Công nghệ DMB (Digital Multimedia Broadcasting) được phát triển từ cải tiến chuẩn DAB (Digital Audio Broadcasting) và được sử dụng trong truyền hình quảng bá mặt đất( T-DMB Terrestrial - DMB) tại Hàn Quốc. Hệ thống Hàn Quốc được triển khai ở băng III của VHF, với các nhà sản xuất máy cầm tay như LG, SAMSUNG. Hàn Quốc triển khai dịch vụ T-DMB chia khe 6MHz của băng VHF thành 3 sóng mang, mỗi sóng 1,54 MHz, tương tự kích thước sóng mang của mạng DAB. Mỗi sóng mang sau đó có thể mang từ 2 đến 4 kênh video hay các kênh audio truyền thống. Đây là một cơ hội cho các nhà khai thác quảng bá nhỏ với tiềm năng 1 đến 2 kênh để giới thiệu các dịch vụ của họ cho thị trường giàu có này. Bài báo này sẽ giới thiệu ứng dụng điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Mutiplexing) trong điều chế và truyền dẫn của hệ thống T-DMB.

1. Giới thiệu

Dòng dữ liệu tạo ra từ quá trình ghép kênh và mã hóa được quảng bá qua kênh vô tuyến tới các máy thu. Tham số của kênh vô tuyến được cố định bởi sóng mang và tốc độ dữ liệu. Sóng mang là sóng điện từ hàm sin tuần hoàn của một tần số nhất định. Tần số sóng mang phải phù hợp với dải tần số trong phổ điện trường của anten, trong khi tốc độ dữ liệu xác định băng tần cần thiết cho kênh vô tuyến.

Kênh vô tuyến DAB/DMB có băng tần là 1,536MHz và tốc độ dữ liệu đạt được từ 1 đến 1,5Mbit/s tùy thuộc vào tỷ lệ mã hóa dữ liệu dùng cho mã xoắn của các luồng dữ liệu khác nhau. Ở một phương diện khác, mạng di động 3G như UMTS có thể cũng có được tốc độ dữ liệu tương tự, nhưng chỉ với vùng phủ của trạm gốc không vượt quá vài km hoặc ít hơn, vùng phủ sóng này rất nhỏ khi so sánh với vùng phủ với đường kính lên tới 100 km của một máy phát DAB/DMB duy nhất. Nói chung, một vấn đề của việc truyền dữ liệu tốc độ cao tới khoảng cách xa đó là tín hiệu dễ bị can nhiễu, cụ thể là hiện tượng truyền sóng vô tuyến đa đường.

2. Truyền dẫn đa đường và nhiễu giữa các kí hiệu

Trong kênh vô tuyến, dữ liệu được truyền dưới dạng kí hiệu và mỗi kí hiệu mang một hay một vài bít của luồng dữ liệu. DAB/DMB truyền 2 bit bằng một kí hiệu đơn, như vậy có định nghĩa 4 kí hiệu khác nhau “00”, “01”, “11”, “10”. Theo đó, sóng mang của kênh vô tuyến có thể chấp nhận 4 trạng thái của tín hiệu khác nhau, các trạng thái này được ấn định độc lập trên ký hiệu tiếp theo - Quá trình này gọi là điều chế hay khoá dịch pha (shift keying).

Trong suốt quá trình truyền, một tín hiệu đã được tạo ra theo cách trên bị nhiều hiện tượng khác nhau làm méo tín hiệu và làm cho máy thu khó hoặc thậm chí không thể nhận dạng được tín hiệu tới. Các ví dụ là truyền dẫn đa đường, suy hao, nhiễu, bóng do các tòa nhà cũng như dịch tần - dịch Dopler là do sự di chuyển của máy thu trong suốt quá trình truyền.

Như mô tả ở Hình 1, truyền sóng đa đường do phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các tòa nhà, cây cối, núi. Và kết quả là tín hiệu được sao chép trong suốt quá trình truyền dẫn và máy thu không chỉ nhận được xung tín hiệu sơ cấp mà còn thu được các xung trễ thứ cấp khác của tín hiệu như trong Hình 2.a.

