Công nghệ truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB t2 và ứng dụng tại đài truyền hình việt nam

ATSC Advanced Television System Commitee Hội đồng về hệ thống truyền hình cải biên AVG Audio Visual Global Công ty cổ phần nghe nhìn toàn cầuBCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Bose-Chaudhur

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T2 VÀ ỨNG DỤNG TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VIỆT NAM

ĐỖ XUÂN QUỲNH

HÀ NỘI - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2

VÀ ỨNG DỤNG TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VIỆT NAM

ĐỖ XUÂN QUỲNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Lựa chọn đề tài “ Công nghệ truyền dẫn truyền hình số mặt đất BVB – T2

và ứng dụng tại Đài truyền hình Việt Nam”, với mong muốn hoàn thành luận văn

một cách tốt đẹp nhất Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu

Trung em xin cam đoan những nội dung trong luận văn là hoàn toàn đúng sự thật

và do bản thân tìm tòi nghiên cứu, tham khảo trong các tài liệu khoa học trong và ngoài nước Các tài liệu, số hiệu trích trong luận văn là hoàn toàn khoa học và đáng tin cậy

LỜI CẢM ƠN

Công nghệ truyền hình đang có những ứng dụng rộng rãi trong phát triển văn hóa đời sống tinh thần xã hội Với những ưu điểm vượt trội của truyền hình số so với truyền hình tương tự, trong những năm qua, truyền hình số mặt đất đã phát triển

Hà N ội, ngày 15 tháng 9 năm 2016

Học viên thực hiện

Đỗ Xuân Quỳnh

mạnh mẽ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Việc thay thế hoàn toàn

truyền hình mặt đất tương tự bằng công nghệ truyền hình số mặt đất trên toàn thế

giới đang diễn ra mạnh mẽ

Đến nay đã có nhiều quốc gia trên thế giới lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T để

phát sóng mặt đất Tuy nhiên, trước các nhu cầu đòi hỏi về dung lượng, giảm lỗi

đường truyền, nâng cao độ tin cậy, về giảm công suất thu phát, , cùng với xu thế

hội tụ truyền dẫn, sự phát triển của truyền hình độ phân giải cao HDTV với dung

lượng bit lớn mà DVB-T chưa đáp ứng được Từ các yêu cầu thực tế đặt ra đó,

nhóm DVB Project đã phát triển chuẩn truyền hình số thế hệ thứ hai là DVB-T2

Từ năm 2001, Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm phát sóng truyền hình mặt

đất Trước sức ép về lộ trình chuyển đổi hoàn toàn sang phát sóng số mặt đất trước

năm 2020 và xu hướng phát triển DVB-T2 trên thế giới, cần nghiên cứu các tiêu

chuẩn của DVB- T, những bất cập, tồn tại khi triển khai ở Việt Nam, đồng thời

nghiên cứu cấu trúc, đặc tính kỹ thuật cơ bản, và những tính năng ưu việt của tiêu

chuẩn DVB-T2 Từ đó đề xuất lựa chọn giải pháp công nghệ hợp lý nhất cho hệ

thống truyền hình số mặt đất tại Việt Nam trong những năm tới Từ mục đích như

vậy, tôi lựa chọn đề tài: ”Công nghệ truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB-T2

và ứng dụng tại Đài truyền hình Việt Nam” làm đề tài luận văn thạc sỹ

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Hữu

Trung, cùng sự đóng góp quý báu của đồng nghiệp, bạn bè để bản luận văn này

được hoàn thành Vì thời gian có hạn nên bản luận văn chắc chắn còn rất nhiều

thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy, Cô, đồng nghiệp, bạn bè

để hoàn thiện các vấn đề đã nêu trong bản luận văn này

Hà nội, ngày 15 tháng 9 năm 2016 Học viên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 1

ABSTRACT 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 3

1.1 Hệ thống truyền hình 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Công nghệ truyền hình sơ khai-truyền hình tương tự 5

