Công nghệ truyền hình số mặt đất DVB t2 và ứng dụng tại tỉnh tuyên quang

Giới thiệu hệ thống truyền hình số Công nghệ truyền hình sô hơn hẳn so với truyền hình tương tự như: khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần, truyền dẫn phát sóng nhiều chương trình trên 1 kê

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NÔNG NGỌC KHÁNH

CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2

VÀ ỨNG DỤNG TẠI TỈNH TUYÊN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS NGUYỄN THANH HÀ

Thái Nguyên, tháng 12-2015

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nông Ngọc Khánh Sinh ngày 23 tháng 03 năm 1982 Học viên lớp cao học khóa 16- chuyên ngành Kỹ thuật điện tử- Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Đài Truyền Thanh- Truyền Hình Huyện Chiêm Hóa- Tuyên Quang

Tác giả xin cam đoan: Đề tài “Công nghệ truyền hình số mặt đất DVB-T2 và

ứng dụng tại tỉnh Tuyên Quang “do thầy giáo P.GS-.TS Nguyễn Thanh Hà hướng

dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung trong luận văn đúng như trong

đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nông Ngọc Khánh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NÔNG NGỌC KHÁNH

CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2

VÀ ỨNG DỤNG TẠI TỈNH TUYÊN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt

về kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường Sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy P.GS-.TS Nguyễn Thanh

Hà và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ đã cho

những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng, xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tiễn

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nông Ngọc Khánh

Trang 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SÔ 2

1.1 Giới thiệu hệ thống truyền hình số 2

1.2 Đặc điểm hệ thống truyền hình số 2

1.3 Sự cần thiết và ưu điểm của truyền hình số: 2

1.4 Ba tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới 4

1.4.1 Chuẩn ATSC 5

1.4.2.Chuẩn ISDB-T 7

1.4.3.Chuẩn DVB 9

CHƯƠNG 2: TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN DVB-T 10

2.1 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T 10

2.1.2 Giới thiệu về hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 10

2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 10

2.2 Đặc tính kỹ thuật của DVB-T 16

2.2.1 Bộ điều chế DVB-T 16

2.2.4 Tổ chức kênh trong OFDM 25

2.2.5 Phương thức mang dữ liệu trong COFDM 28

2.3 Mã hóa kênh trong DVB-T 29

2.3.1.Mã hóa phân tán năng lượng 30

2.3.2.Mã ngoại (outer coding) 31

2.3.3.Ghép xen ngoại (outer interleaving) 32

2.3.4.Mã hoá nội (inner coding) 33

2.3.5.Ghép xen nội 35

2.4 Một số khả năng ưu việt của DVB-T 40

2.4.1 Điều chế phân cấp 40

2.4.2 Mạng đơn tần SFN 45

Chương III: TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN DVB-T2 49

3.1 Giới thiệu chung về tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 49

Trang 5

3.2 Những ưu điểm cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2: 49

Mô hình cấu trúc hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 51

3.3 Các đặc tính kỹ thuật của truyền hình số mặt đất DVB- T2 51

3.3.1 Mô hình cấu trúc DVB-T2: 51

3.3.2 Một số tính năng mở rộng của DVB-T2 53

3.4 Những giải pháp kỹ thuật cơ bản: 53

3.4.1 Mô hình cấu trúc DVB-T2 54

3.4.2 Mã hóa và ghép kênh 54

3.4.3 Bộ điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Modulator) 55

3.4.4 Các ống lớp vật lý 56

3.4.5 Băng tần phụ (1.7 Mhz và 10 Mhz) 60

3.4.6 Các mode sóng mang mở rộng (đối với 8K, 16K, 32K) 60

3.4.7 MISO dựa trên Alamouti (trên trục tần số) 61

3.4.8 Symbol khởi đầu (P1 và P2) 62

3.4.9 Mẫu hình tín hiệu Pilot (Pilot Pattern) 63

3.4.10 Phương thức điều chế 256-QAM 64

3.4.11 Chòm sao xoay (Rotated Constellation) 65

3.4.12 16K, 32K FFT và tỷ lệ khoảng bảo vệ 1/128 66

3.4.13 Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình (Peak – to – average Power Ratio – PAPR) 66

3.4.14 Mã sửa sai LDPC/BCH 67

3.4.15 Tráo bít, tráo tế bào, tráo thời gian 67

3.4.16 Điều chế và mã sửa sai dữ liệu lớp 1 70

3.4.17 Cấu trúc khung tín hiệu DVB-T2 70

3.5 Khả năng vượt trội của DVB-T2 so với DVB-T 71

3.5.1 Các thông số mở rộng FFT 71

3.5.2 Mở rộng băng thông 74

3.6 Kết luận chương: 77

Trang 6

CHƯƠNG IV: KIẾN NGHỊ ỨNG DỤNG ĐƯA CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH

SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 VÀO TỈNH TUYÊN QUANG 78

4.1 Triển khai công nghệ truyền hình DVB-T2 tại Tuyên Quang 78

4.1.1 Lộ trình số hóa truyền hình số mặt đất 79

4.1.2: Vùng phủ sóng DVB-T tại tỉnh Tuyên Quang

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 84

Trang 7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phổ của tín hiệu tương tự và tín hiệu số 3

Hình 1.2: Phát hình DVB-T 4

Hình 1.3: Bản đồ phân bố các nước trên thế giới lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T 5

Hình 1.4: Khung dữ liệu VSB 7

Hình 2.0:Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 11

Hình 2.1 Sơ đồ khối máy phát truyền hình số mặt đất DVB-T 12

Hình 2.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol 20

Hình 2.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ 22

Hình 2.4: Chèn thêm các scattered pilot 24

Hình 2.5 Phân chia kênh 25

Hình 2.6: Ví dụ về đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính Trục z miêu tả biên độ đáp ứng kênh 26

Hình2.7: Chèn các sóng mang phụ 26

Hình 2.8: Chèn khoảng bảo vệ 27

Hình 2.9: Dạng tín hiệu minh hoạ khi có khoảng bảo vệ 27

Hình2.10: Các sóng mang đồng bộ 28

Hình 2.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol 29

Hình 2.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T 29

Hình 2.13: Sơ đồ mô tả nguyên lý ngẫu nhiên, giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu 30

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại 32

Hình 2.15: Các bước trong quá trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại (n =2, 3, 8) 33

Hình 2.16: Sơ đồ thực hiện mã chập tốc độ 1/2 34

Hình 2.17: Sơ đồ thực hiện việc ghép nội và mapping theo mô hình không phân cấp 37

Hình 2.18: Sơ đồ thực hiện ghép nội và mapping theo mô hình phân 38

Hình 2.19: Chòm sao phân cấp DVB-T 41

Trang 8

Hình 2.20: Sơ đồ phủ sóng tƣợng trƣng sử dụng điều chế phân cấp 43

Hình 2.21: Đồng bộ miền tần số 46

Hình 2.22: Đồng bộ về mặt thời gian 47

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống DVB-T2 53

Hình 3.2: Mô hình chung hệ thống DVB-T2 54

Hình 3 3: Vai trò của T2- Gateway 55

Hình 3 4: ống lớp vật lý 56

Hình 3.5: Khung T2 ở chế độ M-PLP 58

Hình 3.6: DVB-T2 ở chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác nhau 59