Thời gian truyền sóng của xung tín hiệu tương ứng với độ dài đường dẫn từ máy phát tới máy thu. Độ trễ giữa thời điểm tới của xung tín hiệu sơ cấp và thời điểm tới của xung tín hiệu thứ cấp cuối cùng gọi là trải trễ, và độ lớn của nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách phủ sóng của máy phát và mật độ chướng ngại vật trong các vùng lân cận. Khoảng cách phủ sóng càng lớn thì mật độ chướng ngại càng lớn và độ trải trễ càng rộng.

Quá trình truyền đa đường có thể gây ra nhiễu lớn nếu khoảng thời gian ký hiệu T sử dụng nhỏ hơn trải trễ. Khoảng thời gian ký hiệu biểu thị thời gian một ký hiệu được phát đi, tương ứng tỷ lệ nghịch với tốc độ ký hiệu. Như mô tả trong Hình 2.b, các xung thứ cấp bị trễ của một ký hiệu có thể phá vỡ các xung của ký hiệu tiếp theo nếu thời gian 1 ký hiệu, nhỏ hơn trải trễ. Hiện tượng này gọi là nhiễu giữa các ký hiệu, đây cũng là một trong những nguyên nhân chính gây lỗi truyền dẫn.

DMB hoạt động ở những điều kiện rất thuận lợi cho nhiễu giữa các ký hiệu. Nếu quá trình truyền được thực hiện với điều chế một sóng mang thông thường, thì các tốc độ dữ liệu cao chỉ có thể đạt được với khoảng thời gian ký hiệu trong vài micro giây. Khoảng thời gian này rất nhỏ so với trải trễ thông thường từ 10 đến hàng trăm micro giây (máy phát DMB ở khoảng cách xa và hoạt động ở vùng đô thị). Trong mạng đơn tần trải trễ thậm chí còn lớn hơn rất nhiều vì máy thu có thể cũng nhận được các xung tín hiệu từ các máy phát bên cạnh. Để tránh nhiễu giữa các ký hiệu, hệ thống DMB đã được áp dụng một kỹ thuật điều chế đa sóng mang.

3. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Để điều chế đa sóng mang trong hệ thống DMB, một kênh vô tuyến trong băng thông 1,536 MHz được chia nhỏ thành N sóng mang con, các sóng mang con đó truyền dữ liệu độc lập nhau. Luồng truyền tải được phân phối qua N sóng mang con và do đó thời gian của kí hiệu ứng với mỗi song mang con có thể được mở rộng N lần so với khoảng thời gian kí hiệu sử dụng điều chế đơn sóng mang. Tất cả tốc độ kí hiệu của các kênh vô tuyến đều tương đương nhau, nhưng tránh được nhiễu giữa các kí hiệu bởi vì khoảng thời gian ký hiệu trên mỗi sóng mang con lớn hơn khoảng trễ dự kiến, giả sử với N được chọn đủ lớn.

Tuy nhiên, điều chế đa sóng mang có thể chịu thiệt hại từ các búp sóng lân cận, các búp sóng lân cận sinh ra từ bức xạ ngoài băng trong ở các dải tần số bên dưới và bên trên của mỗi sóng mang con. Các búp sóng cạnh này không mang bất kỳ thông tin hữu ích nào (những thông tin cần thiết để nhận biết tín hiệu tới ở máy thu) nhưng chúng có gây méo quá trình trình truyền sóng của các sóng mang con lân cận. Do đó, một quan hệ quan trọng khi sử dụng điều chế đa sóng mang là lựa chọn một khoảng trống tần số hợp lý giữa các sóng mang con. Để đạt được mục đích này, các hệ thống DAB/DMB áp dụng một kỹ thuật gọi là ghép kênh phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), trong đó các tần số sóng mang con được đặt trực giao với nhau. Một cặp sóng mang con được gọi là trực giao nếu như khoảng cách tần số giữa chúng bằng 1/T_s Hz, trong đó T_s là khoảng thời gian ký hiệu trên mỗi sóng mang con.