1.1.3 Khái niệm truyền hình kỹ thuật số 6

1.1.4 Những đặc điểm cơ bản của truyền hình kỹ thuật số 8

1.1.5 Xử lý tín hiệu truyền hình số 10

1.1.6 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 11

1.1.7 Các tiêu chuẩn hiện nay của hệ thống truyền hình kỹ thuật số 11

1.2 Hệ thống truyền hình số DVB-T 12

1.2.1 Khái niệm và sơ khối DVB-T 12

1.2.2 Những đặc tính kỹ thuật cơ bản của DVB-T 15

1.3 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA DVB-T2 27

2.1 Cấu trúc hệ thống truyền hình DVB-T2 27

2.2 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu audio và video 31

2.2.1 Kỹ thuật số hóa tín hiệu video 31

2.2.2 Nén tín hiệu video số 41

2.2.3 Nén tín hiệu audio số 44

2.3 Nén audio trong DVB-T2 50

2.3.1 Chuẩn nén MPEG-1 50

2.3.2 Chuẩn nén MPEG-2 55

2.3.3 Chuẩn nén MPEG-4 57

2.4 Kỹ thuật mã hóa và điều chế tín hiệu trong DVB-T2 59

2.5 Mã sửa sai trong DVB-T2 63

2.6 Các thông số mở rộng trong DVB-T2 so với DVB-T 63

2.7 Kết luận chương 65

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

DVB -T2 TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VIỆT NAM 65

3.1 Những tồn tại của truyền hình tương tự 65

3.2 Ưu điểm của truyền hình số DVB-T2 65

3.3 Khả năng triển khai DVB-T2 69

3.4 Hướng phát triển DVB-T2 70

3.5 Triển khai công nghệ cho truyền hình số mặt đất tại các đài truyền hình Việt Nam 72

3.5.1 Khuyến nghị lựa chọn giải pháp công nghệ 74

3.5.2 Truyền hình An Viên (AVG) 75

3.5.3 Truyền hình VTC 77

3.5.4 Đài truyền hình Việt Nam VTV 79

3.6 Kết luận chương 80

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ACE Active Constellation Extension Mở rộng chòm sao tích cực AFC Automatic Frequency Control Điều khiển tần số tự động

ATSC Advanced Television System

Commitee

Hội đồng về hệ thống truyền hình cải biên

AVG Audio Visual Global Công ty cổ phần nghe nhìn toàn

cầuBCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CATV Collective Antenna Telvision Truyền hình cáp dây dẫn

COFDM Coding Othogonality Fequency

Dvision Mltiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có mã

DTT Digital Terrestrial Television Truyền hình số mặt đất

DiBEG Digital Broadcasting Expert

DPCM Differential Pulse Code

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

EDTV Enhanced Definition Television Truyền hình độ phân giải mở

rộng

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước (thuận)

FEF Future Extension Frame Khung mở rộng dành cho tương

laiFFT Fast Fourrier Transform Biến đổi Fourrier nhanh

FIR Finite Impulse Responese Đáp ứng xung hữu hạn

HDTV High Definitiom Television Truyền hình độ phân giải cao

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IF Intermediate Frequency Trung tần

IFFT Inverse Fast Fourrier Transform Biến đổi nhanh Fourrier ngược

IPTV Internet Protocol Television Truyền hình IP

ISDB Integrated Services Digital

Broadcasing

Truyền hình số các dịch vụ tích hợp

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

JPEG Joint Photoghraphic Experts

LDTV Low Definitiom Television Truyền hình độ phân giải thấp

MCM Multi Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang

MFN Multiple Frequency Network Mạng đa tần

MI Modulator Interface Giao diện điều chế

MISO Multi Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về

ảnh động

NTSC National Television System

Comittee

Hội đồng hệ thống truyền hình quốc gia Mỹ

OFDM Othogonality Fequency Dvision

PAL Phase Alternative Line Đảo pha theo từng dòng

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh/công suất

trung bìnhPCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã

PES Packetized Elementary Stream Dòng cơ sở đóng gói

PLP Physical Layer Pipes Ống lớp vật lý

PRBS Pseudo Random Bit Sequence Chuỗi bit giả ngẫu nhiên

QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

SDTV Standard Definition Television Truyền hình độ phân giải tiêu

chuẩnSFN Single Frequence Network Mạng đơn tần

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TPS Transmission Parameter

UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao (Siêu cao tần)VHF Very High Frequency Tần số rất cao

