Thứ Tư, 9 tháng 1, 2013

DVB-S2- Công nghệ truyền dẫn vệ tinh của tương lai



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.

0 nhận xét:

Đăng nhận xét