Như mô tả trong Hình 3, ưu điểm của trực giao là đỉnh của của các búp sóng chính của sóng mang con tương ứng với điểm 0 của các sóng mang con lân cận đi qua. Bằng cách này, bức xạ ngoài băng trong các búp sóng lân cận mất tác dụng với các sóng mang con khác và quá trình truyền trong một sóng mang con không có tác động xấu lên các sóng mang con lân cận. Hơn nữa, OFDM cho phép đặt các sóng mang con gần với nhau. Nhờ vậy, OFDM sử dụng băng thông rất hiệu quả so với các điều chế đa sóng mang không trực giao. Lý thuyết OFDM đã được biết từ lâu nhưng phần cứng cần triển khai trong các bộ thu đã không thể đáp ứng được thị trường trước giữa thập niên 90.

4. Chế độ truyền tải DMB

DMB đưa ra 4 chế độ truyền, các chế độ khác nhau ở số lượng sóng mang con được sử dụng cho 1 kênh vô tuyến trong dải tần số 1,536 MHz, cũng như khoảng thời gian cho 1 kí hiệu hay chiều dài 1 khung truyền. Sự lựa chọn chế độ nào để sử dụng phụ thuộc vào kiểu truyền tải (mặt đất hay qua vệ tinh), dải tần số cho phép và các khu vực xung quanh (nông thôn, ngoại ô, đô thị). Nếu chế độ truyền dẫn dưới mặt đất được sử dụng thì cần phân biệt giữa mạng đơn tần và mạng đa tần. Những tham số đặc trưng của 4 chế độ truyền dẫn được liệt kê trong bảng 1.

	Mode I	Mode II	Mode III	Mode IV
Mạng (theo [1])	SFN	MFN	Cáp hay vệ tinh	Mặt đất hay vệ tinh
Dải tần số	174-216 MHz	1452-1467 MHz	< 3GHz	T:1452-1467MHz S:1467-1492MHz
Khoảng cách	96km	24km	12km	48km
Số lượng sóng mang con	1536	384	192	768
Khoảng cách giữa các sóng mang con	1kHz	4kHz	8kHz	2kHz
Thời gian truyền kí hiệu	1ms	250µm	125µs	500µs
Thời gian bảo vệ	246µs	62µs	31µs	123µs
Số lượng Bít/kí hiệu OFDM	3072	768	384	1536
Thời gian khung	96ms	24ms	24ms	48ms

Nói chung, các chế độ có số lượng sóng mang con cao và thời gian truyền một kí hiệu dài là lựa chọn ưa thích cho mạng DAB/DMB có vùng phủ sóng lớn, vùng phủ rộng gây ra trải trễ dài và ảnh hưởng can nhiễu của các kí hiệu lẫn nhau lớn. Đặc biệt đối với mạng đơn sóng mang, ở đó các máy thu cũng đón nhận được một vài xung tín hiệu tới từ các máy phát lân cận. Trong tình huống này, DAB/DMB dự tính chế độ truyền dẫn I, cung cấp số lượng lớn nhất 1536 sóng mang con (cách nhau 1 kHz) và khoảng thời gian ký hiệu là 1 ms. Trong các mạng dự kiến trải trễ nhỏ hơn thì có thể sử dụng các chế độ truyền có số lượng sóng mang ít hơn hoặc độ dài ký hiệu ngắn hơn, chẳng hạn 192 sóng mang con và thời gian truyền là 125µs cho truyền dẫn vệ tinh (mode III). Bất kể chế độ nào đang được sử dụng, tốc độ ký hiệu và dữ liệu giữ là 1,2Msps (mega symbols per second) và 2,4Mbit/s tương ứng. Can nhiễu giữa các ký tự làm giảm sự bền vững được cải thiện tiếp tục bằng “thời gian bảo vệ” giữa các ký hiệu kế tiếp nhau.