Hình 3.7: Mật độ phổ công suất đối với mode 2K và 32K 63

Hình 3.8: Mô hình MISO 63

Hình 3.9 62

Hình 3.10 Mẫu tín hiệu Pilot phân tán DVB-T 63

Hình 3.11: Mẫu tín hiệu phân tán DVB-T2 63

Hình 3.12: Đồ thị chòm sao 256- QAM 64

Hình 3.13: Chòm sao 10-QAM xoay 65

Hình 3.14 Tráo tế bào 68

Hình 3.15 70

Hình 3.16: cấu trúc khung DVB-T2 71

Hình 4.2: Phổ tín hiệu DVB-T2 lý thuyết với khoảng bảo vệ- GI=1/8( Kênh 8MHz với chế độ sóng mang mở rộng 8K,16K,32K) 74

Trang 9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Active Constellation Extension – mở rộng chòm sao tích cực

Differential Quadratue Phase Shift Keying Digital Terrestral Television broadcasting

DVB-S DVB – Satellite - Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh

DVB - T DVB – Terrestrial - Truyền dẫn truyền hình số mặc đất

Eruopean Telecommunications Standards Institute

HDTV Hing Definetion TeleVision – truyền hình phân giải cao

International Electrotechical Commission (partofthe ISO)

Trang 10

Intergeged Services Digital Broadcasting – Terrestrial ISO International Standard Organization – Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

International Telecommunication Uinion

Low Density Check – kiểm tra cường độ ưu tiên thấp (dùng trong DVB-T2)

MISO (Multiple Input, Single Output) – đa anten phát, một anten thu

Ortogonal Frequeney Division Multiplexing

Phase Alternating Line

SDTV Standard Definition Tele Vision – Truyền hình phân giải tiêu chuẩn

Trang 11

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật, các nghành công nghệ trong đó nghành có ngành công nghệ điện tử viễn thông đã có sự phát triển vượt bậc trong 3 thập kỷ vừa qua đem lại nhiều thành tựu phát minh ứng dụng trong sản xuất, trong đời sống xã hội Công nghệ truyền hình là một bộ phận quan trọng trong lĩnh vực điện tử viễn thông, nó có những ứng dụng rộng rãi nó có ứng dụng rộng rãi trong đời sống xã hội đồng thời trong phát triển văn hóa tinh thần.Trong những năm gần đây chúng ta đã chứng kiến trong truyền hình chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số Việt Nam cũng không nằm ngoài su thế đó đang chuyển đổi một cách ngoạn mục trong lĩnh vực truyền hình quảng bá và truyền hình trả tiền Từ đầu những năm 90 đến nay ngành truyền hình đã ứng dụng các thành tựu công nghệ truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp, và đặc biệt số hóa truyền hình số mặt đất Quyết định 2451/ QĐ TTg ngày 27 tháng 12 năm 2 011 của Thủ tướng chính phủ phê duyệt “ Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020” Theo thông báo số 21/TB- BTTTT “ Kết luận của trưởng ban chỉ đạo đề án số truyền hình Việt Nam tại phiên họp lần 4 của ban chỉ đạo(16/1/2014)”

Nếu như với truyền hình tương tự hiện nay, chỉ có thể truyền tải một kênh chương trình truyền hình trên một kênh tần số 8 MHz, thì với kỹ thuật số tiêu chuẩn DVB-T2 cho phép truyền tải khoảng 20 chương trình truyền hình SD trên một kênh

8 MHz, nghĩa là truyền hình số sẽ cần ít phổ tần số hơn số với truyền hình tương tự Chính vì vậy, sau khi hoàn thành số hóa truyền hình sẽ có một phần băng tần dành cho truyền hình sẽ dôi dư Băng tần này được gọi là Băng tần lợi ích số hóa truyền hình (có tên gọi là băng tần Digital Dividend) Băng tần Digital Dividend được bộ phận Thông tin vô tuyến của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-R) đánh giá là băng tần tiềm năng cho công nghệ thông tin di động (TTDĐ) băng rộng IMT-Advanced (thông tin di động 4G)

Nên qua thời gian rất ngắn tôi đi đến quyết định chọn đề tài “Công nghệ truyền

hình số mặt đất DVB-T2 và ứng dụng tại tỉnh Tuyên Quang” để nghiên cứu

Trang 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SÔ

1.1 Giới thiệu hệ thống truyền hình số

Công nghệ truyền hình sô hơn hẳn so với truyền hình tương tự như: khả năng

sử dụng hiệu quả phổ tần, truyền dẫn phát sóng nhiều chương trình trên 1 kênh, có khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi, khắc phục được những ưu điểm, có khả năng tương thích vơí nhiều loại hình dịch vụ khác nhau cũng như khả năng phát sóng các chương trình truyền hình độ phân giải cao HDTV… Việc truền hình tín hiệu truyền hình số thông qua cáp đồng trục, cáp quang, vệ tinh hay truyền hình số mặt đất

1.2 Đặc điểm hệ thống truyền hình số

Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền dẫn chương trình truyềnh nhiều kênh Tín hiệu truyền hình số yêu cầu băng thông rộng hơn, ngoai tín hiêệu truyền hình còn có kèm theo các kênh âm thanh và các thông tin khác nhau như: thời gian chuẩn, các thông tin phụ….được ghép vào các khoảng trống của đường truyền

Ít bị tác động của nhiễu, khả năng chống nhiễu và sửa lỗi tốt hơn, có thể khắc phục được hiện tượng chồng phổ tín hiệu, hiện tượng bóng ma(Ghosts) so với truyền hình tương tự

Việc truyền tín hiệu số được thực hiện khi đảm bảo sự tương quan giữa các kênh truyền tín hiệu Do đó, các thông tin đồng bộ được đưa vào để đồng bộ các tín hiệu có thể khóa mã dễ dàng

Quá trình xử lý tín hiệu số đơn giản hơn nhiều so với tín hiệu tương tự như: sửa đổi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, giảm độ rộng băng tần…

1.3 Sự cần thiết và ưu điểm của truyền hình số:

Khởi điểm chỉ là truyền hình đen trắng, kỹ thuật còn thô sơ, rồi xuất hiện truyền hình màu Lúc đó người xem đã cảm thấy rạng rỡ hơn nhiều rồi Nhưng công nghệ thì không bao giờ dừng lại vì nhu cầu của người xem cũng không bao giờ dừng lại Các chương trình sinh động hơn, linh hoạt hơn, thêm rất nhiều dịch vụ mới ra đời Nếu trước kia việc mong ước được chứng kiến trực tiếp một sự kiện nào

đó xảy ra ở bên kia bán cầu chỉ có ở trong mơ thì ngày nay nhu cầu của người xem

đã vượt xa hơn nhiều Các chương trình phải có độ nét cực cao, xem đồng thời rất

Trang 13

nhiều chương trình dù ở bất cứ nơi nào, bất cứ thời điểm nào Rồi thì không chỉ đơn thuần là xem, họ còn muốn can thiệp trực tiếp vào các chương trình, nghĩa là truyền hình không còn đơn thuần chỉ là thông tin một chiều Còn rất nhiều các nhu cầu của người xem, những nhu cầu mà trước kia tưởng chừng không bao giờ thực hiện nổi

thì ngày nay hoàn toàn có thể, đó là nhờ một công nghệ mới - truyền hình số

Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4 đến 5 chương trình truyền hình trong khi một máy phát analog như ở ta đang sử dụng chỉ phát được một chương trình duy nhất theo hệ PAL Xét về mặt phổ ta thấy ở tín hiệu tương tự phổ chỉ tập trung năng lượng vào các sóng mang hình, tiếng và burst màu Trong khi tín hiệu số bao gồm hàng ngàn sóng mang tập trung dày đặc vào trong một dải phổ có

