Nghiên cứu truyền hình kỹ thuật số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T2

MO DAU Cùng với sự phát trién mạnh của công nghệ truyền hình cũng như nhu cầu nghe nhìn của người dùng đòi hỏi về chất lượng và nội dung phong phú đa dạnghơn, các nhà nghiên cứu đã phát

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

NGUYEN MANH HÙNG

NGHIEN CUU TRUYEN HINH KY THUAT SO

MAT DAT THEO TIEU CHUAN DVB-T2

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

Mã số :60.52.02.08

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HA NỘI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ HỮU LẬP

Phản biện 1: PGS TS VŨ VĂN YEM Phản biện 2: TS NGUYEN CHIEN TRINH

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 14 giờ 30 phút ngày 20 tháng 09 năm 2015.

Có thê tìm hiệu luận văn tai:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MO DAU

Cùng với sự phát trién mạnh của công nghệ truyền hình cũng như nhu cầu

nghe nhìn của người dùng đòi hỏi về chất lượng và nội dung phong phú đa dạnghơn, các nhà nghiên cứu đã phát triển tiêu chuan DVB-T2 là phiên bản tiếp theo

của tiêu chuẩn DVB-T Tiêu chuẩn DVB-T2 được giới thiệu lần đầu tiên vào

tháng 6/2008 và được Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu-EISI (European

Telecommunication Standardisations Institute) chuan hóa từ tháng 9/2009

So sánh với chuẩn truyền hình số hiện nay là DVB-T thì chuẩn thé hệ thứ

hai DVB-T2 cung cấp sự gia tăng dung lượng tối thiêu 30% trong cùng điều

kiện thu sóng và dùng các anten thu hiện có Trên thực tế, một số thử nghiệm sơ

bộ cho thấy dung lượng có thể gia tăng lên tới 50% Điều này càng thuận lợicho việc triển khai các dịch vụ quảng cáo mới đòi hỏi dung lượng cao nhưHDTV, 3DTV Từ năm 2009, đã có nhiều quốc gia đưa DVB-T2 vào phátsóng thử nghiệm và đến nay nhiều nước đã bắt đầu triển khai truyền hình số

mặt đất đều lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T2 Điền hình như An Độ, Nga, TháiLan, Malaysia, Indonesia, và các nước Đông Âu Những nước đã triển khai

phát sóng T đều có kế hoạch chuyền dan sang phát sóng tiêu chuan T2 và không tiếp tục mở rộng mang DVB-T

DVB-Giá thành của thiết bị truyền hình số tiêu chuân DVB-T2 đã giảm đáng kế

từ khi tiêu chuẩn này được nhiều nước triển khai áp dụng Hiện nay giá thànhthiết bị phát sóng truyền hình số mặt đất sử dụng tiêu chuẩn DVB-T2 là tươngđương với thiết bị sử dụng tiêu chuẩn DVB-T Giá thành thiết bị thu sử dụng

công nghệ DVB-T2 cao hơn không đáng kế khi sử dụng chuẩn DVB-T

Nếu tiếp tục triển khai phát sóng theo chuẩn DVB-T thì sẽ không phù hợpvới xu thế công nghệ của khu vực và thế giới, về lâu dài sẽ gây tốn kém và khó

khăn hơn cho quá trình chuyên đổi công nghệ từ tiêu chuan DVB-T sang tiêuchuân DVB-T2

Tiêu chuẩn DVB-T2 ra đời cho phép những người làm truyền hình Việt

Nam có nhiều lựa chọn hơn trong việc xây dựng hệ thống truyền hình kỹ thuật

số hiện đại

Thực tế tại Việt Nam, các đài truyền hình lớn như đài truyền hình Việt

Nam VTV, đài truyền hình kỹ thuật số VTC hay Công ty Cổ phần nghe nhìntoàn cầu AVG đều đang triển khai truyền hình số mặt dat theo tiêu chuan DVB-T2 Bộ thông tin và truyền thông đã xác định tiêu chuẩn DVB-T2, chuẩn nénMPEC-4 là tiêu chuẩn, công nghệ cho Đề án số hóa Truyền dẫn phát sóngtruyền hình mặt đất năm 2020

