đồ án tốt nghiệp nghiên cứu truyền hình số vệ tinh theo tiêu chuẩn châu âu thế hệ thứ hai (DVB s2) và khả năng ứng dụng tại việt nam

LỜI NÓI ĐẦU Truyền hình vệ tỉnh bắt đầu sử dụng tại Việt Nam từ những năm 1990 để truyền dẫn tín hiệu các chương trình truyền hình đến các trạm phát lại mặt đất ở các tỉnh, thành trong c

NGHIEN CUUTRUY EN HINH SO VE TINH

THEO TIEU CHUAN CHAU AUTHE HE THU HAI (DVB-S2)

VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Giảng viên hướng dẫn: 7.S Cao Thành Nghĩa Sinh viên thựchiện : Nguyễn Trọng Thái

Khóa học : 2008 - 2013

NGHỆ AN- 2013

MUC LUC

Trang

09)80)/9627100077.- QA ẴÔÒÔỎ i TÓM TẮT ĐỒ ÂN 2222222222222222222111112112222121111111122221211111112 2221111111 xe iii

DANH SÂCH CÂC HÌNH VE ssssesssssssssssosssseessossssesssssssssessssssssessesssssssecsssneessenssnsessens iv DANH SACH CAC BANG BIBU .esssesssssssssssesssossssessssssissssssssissesesssssessesssssessesssnseeseesen V DANH MỤC CÂC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮTT - ¿©+£+2+++E+£+2Eke+Ex+zzrx vii Chương 1 TÔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SÓ QUA VỆ TĨNH 1

1.1 Tổng quan về truyền hình số qua V6 tihie ccescssesssssesssssesesseesesssessssseesssseesessees 1

I0 00: 1 dÔŸ3Ÿ:::Đậệ , Ô 5

1.2.1 Thích nghỉ đầu văo vă phđn tân năng lượng -c-+ 6 1.2.2 00 10

1.2.3 Khối xâo trộn bit :+-222222222222+E222222111112 22122111111 re, 1

1.2.4 Ma hoa trong-m@ Chap occ ecececeesseseseseseseeceeeeeeeeeeeeeeaeaeaeaeeeeeeeeeeeeeeeeaeaes 13 1.2.5 Loc bang gĩc va diĩu chĩ tin HiGU ccccscsssssessssssssesssssssseessessssesseessseeeseeses 16

1.3 Câc thông số kỹ thuật đường truyền của tiíu chuẩn DVB-S - 18

1.4 Tiíu chuẩn truyền hình vệ tinh lưu động DVB-DSNG .- - 20

1.4.1 Sơ lược về điều chế mê lưới =+++++t+CEE+eerrrrrrkxerrrrrkks 21

1.4.2 Tiíu chuẩn DVB-DSNG 222 222222222222212222222111112.21 21 e 22

1.5 Kết luận chương l -22¿++2EV+++++22EEEAE+EEEE2111212222111222221112 222112 24 Chuong 2 TIEU CHUAN DVB-S2 VĂ MỘT SỐ ỨNG DỤNG 25 2.1 Giới thiệu về tiíu chuẩn DVEB-S2 .22¿-5222222c22222222 2221112 22E eecee 25 2.1.1 Khối thích nghi kiểu truyền dẫn 2-22£©22+ze+2E+seccrvseerrrs 25 2.1.2 Khối thích nghi dòng truyền tải -22-©2222222e22EEESe+EEESerrrreerrrrs 30 2.1.3 Khối mê hóa sửa lỗi trước FEC -cczz+22222vvvzcccrzezrrr 31 2.1.4 Khối ânh xạ bit lín chòm sao điều chế - czz+cccsscccz+e 34

2.1.5 Tạo khung lớp vật lý . ¿+ S« k1 * 2H HH HH gi, 36 2.1.6 Lọc băng gốc vă điều chế cầu phương - + ce+ecsc+e xezxezxz 53

2.2 Đặc điểm của tiĩu chudin DVB-S2 ccsccsssssssesssesssesssessecssecseessecsuecsessseesseeses 40

2.3 Một số điểm đâng chú ý về thông số kỹ thuật của tiíu chuẩn DVB-S2 42

2.4 So sânh một số thông số kỹ thuật với DVB-S . -.2¿-©2:scccccsecccvsee 46

PC co sa 4 ÒÔỎ 50

Chuong 3 MOT SO DE XUAT VE DICH VU VA THONG SO TRAM THU PHAT

KHI SỬ DỤNG DVB-S2 CHO ĐÀI THVN cccccccccrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 51

3.1 Hiện trạng sử dụng thông tin vệ tinh của Đài Truyền hình Việt Nam 51 3.1.1 Hiện trạng truyền dẫn va phát sóng các chương trình truyền hình quảng bá và truyền hình lưu động qua vệ tỉnh ¿+222ez+2222zeerrrrvs 51

3.1.2 Hiện trạng truyền dẫn và phát sóng chương trình truyền hình VTV4 dành

cho cộng đồng người Việt Nam ở nước ngoài qua vệ tỉnh -+ 52 3.1.3 Hiện trạng các máy phát vệ tinh của Đài THVN .- -‹+- 52 3.1.4 Hiện trang may phát vệ tinh lưu động băng C 53

3.2 Một số đề xuất về dịch vụ của DVB-S2

20000007 -1¬125“,) , 54 3.2.2 Phân phối chương trình đến các trạm phát truyền hình mặt đất 55

3.2.3 Các ứng dụng lưu động DSNG sử dụng DVB-S2 - -55<c<52 56

3.2.4 Góp tin truyén hinh toi Studio ccccssssssesssssesssssesssssessssseeessseesssseesssseesessee 57 3.2.5 Mã hóa và điều chế thích nghi cho các ứng dụng điểm-điểm 58

3.2.6 Dich vu IP unicast .cccccsssesssssssssesscsssssecsecsssssssessssnecsessssnessesssanesseessanesseess 59

3.2.7 Đối với dich vụ truyền hinh quang ba c.ecceesceseeccsssescssseecsssesssseeessseessssee 60 3.3 Kết luận chương 3 22222¿+22E2.+222221111222221111122121111122221112 0.1111 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình vệ tỉnh bắt đầu sử dụng tại Việt Nam từ những năm 1990 để truyền dẫn tín hiệu các chương trình truyền hình đến các trạm phát lại mặt đất ở các tỉnh, thành trong cả nước Ban đầu là sử dụng vệ tỉnh băng tần C, công nghệ tương tự, sau đó đã tiến đến công nghệ số băng tần C, Ku Sau đó truyền dẫn vệ tỉnh được sử đụng đề truyền hình trực tiếp các chương trình như kỷ niệm các ngày

lễ lớn, các sự kiện thể thao, văn hóa trong và ngoài nước, cầu truyền hình, đã đem lại hiệu quá kinh tế, kỹ thuật cao và phát huy những ưu điểm của truyền hình số qua vệ tỉnh

Ngoài nhiệm vụ truyền dẫn, từ năm 2002 Đài Truyền hình Việt Nam đã sử

dụng vệ tinh vào dịch vụ truyền hình đến từng nhà DTH với ưu điểm có thể sử

dụng anten thu kích thước nhỏ gọn trên băng tần Ku Hiện nay, số lượng thuê bao DTH đã tăng lên đáng kể và số lượng cũng như chất lượng chương trình không ngừng được nâng cao nhằm đáp ứng nhu cầu của thuê bao và cạnh tranh với các loại hình truyền dẫn khác

Toàn bộ hệ thống truyền hình số qua vệ tỉnh của Truyền hình Việt Nam hiện

nay sử dụng tiêu chuẩn nén video MPEG-2 và tiêu chuẩn truyền hình qua vệ tỉnh

DVB-S Tiêu chuẩn DVB-S2 ra đời từ năm 2003 với những ưu điểm so với chuẩn DVB-S như: khả năng sử dụng băng tần hiệu quá hơn, các kiểu điều chế, mã

hóa linh hoạt hơn và không bị hạn chế với kiểu mã hoá MPEG-2 mà mềm dẻo hơn

khi chấp nhận bắt 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 Tiêu chuẩn DVB-S2 đã bắt đầu được đưa vào sử dụng tại Đài THVN trong truyền dẫn lưu động từ đầu năm 2010 Trong những năm tới, việc đưa vào sử dụng chuẩn DVB-S2 trong truyền dẫn, phát sóng các chương trình truyền hình là cần thiết Tuy nhiên cần có sự nghiên cứu tìm hiểu một cách khoa học để việc áp dụng đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao và tận dụng tốt các thiết bị hiện tại

Với mục tiêu này em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu truyền hình số vệ tình theo tiêu chuẩn Châu Âu thế hệ thứ hai (DVB-S2) và khả năng ứng dụng tại Việt Nam ”

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Cao Thành Nghĩa đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án này Do thời gian có hạn, trình

