THIẾT LẬP MẠNG ĐƠN TẦN DVB-T (PHẦN 1)

TS. Phạm Đắc Bi, KS. Đỗ Anh Tú, KS. Lê Trọng Bằng

1. Tính ưu việt của công nghệ DVB-T.     Hệ phát số DVB-T sử dụng ghép đa tần trực giao OFDM có nhiều ưu điểm. Trong đó có một ưu điểm rất nổi trội và quan trọng (hơn hẳn hệ ATSC của Mỹ), đó là cho khả năng thiết lập mạng đơn tần. Mạng đơn tần tiếng Anh gọi là Single Frequency Network-SFN. Khi thiết lập mạng đơn tần, tất cả các máy phát thuộc mạng đơn tần đó đều phát cùng kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số. Mạng đơn tần tuân thủ 3 điều kiện: một là, các máy phát cùng một dòng truyền tải TS; hai là, phát cùng tần số; ba là, phát “cùng thời điểm”. Vì vậy, để mạng đơn tần hoạt động hiệu quả cần thực hiện tốt việc thiết lập và hiệu chỉnh đồng bộ giữa các máy phát.

2. DVB-T trong môi trường bị phản xạ như là “mạng đơn tần tự nhiên”.

    Phản xạ là hiện tượng chung và phổ biến của truyền sóng điện từ.

 

    Trong môi trường thực tế, chúng ta đang chịu hậu quả của hiện tượng phản xạ sóng khi thu các chương trình truyền hình. Đối với công nghệ analog, nhiều sóng đến anten thu và gây ra nhiều hình trên TV, tạo nên bóng ma lem nhem, thậm chí các hình phá

nhau làm mất đồng bộ và không thể xem được.    Sóng của máy phát hình số cũng chịu quy luật phản xạ, nhưng do kỹ thuật ghép đa

tần trực giao và nhờ có thông số “khoảng thời gian bảo vệ” của DVB-T, nên các thiết bị thu số DVB-T khắc phục có hiệu quả hiện tượng phản xạ. Các tia (hoặc các chùm) sóng đến từ các hướng khác nhau với đoạn đường đi khác nhau tới anten thu, sẽ

nhanh chậm khác nhau một khoảng thời gian T nào đó. Công thức liên hệ giữa quãng đường với thời gian đi của tia sóng là D=c.T, D là đoạn đường đi, c là vận tốc ánh sáng

3.108m/s, T là thời gian đi hết đoạn đường D của sóng.     Nếu mỗi điểm phản xạ ta coi như một máy phát con, thì nhìn tổng thể, như là một

“mạng đơn tần tự nhiên” vì các tia (chùm) sóng: đều mang cùng dòng truyền tải TS, có cùng tần số và các chùm sóng đến điểm thu nhanh chậm hơn nhau, mà vẫn nằm trong khoảng thời gian bảo vệ Tbv. Chỉ có khác “mạng đơn tần tự nhiên” này không có sự tác

động của con người để chuẩn chỉnh đồng bộ đúng như mạng đơn tần do con người chủ động tạo ra.   

3. Điều kiện để thu tốt trong môi trường có phản xạ.

    Máy phát DVB-T có một thông số liên quan đến việc chống hiện tượng phản xạ, đó là khoảng thời gian bảo vệ Tbv. Khoảng thời gian bảo vệ Tbv có các giá trị khác nhau

theo quy định của DVB (xem bảng 1) và người phát sóng có thể lựa chọn một trong 8 giá trị đó. Bảng nêu khoảng thời gian bảo vệ cho chúng ta thấy, ở một chế độ phát 8k hoặc 2k, có thể chọn một trong 4 giá trị cho khoảng thời gian bảo vệ. Chế độ phát 8k

cho khoảng thời gian bảo vệ lớn gấp 4 lần chế độ 2k (nếu cùng tỷ lệ Tbv/Tsymbol).

    Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tbv, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ. Ứng với các giá trị của khoảng thời gian bảo vệ Tbv là khoảng cách  D ( D=c.Tbv). Ở đây, chúng ta hiểu  D là khoảng chênh lệch về đường đi (từ nơi phát đến điểm thu) của các tia sóng,

chứ không phải khoảng cách giữa các máy phát.     Trong các thành phố lớn, khu đô thị, sóng thường bị phản xạ từ những toà nhà cao tầng rất gần nhau, nên các tia sóng đến máy thu nhanh chậm hơn nhau không nhiều.

Vì vậy, giá trị Tbv lấy 7us (1/32Tsymbol như VTC đang phát) cũng khá phù hợp. Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tbv là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích, vì

vậy, cùng chế độ phát, Tbv càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng ít, số lượng chương trình sẽ giảm. Nhưng Tbv càng lớn khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả. Tại đô thị, chúng ta đang thu trong môi trường có rất nhiều sóng phản xạ đến, hầu như cường độ của các chùm phản xạ thấp hơn của chùm sóng trực tiếp. Trong thực tế, sẽ có những vị trí chùm sóng phản xạ có cường độ lớn hơn chùm trực tiếp (vì nhà cao tầng chắn hướng nhìn về máy phát), và tại các vị trí đó, ta chỉ chọn

hướng nào đó để thu sóng phản xạ có độ lớn và ổn định nhất.     Trở lại trường hợp thông số khoảng thời gian bảo vệ Tbv=7us. Giả sử, có chùm sóng nào đó phản xạ từ nơi khá xa đến đầu thu chậm hơn so với chùm sóng chính khoảng

10us, lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ 3us. Câu hỏi đặt ra, trong trường hợp này, chất lượng thu số sẽ ra sao? Nếu như các chùm phản xạ từ rất xa do các toà nhà cao tầng bằng bê tông cốt sắt (hoặc các mái tôn, khung nhôm, khung sắt) ít bị suy giảm, vẫn có cường độ lớn xấp xỉ cường độ của chùm sóng chính, (mà chênh lệch thời gian lớn hơn

khoảng thời gian bảo vệ), sẽ gây tác hại cho chùm sóng chính, hình sẽ bị lỗi.     Tại đúng vị trí chùm sóng phản xạ ta coi như một “máy phát nhỏ” công suất thấp có cùng tần số, cùng kênh sóng với máy phát chính. Như vậy, thực chất, chúng ta đang

thu trong môi vừa là “mạng đơn tần tự nhiên” vừa là giống môi trường can nhiễu đồng kênh. Tổ chức DVB đã quan tâm đến lĩnh vực can nhiễu đồng kênh của phát số DVB-T và đã nêu khuyến cáo cụ thể. Tỷ số bảo vệ cho can nhiễu cùng kênh DVB-T/DVB-T là

20dB, thấp hơn nhiều so với công nghệ analog (52dB).

4.  Mạng đơn tần (Single Frequency Network - SFN).

    Trở lại 3 điều kiện cho các máy phát thuộc mạng đơn tần: một là, phát cùng một dòng truyền tải TS; hai là, phát cùng tần số; ba là, phát “cùng thời điểm”. Chúng tôi xin

trình bày về 3 điều kiện này.    Điều kiện thứ nhất bắt buộc các máy phát thuộc mạng đơn tần chỉ phát đúng một

dòng truyền tải duy nhất (cả về nội dung, cả về thời gian). Về nội dung, có nghĩa là tại bất kỳ máy phát nào cũng không được làm mất tính thống nhất của dòng TS đó, việc

bớt đi, thêm vào một hai chương trình nào đó, hay thêm vào bất kỳ một số liệu nào (dù dung lượng rất nhỏ) cũng không được. Về thời gian, có nghĩa là các máy phát bức xạ dòng truyền tải đó không nhanh chậm hơn nhau. Các dòng truyền tải phải thực hiện

đồng bộ, chúng tôi sẽ trình bày cụ thể ở mục 4.1.3.1. Cài thêm các gói chứa thông tin vào dòng TS để phục vụ việc đồng bộ.