Luận văn sẽ tìm hiểu các yếu tố kỹ thuật của một hệ thống áp dụng tiêu

chuẩn DVB-T2 bao gồm các thành phan, mô hình cấu trúc, lớp vật lý, những

giải pháp kỹ thuật mới Phân tích các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng

dịch vụ các hệ thống áp dụng tiêu chuẩn DVB-T2 trên cơ sở phân tích các cácđặc trưng của hệ thống Và cuối cùng là tổng hợp, đánh giá và đề xuất cácphương pháp đo xác định các tham số chất lượng hệ thống truyền hình áp dụngtiêu chuan DVB-T2

CHƯƠNG I: TONG QUAN VE TRUYEN HÌNH SO

1.1 Giới thiệu về truyền hình số

Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà tat cả các thiết bị

kỹ thuật từ Studio cho đến các máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số

Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính,thay vì được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnhquang học nói trên (cả về độ chói và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãytín hiệu nhị phân nhờ quá trình biến đổi tương tự số

Sử dụng phương pháp số dé tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu chương trình

truyền hình trên kênh thông tin sẽ mở rộng hơn nữa khả năng làm việc cho các

thiết bị truyền hình Trong một SỐ ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn

cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mả tín

hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong

việc xử lý tín hiệu và lưu trữ.

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiềulần mà không làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải trong tất cả cáctrường hợp, tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự(ví dụ như bộ lọc) Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp

truyền hình trên thế giới nhằm đạt được sự thống nhất là một hệ thống truyềnhình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao va dé dàng phân phối trên kênhthông tin Hệ thống truyền hình kỹ thuật số đã và đang được phát triển trên toàn

thé giới, tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong công nghiệp truyền hình

1.2 Đặc điểm của truyền hình số

1.2.1 Ưu điểm

+ Có thé tiễn hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio mà tỉ số S/Nkhông giảm Trong truyền hình tương tự thì việc này gây ra méo tích lũy

+ Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chấtlượng không bị giảm.

+ Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nhờ máy tính

+ Có khả năng lưu tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản vàsau đó đọc nó với tốc độ tùy ý

+ Khả năng truyền trên cự ly lớn, có tính chong nhiễu cao nhờ việc sửdung mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ

+ Dễ tạo dang lấy mau tín hiệu, do đó, dé thực hiện việc chuyền đổi hệ

truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, dễ thực hiện những kỹ xảotrong truyền hình

+ Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dé dàng và không cần điều

chỉnh các thiết bị trong khi khai thác

+ Có khả năng xử lý nhiều lần đồng thời một số tín hiệu nhờ ghép kênh

phân chia theo thời gian.

+ Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường Hiện tượng bóng mathường xảy ra trong hệ thống truyền hình tương tự do tín hiệu truyền đến máythu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin sốcũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá

+ Tiết kiệm phố tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tan, tỉ lệ nén có

thê lên đến 40 lần mà người xem hầu như không nhận biết được sự suy giảm

chất lượng

+ Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin haichiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm

1.2.2 Nhược điểm

+ Dai thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ

thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự

+ Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyềnthường phức tạp hơn và phải dùng mạch chuyền đổi số- tương tự