độ bản thân còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được

su gop y của các thây, các cô cùng các bạn

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Thái

ii

TOM TAT DOAN

Trong đồ án nay, em xin trình bày tổng quan về truyền hình số vệ tỉnh và đi sâu vào nghiên cứu và thử nghiệm chuẩn DVB-S2, cũng như một số ứng dụng của

chuẩn DVB-S2 với ngành truyền hình và cuối cùng là đề xuất về địch vụ và

thông số trạm thu phát khi sử dụng DVB-S2 cho Đài THVN Nội dung của đồ án bao gồm:

- Chương 1: Tổng quan về truyền hình số vệ tỉnh

- Chương 2: Tiêu chuẩn DVB-S2 và một số ứng dụng

- Chương 3: Một số để xuất về dịch vụ và thông số trạm thu phát khi sử dung DVB-S2 cho Dai THVN

ABSTRACK

In this thesis, I would like to present an overview of satellite digital television and going into research and testing DVB-S2, as well as some applications of the DVB-S2 standard for the broadcast industry and eventually is proposed to service and base station parameters when using the DVB-S2 for Vietnam Television The contents of the scheme include:

- Chapter 1: Overview of satellite digital television

- Chapter 2: DVB-S2 standard and some applications

- Chapter 3: Some suggestions on services and base station parameters when using the DVB-S2 for Vietnam Television

iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VỀ

Trang

Hình 1.1 Một số ứng dụng của truyền hình số qua vệ tỉnh . -s 2 Hình 1.2 Sơ đồ khối truyền hình số qua vệ tỉnh - -¿¿-©2e+++2+see+crrxez 3 Hình 1.3 Sơ đồ khói hệ thống truyền hình vệ tinh DVB — S

Hình 1.4 Ví đụ một mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên đơn giản -.- -«-«<«+ 7

Hình 1.5 Nguyên lý ngẫu nhiên hóa để phân tán năng lượng trong DVB-S 9

Hình 1.6 Cấu trúc dong truyền tải sau khi được ngẫu nhiên hóa - 9

Hình 1.7 Gói dòng truyền tải TS của MPEG-2 -.-¿¿©22ccc2c2veeverreerrrrecree 10 Hình 1.8 Gói TS sau khi được mã hóa RS ¿- 52 5< + S252 *+sSzx£e£zxzesexzsseeese 10 Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của bộ xáo trộn/ giải xáo trộn - -+ 12

Hình 1.10 Lỗi chùm được phân tán thành nhiều lỗi đơn -2 +: 13

Hình 1.11 Bộ tạo mã chập với độ dài K = 3 - 55+ S+‡x+tsrsrvetetetsrerevree 13 Hình 1.12 Các trạng thái và đầu ra của bộ tạo mã chập được xét 14

Hình 1.13 Sơ đồ trạng thái của bộ tạo mã chập được xXét -. cc«cc<xss+ 14 Hình 1.14 Sơ đồ lưới của bộ tạo mã chập được xét

Hình 1.15 Sơ đồ bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S 1S Hinh 1.16 Vi tri các bít được loại bỏ trong các tỷ lệ mã tương ứng 16

Hình 1.17 Đáp ứng tần số của bộ lọc với các giá trị œ khác nhau - 17

Hình 1.18 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QPSK trong DVB-S 18

Hình 1.19 Giản đồ chòm sao định vị các bit điều chế QPSK - 18

Hình 1.20 Nguyên lý điều chế TCM 2-22¿+2E++++2EEEE22E21222113222211.12E1.cee 21 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý điều chế TCM”pragmatic”dùng trong DVB 22

Hình 1.22 Sơ đồ khối điều chế §PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB-DSNG - 23

Hình 1.23 Giản đồ định vị bit điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB —DSNG 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2 22 2+++2E++222EEEE22215222222212212.e 25 Hình 2.2 Hoạt động của bộ mã hóa CRC-8

Hình 2.3 Định dạng đầu ra sau khối thích nghi kiểu truyền dan 28

Hình 2.4 Các thành phần trong khối thích nghi dong truyền tải - 30

Hình 2.5 Khung BBFRAME tại đầu ra khối thích nghỉ dong truyền tải 30 Hình 2.6 Nguyên lý ngẫu nhiên hóa trong DVB-§2 -2¿-2cccsccvccrcrveccee 31

IV

Hình 2.7 Các thành phần trong khối mã hóa trước FEC -cc+ 31

Hình 2.8 Cấu trúc FECFRAME sau bộ mã hóa trước . -s¿se2se+x+z+rx 31

Hình 2.9 So đồ xáo trộn bit, điều chế §PSK và khung FECFRAME thường 34

Hình 2.10 Các sơ đồ điều chế được sử dụng trong DVB-S2 35 Hình 2.11 Ánh xạ các bit trong điều chế phân cấp - ¿+2sz+2cvsceee 36 Hình 2.12 Minh họa cấu trúc khung vật lý được sử dụng trong DVB-S2 36

Hình 2.16 Mô hình mã hóa và điều chế thích nghi 45

Hình 2.17 Độ lợi công suất cúa DVB-S2 với DVB-S 47

Hình 2.19

(AWGN)

Nội) và Ku (Vĩnh Yên)

Hình 3.2 Truyền dẫn và phát sóng chương trình VTV4 qua vệ tinh 52

Hình 3.3 Sơ đồ khối máy phát vệ tỉnh băng C 2¿+CE+2ee+cEvvzeerrrrrkx 53

Hình 3.4 Cấu hình phát sóng HDTV và SDTV sử dụng VCM - 55 Hình 3.5 Phân phối chương trình đến các tram phát truyền hình mặt đắt 56

Hình 3.6 Sơ đồ khối của hệ thống DVB-S2 với ứng dụng điểm-điểm 58

Hình 3.7 Dịchvụ IP dùng DVB-S2 liên kết ACM 72ccccccccccveeccrrrres 59

Hình 3.8 Vùng phủ sóng vệ tinh Measat Ì cSc se St Stteseeieeierrke 61 Hình 3.9 Vùng phut song vé tinh VINASAT 1 ooo eeeeeseseseseececceeeeeeeeeeeeeeeneaeeeeeee 63

DANH SACH CAC BANG BIEU

Bang 1.1 Vi du cdc trang thai va đầu ra của mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S

Bang 1.3 Sự phụ thuộc của tốc độ bit vào băng thông và tỷ lệ mã trong

BS 19

Bảng 1.4 Tý lệ mã trong và Eb/ No yêu cầu tại phía thu -+ 20 Bang 1.5 Cac lựa chọn điều chế và mã hóa trong DVB -DSNG - 24 Bảng 2.1 Giá trị các trường trong MATTYPE-[, 55c cccctreekekerererree 29

Bảng 2.2 Các tham số mã hóa đối với khung FECFRAME thường 32

Bang 2.3 Đa thức sinh BCH trong trường hợp khung FECFRAME thường 33

Bang 2.4 Thông số của bộ xáo trộn bit trong tiêu chudn DVB-S2 34

Bảng 2.5 Số lượng các SLOT theo độ dài XFECRAME

Bảng 2.6 So sánh DVB-S2 với DVB-S ở một vài chế độ làm việc khác nhau điển hình 22+c+212112 2.1 1 HH HH 48 Bảng 3.1 Ví dụ so sánh DVB-S và DVB-S2 trong ứng dụng quảng bá 54

Bang 3.2 Bảng kết qua C/N toan tuyến đối với vùng phủ sóng và với các anten thu NoiiUi1sð vi0¡8 vì 1e) NT ẻ 62 Bang 3.3 Yêu cầu C/N đối với các tỷ lệ mã hoá FEC trong đương truyền vệ tinh tiêu chuẩn DVB-§ 2 2 2 HH 62 Bảng 3.4 Bảng kết quả C/N toàn tuyến đối với vùng phủ sóng và với các anten thu

No 00s i18 ‹ 1á An 64 Bảng 3.5 Yêu cầu đường truyền đối với các kiểu mã hoá - 65

vi

DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT

8PSK 8-ary Phase Shift Keying Khóa dịch pha 8 mức

16-ary Amplitude Phase ¬

16APSK Khóa dịch biên độ và pha 16 mức

Shift Keying

32-ary Amplitude Phase ¬

32APSK Khóa dịch biên độ và pha 32 mức

Shift Keying

Adjacent Chanel -

ACT Nhiều kênh cận kênh

Interference

AGC Automatic Gain control Tự động điêu chỉnh độ khuêch dai

Adaptive Coding and ` ,

Modulation

Adjacent Satellite -

ASI Nhiéu do vé tinh cận kênh

Interference

AVC Advanced Video Coding Mã hóa video tiên tiên

Additive white Gaussian - ,

AWGN Tạp âm Gaussian tính cộng trăng

noise

BC Backwards Compatible Tương thích ngược

BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying | Khóa dịch pha hai mức