độ rộng tương đương Sự tận dụng tối đa hiệu quả phổ cho phép truyền hình số có thể truyền phát được nhiều chương trình đồng thời Đây là ưu điểm đáng kể so với truyền hình tương tự (xem hình 1.1)

Hình 1.1: Phổ của tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Công suất phát không cần qúa lớn vì cường độ điện trường cho thu số thấp hơn cho thu analog (độ nhậy máy thu số thấp hơn -30dB đến -20dB so với máy thu analog)

Hình Tiếng

Tiếng Hình

Trang 14

- Thu số không còn hiện tượng "bóng ma" do các tia sóng phản xạ từ nhiều hướng đến máy thu Đây là vấn đề mà hệ phát analog đang không khắc phục nổi

- Thu bằng anten cố định trong nhà hay anten di chuyển (của máy thu xách tay) đều thực hiện được

- Thu di động tốt, người xem dù đi trên ôtô, tàu hoả vẫn xem được các chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt được hiện tượng Doppler

Hình 1.2: Phát hình DVB-T

- Cho khả năng thiết lập mạng đơn kênh (đơn tần - Single Frequency Network), nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Điều này cho hiệu quả lớn xét về mặt công suất và tần số

- Phát hình số đem lại cho ta cơ hội xem các chương trình với độ nét cao Vốn dĩ thì tín hiệu số đã có tính chống nhiễu cao

- Tín hiệu số dễ xử lý, môi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thân thiện với máy tính

1.4 Ba tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới

Chuẩn truyền dẫn truyền hình số sử dụng quá trình nén và xử lý số để có khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều chương trình truyền hình trong một dòng dữ liệu, cung cấp chất lượng ảnh khôi phục tuỳ theo mức độ phức tạp của máy thu

Distant

transmitter

Nearest transmitter

Trang 15

Truyền hình số là một sự thay đổi đáng kể trong nền công nghiệp sản suất và quảng bá các sản phẩm truyền hình Nó mang lại tính mềm dẻo tuyệt vời trong sử dụng do có nhiều dạng thức ảnh khác nhau trong nén số

Đầu năm 1999, các hệ thống ATSC và DVB đã được ITU chấp nhận làm các tiêu chuẩn quốc tế về phát sóng truyền hình số trên mặt đất (DTTB) và phát hành các khuyến cáo ITU-R.Rec của nhóm nghiên cứu SG10&11

Châu Âu, Australia, New Zealand đã chấp nhận DVB-T, còn Nam triều tiên, Đài loan, Canada và Mỹ chọn ATSC, Nhật bản và một số nước khác chọn tiêu chuẩn ISDB

Có thể tham khảo sự lựa chọn các tiêu chuẩn truyền hình số trên thế giới Đó cũng là yếu tố giúp ta định hướng việc nghiên cứu, việc lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp cho riêng mình

Hình 1.3: Bản đồ phân bố các nước trên thế giới lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T

1.4.1 Chuẩn ATSC

Đặc điểm chung

Hệ thống ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình OSI 7 lớp của các mạng dữ liệu Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác cùng lớp ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio và dữ liệu phụ

Trang 16

Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với sửa lỗi, ghép dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích với dạng thức ATM Tốc độ bít truyền tải 20 Mbps cấp cho một kênh đơn HDTV hoặc một kênh truyền hình chuẩn đa chương trình

Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức: truyền hình phân giải cao (HDTV) và truyền hình tiêu chuẩn (SDTV) Đặc tính truyền tải và nén dữ liệu của ATSC là theo MPEG-2 ATSC có một số đặc điểm như sau:

Bảng 1.1: Đặc điểm cơ bản của ATSC

Phương pháp điều chế VSB của tiêu chuẩn ATSC

Phương pháp điều chế VSB bao gồm hai loại chính: Một loại dành cho phát sóng mặt đất (8-VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cáp tốc độ cao (16-VSB) Cả hai đều sử dụng mã Reed - Solomon, tín hiệu pilot và đồng bộ từng đoạn

dữ liệu Tốc độ biểu trưng (Symbol Rate) cho cả hai đều bằng 10,76Mb/s Nó có giới hạn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là 14,9dB và tốc độ dữ liệu bằng 19,3 Mb/s

Dữ liệu được truyền theo từng khung dữ liệu Khung dữ liệu bắt đầu bằng đoạn dữ liệu đồng bộ mành đầu tiên và nối tiếp bởi 312 đoạn dữ liệu khác Sau đó đến đoạn dữ liệu đồng bộ mành thứ 2 và 312 đoạn dữ liệu của mành sau

Video Nhiều dạng thức ảnh (nhiều độ phân giải khác nhau) Nén

ảnh theo MPEG-2, từ MP @ ML tới MP @ HL

Dữ liệu phụ Cho các dịch vụ mở rộng (ví dụ hướng dẫn chương trình,

thông tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới computer)

Truyền tải Dạng đóng gói truyền tải đa chương trình Thủ tục truyền tải

MPEG-2 Truyền dẫn RF Điều chế 8-VSB cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất

Trang 17

Mỗi đoạn dữ liệu bao gồm 4 biểu trưng dành cho đồng bộ đoạn dữ liệu và 828 biểu trưng dữ liệu

Một gói truyền tải MPEG-2 chứa 188 byte dữ liệu và 20 byte tương suy cho

208 byte Với tỷ lệ mã hoá 2/3, ở đầu ra của mã sửa sai ta có:

208 x 3/2 = 312 bytes

312 bytes x 8 bit = 2496 bit

Tóm lại một đoạn dữ liệu chứa 2496 bit

Các biểu trưng đó sẽ được điều chế theo phương thức nén sóng mang với hầu hết dải biên dưới Tín hiệu pilot được sử dụng để phục hồi sóng mang tại đầu thu, được cộng thêm tại vị trí 350 KHz phía trên giới hạn dưới dải tần

Bản thông số kỹ thuật ở dưới mô tả chi tiết hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T) Hệ thống này có thể truyền dẫn các chương trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp

Trang 18

ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền

đa chương trình phức tạp với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu

di động v.v các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, DQPSK, 16QAM hoặc 64QAM Chuẩn ISDB-T có thể sử dụng cho các kênh truyền có độ rộng 6, 7 hay 8Mhz

Mã hoá trong Mã hóa cuộn (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)

Bảng 1.2: Các thông số truyền dẫn ISDB-T cho kênh truyền 8 Mhz

Trang 19

1.4.3.Chuẩn DVB

DVB (Digital Video Broadcasting) là một tổ chức gồm trên 200 thành viên của hơn 30 nước nhằm phát triển kỹ thuật phát số trong toàn Châu Âu và cho các khu vực khác Tổ chức DVB phân ra nhiều phân ban, trong đó có các phân ban chính:

- DVB-S - Phát triển kỹ thuật truyền số qua vệ tinh: Hệ thống DVB -S sử dụng

phương pháp điếu chế QPSK (Quadratue Phase - Shift Keying), mỗi sóng mang cho một bộ phát đáp Tốc độ bit truyền tải tối đa khoảng 38,1Mbps Bề rộng băng thông mỗi bộ phát đáp từ 36 đến 54 Mhz