    Đối với điều kiện thứ hai là các máy phát phát cùng tần số, chỉ xin lưu ý ở các máy phát số DVB-T không có bộ dao động hình SIN tạo các sóng mang như các hệ thống

truyền tin truyền thống. Hàng ngàn “sóng mang” trong bộ điều chế số có được là do tín hiệu của dòng TS sau khi chia nhỏ ra được biến đổi Fuorier ngược tạo nên. Độ chính

xác của tần số liên quan chặt chẽ tới độ chính xác của dòng TS. Như vậy, đồng bộ các dòng TS cũng đồng nghĩa với việc thực hiện đồng bộ tần số ở khâu điều chế của các máy phát. Tuy nhiên, vì điều chế (thực chất là biến đổi Fourier ngược) chỉ thực hiện ở vùng tần số thấp, không phải ở vùng tần số cao nên muốn phát ra sóng cao tần trong

máy phát phải có bộ chuyển tần lên (Upconverter). Vì vậy, vẫn cần có một bộ dao động hình SIN để thực hiện chuyển trung tần lên cao tần. Chúng tôi tạm gọi bộ dao động đó

là bộ dao động đổi tần. Để tuân thủ điều kiện đồng bộ tần số, các bộ điều chế OFDM hỗ trợ mạng đơn tần đều phải quan tâm tới đồng bộ các bộ dao động đổi tần trong mọi

máy phát thuộc mạng đơn tần (xem hình 2).

    Đối với điều kiện thứ ba các máy phát phát “cùng thời điểm” (at the same time) hàm ý nhấn mạnh tính khắt khe của đồng bộ: cùng thời điểm phát gói “đầu tiên” của cùng một Mega-frame ra không trung ở tất cả các máy phát, không có sự nhanh chậm hơn

nhau, nói cách khác sự chênh lệch thời gian phát gói này phải bằng không. Đó chính là vấn đề cốt lõi của quá trình đồng bộ.

4.1.  Vấn đề đồng bộ các máy phát thuộc mạng đơn tần.

4.1.1. Lý giải sự cần thiết phải đồng bộ các máy phát thuộc mạng đơn tần.

    Hình 3 mô tả hai máy phát của mạng đơn tần. Trên hình, ngoài hai chùm sóng trực tiếp đến đầu thu, còn có thêm tia phản xạ, có đường truyền dòng TS từ trung tâm xử lý

đến các máy phát.

    Chênh lệch về đường đi của hai chùm sóng trực tiếp từ hai máy phát đến máy thu (|D|= Dj-Di). Chênh lệch về thời gian của dòng truyền tải từ trung tâm xử lý tín hiệu tới

máy phát j và i là  | t| = tj -ti  ( t có thể nhận giá trị âm hoặc dương). Thời gian trễ do xử lý tại máy phát i, máy phát j (do điều chế, khuếch đại, cáp và anten) là TMFi , TMFj . Như vậy, độ trễ giữa hai chùm sóng đến đầu thu (khi chưa xử lý bù trễ) sẽ gồm ba yếu tố:

    T = | D|/c + | t|+ |TMFj – TMFi| ([1], trong đó c là vận tốc ánh sáng)    Dj , Di : là khoảng cách từ máy phát j ,  máy phát i đến điểm thu.

    tj, ti : là thời gian truyền dòng TS từ trung tâm xử lý đến máy phát j,  máy phát i.    Phân tích công thức (1), thấy rằng:

•    Thành phần thứ nhất (| D|/c) liên quan đến đường đi của các chùm sóng đến điểm thu, không thể biến đổi được, vì máy phát đã lắp đặt cố định tại các vị trí.

•    Độ chênh lệch về thời gian cấp tín hiệu đến hai máy phát (| t| = tj -ti) cũng không thể thay đổi được, vì tuyến cáp quang hay vi ba cũng cố định.