5. Điều chế và đan xen tần số

Khung truyền tải được tạo bởi quá trình ghép kênh cuối cùng được điều chế thành các sóng mang con của kênh vô tuyến OFDM. DAB/DMB sử dụng một phương thức điều chế, sao cho pha của mỗi sóng mang con được dịch đi tùy thuộc vào kí hiệu được truyền. Nói đúng ra, đó là một biến thể của một phương thức điều chế gọi là DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). Bốn ký hiệu “00”, “01”, “11”, “10” được ấn định các dịch pha lần lượt là 0º, 90º, 180º, -90º. Để truyền một kí hiệu, pha của mối sóng mang con được thay đổi theo dịch pha tương ứng và liên quan tới pha của ký hiệu trước đó. Quá trình này được mô tả trong Hình 4.

Sự phân bố các kí hiệu lên các sóng mang con được ví dụ trong Hình 5 cho một kênh vô tuyến OFDM và chỉ với N=8 sóng mang con. Khung truyền tải được chia nhỏ thành các kí hiệu OFDM, mỗi kí hiệu bao bọc chính xác N sóng mang con và vì vậy bao gồm N ký hiệu DQPSK đơn. Các ký hiệu DQPSK không được ấn định theo trình tự các sóng mang con mà trước hết được trộn lẫn theo một thuật toán nào đó mà các ký hiệu DQPSK liên tục không được phát đi trong các sóng mang con lân cận. Quá trình này gọi là đan xen tần số, nó gần giống như quá trình đan xen về mặt thời gian, được sử dụng để tránh lỗi cụm, nhờ đó mà nhiễu được trải ra một số các sóng mang con lân cận.

Cuối cùng, tuỳ theo độ rộng của dải tần số cấp phát mà một số kênh DAB/DMB có thể được thực hiện song song, như miêu tả trong Hình 6. Ví dụ, dải tần số 7–8 MHz, dải tần phù hợp với băng thông của kênh truyền hình tương tự truyền thống, có thể cung cấp tới 4 kênh DAB/DMB cho truyền đồng thời cùng lúc từ 10 đến 15 chương trình truyền hình.

6. Kết luận

Truyền hình di động không chỉ phân phối những chương trình truyền hình truyền thống cho các thiết bị di động, mà nó còn tiêu biểu cho rất nhiều ứng dụng, mô hình kinh doanh mới và phức tạp (tinh vi). Chẳng hạn như các chương trình tương tác hoặc tạo ra các tin tức đặc biệt hoặc các clip âm nhạc cũng như các đoạn kịch opera, mỗi nội dung có khoảng thời gian chỉ vài phút. DMB là một công nghệ chính để thực hiện cho truyền hình di động.

Những đặc điểm chính của truyền dẫn và điều chế DMB có thể được tổng kết như sau:

- Hệ thống truyền dẫn và điều chế OFDM của DMB là sự kế thừa của DAB, là hệ thống được sử dụng rộng rãi dành cho phát thanh quảng bá vô tuyến số.

- Một kênh vô tuyến DMB có độ rộng băng tần là 1,536 MHz, nhờ áp dụng điều chế đa sóng mang theo OFDM, DMB hạn chế được nhiễu giữa các ký tự gây ra do truyền lan các tín hiệu vô tuyến đa đường.

- DMB áp dụng những giải pháp xen lẫn thời gian và tần số, những chùm lỗi lớn được chia nhỏ thành những lỗi bit riêng lẻ, nên đã tăng được độ tin cậy của truyền dẫn.

Tài liệu tham khảo:

[1]. ETSI EN 300 401, Radio Broadcasting Systems; Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers

[2]. ETSI TS 102 428, Digital audio Broadcasting (DAB); DMB video service; User Application specification

[3]. ETSI TS 102 427, Digital Audio Broadcasting (DAB); Data Broadcasting – MPEG-2 TS streaming

[4]. ETSI EN 301 234, Digital Audio Broadcasting (DAB); Multimedia Object Transfer (MOT) protocol

[5]. ETSI ES 201 735, Digital Audio Broadcasting (DAB); Internet Protocol (IP) datagram tunnelling