- DVB-C - Phát triển phát số qua cáp: Sử dụng các kênh cáp có độ rộng băng

thông từ 7 đến 8 MHz và phương pháp điều chế 64QAM (64 Quadratue Amplitude Modulation) DVB-C có mức SNR (tỉ số Signal/Noise) cao và điều biến kí sinh (Intermodulation) thấp Tốc độ bit lớp truyền tải MPEG-2 tối đa là 38,1 Mbps

- DVB-T - Phát triển mạng phát hình số mặt đất: Với việc phát minh ra điều

chế ghép đa tần trực giao (COFDM) sử dụng cho phát thanh số (DAB) và phát hình

số mặt đất (DVB), rất nhiều nước đã sử dụng phương thức này Tốc độ bit tối đa 27,14 Mbps- (ứng với dải thông cao tần 8Mhz)

- DVB- T2- phát triển mạng phát hình số mặt đất: Với việc phát triển từ DVB-T

Trang 20

CHƯƠNG 2: TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN DVB-T 2.1 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T

2.1.2 Giới thiệu về hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T

DVB-T là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất chính thức được tổ chức ETSI công nhận ( Eoropeean Telecommunications Standards Institute) vào tháng 2 năm 1997

DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) COFDM là kỹ thuật có nhiều đặc điểm ưu việt, có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường, phù hợp với các vùng dân cư có địa hình phức tạp, cho phép thiết lập mạng đơn tần (SFN- Single Frequency Network) và có khả năng thu

di động, phù hợp với các chương trình có độ nét cao HDTV

DVB-T là thành viên của một họ tiêu chuẩn DVB, trong đó bao gồm tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh, mặt đất, cáp

2.2.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T

Hệ thống được định nghĩa là một thiết bị gồm những khối chức năng, tín hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 nhận được tại đầu ra của bộ ghép (Multiplexer), đầu ra là tín hiệu RF đi tới awngten

Hệ thống tương thích với chuẩn nén tín hiệu vide MPEG-2 ISO/IEC 13818

Do hệ thống được thiết kế cho truyền hình số mặt đất hoạt động trong băng tần UHF hiện có, nên đòi hỏi hệ thống phải có khả năng chống nhiễu tốt từ các máy phát tương tự hoạt động cùng kênh hoặc kênh liền kề, đòi hỏi hệ thống phải có hiệu suất sử dụng phổ tần cao băng tần UHF, điều này có thể đảm bảo bằng việc sử dụng mạng đơn tần (SFN)

Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T được thể hiện

ở hình 2.0 dưới đây

Trang 21

Hình 2.0:Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T

Đây là sơ đồ khối của một hệ thống phát truyền hình số mặt đất đầy đủ Các tín hiệu hình ảnh, âm thanh sẽ qua một loạt quá trình xử lý để cuối cùng, tại đầu ra angten cũng vẫn là tín hiệu cao tần phát đi

Những đặc tính ƣu việt của truyền hình số mặt đất lại hoàn toàn đƣợc thể hiện trong quá trình xử lý này

Các khối nét đứt trên hình 2.0 sẽ đƣợc sử dụng khi hệ thống dùng theo cấu hình điều chế phân cấp Khi đó từ khối ghép kênh mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2 phân chia dòng dữ liệu thành 2 luồng với những mức ƣu tiên khác nhau, tốc độ bít và tỷ lệ mã hóa khác nhau, tức là khả năng chống lỗi của từng dòng bit khác nhau sơ đồ khối của máy phát chủ yếu sẽ gồm phần điều chế OFDM và phần mã hóa sửa lỗi

Trang 22

Hình2.1 Sơ đồ khối máy phát truyền hình số mặt đất DVB-T

Các chức năng của các khối nhƣ sau:

Phần ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG- 2

Các tín hiệu đầu vào gồm hình ảnh, âm thanh và các dữ liệu phụ sẽ đƣợc số hóa nhờ khối ghép kênh và mã hóa nén MPEG-2 Đầu ra của khối này sẽ là dòng truyền tải MPEG-2 (dòng dữ liệu số) với một tốc độ bít nhất định đƣa vào máy phát Đây là quá trình số hóa tín hiệu

Khối mã hóa phân tán năng lƣợng và phối hợp ghép kênh

Để đảm bảo cho việc truyền dẫn không có lỗi, dòng dữ liệu TS đến khối nén

sẽ đƣợc ngẫu nhiên hóa Các gói dữ liệu này đầu tiên đƣợc nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS Mục đích của quá trình này là phân tán năng lƣợng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp ( loại bỏ các chuỗi dài „0‟ và „1‟), đây cũng đƣợc xem là quá trình phối hợp để ghép kênh truyền tải

Khối mã ngoại và ghep xen ngoại (Outer encoder and interleaver )

Dòng dữ liệu sau khi đã đƣợc ngẫu nhiên hóa sẽ tiếp tục đƣợc xử lý tại khối

mã ngoại và ghép xen ngoại Sở dĩ gọi là „ngoại‟ vì việc xử lý ở đây là theo byte, còn mã „nội‟ và ghép xen nội là xử lý theo “bit” Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed- Solomon RS (204,188,t=8) để mã hóa dữ liệu đã đƣợc ngẫu nhiên hóa nhằm tạo ra các gói dữ liệu đã đƣợc bảo vệ lỗi Do đƣợc mã hóa theo mã RS (204,188, t=8) nên mỗi gói dữ liệu sẽ đƣợc thêm 16 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa tới 8 lỗi trong một gói

Trang 23

Việc ghép ngoại chính là ghép các byte với một chu kỳ ghép quy định trước, thường độ sâu ghép là 1=12 Đây là việc giảm tính thông kê của lỗi

Khối mã nội (inner encoder)

Đây là quá trình mã hóa tiếp theo nhưng việc mã sẽ chi tiết đên từng bít Thông số mã hóa ở đâ chính là tỷ lệ mã hóa n/m (1/2,2/3,3/4….) Nghĩa là cứ m bít truyền đi thì chỉ có n bít mang thông tin, các bít còn lại là để sửa lỗi

Khối ghép xen nội (inner leaver)

Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bít, thông tin sẽ rất khác so với ban đầu Quá trình này để giảm thiểu lỗi đến mức tối đa

Các khối điều chế tín hiệu (Mapper, Frame Adaptation, OFDM )

Đây là quá trình xử lý phức tạp nhất, nhưng về nguyên lý như sau: Dữ liệu sau khi đã hoàn thành mã sửa lỗi sẽ được ánh xạ lên chòm sao điều chế (khối mapper), và sau khi thêm các pilot đồng bộ, các dữ liệu sẽ được đưa lên các sóng mang Việc chèn thêm các khoảng bảo vệ cũng sẽ được thực hiện nhằm tối ưu hóa tính ưu việt của truyền hình số

Khối D/A:

Thực ra đây không phải là biến đổi Digital/Analog thuần túy thông thông

Mà đó là quá trình hoàn chỉnh hàng ngàn sóng mang để đảm bảo việc phát tín hiệu lên angten