•    Chênh lệch về xử lý (do điều chế, do khuếch đại, do cáp và do anten phát) của các máy phát  |TMFj – TMFi| cũng không thể can thiệp được.

Như vậy, thực hiện đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần, chỉ còn cách chủ động can thiệp hiệu chỉnh, lưu giữ, làm chậm, thời điểm phát ở tất cả mọi máy phát. Các nhà

thiết lập mạng đơn tần  nêu ra hai phương pháp: bù thời gian trễ tĩnh và bù thời gian trễ động. Vì thế, công thức (1) trên được thêm vào các thành phần nữa liên quan đến bù thời gian trễ tĩnh:  | Tbù trễ tĩnh| = Ttrễ tĩnh j - Ttrễ tĩnh i  và bù thời gian trễ động Tbù trễ động j, Tbù trễ

động i      Từ  công thức (1), ta có công thức mô tả nguyên lý bù thời gian trễ tĩnh và bù thời

gian trễ động (2) để thực hiện đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần:    (| D|/c - | Tbù trễ tĩnh| + |TMFj – TMFi|)+ (| t| -  |Tbù trễ động j   -  Tbù trễ động i|)               (2)

    Bù thời gian trễ động liên quan đến quá trình làm chậm lại dòng truyền tải TS hay nói cách khác tất cả các máy phát phát đi gói ‘đầu tiên’ ở cùng một thời điểm,  khi đó chênh lệch thời gian phát gói ‘đầu tiên’ giữa các máy phát bằng KHÔNG. Trong công thức (2)

thành phần:    (| t| -  |Tbù trễ động j   -  Tbù trễ động i|) = 0  (3)

    Thời gian bù trễ tĩnh là làm cho thành phần thứ nhất trong công thức (2) bằng KHÔNG:

    (| D|/c - | Tbù trễ tĩnh| + |TMFj – TMFi|) = 0.  (3a)    Hai đẳng thức (3 và 3a) đều bằng KHÔNG, đó chính là thực hiện điều kiện thứ ba

phát cùng thời điểm của mạng đơn tần.

4.1.2. Bù thời gian trễ tĩnh để đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần.

    Bù trễ tĩnh là bù chênh lệch về thời gian truyền sóng từ các máy phát đến điểm thu, bao gồm cả trễ do truyền sóng, trễ do điều chế, do khuếch đại, cáp và anten.

    Trở lại hình 3, ta thấy chùm sóng từ máy phát j đến chậm hơn chùm sóng từ máy phát i (Dj > Di). Hình 4a, 4b và 4c cho thấy sóng của hai máy phát đến  điểm thu nhanh chậm hơn nhau. Do đó, trong trường hợp này, bù thời gian trễ tĩnh tại máy phát i nhiều hơn tại máy phát j  để giảm chênh lệch về truyền sóng. Độ trễ về truyền sóng sẽ bằng

không (3a) nhờ điều chỉnh bù trễ tĩnh.    Trên các hình 4 [4;5], cho thấy sóng của hai máy phát đến nhanh chậm hơn nhau:

vượt quá khoảng bảo vệ (hình 4a) và trong khoảng thời gian bảo vệ (hình 4b và 4c). Bù trễ tĩnh sẽ làm cho chênh lệch thời gian của hai chùm sóng (đến điểm thu) bằng

KHÔNG (đẳng thức 3a).     (| D|/c - | Tbù trễ tĩnh| + |TMFj – TMFi|) = 0. 

    Như vậy, bù trễ tĩnh quan tâm đến cả độ trễ do điều chế, khuếch đại, cáp dẫn sóng và hệ thống anten gây ra. Giá trị bù trễ tĩnh nếu chỉ do yếu tố truyền sóng, thì không

quá lớn, cao nhất chỉ khoảng 100us. Vì 100us tương ứng với độ chênh lệch về đường đi của các chùm sóng tới điểm thu đã là: 30km ( D=T.c=100.10-6.3.108=3.104=30km).