1.3 Các tiêu chuẩn truyền hình số trên thế giới

1.3.1 Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video tổng hợp

1.3.1.1 Tiêu chuẩn 4f,, NTSC1.3.1.2 Tiêu chuẩn 4f,, PAL1.3.2 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần

1.3.2.1 Tiêu chuẩn 4:4:41.3.2.2 Tiêu chuẩn 4:2:2

1.3.2.3Tiêu chuẩn 4:2:0

1.3.2.4 Tiêu chuẩn 4:1:1

1.4 Kế hoạch triển khai truyền hình số tại Việt Nam

Từ lợi ích việc triển khai thành công mạng phát sóng truyền hình diện

rộng của VTC, cũng như tác động của nó tới người xem truyền hình, mà ngày

16 tháng 2 năm 2009, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định phê duyệt quy

hoạch truyền dẫn phát sóng phát thanh- truyền hình đến năm 2020, trong đó nêu

rõ: “Từng bước triển khai lộ trình số hóa mạng truyền dẫn — phát sóng truyền

hình số mặt đất phù hợp với điều kiện thực tế về thiết bị thu truyền hình số củangười dân trên từng địa bàn cụ thé Vé cơ bản sẽ ngừng phát sóng truyền hìnhmặt đất công nghệ tương tự (analog) để chuyên sang phát sóng truyền hình mặt

đất công nghệ số (digital) khi 95% số hộ gia đình có máy thu hình có khả năng

thu được các kênh chương trình truyền hình quảng bá bằng những phương thức

truyền dẫn và phát sóng số khác nhau” Ngày 19 tháng 7 năm 2010 Thủ tướng

chính phủ ký tiếp quyết định phê duyệt truyền hình số mặt đất là 1 trong 46

công nghệ được ưu tiên dau tư và phát triển Các sản phẩm liên quan đến truyềnhình số mặt đất là 1 trong 76 danh mục thuộc danh mục các sản phẩm côngnghệ cao được khuyến khích phát triển

Ở nước ta hiện nay có các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình số mặt

đất DVB-T của đài truyền hình TP Hồ Chí Minh (HTV), đài truyền hình Bình

Duong (BTV), đài truyền hình kỹ thuật số VTC, công ty cổ phần nghe nhìntoàn cầu (AVG) hiện đang triển khai hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T

phủ sóng toàn quốc hiện đại nhất Việt Nam sử dụng mạng đơn tần (SEN) chính

thức phát sóng vào cuối năm 2011

Kết luận chương

Sử dụng công nghệ truyền hình số sẽ đem lại nhiều lợi ích cho người sử

dụng, hiệu quả cao cho nhà cung cấp dịch vụ Công nghệ truyền hình số không

chỉ làm tăng số kênh truyền mà còn cho phép nhà cung cấp dịch vụ mở rộngkinh doanh ra các dịch vụ mới điều mà công nghệ tương tự không làm được

Hiện nay, truyền hình số phát triển hết sức đa dạng về loại hình dịch vụ,

phương thức truyền dẫn phát sóng Ta có thé chia ra làm 2 tiêu chuẩn chính đó

là:

e Tiêu chuân sô hóa tín hiệu video tông hop

e Tiêu chuân lây mâu tín hiệu video thành phan

Theo kế hoạch số hóa, nước ta đang từng bước thực hiện số hóa truyền

hình và dự kiến sẽ hoàn tất vào năm 2020 sẽ phủ sóng truyền hình số mặt đất

trên toàn lãnh thé Việt Nam theo tiêu chuan DVB-T2 Chương sau sẽ trình bàysâu hơn về hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T2

CHUONG II: HE THONG TRUYEN HÌNH SO MAT DAT THEO

TIEU CHUAN DVB-T2

2.1 Giới thiệu hệ thống truyền hình số mặt dat theo tiêu chuẩn DVB-T2

2.1.1 Truyền hình số mặt dat theo tiêu chuẩn DVB-T2

Việc phát triển các tiêu chuẩn DVB đã khởi đầu vào năm 1993 và tiêu chuẩnDVB-T đã được tiêu chuẩn hóa vào năm 1997 bởi Viện tiêu chuẩn truyền thôngchâu Au (ESTD Hiện nay, tiêu chuẩn này đã được các nước châu Âu và nhiềunước khác trên thế giới thừa nhận Năm 2001 đài truyền hình Việt Nam đãquyết định chọn DVB-T làm tiêu chuẩn để phát sóng cho truyền hình mặt đất

trong những năm tiếp theo DVB-T dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2, là một

phương pháp phân phối từ một điểm tới nhiều điểm video và audio số chất

lượng cao có nén.