Hệ thống có thể hoạt động trong băng tần 8MHz, 7MHz và 6Mhz, chủ yếu chỉ khác nhau ở tần số clock của hệ thống và một số thông số liên quan đến tần số clock sẽ phải tính lại Sơ đồ cấu trúc, các nguên tắc, sự xắp xếp, ghép xen được giữ nguyên, chỉ có tốc độ thông tin hệ thống sẽ giảm theo hệ sô 7/8 hoặc 6/8

Truyền hình số mặt đất sử dụng nguyên lý ghép đa tần trực giao có mã (COFDM) Ghép đa tần trực giao (OFDM) được thực hiệ tiếp nối theo sau quá trình

mã hóa kênh (Channel coding)

Ghép kênh phân chia tần số (FDM) là cơ sở của ghép đa tần trực giao OFDM Dòng truyền tải nối tiếp MPEG-2 đầu vào được chuyển đổi thành n dòng bít song song, với n phù hợp với số lượng sóng mang riêng rẽ, những sóng mang

Trang 24

riêng rẽ được ghép trực giao, kỹ thuật này cho phép truyền đồng thời đa sóng mang trên kênh truyền hình mà các sóng mang kế cận không gây can nhiễu sang nhau Những sóng mang riêng rẽ được điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM

Mã hóa kênh cần thiết cho viễ truyền tải dữ liệu nhằm chống lỗi sai trên đường truyền do tác động của nhiễu Mã hóa kênh gồm hai phần chính: khối mã ngoài (Oute code) nhằm kiểm soát sửa loạt lỗi sai xẩy ra có chiều dài xác định, khối mã hóa trong (Inner code) nhằm kiểm soát sửa và báo lỗi cho mộng loạt lỗi sai

có chiều dài lớn hơn chiếu dài lỗi quy định

Mã ngoài sử sdụng mã Reed- solomon RS( 188,204), ghép xen ngoài (oute interleave) có chiều sâu 1= 12byte

Khoảng bảo vệ mềm dẻo cho phép thiết kế hệ thống với nhiều cấu hình khác nhau như: mạng đơn tần diện rộng hoặc máy phát đơn lẻ, đảm bảo việc sử dụng tối

đa băng tần

Để thích ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau, kỹ thuật OFDM có 2 lựa chọn về số lượng sóng mang, ba sơ đồ điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM và khoảng bảo vệ khác nhau cho phép làm việc với mạng đơn tần nhỏ và lớn

Trong một điều kiện xác đinh, việc thu chương trình truyền hình từ một máy phát này đều truyền tải một chương trình truyền hình được đồng bộ chặt chẽ tạo nên mạng đơn tần

Trong một điều kiện xác định, việc thu chương trình truyền hình từ một số máy phát hoạt động trên cùng một tần số là rất có lợi, tất nhiên các máy phát này đều truyền tải một chương trình truyền hình được đồng bộ chặt chẽ tạo nên mạng đơn tần

Hệ thống cho phép hai mức mã kênh và điều chế phân cấp Trong trường hợp này sơ đồ khối của hệ thống có thêm phần các khối vẽ nét đứt như hình 2.0 Bộ chia dòng tín hiệu đầu vào thành hai dòng tín hiệu MPEG độc lập: dòng tín hiệu có độ

ưu tiên cao và dòng tín hiệu có độ ưu tiên thấp Hai dòng bít này được phân bố trên miền đồ chòm sao bởi khối Mapper

Trang 25

Để đảm bảo có thể dùng máy thu đơn giản thu được tín hiệu phân cấp nà, hệ thống chỉ sử dụng mã kênh và điều chế phân cấp mà không dùng mã nguồn phân cấp Theo phương thức này một chương trình truyền hình được truyền đồng thời dưới hai dạng: tốc độ bít thấp với độ phân giải thấp và dạng thứ hai là tốc độ bít cao với độ phân giải cao hơn Trong cả 2 trường hợp, máy thu chỉ cần một bộ bao gồm các khối với các chức năng ngược lại máy phát: khối giải ghép xen trong, giải

mã hóa trong, giải mã hóa xen ngoài, giải mã hóa xen ngoài và giải ghép kênh Máy thu chỉ cần có thêm chức năng phân tách dòng bít được chọn từ sự phân bố trong biểu đồ sao

Điều chế phân cấp cho phép truyền song song các chương trình khác nhau với mức độ sửa lỗi khác nhau và vùng phủ sóng khác nhau

Để tránh nhiễu do sóng phản xạ hoặc do các máy phát liền kề trong mạng đơn tần, khoảng bảo vệ được đưa xen vào giữa các smbol liên tiếp của OFDM Nếu không, sóng phản xạ sẽ gây nhiễu lên các symbol nằm phía sau và làm tăng tỷ số lỗi Như vậy, độ dài khoảng bảo vệ sẽ phụ thuộc vào độ lớn của vùng phủ sóng Hay nói cách khác, khoảng cách giữa các đài phát kế cận sẽ quyết định độ dài của khoảng bảo vệ Ví dụ, với mạng đơn tần lớn, khoảng bảo vệ phải ít nhất là 200s

Có 2 phương án về số lượng sóng mang Khoảng cách tốt nhất là 896s đối với 8k- mode và 224s đối với 2k- mode Tương ứng với 2 phương án về số lượng sóng mang khoảng cách giữa các sóng mang sẽ là 1116 Hz và 4464 Hz

Đối với hệ thống DVB-T sử dụng độ rộng băng tần 8MHz, điều này quyết định số lượng cụ thể của sóng mang: 6817 sóng mang do OFDM symbol đối với 8k-mode (6048 sóng mang dùng để truyền thông tin, còn lại dùng để truyền đồng bộ

và tín hiệu khác) và 1705 sóng mang cho OFDM smbol đối với 2k- mode (1512 sóng mang dùng để truyền thông tin) Các OFDM symbol được tính toán bằng phương pháp biến đổi Fourier ngược (IDFT))

Trang 26

2.2 Đặc tính kỹ thuật của DVB-T

2.2.1 Bộ điều chế DVB-T

Có hai kiểu tín hiệu được sử dụng truyền dẫn là: kiểu 2K và 8K

Khoảng cách giữa 2 sóng mang ngoài

để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 dù ta chọn bất kì cấu hình nào để tránh việc chèn thêm các gói đệm không cần thiết.Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian được đánh

số từ 0 đến 67 Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang ( 6817 với chế độ 8K,

1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz( ở nước ta chọn dải thông 8MHz, một số nước khác chọn 7MHz) Như vậy, một symbol ODFM sẽ chứa:

+ Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512

+ Sóng mang dẫn đường( pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu): các pilot này thường được điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB:

Trang 27

- Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí cố định trong 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số và pha, tự động điều chỉnh tần số

- Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số nhưng được rải đều trong dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt nhất

- Sóng mang thông số phát TPS: chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K, 17 trong mode 2K luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải thông 78MHz

+ Để tránh nhiễu giữa các kí hiệu ISI và nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang ICI, nguời ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol Việc chèn thêm này được thực hiện bên phía phát với thời gian bảo vệ TGkhác nhau theo quy định của DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU(TU: chiều dài phần tín hiệu có ích)

2.2 Ghép đa tần trực giao OFDM

 Nguyên lý chung

Thực tế thì tín hiệu số rất khác so với tín hiệu tương tự Một số luồng tín hiệu video số đến từ các studio có tốc độ đến 360 Mbits/s và rõ ràng là không thể truyền dòng dữ liệu này trên một dải thông hẹp