Bode-Chaudhuri , -

BCH Mã khôi nhị phân sửa lỗi

Hocquenghem

CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ sô sóng mang trên tạp âm

CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi

Constant Coding and os

Modulation

CRC Cyclic Redundancy Check | Mã kiểm tra chin lẻ vòng

DFL Data Field Length Độ dài trường đữ liệu

DTH Direct To Home Dịch vụ truyền hình vệ tinh tận nhà DVB Digital Video Broadcasting | Tô chức dự án phát thanh truyền hình số châu Âu

vii

DNP Deleted Null Packets Xóa các gói rỗng

EIRP Effective Isotropic Radiated | Công suất phát xạ đắng hướng tương

Power đương

FEC Foward Error Correcection | Mã sửa lỗi trước

HDTV High Definition Television | Truyền hình độ phân giải cao

HP High Priorty Dòng dữ liệu độ ưu tiên cao

HPA High Power Amplifier Bộ khuêch đại công suât cao

IF Intermediate Frequency Tân sô trung tân

ISI Intersybol Interference Nhiễu xuyên ký tự

LDPC Low Density Parity Check | Mã kiểm tra chẵn lẻ thấp

LNA Low Noise Amflifier Bộ khuêch đại tạp âm thâp

LNB Low Noise Block Bộ đôi tân, khuêch đại tạp âm thâp

LP Low priority Dong dir ligu d6 wu tién thap

MCPC Multi Chanel Per Carrier Nhiéu kénh trén mot song mang

Multi-Protocol

MPE Đóng gói đa thủ tục

Encapsulation

MUX Multiplexer Ghép kênh

NP Null Packets Các gói trông

NA Not Applicable Không ứng dụng

PL Physical Layer Lớp vật lý

PLS Physical Layer Signalling Báo hiệu lớp vật lý

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QoS Quality of Service Chat lugng dich vu

QPSK Quadrature Phase Shift Keying | Điêu chê pha vuông góc

RF Radio Frequency Tan so radio (cao tan)

RS Reed-Solomon error correction M4 sua sai Reed — Solomon

code

SCPC Single-Channel-Per-Carrier | Đơn kênh trên một sóng mang

SDTV Televition Standard Definition Truyền hình phân giải tiêu chuẩn

viii

SOF Start Of Frame Bắt đâu khung

SSPA Solid State Power Amplifier | Bộ khuếch đại công suất bán dẫn

SYNC Synchronization Đông bộ

TS Transport Stream Dòng truyên tải

Tx Transmitter Máy phát tín hiệu

TWTA Traveling Wave Tube Bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạy

Amplifier

ULPC Uplink Power Control Điều khiển công suất phát lên

UPL User Packet Length Độ dài gói người dùng

ix

Chương l

TONG QUAN VE TRUYEN HINH SO QUA VE TINH

Truyền hình qua vệ tỉnh là một phương pháp phủ sóng có hiệu quả so với các phương pháp khác Trong hệ thống truyền hình mặt đất, dé phủ sóng toàn bộ lãnh thổ sẽ cần đến rất nhiều trạm phát truyền hình mặt đất với chất lượng tín hiệu

không đồng đều, nhất là với địa hình nhiều đồi núi như nước ta Truyền hình qua vệ

tỉnh có những ưu điểm mà các hệ thống phát sóng truyền hình khác như truyền hình cáp hay truyền hình mặt đất không thể có được

Với ưu điểm có vùng phủ sóng rộng, không phụ thuộc vào địa hình đồi núi,

để phủ sóng cả lãnh thổ Việt Nam chỉ cần một trạm phát lên vệ tỉnh, những

trạm mặt đất đặt trong vùng phủ sóng đều thu được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh Một

số ưu điểm nữa là chất lượng tín hiệu ôn định, dung lượng đường truyền lớn, cường

độ trường tại điểm thu ổn định truyền hình qua vệ tinh đã được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu

1.1 Tổng quan về truyền hình số qua vệ tỉnh [1]

Truyền hình số qua vệ tỉnh phát triển vào năm 1995 nhưng vào thời

điểm đó chỉ chiếm một thị phần nhỏ Đến cuối năm 1998 chỉ có 0.3% hộ gia đình thu tín hiệu truyền hình số vệ tinh DTH Đến nay số hộ gia đình sử dụng truyền hình số qua vệ tỉnh đã phát triển tại hầu hết các nước trên thế giới Chỉ tính đến cuối năm 2004 riêng khu vực Châu Á đã có trên 25 triệu hộ gia đình sử dụng

truyền hình số qua vệ tinh

Dịch vụ DTH sử dụng công nghệ truyền dẫn số nên đảm bảo chất lượng tín hiệu hình ảnh cũng như âm thanh, có thể truyền dẫn được nhiều chương trình truyền hay một chương trình truyền hình có độ phân giải cao HDTV và độ phân

thanh lập thể AC-3 Ngoài ra hệ thống truyền hình số còn tương thích với

nhiều loại dịch vụ khác như truyền dữ liệu, internet, truyền hình tương tác

Do đặc điểm phân bố địa hình và dân cư trên lãnh thổ Việt Nam, nhiều đồi

núi, mật độ dân cư phân bố không đồng đều, nên việc lựa chọn phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tinh để phủ sóng toàn quốc là có hiệu quả

cao nhất Truyền hình Việt Nam bắt đầu sử dụng công nghệ truyền hình số qua vệ tinh từ tháng 4-1998 với chương trình VTV3 phát trên băng tan Ku qua vệ tinh Thaicom 2 Đến nay, toàn bộ các chương trình của truyền hình Việt Nam đã sử dụng công nghệ truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh

Việc chuyển đổi sang phát truyền hình số qua vệ tỉnh sẽ tạo ra nhiều

dịch vụ mới kết hợp với việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tỉnh

trong tương lai như:

s Truyền hình trực tiếp từ vệ tỉnh tới các hộ gia đình (DTH): Cung cấp

các kênh truyền hình mà người xem có thể thu trực tiếp chương trình truyền

hình từ vệ tinh bằng anten thu có đường kính từ 60cm đến 90cm

he DTH May phat mat ll) | — + ws

ait SMATV

Hình 1.1 Một số ứng dụng của truyền hình số qua vệ tinh

e Truyền dẫn tín hiệu đến các trạm phát lại mặt đất: Phương thức này đang được áp dụng hiệu quả tại Đài THVN để đưa tín hiệu các chương trình

VTVI, VTV2, VTV3, VTV5 đến khoảng hơn 100 trạm phát lại mặt đất của

THVN tại các tỉnh thành phố và hàng ngàn máy phát lại công suất nhỏ khác tại các huyện, xã trong cả nước

e Truyền hình độ phân giải cao (HDTV): Cung cấp các kênh truyền hình

có độ phân giải cao HDTV trên độ rộng băng tần của 1 bộ phát đáp mà hệ thống tương tự không thể thực hiện được

e Truyền dẫn tín hiệu truyền hình lưu động (SNG): Truyền tin nhanh từ

hiện trường về studio, truyền hình trực tiếp các chương trình ca nhạc, thể thao,

các sự kiện chính trị, văn hóa,

® Internet: Cung cấp đường truyền số liệu tốc độ cao từ nhà cung cấp dich vụ đến các thuê bao dịch vụ

e SMATV: Cung cấp dịch vụ truyền hình đến các tòa nhà lớn, khu chung cư

e Đầu cuối CATV: Cung cấp tín hiệu truyền hình đến các đầu cuối dịch vụ truyền hình cáp để đưa đến các thuê bao truyền hình cáp

Khác với các phương pháp truyền dẫn khác như truyền hình mặt đất hay truyền hình cáp, phương pháp truyền dẫn tín hiệu qua vệ tỉnh cũng có nhưng đặc điểm riêng phụ thuộc vào mục đích truyền dẫn tín hiệu qua vệ tỉnh Do đặc điểm của

truyền dẫn tín hiệu qua vệ tỉnh có đặc điểm là truyền dẫn trong tầm nhìn thăng, hệ số

định hướng của anten lớn, tín hiệu ít bị ảnh hưởng của phản xạ nhiều đường Tuy nhiên do công suất trên vệ tỉnh là hữu hạn, đồng thời cự ly thông tin lớn, suy giảm

}N của

đường truyền không cao so với các phương pháp truyền dẫn khác, ví dụ như truyền đường truyền lớn, đễ bị ảnh hưởng của mưa nhát là băng tần Ku vì vậy tỷ số

hình cáp hay truyền hình số mặt đất Chính vì những lý do đó mà hiệu suất sử dụng

băng thông không cao so với các phương pháp truyền dẫn khác

D#liệu | dirtiu 1! pias ong HEL Đồi tần lên >

1/ Khối mã hóa tín hiệu và ghép kênh: Có nhiệm vụ tạo ra dòng truyền tải

TS Tín hiệu truyền hình tương tự được biến đổi sang tín hiệu số, sau đó được nén theo tiêu chuẩn MPEG -2 Dòng bit thu được là các dòng cơ sở ES được phân vào

các gói dòng truyền tải TS Tùy thuộc vào hệ thống mà dòng truyền tải có thể là

đơn chương trình hay đa chương trình Các biện pháp khóa mã cũng có thể được áp dụng dé tăng tinh bảo mật cho hệ thống