Chuẩn DVB-T có một số đặc điểm nỗi bật như sau:

- Hệ thống DVB-T là hệ thống có tín hiệu hình ảnh va âm thanh mã hóa

theo tiêu chuân MPEG-2 với chuẩn lấy mẫu 4:2:0 và tốc độ một chương trình từ

2 đến 4 Mbit/s Mã hóa tiếng trong DVB-T dựa trên giải thuật MUSICAM vớitốc độ bit có thể lên tới 384Kbit/s nhưng tốc độ thông thường cho dành mộtchương trình có âm thanh stereo chất lương cao thì tốc độ bit vào khoảng

192Kbit/s.

- Độ phân giải anh tối đa 720 x 576 điểm anh

- Sử dụng kỹ thuật OFDM dựa trên kỹ thuật điều chế số cơ sở là QPSK

và QAM, có khả năng chống lại hiện tượng fading nhiều đường

2.1.2 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T2

Xuất phát từ thực tế về phát sóng các chương trình truyền hình độ phân

giải cao-HDTV, cũng như mở rộng các dịch vụ trong truyền hình Các nhà khoahọc của tô chức DVB đã nghiên cứu phát triển kỹ thuật công nghệ nhằm mục

dich tăng cường hiệu qua sử dung băng thông một cách tối đa

Tháng 7/2008, DVB bắt đầu nghiên cứu và thử nghiệm tiêu chuẩn truyền

hình số mặt đất thé hệ thứ 2 (DVB-T2) Kế thừa những ưu điểm nỗi trội của

DVB-T như: công nghệ OFDM đồng thời kết hợp với kỹ thuật mã hóa tiên tiễn

, tiêu chuẩn DVB-T2 có những cải tiến đáng ké dem lại hiệu quả cao hon

2.2 Những ưu điểm cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2

Khả năng gia tăng dung lượng là một trong những ưu điểm chính củaDVB-T2 So với chuẩn truyền hình số DVB-T hiện nay, tiêu chuẩn DVB-T2

gia tăng dung lượng tối thiểu 30% trong cùng điều kiện thu sóng và sử dụng cácanten thu hiện có Thực tế có thể gia tăng dung lượng lên đến gần 50% với côngnghệ sử dụng chuan DVB-T2

Ngoài ra, DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ đa đường(multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T Điều này càng

thuận lợi cho việc triển khai các dịch vu quảng bá mới đòi hỏi nhiều dung lượng

hơn.

DVB-T2 phải đạt được hiệu quả cao hơn DVB-T trong mạng đơn tần

SFN (Single Frequency Network)

DVB-T2 phải tương quan giữa các chuẩn trong tổ chức DVB Điều đó có

nghĩa là sự chuyên đổi giữa các tiêu chuẩn DVB phải thuận tiện đến mức tối

ưu Ví dụ: tương quan với DVB-S2

DVB-T2 phải phát huy được những giải pháp đã tồn tại trong các tiêuchuẩn DVB khác Ví dụ: DVB-T2 cần có 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốtcủa DVB-S2, đó là:

+ Cầu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dit liệu trong khung BB (BaseBand Frame).

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

Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các phương thức thu có định

và di động, do vậy DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiệnđang ton 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 có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ

cụ thé Điều đó có nghĩa là DVB-T2 phải có khả năng đạt được độ tin cậy cao

hơn đối với một vài dich vụ so với các dịch vụ khác

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

DVB-T2 có thé giảm ty lệ công suất dinh/ công suất trung bình của máyphát Việc này giúp giảm điện năng tiêu thụ của máy phát.