Như vậy dữ liệu trước hết phải được nén lại Việc nén được thực hiện bằng bộ

mã hóa MPEG (thực tế mã hóa MPEG-2 được sử dụng cho các hệ thống DVB) Việc mã hóa được thực hiện khá phức tạp dựa trên cơ sở nhiều khung hình ảnh chứa nhiều thông tin với sự sai khác rất nhỏ do đó MPEG làm việc bằng cách chỉ gửi đi những sự thay đổi này và dữ liệu lúc này có thể giảm từ 100 đến 200 lần Với audio cũng như vậy, việc nén dựa trên nguyên lý tai người khó phân biệt được âm thanh trầm nhỏ so với âm thanh lớn khi chúng có tần số lân cận nhau và những bít thông tin của âm thanh trầm nhỏ này có thể bỏ đi và không được sử dụng

Việc trộn tín hiệu video và audio đã nén là nhờ bộ multiplexer Đầu ra của bộ ghép kênh này là dòng chương trình MPEG-2 Dòng này có thể sử dụng trực tiếp luôn hoặc có thể lại được ghép kênh truyền tải với các chương trình khác nhờ bộ

Trang 28

ghép kênh truyền tải Thực ra tốc độ dữ liệu cho phép giảm đến mức nào là tuỳ theo các tham số truyền dẫn được lựa chọn trong bộ điều chế

Sau khi dòng dữ liệu được đưa trực tiếp tới bộ điều chế, nó sẽ được ngẫu nhiên hóa với một chuỗi bit giả ngẫu nhiên để phân tán năng lượng Việc mã hóa cũng được thực hiện để tăng khả năng chống lỗi Sau đó các bit dữ liệu sẽ được ánh

xạ lên chòm sao Sau biến đổi Furier ngược kết quả cuối cùng thu được là rất nhiều các sóng mang đã điều chế Đến đây thì tín hiệu thu được mới chỉ là IF, sau đó có thể đổi tần lên theo cách thông thường

 Những điểm khác căn bản so với analog

So với truyền hình tương tự thì truyền hình số: đòi hỏi tỷ số C/N nhỏ hơn, có khả năng chống nhiễu tốt hơn nhưng các hệ thống số hay hỏng đột ngột hơn

Các bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải có độ tuyến tính cao Phổ cao tần của máy phát analog hầu như tập trung vào 3 khu vực chính: Tần số mang hình, tần số mang hình cộng với tải tần màu (4,43Mhz) và tần số mang âm thanh; các khu vực khác phổ rất thấp, nghĩa là dải thông cao tần chưa tận dụng hết Khác với analog, dải phổ cao tần của phát số chứa hàng ngàn sóng mang tập trung dày đặc trong dải thông 7,61 Mhz Toàn bộ dải thông cao tần của máy phát số được tận dụng hết, không còn dư thừa như của máy phát analog (xem hình 1.1)

Hơn nữa, nếu quan sát biểu đồ chòm sao của điều chế 64-QAM, thì chúng ta nhận thấy, các điểm trên chòm sao khác nhau cả về pha và biên độ Nếu như có sự sai lệch chút ít về pha hay biên độ cũng sẽ gây cho đầu thu giải điều chế sai so với tín hiệu ban đầu

Vì vậy một điều khác biệt so với máy phát analog là các bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải thật tuyến tính để đảm bảo tính đồng đều cả về biên độ (hệ số khuếch đại) và về pha của các sóng mang khi phát đi Nếu không tuyến tính, chắc chắn sẽ gây ra sai lỗi bít rất lớn cho đầu thu, thậm chí sẽ không tách các chương trình truyền hình được Vì vậy các hãng sản xuất máy phát hiện nay thường tìm đến và sử dụng đèn IOT (Inductive Output Tube) để giải quyết bài toán tuyến tính cho máy phát số công suất lớn Một số hãng lại cải tiến máy phát analog công suất lớn dùng đèn klystron thành máy phát số Đối với các máy phát bán dẫn (solid

Trang 29

state), dù các bộ khuếch đại có làm việc ở chế độ A thì độ tuyến tính vẫn có thể chưa đạt yêu cầu Vì vậy người ta phải chú ý đến hiệu chỉnh làm sao thoả mãn độ tuyến tính

2.2.1 Nguyên lý OFDM

COFDM là một phương thức ghép kênh đa sóng mang trực giao trong đó vẫn

sử dụng các hình thức điều chế số cơ sở tại mỗi sóng mang Tuy nhiên ta có thể gọi

là phương thức điều chế COFDM Phương thức này rất phù hợp cho những yêu cầu của phát hình mặt đất

COFDM phù hợp với điều kiện truyền sóng nhiều đường, thậm chí cả khi có

độ trễ lớn giữa các tín hiệu thu được Chính điều này đã dẫn đến khái niệm mạng đơn tần (SFN), nơi có nhiều máy phát cùng gửi tín hiệu giống nhau trên cùng một

tần số, mà thực ra đây chính là hiệu ứng "nhiều đường nhân tạo" COFDM cũng

giải quyết được vấn đề nhiễu đồng kênh dải hẹp Đây là hiện tượng thường thấy trong các dịch vụ tương tự do các sóng mang gây ra

Chính nhờ các ưu điểm trên mà COFDM đã được chọn cho hai tiêu chuẩn phát sóng là DVB-T và DAB, và tuỳ theo từng ứng dụng của từng loại mà có những lựa chọn cũng như yêu cầu khác nhau Tuy nhiên ưu thế đặc biệt của COFDM về hiện tượng nhiều đường và nhiễu chỉ đạt được khi có sự lựa chọn tham số cẩn thận và quan tâm đến cách thức sử dụng mã sửa lỗi

ý tưởng đầu tiên của COFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong phát sóng các kênh mặt đất Đáp ứng của kênh không tương đồng với từng dải tần nhỏ do có nhiều tín hiệu nhận được (tín hiệu chính + tín hiệu echo), nghĩa là sẽ không còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu Để giải quyết vấn

đề này thì cơ chế đầu tiên là phải phân tách luồng dữ liệu để truyền tải trên một số lượng lớn các dải tần số nhỏ cách biệt nhau, nghĩa là điều chế dữ liệu lên một số lượng lớn sóng mang dựa trên kỹ thuật FDM Và để có thể xây dựng lại được những dữ liệu

đã mất ở bên thu thì cần mã hóa dữ liệu trước khi phát Do có một số đặc điểm chủ chốt sau đây đã giúp cho COFDM rất phù hợp cho các kênh mặt đất, đó là:

 Các sóng mang trực giao - orthogonality (COFDM)

 Chèn thêm các khoảng bảo vệ - guard interval

 Sử dụng mã sửa lỗi (COFDM), xen bit - symbol và thông tin trạng thái kênh

Phần này chúng ta sẽ cùng giải thích các đặc điểm này cũng như ý nghĩa của chúng

Trang 30

2.2.2 Số lượng sóng mang

Giả thiết rằng chúng ta điều chế các thông tin số cho một sóng mang Trong mỗi symbol, chúng ta truyền sóng mang với biên độ và pha xác định Biên độ và pha này lựa chọn theo chòm sao điều chế Mỗi symbol vận chuyển một lượng bít thông tin nhất định, lượng bit này bằng với loga (cơ số 2) của số trạng thái khác nhau trong chòm sao

