVB-S2 và cấu hình mã hoá video và audio mới (ví dụ như
H.264/AVC/VC-9) có thể phát 21-26 chương trình SDTV hoặc 5-6 chương
trình HDTV trên một transponder 36Mhz. Trong các ứng dụng truyền dẫn
chuyên nghiệp, DVB-S2 có khả năng cung cấp điều chế và mã hoá tương
thích (ACM), tính năng này có hiệu quả lớn với các dịch vụ điểm-điểm như
là các trạm DSNG nhỏ. Trong các ứng dụng mới này, hệ thống DVB-S2 sẽ
làm được những điều mà hệ thống DVB-S không thể làm được. Hiện nay,
DVB-S2 đang được ứng dụng phát thử nghiệm truyền hình có độ phân giải
cao HDTV tại Châu Âu trên 2 vệ tinh ASTRA và EUTELSAT. Theo kế hoạch
trong World Cup 2006 diễn ra tại Đức và Thế vận hội OLYMPIC 2008 diễn ra
tại Trung Quốc các chương trình thi đấu tại các đại hội này sẽ được
truyền dẫn bằng HDTV tại Châu Âu sử dụng công nghệ DVB-S2.