2/ Khối điều chế: Sau khi tạo thành dòng truyền tái MPEG-2, tín hiệu được

đưa đến khối điều chế tín hiệu số Khối điều chế có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu truyền hình số MPEG-2 thành tín hiệu trung tần IF (Intermediate Frequency 70/140 MHz) Tùy thuộc vào các tiêu chuẩn khác nhau mà các kiểu điều chế được sử dụng khác nhau Các kiểu điều chế được áp dụng trong tiêu chuẩn DVB-S là

QPSK, BPSK, 8PSK hay 16PSK; trong DVB-S2 1a QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK

3/ Phan RF: Sau khi diéu ché dong truyén tai thanh tin hiéu trung tan IF, tin hiệu trung tần IF sẽ được đưa tới khối đối tần lên (Upceonverter) để biến đổi tín hiệu trung tần từ 70 MHz lên thành tín hiệu RE Tùy thuộc vào băng tần hoạt động của

hệ thống mà tần số RF có thé thay đổi từ 5,9 GHz đến 6,7 GHz đối với băng tần C

hay từ 13,75 GHz đến 14,5 GHz đối với băng tần Ku Sau khi đi qua khối đổi tần tín

hiệu RF được đưa vào khối khuếch đại công suất (HPA - High Power Amplifier) để đạt được công suất cần thiết phát lên vệ tỉnh Khối đổi tần này và khối khuếch đại

công suất tương tự như các khối khuếch đại công suất hay đổi tần trong các trạm phát truyền hình tương tự qua vệ tinh

Hệ thống thu có chức năng ngược lại so với hệ thống phát, tín hiệu RF sau khi đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) sẽ được đổi tần xuống trung tần band

L Tại các máy thu tín hiệu trung tần band L sẽ được khuếch đại, giải điều chế thành dòng truyền tải TS sau đó được giải mã thành tín hiệu tương tự đưa đến monitor qua đường dây AV

Hệ thống truyền hình số qua vệ tinh sir dung tin hiệu vào là đòng truyền tai MPEG - 2 theo tiêu chuẩn ISO/IEC 13818 Tùy thuộc vào mục đích truyền tín hiệu qua vệ tỉnh mà hệ thống truyền hình số qua vệ tỉnh có cấu trúc hệ thống khác nhau Truyền hình số qua vệ tỉnh có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như: truyền dẫn tín

hiệu cho các trạm phát lại tương tự, truyền dẫn cho các chương trình truyền hình phụ vụ cho truyền hình trực tiếp hay từ vệ tỉnh đến các hộ gia đình (DTH — Derect

To Home)

Mặc dù truyền hình số qua vệ tinh có thể ứng dụng cho nhiều mục đích nhưng về cơ bản các hệ thống máy phát tín hiệu truyền hình số qua vệ tỉnh đều có những đặc điểm chung

1.2 Tiêu chuẩn DVB -S (EN 300 421) J4]

Tiêu chuẩn DVB-S (EN 300 421) ra đời vào năm 1994, được sử dụng phố

biến để truyền tín hiệu truyền hình quáng bá qua vệ tỉnh Đường truyền vệ tỉnh ngoài những ưu điểm còn tổn tại một nhược điểm lớn là cự ly thông tin lớn, chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu và tạp âm Bản thân dòng truyền tải MPEG-2 không

có chức năng sửa lỗi, chống nhiễu đường truyền do vậy không thẻ truyền trực tiếp dòng truyền tải

Tiêu chuẩn DVB-S được thiết kế trên cơ sở gia tăng khả năng chống nhiễu cho dòng truyền tải MPEG-2

Theo DVB-S, quá trình xử lý tín hiệu truyền hình vệ tỉnh gồm các bước

như sau:

- Thich nghi đầu vào và phân tán năng lượng

- Mã hóa ngoài sử dụng mã Reed-Solomon RS (204,188)

- _ Xáo trộn bit nhằm tăng khả năng chống lỗi cụm

- M& héa trong sử dụng mã xoắn với các tỷ lệ mã khác nhau

- _ Lọc băng gốc và điều chế QPSK

Mã hóa và ghép Thich neni dau vio Mã hóa ngoài Xáo trên bị

kênh MPEG - 2 P) Va Phan tan nang RS(204,188) › ao nợ

1.2.1 Thích nghỉ đầu vào và phân tán năng lượng [2]

1.2.1.1 Sự cần thiết phải phân tán năng lượng

Dong bit dau vào phải được tiến hành phân tán năng lượng, mục đích của quá trình này là nhằm xáo trộn các bit nhằm tránh hiện tượng các bit giống nhau tập trung với số lượng lớn Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng tập trung năng lượng trong phổ, được biết đến như các phổ vạch Cần tránh xuất hiện phố vạch do:

- Sự tập trung năng lượng cao tần sẽ tăng khả năng tạo ra giao thoa trong các kênh có tần số cạnh nhau

- Các vạch phổ có định có thé tạo ra vấn đề nghiêm trọng khi thu Bởi vì bộ

dao động nội có thể điều chỉnh đến vạch phổ thay cho sóng mang tới, gây tổn hao thông tin

- Các vạch phổ, thực chất là thành phần một chiều DC rất khó để

truyền dẫn, gây mất mát thông tin được truyền đi

1.2.1.2 Nguyên lý của ngẫu nhiên hóa nhằm phân tán năng lượng

Việc ngẫu nhiên hóa được thực hiện theo nguyên lý tương tự như kỹ thuật trai phé Day bit đầu vào sẽ được cộng modul 2 với một dãy bit giả ngẫu nhiên (PRBS-Pseudo Random Binary Sequence) được tạo ra từ các thanh ghi dịch Như vậy tín hiệu đầu vào có phổ bất kỳ trở thành tín hiệu có phổ tương tự như

phô của tín hiệu giá ngẫu nhiên

Tại phía thu, dãy bit thu được cũng được cộng với dãy bit giả ngẫu nhiên Khi đó sẽ khôi phục được dữ liệu hoàn toàn giống như trước khi xáo trộn Điều này được giải thích như sau:

- Bộ cộng modul 2 là cổng logic XOR có bảng chân lý:

- Giả sử tín hiệu muốn truyền đi là X

- Tín hiệu giả ngẫu nhiên PRBS là Y

-_ Tín hiệu được truyền đi sau khi qua bộ ngẫu nhiên hóa là X - Y

- Tín hiệu thu được sau khi cộng với chuỗi giả ngẫu nhiên tương tự phía phát:

Để tín hiệu sau khi khôi phục hoàn toàn giống với tín hiệu đã truyền đi thì tín hiệu giá ngẫu nghiên tại phần thu phải giống hoàn toàn so với phần phát và phải đồng bộ với phần phát

1.2.1.3 Điều kiện của chuỗi giả ngẫu nhiên

Các chuỗi giá ngẫu nhiên PRBS có thể được tạo ra từ các thanh ghi dịch và các mạch hồi tiếp Đối với thanh ghi dịch có độ dài n, độ dài N của chuỗi

PRBS được tạo ra là: N = 2P-]

Chuỗi PRBS trước khi xáo trộn với luồng bit vào MPEG-2 phải thỏa

mãn các điều kiện như:

- Tính cân đối (balance property): số bit 1 và 0 lệch nhau tối da 1 bit

- Tính chạy (run property): số bước chạy độ đài I chiếm 1/2 tổng số bước

chạy, số bước chạy có độ dài 2 chiếm 1⁄4 tổng số bước chạy, độ dài 3 chiếm 1/8

tổng số bước chạy

- Tính tương quan (correlation property): so chuỗi ban đầu với chính chuỗi

đó khi dịch chuyển, tổng các số hợp (giống nhau) a (agreement) và tổng các số không hợp (khác nhau) d (disagreement) lệch nhau không nhiều hon 1

Để minh họa, xét chuỗi PRSB đơn giản có 4 bộ ghi dịch như trong hình vẽ sau:

Hình 1.4 Ví đụ một mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên đơn giản

Đa thức sinh (polynomial) của chuỗi giả ngẫu nhiên trong trường hợp này

là: 1+ XỶ + X” Vì bộ ghi dịch có n = 4 thanh ghỉ nên độ dài chuỗi PRSB là 2 -I

= 15 Giả sử trạng thái ban đầu là 1000, chuỗi giả ngẫu nhiên sẽ được tạo ra như trong bảng:

Bảng I.1 Ví dụ các trạng thái và đầu ra của mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

SOTT | Trạng thái Bit ra SOTT | Trang thái Bit ra

- _ Tính cân đối: tổng số bit 0 là 7, tổng số bit 1 1a 8

- _ Tính chạy: số bước chạy có độ dài 1 bằng 4, số bước chạy có độ dài 2 bằng 2, độ dài 3 bằng 1, độ dài 4 bằng 1

- Tính tương quan: xét công thức tổng quát hàm tự tương quan của

chuỗi f(f) (có chu kỳ T) và bản sao của nó khi dịch chuyển f(t + +)

(1 <r<N) Trong đó r là số bước địch chuyền:

T/2

k(z) = lim Jro.t(t+ oa (12)