Bây giờ hãy tưởng tượng là có hai đường tín hiệu nhận được với một độ trễ tương đối giữa chúng Giả sử ta xem xét symbol thứ n được phát đi, thì máy thu sẽ

cố gắng giải điều chế dữ liệu bằng cách kiểm tra tất cả thông tin nhận được liên quan đến symbol thứ n kể cả thông tin thu trực tiếp lẫn thông tin thu được do trễ

Khi khoảng trễ lớn hơn một chu kỳ symbol (xem hình 2.15- trái), thì tín hiệu thu được từ đường thứ hai sẽ chỉ thuần tuý là nhiễu, vì nó mang thông tin thuộc về

các symbol trước đó Còn nhiễu giữa các symbol (ISI) ngụ ý rằng chỉ có một chút ít

tín hiệu trễ ảnh hưởng vào chu kỳ symbol mong muốn (mức độ chính xác tuỳ thuộc vào chòm sao sử dụng và mức suy hao có thể chấp nhận)

Khi khoảng trễ nhỏ hơn một chu kỳ symbol (hình 2.2- phải) thì chỉ một phần tín hiệu thu được từ đường thứ hai đựoc xem như là nhiễu vì nó mang thông tin của symbol trước đó Phần còn lại sẽ mang thông tin của chính symbol mong muốn, tuy nhiên sự đóng góp của nó cũng có thể có ích hoặc có thể mang tính tiêu cực đối với thông tin từ đường thu chính thức

Hình 2.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol

Điều này cho chúng ta thấy rằng, nếu chúng ta muốn giải quyết với tất cả các mức tín hiệu trễ khác nhau thì tốc độ symbol phải được giảm xuống sao cho tổng

Trang 31

khoảng trễ (giữa tín hiệu thu được đầu tiên với tín hiệu thu được cuối cùng) cũng chỉ là một phần khiêm tốn của chu kỳ symbol Khi đó thông tin mà một sóng mang đơn vận chuyển sẽ bị giới hạn khi có hiệu ứng nhiều đường Vậy thì nếu một sóng mang không thể vận chuyển được tốc độ thông tin theo yêu cầu thì tất nhiên sẽ dẫn đến ý tưởng chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành rất nhiều dòng song song với tốc độ thấp hơn, mỗi dòng được vận chuyển bởi một sóng mang, nghĩa là sẽ có rất nhiều sóng mang Đây chính là một dạng của FDM - bước đầu tiên để tiến tới COFDM Mặc dù vậy thì vẫn có thể tồn tại ISI với các symbol trước đó Để khử hoàn toàn thì phải kéo dài khoảng truyền của một symbol sao cho nó lớn hơn khoảng

tổng hợp tín hiệu mà máy thu thu được Vậy thì việc chèn thêm khoảng bảo vệ có

thể là ý tưởng tốt (chúng ta sẽ trở lại vấn đề này sau)

2.2.3 Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT

a Trực giao

Việc sử dụng một số lượng lớn các sóng mang có vẻ như không có triển vọng

lắm trong thực tế: chắc chắn, chúng ta sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế

và bộ lọc đi kèm theo? Và cũng có vẻ như sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các

sóng mang này Nhưng thật may cả hai điều lo lắng này đều được xua tan nếu chúng ta thực hiện một việc đơn giản sau đây: các sóng mang được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/ TU, với TU là khoảng symbol hữu ích (u: useful) với điều kiện là các sóng mang này phải được đặt trực giao nhau

 Về mặt toán học, việc trực giao sẽ như sau: sóng mang thứ k được biểu diễn:

t jk K

L k dt

t t

U

T

L K U



 Về ý nghĩa vật lý: khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cao tần khác gây nhiễu

Trang 32

 Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất rơi vào điểm bằng không của sóng mang kia Hơn nữa chúng ta sẽ không bị lãng phí về mặt phổ Các sóng mang được đặt rất gần nhau vì thế tổng cộng dải phổ cũng chỉ như ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng được điều chế với tất cả dữ liệu

và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng

b Củng cố tính trực giao bằng khoảng bảo vệ

Thực tế, các sóng mang được điều chế nhờ các số phức Nếu khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu của cùng sóng mang (ISI) mà còn cả nhiễu xuyên sóng mang (ICI) Để tránh điều này chúng ta chèn thêm khoảng bảo vệ để giúp đảm bảo các thông tin tổng hợp là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định

Hình 2.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ

Mçi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU Vì tất cả các sóng mang đều tuần hoàn trong TU nên toàn bộ tín hiệu được điều chế cũng vậy Vì thế đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến

từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao được thoả mãn ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ

Trang 33

Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ hiện tượng nhiều đường DAB sử dụng khoảng bảo vệ xấp xỉ TU / 4; DVB-T có nhiều lựa chọn hơn nhưng tối đa cũng chỉ là TU / 4

Còn nhiều thứ nữa có thể gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra ICI Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong các bộ tạo dao động nội hoặc trong việc lấy mẫu tần số của máy thu hay các phase-noise trong các bộ tạo dao động nội Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hưởng này có thể được giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận được

c Sử dụng FFT

Chúng ta đã tránh được hàng ngàn bộ lọc, nhờ tính trực giao, vậy thì việc thực hiện giải điều chế các sóng mang, các bộ ghép kênh và các bộ tổ hợp thì sao?

Thực tế, chúng ta làm việc với tín hiệu thu được dưới dạng lấy mẫu (theo định

lý Nyquyst) Quá trình tổ hợp trở thành quá trình tổng kết, và toàn bộ quá trình giải

điều chế dựa trên dạng biến đổi Furier rời rạc (DFT) Rất may là việc thực hiện

biến đổi Furier nhanh đã có rồi (các mạch tổ hợp đã sẵn có), vì vậy chúng ta có thể xây dựng thiết bị COFDM phòng thí nghiệm rất dễ dàng Các phiên bản chung của FFT đều hoạt động trên cơ sở các mẫu thời gian 2M

(tương ứng với các mẫu được lấy trong khoảng tổ hợp) và vận chuyển cùng số lượng các hệ số tần (frequency coefficient) Các

hệ số này tương ứng với dữ liệu được giải điều chế từ nhiều sóng mang Thực tế vì chúng ta lấy mẫu trên cơ sở giới hạn Nyquyst, nên không phải tất cả các hệ số được lấy đều tương ứng với các sóng mang tích cực mà chúng ta đã sử dụng

Biến đổi FFT ngược được sử dụng trong máy phát để tạo ra tín hiệu OFDM từ dòng dữ liệu đầu vào

d Lựa chọn điều chế cơ sở

Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao Nếu càng có nhiều trạng thái trong chòm sao thì mỗi sóng mang càng vận chuyển được nhiều bit trong một symbol, tuy nhiên khi đó các điểm trong chòm sao cũng càng gần nhau hơn, trong khi công suất phát thì cố định nên sẽ giảm khả năng chống lỗi Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi

Trang 34

Tại máy thu, giá trị giải điều chế tương ứng (hệ số tần lấy từ FFT máy thu) được nhân với một số phức tuỳ ý (đáp ứng kênh tại tần số sóng mang) Chòm sao sẽ được quay luân phiên và thay đổi về kích cỡ Vậy thì làm thế nào chúng ta xác định được điểm trong chòm sao mà chúng ta gửi đi?