2.3 Mô hình cấu trúc của DVB-T2

Hệ thống DVB-T2 được chia thành 3 khối chính ở phía phát (SS1, SS2,

và SS3) và hai khối chính ở phía thu (SS4 và SS5) được mô tả trên hình 2.1:

==“ | sẽ S82: Tin oe we bú Basic: l 583: S§5.MPEG | hiệu ra

SSI: Mã hoá và ghép kênh có chức năng mã hoa 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 đổiđối với tat cả các dòng bit Khối này có chức năng hoan toàn giống nhau đối vớitất cả các tiêu chuẩn của DVB Dau ra của khối là dòng truyền tải MPEG-2TS

(MPEG - 2 Transport Stream).

SS2: Basic DVB-T2 — Gateway Đầu ra của DVB-T2-Gateway là dongDVB-T2 - MI Mỗi gói DVB-T2-MI bao gồm Baseband Frame, IQ Vector hoặc

thông tin báo hiệu (LI hoặc SEN) Dong DVB-T2-MI chứa mọi thông tin liên

quan đến DVB-T2-FRAME Mỗi dòng DVB-T2-MI có thể được cung cấp cho

một hoặc một vài bộ điều chế trong hệ thống T-2

SS3: Bộ điều chế T-2 (T-2 Modulator) Bộ điều chế T-2 sử dụng

Baseband Frame và DVB-T2- Frame có trong dòng DVB-T2-MI, căn cứ vao đó

dé tao ra Khung T-2

SS4: Giải điều chế T-2 (T-2 Demodulator): Bộ giải điều chế SS4 nhậntín hiệu cao tần (RF Signal) từ một hoặc nhiều máy phát (SEN Network) và cho

mot dong truyền tải (MPEG-TS) duy nhất tại đầu ra

SS5: Giải mã dòng truyền tải (Stream Decoder): Bộ giải mã thu nhận tin

hiệu và giải mã thành tín hiệu video/audio dé đưa ra tivi

2.4 Giải pháp kỹ thuật cơ bản trong DVB-T2

2.4.1 Vai trò của T2-Gateway trong hệ thống DVB-T2

T2 - Gateway là thiết bị quan trọng trong DVB-T2 vì nó cung cấp băngtần điều khiến và tín hiệu đến tất cả các bộ điều chế DVB-T2 trong toàn bộ cácgiao diện đầu ra T2 - MI T2 - Gateway quản lý các PLP (Physical Layer Pipes)

dé cung cấp nhiều phương thức dịch vụ khác nhau (Di động, Internet )

DVB-T2 Gateway thực hiện các chức năng:

- Tạo các gói Dòng truyền tải DVB/MPEG - 2 trong Dòng truyền tảiDVB-T2, đã được chèn các dữ liệu đồng bộ để thực hiện phát sóng trong mạngđơn tần SEN (chế độ MISO)

- Quản lý với các chế độ một PLP hay nhiều PLP, và đầu ra sẽ là dòngT2 với các chế độ điều chế DVB-T2 với các thông tin đã được đồng bộ - đượcgọi là: T2 - MI (T2 - Modulator Interface) (T2-MI được truyền qua giao diện

ASI va IP).

- Đóng gói các Dong MPEG-?2, 4 TS vào các BBFrame.

- Tương thích tất cả các chế độ điều chế để tạo ra duy nhất cùng mộtluồng đữ liệu xác định

2.4.2 Ong vật lý Physical Layer Pipes

Trong một kênh cua DVB-T2 có thể thực hiện truyền được nhiều dòng dữ

liệu (dịch vụ) khác nhau, hoàn toan trong suốt có khả năng tải dữ liệu độc lậpvới cấu trúc và các thông số cau hình khác nhau Với mỗi dịch vu sẽ có các cauhình khác nhau như: phương thức điều chế, FEC Các cấu hình này được gọi

là các ống vật lý (Physical Layer Pipes - PLP) Một PLP có thé thực hiện truyềndịch vụ HD, trong khi một PLP khác có thê mang các dịch vu SD Tất cả các