-T/2

Khi t = 0, f(t) va f(t + +) tương quan tốt nhất: K(t) = 1

Khi chuỗi f( được dịch di 1 nhịp, tương quan giữa f(t) va f(t + +) như sau:

Theo tiêu chuẩn DVB-S, đòng dữ liệu đầu vào hệ thống là dòng truyền tải

MPEG-2 Độ dài các gói của dòng truyền tải là 188 byte, trong đó có một byte

dùng để đồng bộ gói với giá trị luôn bằng 47HEX (01000111) Việc phân tán

năng lượng luôn được thực hiện từ bit đầu tiên của byte đồng bộ (MSB- Most Significant Bit) tire 1a bit 0 của byte 01000111

Chuỗi bit được nạp ban đầu

1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0

—>| 1 2]3|14|5|8 |7 |8 |9 |10|11112|13|14|15

90000011 { Œ=—

Dòng bit đã xáo trộn/

Dong bit đã xáo trộn

TAt/mé Dòng bít cần giải xáo trộn

Hinh 1.5 Nguyên lý ngẫu nhiên hóa để phân tán năng lượng trong DVB-S Chuỗi PRSB được tạo ra bằng thanh ghi dịch có độ dài 15, biểu thức toán

cho mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên là: G(x) = I + xl#+x1!5,

Khi nhận tín hiệu byte đồng bộ, các giá trị của thanh ghi dịch được nạp giá trị”100101010000000”và việc tạo tín hiệu ngẫu nhiên được thực hiện với chu kỳ là

8 gói dòng truyền tải MPEG-2 Sau khi xáo trộn đủ 8 gói dòng truyền tải, các thanh

ghi dịch lại được nạp giá trị trên và thực hiện chu kỳ mới

Tại phía thu, tín hiệu thu được cũng được cộng với chuỗi giả ngẫu nhiên tương

tự và đồng bộ với chuỗi giá ngẫu nhiên bên phát Do vậy đề cung cấp đấu hiệu cho bộ giải ngẫu nhiên, byte đầu tiên của gói truyền tải thứ nhất trong nhóm 8 gói được đảo

ngược trở thành B§HEX (10111000) Đồng thời các byte đồng bộ trong các gói sẽ

không được ngẫu nhiên hóa Lúc này bộ tạo chuỗi PRSB vẫn hoạt động nhưng đầu ra

sẽ được vô hiệu hóa do vậy các byte đồng bộ sẽ vẫn được giữ nguyên

Byte đồng bộ của gói đầu tiên trong chuỗi 8 gói dòng truyền tải được ký hiệu là

SYNC Byte đồng bộ của các gói còn lại (từ gói 2 đến gói 8) được ký hiệu là SVNC

D6 dai chudi PRSB = 1503 byte

vào, hoặc dòng bit đầu vào không phải là dòng truyền tải MPEG-2 Điều này để

tránh xảy ra tình trạng phát đi sóng mang không được điều chế

Tại phía thu, chuỗi giả ngẫu nhiên được tạo ra từ một mạch hoàn toàn giống

với phía phát Để đồng bộ với phần phát, mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên sẽ được

nạp giá tr[”100101010000000”mỗi khi nhận được byte đồng bộ gói bị xáo trộn (SWNC) và việc tạo chuỗi PRBS sẽ được thực hiện với chu kỳ 8 gói tương tự như phía phát

1.2.2 Mã hóa ngoài

Đường truyền vệ tinh chịu ảnh hưởng lớn của nhiễu và tạp âm nên việc áp dụng các phương pháp sửa lỗi là rất cần thiết Thông tin truyền hình là dạng thông tin một chiều do vậy phương pháp sửa lỗi được sử dụng là phương pháp sửa lỗi trước FEC Theo phương pháp này, phía thu khi nhận được tín hiệu sẽ có khả năng phát hiện và tự sửa chữa lỗi bit nếu có

Dòng bit sau khi qua khối thích nghi dòng truyền tải và phân tán năng lượng

sẽ được đưa đến khối mã hóa ngoài Trong tiêu chuẩn DVB, mã ngoài được sử dụng là mã RS (204, 188) Đây là mã Reed-Solomon, thuộc đạng mã khối (block

coding) Mã khối xử lý các khối mã theo kích thước có định, đối với mã RS (204,

188) kích thước khối mã được xử lý là 188 byte phù hợp với kích thước gói truyền tải MPEG-2 Các gói này được kết hợp với 16 byte gồm các thông tin có chức năng phục vụ cho mục đích xác định và sửa lỗi tại phía thu Như vậy kích thước

từ mã sau bộ mã hóa ngoài là 204 byte

Đa thức tạo mã: øg(x) = (x+Á) (x+AD (x+A!Š) với A= 02HEX

8 x2 + x3 + x2 +Ị,

Đa thức tạo trường: P(x) = x

Ma RS (204, 188) là mã được rút gọn dựa trên mã gốc RS (255, 239) Trước khi đưa vào bộ mã hĩa RS (255, 239), dịng bit được thêm vào 5l byte mang giá trị

0 Tại đầu ra bộ mã hĩa các giá trị này sẽ bị loại bỏ để tạo thành gĩi 204 byte

Theo lý thuyết về mã khối, mã RS (204, 188) cĩ thể sửa được tối đa 8 byte

trong I gĩi Khả năng sửa lỗi của mã khối đối với lỗi ngẫu nhiên phụ thuộc

vào số vị trí nhỏ nhất khác nhau giữa các cặp mã khác nhau, được gọi là khoảng cách Hamming Mã RS (204, 188) cĩ thể sửa được cả lỗi ngẫu nhiên (random

error) và lỗi chùm (burst error), tuy nhiên nĩ chỉ hiệu quả đối với các lỗi đơn, nếu

lỗi chùm ánh hưởng đến nhiều hơn 8 byte thi ma RS (204, 188) khơng thể khắc

phục được mà phải kết hợp với các phương pháp sửa lỗi khác

1.2.3 Khối xáo trộn bit

Phương pháp xáo trộn bit được kết hợp với mã ngồi RS (204, 188) để nâng

cao khả năng sửa lỗi chùm Khi cĩ lỗi chùm xảy ra, chất lượng tín hiệu thu được

suy giảm đột ngột Nếu lỗi chùm xảy ra vượt quá 8 byte thì phương pháp mã sửa sai RS (204, 188) khơng thể khắc phục được và dẫn tới sự sai lệch trong quá trình giải mã lại tín hiệu Nguyên lý của việc xáo trộn bịt là xáo trộn các byte trong các gĩi khác nhau theo một quy luật nhất định, sao cho các byte liền nhau sẽ thuộc các gĩi khác nhau Tại phía thu, việc xáo trộn được làm ngược lại với phía phát Khi cĩ

lỗi chùm xảy ra trên đường truyền thì các lỗi đĩ phân đều trên các gĩi mà khơng

tập trung tại một gĩi, nhờ đĩ mà khi đường truyền bị lỗi chùm thì vẫn cĩ thể khắc

phục được trong một giới hạn nào đĩ

Việc xáo trộn được thực hiện thơng qua đổi chỗ các byte khác nhau qua 12 nhánh, các nhánh cĩ cấu trúc là các thanh ghi địch FIFO (First In First Out-vào

trước ra trước) Mỗi nhánh bao gồm j*M ơ (cell) Mỗi ơ cĩ kích thước là 1 byte

Trong đĩ:

j: chỉ số của nhánh Giá trị từ 0 đến 11

N: độ dài của gĩi sau mã hĩa ngồi N = 204 byte

I: tổng số nhánh, cịn gọi là độ sâu xáo trộn (interleaving depth) I= 12 M: độ dài thanh ghi dich nho nhat M = N/I = 204/ 12 = 17 byte

11

Như vậy mỗi nhánh có kích thước từ 0, 17, 34 187 byte

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của bộ xáo trộn/ giải xáo trộn

Khi nhận được byte đồng bộ gói, bộ xáo trộn sẽ bắt đầu thực hiện việc xáo

trộn các byte giữa các gói với nhau Giả sử thời gian chuyển mạch là T, tương ứng

với thời gian truyền đi 1 byte Dé mdi byte có thể dịch đi 1 vị trí trong 1 nhánh cần thời gian là 12T là khoảng thời gian để chuyển mạch thực hiện một chu kỳ

Trong nhịp đầu tiên, byte đồng bộ không bị trễ được đi qua nhánh”0” Đến nhịp thứ 2, byte thứ 2 (byte tiếp sau byte đồng bộ) được nạp vào ô đầu tiên của

nhánh” 1”đồng thời đọc số liệu tại ô cuối cùng của nhánh”1” Như vậy độ trễ của

byte đọc ra (từ lúc vào nhánh đến lúc ra khỏi nhánh) đối với nhánh 1 được xác định như sau:

T¡ = 12T * số cell trong nhánh”1”= 12T *M= 12 * 17=204T (1.3)