Cách đơn giản là giải điều chế visai (differential demodulation), kiểu như

DQPSK trong DAB Thông tin được mang đi chính là sự thay đổi về pha của symbol này so với symbol tiếp theo Miễn là kênh thay đổi đủ chậm thì sẽ không có

vấn đề gì với đáp ứng kênh của nó Sử dụng quá trình giải điều chế visai (khác với giải

điều chế kết hợp - coherent demodulation ) sẽ gây ra suy giảm về chỉ tiêu của nhiễu tạp

âm (thermal noise) - tuy nhiên DAB không cần là hệ thống chống lỗi mạnh Khi đòi hỏi tốc độ lớn hơn (như ở trong DVB-T), sẽ rất có lợi nếu sử dụng giải điều chế kết hợp

Hình2.4: Chèn thêm các scattered pilot

Ở phương pháp này, đáp Ứng kênh sẽ được xác định và chòm sao nhận được được cân bằng chính xác rồi mới xác định xem điểm nào trên chòm sao được phát

đi (nghĩa là xác định được bit nào đã truyền đi) Để làm được điều này ở DVB-T thì một số thông tin pilot phải được phát kèm theo (gọi là scattered pilots) Sau đó phép

Trang 35

nội suy sẽ được thực hiện, sử dụng bộ lọc một chiều hoặc hai chiều để cân bằng tất

cả chòm sao mang sữ liệu

2.2.4 Tổ chức kênh trong OFDM

Các đặc tính của kênh truyền dẫn không cố định trong miền thời gian Nhưng trong một khoảng thời gian ngắn thì thường là ổn định

a - Phân chia kênh

COFDM đã thực hiện việc phân chia kênh truyền dẫn cả trong miền thời gian và miền tần số, tổ chức kênh RF thành tập các "dải tần phụ" hẹp và tập các "đoạn thời gian" liên tiếp nhau Xem trên hình 2.5 sau đây:

time segment

Hình 2.5 Phân chia kênh

Trang 36

Hình 2.6: Ví dụ về đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu

chính Trục z miêu tả biên độ đáp ứng kênh

b - Chèn các sóng mang phụ

Trong mỗi đoạn thời gian, gọi là mỗi symbol OFDM, mỗi dải tần phụ đƣợc trang bị một sóng mang phụ Để tránh nhiễu giữa các sóng mang, chúng đƣợc bố trí vuông góc với nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang đƣợc đặt bằng với nghịch đảo của một chu kỳ symbol

Trang 37

c - Chèn khoảng bảo vệ

Do các "echo" đƣợc tạo ra bởi các bản sao của tín hiệu gốc khi bị trễ, nên tại phần cuối của mỗi symbol OFDM sẽ có nhiễu liên symbol với phần đầu của symbol tiếp theo Để tránh điều này, một khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào mỗi symbol nhƣ ta thấy hình 2.8 sau:

Guard Interval duration

OFDM symbol duration

Trang 38

d - Đồng bộ kênh

Để giải điều chế tín hiệu một cách chính xác, các máy thu phải lấy mẫu chính xác tín hiệu trong suốt khoảng hữu ích của symbol OFDM (bỏ qua khoảng bảo vệ)

Do đó, một cửa sổ thời gian sẽ được ấn định chính xác tại khoảng thời gian mỗi chu

kỳ symbol diễn ra

Hệ thống DVB-T sử dụng các sóng mang "pilot", trải đều đặn trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò làm các điểm đánh dấu đồng bộ, như trên hình 2.10

Thật không may, tất cả tính năng này lại làm giảm tốc độ hữu ích của tải thông tin Tuy nhiên, ta cũng có thể cân bằng giữa khả năng chống lỗi với dung lượng kênh

Và để giúp các nhà phát hình có thể thoải mái sử dụng các hệ thống truyền dẫn của mình trong từng điều kiện cụ thể, DVB-T đã đưa ra nhiều tham số có thể lựa chọn như: kích cỡ FFT (2K, 8K), tỷ lệ mã hóa (1/2, 2/3, 3/4 ), và khoảng bảo vệ (1/4 TS, 1/8 TS, 1/16 TS )

2.2.5 Phương thức mang dữ liệu trong COFDM

COFDM cho phép trải dữ liệu để truyền đi trên cả miền thời gian và miền tần

số, sau khi đã sử dụng mã hóa vòng để bảo vệ dữ liệu

Trang 39

Do có hiện tượng fading tần số giữa các dải tần cận kề, nên COFDM có sử dụng xen tần số, nghĩa là các bit dữ liệu liên tiếp nhau sẽ được trải ra trên các sóng mang cách biệt nhau

time

GUARD intervall

USED PART

of the symbol

USEFUL DATA PROTECTED DATA

GUARD INTERVALL INSERTION

OFDM SYMBOL DURATION

(PILOTs NOT REPRESENTED )

Hình 2.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol

Trong DVB-T việc mapping dữ liệu lên các symbol OFDM thực ra là điều chế từng sóng mang riêng rẽ, và có thể theo một trong ba chòm sao toạ độ phức 4QAM, 16QAM, 64QAM, như sau:

00

0010

0000104QAM

16QAM

64QAM

Hình 2.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T

Tuỳ theo dạng điều chế được lựa chọn, tại một chu kỳ symbol cho mỗi sóng mang sẽ có 2 bit (4QAM), 4 bit (16QAM) hay 6 bit (64QAM) được truyền đi Mỗi dạng điều chế có một khả năng chống lỗi khác nhau Thường thì 4QAM có khoảng dung sai chịu nhiễu lớn gấp 4 đến 5 lần so với 64QAM

Trang 40

2.3 Mã hóa kênh trong DVB-T

Tín hiệu đƣa vào là luồng số liệu nối tiếp, luồng số liệu này bao gồm các gói đƣợc nén theo tiêu chuẩn MPEG-2, mỗi gói dữ liệu có 188 byte (gồm có 1 byte đồng bộ và 187 byte dữ liệu)

Các gói dữ liệu này đầu tiên đƣợc nhân dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS Mục đích của quá trình này là phân tán năng lƣợng trong phổ tín hiệu số và xác định

số nhị phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài “0” và “1”) Các từ mã đồng bộ không đƣợc đƣa vào quá trình phân tán nói trên

Sau khi đƣợc nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS, các gói dữ liệu đƣợc đƣa vào bộ mã ngoại (outer coding) Tại đây các gói số liệu đƣợc ghép thêm các mã sửa sai vào từng gói

Dữ liệu lấy ra khỏi bộ mã ngoại (outer coding) đƣợc đƣa đến khối ghép ngoại (outer interleaving) để thực hiên việc ghép chập Tại đây các gói số liệu đƣợc ghép theo byte Mục đích của quá trình này là loại bỏ tính thống kê của nhiễu.Ta sẽ xem xét cụ thể các loại mã hóa đƣợc dùng nhƣ sau:

2.3.1.Mã hóa phân tán năng lượng

Hình 2.13: Sơ đồ mô tả nguyên lý ngẫu nhiên, giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu

0 0 0 0 0 0 1 1…

Tín hiệu vào chƣa (đã) đƣợc ngẫu nhiên hoá Enable

Dữ liệu đƣa vào (MSB đầu tiên): 1 0 1 1 1 0 0 0 x x x x x x x x

Chuối PRBS: 0 0 0 0 0 0 1 1

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	2,54 MB