Khi nhịp thứ 3 bắt dau, byte tiếp theo được nạp vào nhánh”2”đồng thời

doc ra byte cuối cùng ở nhánh”2”và cứ như vậy cho đến hết nhánh”1 1”bộ xáo trộn

sẽ trở về nhánh”0”và tiếp tục chu kỳ mới

Độ trễ của các byte khi đi qua nhánh j được xác định như sau:

Tại phía thu, bộ giải xáo trộn cũng có nguyên lý tương tự như bộ xáo trộn Các byte cũng được đưa qua các thanh ghi dịch với chiều dài tương ứng với chỉ số nhánh là (I1-j) ô Như vay cdc byte tai phía phát có độ trễ ít sẽ được

làm trễ nhiều hơn và ngược lại sao cho tổng độ trễ của cả phần thu và phát của

tất ca cdc byte la 12T * M * (j + 11-j) = 2244 T Như vậy thứ tự các byte sau khi ra

12

khỏi bộ xáo trộn sẽ có thứ tự như trước khi vào bộ xáo trộn Sự khác biệt của

dòng bít đầu ra so với đầu vào bộ xáo trộn là số liệu trong mỗi gói ở đầu ra sẽ

là số liệu của nhiều gói khác nhau ở đầu vào Các byte đồng bộ gói không bị

thay đổi vị trí (không bị trễ) Khi có lỗi chùm xảy ra trên 1 gói thì lỗi sẽ được

phân chia trên các gói này trước khi được đưa đến khối giải mã ngoài, do vậy làm tăng khả năng sửa lỗi của mã RS (204, 188)

không xử lý các khối bit có định như mã khối Dòng bit đầu vào bộ mã hóa là

liên tục và được đưa vào một thanh ghi dịch có kích thước K (tang), duoc goi la chiều đài ràng buộc của bộ ma hda (constraint length) Tin hiéu đầu vào sẽ được cộng modul 2 với nội dung chứa trong thanh ghi dịch Sở dĩ gọi là mã chập vì tín

hiệu vào được mã hóa bằng cách cộng với chính nó đã được làm trễ về thời gian

Để đơn giản, xét một bộ mã chập sau:

Trong đó:

[A]: trạng thái ban đầu của thanh ghi dịch

[B]: trạng thái sau của thanh ghi dịch

Đa thức sinh tại đầu ra l:GỊ =1+X+ Xử

Đa thức sinh tại đầu ra 2: G2 = 1 + XỶ

Số các tầng trong thanh ghi dịch của bộ tạo mã trong hình có độ dài

bằng 2, như vậy số các trạng thái có thể có là 2? = 4 trạng thái (00, 01, 10, 11)

Tùy thuộc vào từ mã đầu vào và trạng thái của bộ tạo mã mà từ mã đầu ra có thể nhận các giá trị như sau:

Hình 1.12 Các trạng thái và đầu ra của bộ tạo mã chập được xét

Hoạt động của bộ tạo mã chập có thể được biểu diễn bằng sơ đồ trạng thái Các trạng thái được thể hiện tại các nút, biểu diễn giá trị của thanh ghi dịch theo chiều từ phải sang trái Mỗi trạng thái có thể chuyển đến 2 trạng thái khác tương

ứng với bit đầu vào là 0 hoặc 1

Hình 1.13 Sơ đồ trạng thái của bộ tạo mã chập được xét

14

Một cách khác để biểu diễn mã chập là sử dụng sơ đồ lưới (trellis) Sơ đồ

lưới có ưu điểm là có thể biểu điễn các trạng thái theo trục thời gian

Hình 1.14 Sơ đồ lưới của bộ tạo mã chập được xét

Mã chập được sử đụng trong tiêu chuẩn DVB-S có nguyên lý tương tự như

trên với số tầng của thanh ghi dich là 6 Như vậy số trạng thái có thể có 1a 2° = 64

Hình 1.15 Sơ đồ bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S

Bang 1.2 Cac thong số cơ bản của bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S

Thông số Kỷ hiệu Giá trị

Chiêu dài ràng buộc K 7

Đa thức sinh của nhánh thir 1 G1 14x? 4x34 x54 6

Da thức sinh của nhánh thứ 2 G2 J+X+ x? + x +x6

Ty 1é ma 1/2 tương ứng với đòng bit đầu ra gấp đôi dòng bit đầu vào

Điều này đem đến khả năng sửa lỗi cao cho tín hiệu nhưng đồng thời cũng gây lãng phí vì thông tin có ích chỉ chiếm 1/2 trong đòng bit truyền đi Tuy

15

nhiên, các bit phục vu cho việc sửa lỗi có thể được loại bỏ (puncturing) để tăng hiệu suất sử dụng Nhờ biện pháp loại bỏ, mã trong của tiêu chuẩn DVB- S có thể đạt được các tỷ lệ mã sau: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Đây là tỷ lệ giữa thông tin có

ích và thông tin được truyền Tỷ lệ 1/2 phản ánh không sử dụng loại bỏ bit nhằm tối đa khả năng sửa lỗi, trong khi đó tỷ lệ 7/8 đạt được hiệu suất các bit thông tin lớn nhất Tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể đòi hỏi khả năng sửa lỗi hay

Hình 1.16 VỊ trí các bit được loại bỏ trong các tỷ lệ mã tương ứng,

1.2.5 Lọc băng gốc và điều chế tín hiệu

Trong các thiết bị điều chế tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh, tín hiệu được

xử lý bằng DSP ở khâu điều chế cũng như các bộ lọc số trung tần Điều này

giúp cho tín hiệu truyền hình có được độ linh động cao và tốc độ ôn định Việc điều chế tín hiệu sử dụng DSP cho phép thay đổi kiểu điều chế (QPSK, 8PSK) dễ

dàng trong những trường hợp đặc biệt (ví dụ như truyền hình lưu động DSNG)

Tín hiệu vào bộ điều chế là tín hiệu số với các xung biểu diễn”0”và”1” Phổ tần số của các tín hiệu này theo lý thuyết là vô hạn và đòi hỏi kênh truyền

cũng phải có băng thông vô hạn để truyền dẫn Điều này không thể thực hiện được trong thực tế do vậy cần phải có các bộ lọc để hạn chế đái thông của tín

16

hiệu Sử dụng các bộ lọc dẫn đến can nhiễu giữa các symbol liền nhau, được gọi là

nhiễu liên symbol ISI Để khắc phục điều này, các bộ lọc phải thỏa mãn tiêu

chuẩn Nyquist Loại bộ lọc được sử dụng trong trong tiêu chuẩn DVB-S là bộ lọc cos nâng, được đặc trưng bởi hé sé roll-off a

Hàm truyền đạt H(J của bộ lọc cos nâng:

H() = l với lf| < f(1- ơ) (1.5)

1 Z |“

HỢ) [2n T- || sekd-e<ir<kdte (1.6) H(f) = 0 v6i |f] > fy(1+ a) (1.7)

R

Trong đó fy “TT là tan số Nyquist và ơ là hệ số roll-off được lựa

Ss

chọn tùy theo kiểu điều chế được sử dụng Khi sử dụng điều chế BPSK và QPSK

hệ số œ = 0,35 Đối với điều chế §PSK hay 16QAM hệ số œ = 0,35 hoặc 0,25

tùy thuộc vào cấu hình thiết bị hay lựa chọn của người sử dụng hệ thống

Hinh 1.17 Dap tng tần số của bộ lọc với các giá trị œ khác nhau

Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu được đưa tới khối điều chế Phương pháp điều

chế được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-S là điều chế pha vuông góc QPSK

Sở dĩ được gọi là điều chế vuông góc vì tín hiệu sau điều chế gồm 2 thành phần I

(Inphase) và Q (Quadrature) lệch nhau 90” Trong DVB-S, 2 thành phần I, Q này

chính là 2 đầu ra của bộ tạo mã chập

17

Hình 1.18 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QPSK trong DVB-S

Tín hiệu sau khi qua bộ lọc băng gốc gồm 2 thanh phan I(t) va Q(t) được đưa vào 2 bộ trộn (Mixer) Bộ trộn điều chế 2 tín hiệu thành phần I, Q với

tín hiệu được lay từ bộ dao động nội (Local Oscillator), tuy nhiên đối với thành

phần Q (Quadrature) thì tín hiệu từ bộ dao động nội được đảo pha 90 Đầu ra của

2 bộ trộn kết hợp lại tạo thành sóng mang với các góc pha là ø/4, 34, 5⁄4, 74 Mỗi trạng thái pha này biểu diễn một symbol tương ứng trong biểu đồ chòm sao Phương pháp điều chế QPSK có 4 trạng thái symbol đo vậy mỗi symbol bao

gồm log24 = 2 bit, tương ứng với tốc độ đữ liệu tăng gấp 2 lần so với điều chế

BPSK thông thường

Hình 1.19 Giản đồ chòm sao định vị các bit điều chế QPSK

Tín hiệu sau điều chế sẽ được đưa đến khối cao tần nhằm biến đổi tín hiều trung

tần thành cao tần trước khi khuếch đại công suất đề đưa đến anten phát lên vệ tinh

1.3 Các thông số kỹ thuật đường truyền của tiêu chuẩn DVB-S

Bảng sau cho thấy so sánh giữa băng thông tín hiệu truyền, tỷ lệ mã chập với lượng thông tin hữu ích thu được sau giải mã chống nhiễu Thông tin hữu ích tăng theo tỷ lệ mã chập được sử dụng và băng thông được cấp phát cho

kênh truyền

18

Bảng 1.3 Sự phụ thuộc của tốc độ bit vào băng thông và tỷ lệ mã trong DVB-S

BW (Bandwidth): Bang thông tín hiệu

Rs: Téc d6 symbol Coi kênh truyền có hiệu suất sử dụng băng thông

BWIRS = 1,28

RU: Tốc độ dòng bit sau giai ma FEC

Ví dụ đối với kênh có băng thông 36 MHz: Tốc độ symbol: RS = 36: 1,28 = 28,125 Mbaud Sử dụng điều chế QPSK, mỗi symbol gồm 2 bit thông

tin Như vậy tốc độ bịt sau bộ mã hóa chập là: RỊ = 28,125 * 2 = 56,25 Mbit/s Với tỷ lệ mã chập 3/4, tốc độ bit trước khi vào bộ mã chập là: R2 = 56,25 * 3/4 = 42,1875 Mbit/s Str dung ma Reed-Solomon (204, 188) nên tốc độ bit hữu ích

trước khi thêm các bit sửa lỗi là: RU = 42,1875 * 188/204 = 38, 8786 Mbit/s

Tuy các tỷ lệ mã cao có hiệu suất dòng bit lớn hơn nhưng kha năng chống nhiễu thấp, không phù hợp với đường truyền kém Bảng sau cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ mã và tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất tạp âm (Eb/ No) Tỷ số Eb/ No được chọn dé thỏa mãn tiêu chí QEF sau khi qua bộ giải mã

Reed-Solomon Như vậy, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thé va chất lượng đường truyền

mà tỷ lệ mã được lựa chọn phù hợp

19

Bang 1.4 Tỷ lệ mã trong và Eb/ No yêu cầu tại phía thu

Tý lệ mã trong Eu/No yêu cầu (dB) (*) 1⁄2 4,5

2/3 5 3/4 5,5 5/6 6 7/8 6,4

(*) Eb/ No yéu cau duge tinh voi BER = 2.1072 sau giải mã chập, QEF

sau giải mã RS (204,188)

QEF được định nghĩa là có xấp xỉ nhỏ hơn 1 lỗi trong 1 giờ ở đầu vào của

bộ giải nén MPEG-2 tương ứng với BER 10! đán 111,

1.4 Tiêu chuẩn truyền hình vệ tinh lưu động DVB-DSNG (EN 301 210) [5] Hiện nay, một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật truyền

hình là chức năng truyền hình lưu động Các chương hình trực tiếp như thể

thao, ca nhạc, phỏng vấn, cầu truyền hình luôn có sức hấp dẫn với khán giả Để thực hiện điều này, phương pháp thường được sử dụng là các xe truyền hình lưu động SNG mặt trực tiếp tại noi dién ra sự kiện, truyền tín hiệu về cho studio xử

lý thông qua vệ tinh Truyền hình lưu động analog (PAL, SECAM, NTSC) sử dụng điều chế EM hoạt động ở băng tần C và Ku có thiết bị phát cồng kénh và

đã trở nên lỗi thời Hiện nay, phổ biến là các hệ thống SNG kỹ thuật số DSNG với

những ưu điểm như:

- Giảm bớt kích thước của trạm phát lên (anten, bộ khuếch đại )

- Yéu cau EIRP vé tinh thấp hơn

- Nâng cao hiệu suất sử dụng phô

Vào năm 1997, tiêu chuẩn DVB-DSNG ra đời trên cơ sở kế thừa tiêu

chuẩn DVB-S Bên cạnh kiểu điều chế QPSK trong DVB-S, tiêu chuẩn DSNG bổ

sung kỹ thuật điều chế lưới 8PSK và 16QAM Điều này tạo cho hệ thống khả năng

linh hoạt điều chỉnh phương pháp mã hóa kênh và điều chế trong những điều

kiện cụ thể để tối đa chất lượng

20

1.4.1 Sơ lược về điều chế mã lưới

Điều chế mã lưới TCM được Ungerboeck phát minh vào năm 1971 Thông thường trong xử lý tín hiệu, mã hóa và điều chế là 2 quá trình riêng biệt Tuy nhiên với phương pháp TCM, điều chế và mã hóa được kết hợp với nhau để nâng cao hiệu suất của hệ thống Hệ thống TCM gồm 2 thành phần chính: Bộ mã hóa

lưới (mã chập) và bộ ánh xạ bit lên chòm sao điều chế

Điều chế (k+1)bit Ánh xạ bit

Việc sử dụng điều chế mã lưới TCM nhằm làm tăng hiệu suất sử dụng phổ

tín hiệu Băng thông cần thiết không thay đổi vì tốc độ symbol và độ rộng xung

không đổi Điều khác biệt là số bit trên một symbol nhiều hơn khiến tốc độ bit tăng

lên Điều này phải trả giá bằng việc khoảng cách giữa các symbol trên chòm sao

điều chế giảm đi Số mức M trong kỹ thuật điều chế M mức càng lớn thì

khoảng cách này càng giảm, gây khó khăn trong quá trình giải điều chế do yêu

cầu tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N phải đủ lớn Kỹ thuật TCM khắc phục điều nay

bằng cách sử dụng mã chập trước khi các bit được đưa vào điều chế để tang kha năng chống lỗi Do vậy hiệu suất tăng lên trong khi băng thông và công suất phát là

không thay đổi

Điều chế mã lưới được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-DSNG là phương pháp” pragmatic”TCM do Viterbi đề xuất Phương pháp này không hiệu qua bang phương pháp TCM tối ưu, tuy nhiên nó sử dụng bộ mã chập tỷ lệ 1/2, 64 trạng thái tiêu chuẩn công nghiệp Nguyên lý chung của”pragmatic”TCM trong DVB-DSNG

là chỉ mã hóa một số các bit đầu vào Các bit còn lại không được thêm mã sửa lỗi do vậy sẽ được ánh xạ lên các symbol cách xa nhau trên biểu đồ chòm sao

21

điều chế Nhờ vậy, tốc độ bít truyền qua hệ thống tăng lên so với DVB-S

nhưng vẫn đảm bảo giải mã chống lỗi được ở phía thu

P/P : Song song — song song Mã chập tý lệ kín

P/S : Song song - nôi tiếp

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý điều chế TCM”pragmatic”đùng trong DVB

1.4.2 Tiêu chuẩn DVB-DSNG (EN 301 210)

Trong DVB-DSNG, quá trình xử lý dòng dữ liệu tương tự như tiêu chuẩn

DVB-S, với một số khác biệt:

© Thích nghỉ ghép kênh đòng truyền tải và phân tán năng lượng (theo DVB-S)

e Mã hóa ngoài Reed-Solomon (204, 188) (theo DVB-S)

e Xáo trộn bit (theo DVB-S)

e Mã hóa trong:

= Ma chập có loại bỏ bit (theo DVB-S)

“ Mã lưới”pragmatic”liên kết với 8PSK và l6QAM

© Ánh xạ bit lên chòm sao điều chế:

= QPSK (theo DVB-S)

“ 8PSK (khác DVB-S)

= 16QAM (khác DVB-S)

e Lọc băng gốc dùng bộ lọc cos nâng:

“ Hệ số cuốn ơ = 0,35 cho QPSK, 8PSK, 16QAM

= Tuy chon a = 0,25 cho 8PSK, 16QAM

e Điều chế cầu phương (quadrature modulation) (theo DVB-S):

Khi sử dụng điều chế QPSK, tiêu chuẩn DVB-DSNG hoàn toàn tương tự với

DVB-S Trong 2 trường hợp còn lại, 2 tiêu chuẩn khác biệt nhau từ phần mã hóa trong và điều chế Ví dụ, với trường hợp 8PSK 2⁄4:

2

Với mã sửa sai 2/3, cứ 2 bit vào thì có 3 bit tại đầu ra Khối chuyền đổi song song ra song song sẽ biến đổi 8 tín hiệu vào thành 2 tín hiệu ra song song Hai luồng bit này sẽ được đưa qua khối mã chập với tỷ lệ 1/2 trên đường El dé tạo ra 2 bit trên 1 nhịp cùng với 1 bit trên đường NE để tạo ra 3 bit trên 1 nhịp cho

phù hợp với I symbol điều chế 8PSK Sau đó 3 bit này sẽ được đưa đến khối điều

Nhánh được mã hóa 2 bit mã trong symbol

Hình 1.22 Sơ đồ khối điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB-DSNG

Khối mã chập tương tự như trong điều chế QPSK Giản đồ định vị bit điều chế §PSK, TCM với tý lệ trên 2/3 như trong hình vẽ sau:

U1=0 U1=0 C21=1 Q C2=0

Hình 1.23 Gian dé dinh vị bit điều chế 8PSK tý lệ 2/3 trong DVB -DSNG

Các phương pháp điều chế và mã hóa khác trong DVB-DSNG cũng có nguyên lý tương tự 8PSK 2/4 Sử dụng nhiều tỷ lệ mã khác nhau giúp cho hệ thống DVB -DSNG có khả năng lựa chọn phương án tối ưu tùy theo điều kiện

cụ thể

23

Bang 1.5 Các lựa chọn điều chế và mã hóa trong DVB -DSNG

(*): Eb/N0 yêu cầu được tính với BER=2x10 2

QEF sau giải mã RS

trước giải mã RS và

QEF được định nghĩa là có xấp xỉ nhỏ hơn 1 lỗi trong 1 giờ ở đầu vào của

bộ giải nén MPEG-2 tương ứng với BER 10! đán 111,

1.5 Kết luận chương I

Tiêu chuẩn DVB-S và DVB-DSNG thiết kế trên cơ sở gia tăng khả

năng chống nhiễu cho dòng truyền tải MPEG-2 và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong truyền hình có các đặc điểm nổi bật là:

1 Tín hiệu đầu vào là đòng truyền tải MPEG-2 TS

2 Kiểu điều chế là QPSK đối với DVB-S và QPSK, 8PSK, I6QAM đối với DVB-DSNG

3 Mã hóa chống nhiễu: Mã ngoài là mã RS(204,188) và mã trong là mã chập

4 Hiện chỉ sử dụng hai hệ số rool-off là 0,35 và 0,25

5 Mã hóa và điều chế là cố định không thay đổi được khi đang trong quá

trình truyền tin

24

Chương 2

TIEU CHUAN DVB-S2 VA MOT SO UNG DUNG

Chuan truyén hình số qua vệ tinh DVB-S hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên nhu cầu tăng hiệu quả sử dụng băng tần và tốc độ truyền dẫn tín hiệu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các dịch vụ như dịch vụ HDTV, dịch vụ internet tốc độ cao qua vệ tinh Chuan DVB-S2 (Digital Satellite Broadcasting gnd Generation) ra đời để đáp ứng các nhu cầu đó

2.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn DVB -S2 (EN 302 307) [6]

DVB-S2 là thế hệ thứ 2 của truyền hình số phát qua vệ tinh, được phát triển từ

năm 2003, phiên bản mới nhất 1a V1.2.1 thang 8 năm 2009 DVB-S2 kết hợp chức

năng của truyền hình quảng bá DVB-S và các ứng dụng chuyên nghiệp DVB-DSNG trong một tiêu chuân duy nhất Trong tương lai, DVB-S2 sẽ dần thay thế cả hai tiêu chuẩn này nhờ sự vượt trội về hiệu quả sử dụng băng tần và độ linh hoạt

Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2 như sau:

fear ese ea ee ~ fel

MaFEC { Anhxa Điều chế

2.1.1 Khối thích nghỉ kiểu truyền dẫn

Khối thích nghĩ kiểu truyền dẫn thực hiện việc thích nghi giao diện đầu vào,

mã hóa CRC-8 để phát hiện lỗi, đồng bộ và kết hợp dòng bit (trong trường hợp đầu

25

vào đa chương trình), chia nhỏ đòng bit thành các DATA FIELD Cuối cùng,

một tín hiệu báo hiệu được thêm vào để thông báo cho phía thu biết những thông

tin cơ bản về dữ liệu và cấu trúc khung Định dạng của chuỗi bit đầu ra của khối thích nghi kiểu truyền dẫn sẽ bao gồm trường BBHEADER (80 bit) và trường đữ liệu DATA FIELD có kích thước không cố định

2.1.1.1 Khối giao diện đầu vào

Theo định nghĩa, đầu vào của hệ thống DVB-S2 có thể là:

- Một hoặc nhiều đòng truyén tai (TS) MPEG

- Một hoặc nhiều dòng dữ liệu chung, có thể là dòng bit liên tục hoặc dạng gói

Do DVB-S2 chấp nhận nhiều dạng đầu vào khác nhau nên các đạng đầu vào này cần phải được nhận biết và chuyển về một dạng chung DVB-S2 phân loại đầu vào dựa trên độ dài của dòng bít và gán các giá trị độ dài gói UPL (User Packets Length) tương ứng như sau:

- Dòng truyền tái TS: Giá trị UPL cố định và bằng (188 x 8) bit (độ dài

một gói MPEG) Byte đầu tiên luôn là byte đồng bộ (47HEX)

- Dòng đữ liệu chung: Có thể là đòng bit liên tục (được gán UPL = Op), hoặc dạng gói đữ liệu Trong trường hợp gói, nếu độ dài gói không đổi và nhỏ hơn

64K thì UPL được gán bằng độ dài của gói, nếu không thỏa mãn 2 điều kiện

trên thì đầu vào được xem như liên tục (UPL = 0D)

Đối với các gói dữ liệu không phải dòng truyền tải, nếu byte đồng bộ là byte

đầu tiên của gói thì byte này sẽ không bị thay đổi Nếu không, byte đồng bộ bằng 0p

sẽ được thêm vào phía trước của gói đồng thời giá trị UPL tăng thêm 8 bit

- Tín hiệu điều khiến ACM (ACM Command): Nếu hệ thống làm việc trong chế độ mã hóa điều chế thích nghỉ ACM, tín hiệu điều khiến có thể được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ đầu vào cho phù hợp với điều kiện truyền dẫn

2.1.1.2 Bộ mã hóa CRC-8

Mã hóa CRC chỉ được sử dụng cho dạng dữ liệu gói Nếu UPL = 0D thì khối này được bỏ qua không xử lý

Trường hợp UPL # 0, đòng bit đầu vào sẽ có dạng một chuỗi các gói đữ liệu

người dùng UP (User Packet) với độ dài UPL, bắt đầu bằng byte đồng bộ (byte

đồng bộ được hệ thống gán bằng 0 nếu không có)

26

Nếu như vậy, phần mang thông tin có ích của gói UP (ngoại trừ byte

đồng bộ) sẽ được đưa vào bộ mã hóa CRC, với đa thức sinh: g(X) = (X° + x4 + x3 4x2 4 1X2 +X + 1K +1) = XB 4X7 4x9 4 x4 4 x? 41,

Đầu ra bộ mã hóa CRC là phần dư của phép tính: [ XŠuG@): 9(X) ], trong

đó u(X) là gói đầu vào sau khi trừ đi 8 bit của byte đồng bộ Giá trị này sẽ thay thé

cho byte đồng bộ của gói UP tiếp theo, còn byte đồng bộ bị thay thế sẽ được copy vào trường SYNC của BBHEADER

mã CRC-8

Hình 2.2 Hoạt động của bộ mã hóa CRC-8

2.1.1.3 Khối Merger/Slicer

Đầu vào của bộ Merger/Slicer có thể là dòng bit liên tục hoặc gói UP

Khối Merger/Slicer gồm 2 thành phần, thực hiện 2 nhiệm vụ khác nhau:

° Slicer:

Đọc dòng đữ liệu vào (trường hợp có nhiều đầu vào thì chỉ đọc 1 trong số

các dòng đầu vào) rồi chia thành các khối DATA FIELD có kích thước DFL (Data

Field Length) Gia tri DFL phải thỏa mãn:

Liên kết các khối DATA FIELD của cùng một dòng đầu vào Trong trường

hợp chỉ có một dòng dữ liệu đầu vào thì khối khối Merger trở nên không cần

thiết và được bỏ qua

Tùy thuộc vào ứng dụng, việc phân chia các bít vào trường DATA

FIELD cé thé được thực hiện theo 2 cách:

27

- Lap day kích thước tối đa của DATA FIELD, tương ứng với độ đài bit yêu

cầu trước khi mã hóa BCH trừ đi 80 bit BBHEADER (Kbch-80) Như vậy, một gói

UP có thể bị chia vào nhiều DATA FIELD khac nhau

- Ngược lại, có thể phân chia sao cho mỗi DATA FIELD chỉ chứa một số nguyên các UP

Do các gói UP có thể bị chia vào các DATA FIELD khác nhau và các

byte đồng bộ được thay thế bằng trường sửa lỗi CRC-§, nên để thực hiện đồng bộ ở

phía phát cần chỉ ra số các bit tính từ đầu một DATA FIELD cho đến bit bắt đầu

của trường CRC-§ đầu tiên Khoảng cách này sẽ được chứa trong trường SYNCD trong BBHEADER

MATYPE DFL SYNC SYNC CRC8

1) MATYPE (2 byte): mô tả định dạng dòng dữ liệu đầu vào, phương pháp thích

nghỉ kiểu truyền dẫn, chế độ làm việc CCM hay ACM, hé sé roll-off a

Trong đó:

e_ Byte đầu tiên (MATYPE-1) gồm các thành phần:

- TS/GS-Transport StreamGeneric Stream: Đầu vào là dòng truyền tai hay dong dir ligu chung (2 bit)

28