VTC Vietnam Television Corporation Tổng Công ty Truyền thông đa

phương tiện Việt NamVTV Vietnam Television Đài truyền hình Việt Nam

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Khoảng thời gian bảo vệ ở các chế độ phát khác nhau [5] 26Bảng 3.1: Các tham số phát sóng của truyền hình An Viên [12] 75

Bảng 3.2: Các tham số phát sóng của Đài truyền hình Việt Nam [13] 78

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quan của hệ thống truyền hình số 7Hình 1.2: Chất lượng tín hiệu giữa số và tương tự 9

Hình 1.4: Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 14

Hình 1.5: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế số DVB-T 15

Hình 1.6: Quá trình phân tán năng lượng, mã hóa ngoài, và ghép xen ngoài 17

Hình 1.7: Sơ đồ khối điều chế COFDM trong DVB-T 18

Hình 1.8: Biểu diễn chòm sao điều chế của QPSK, 16 QAM, và 64 QAM 21 Hình 1.9: Mô tả phân bố sóng mang của DVB-T 21

Hình 1.10: Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng bảo vệ 23

Hình 2.1: Mô hình cấu trúc hệ thống DVB-T2 28

Hình 2.2: Mô hình ứng dụng chất trượng truyền tải của DVB-T2 31

Hình 2.3: Phổ của tín hiệu lấy mẫu 31

Hình 2.4: Quá trình lượng tử hóa 34

Hình 2.5: Lấy mẫu chuẩn 4fsc NTSC 40

Hình 2.6: Phổ của tín hiệu lấy mẫu chuẩn 4fsc NTSC 40

Hình 2.7: Mô hình hệ thống nén video 41

Hình 2.8: Sự phối hợp các kỹ thuật trong JPEG và MPEG 42

Hình 2.9: Hệ thống mã hoá điểm quá tải khối dữ liệu Audio 47

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc mã hoá MPEG tín hiệu audio 49

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc giải mã MPEG cho tín hiệu Audio 50

Hình 2.12: Cấu trúc khung mức I Audio MPEG 52

Hình 2.13: Chòm sao 16-QAM quay 60

Hình 2.14: So sánh hiệu năng góc xoay DVB-T2 ban đầu (14 độ) và góc xoay DVB-T2 với 16-QAM (16,8 độ)[8] 61

Hình 2.15: So sánh hiệu năng BER góc xoay DVB-T2 ban đầu và góc xoay DVB-T2 với 16-QAM trên kênh xóa fading (tốc độ xóa 15%)[8] 61

Hình 2.16: Chòm sao quay 256-QAM 62Hình 3.3: 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) 67Hình 3.4: Phổ tín hiệu tín hiệu truyền phát DVB lý thuyết 68Hình 3.8: Cấu hình tổng thể hệ thống mạng SFN theo tiêu chuẩn DVB-T2 của AVG 76Hình 3.9: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 tại Hà Nội của VTV [13] 80Hình 3.10: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 tại Tp HCM của VTV [13] 80

LỜI MỞ ĐẦU

Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 được nhóm DVB Project công bố tháng 6/2008 Việc triển khai và phát triển các sản phẩm mới cho tiêu chuẩn mới này cũng đã bắt đầu DVB-T2 kế thừa những thành công của DVB-

T với nhiều cải tiến về việc gia tăng dung lượng truyền dẫn Khả năng gia tăng dung

hình số DVB-T hiện nay, tiêu chuẩn DVB-T2 gia tăng dung lượng tối thiểu 30% trong cùng điều kiện thu sóng và sử dụng các anten thu hiện có Thực tế có thể gia tăng dung lượng lên đến gần 50% với công nghệ sử dụng chuẩn DVB-T2, dung lượng dữ liệu đạt được tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB-T, ngoài ra DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T Điều này càng thuận lợi cho việc triển khai các dịch vụ quảng bá mới với đòi hỏi dung lượng bit lớn hơn

Yêu cầu đặt ra đối với tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất mới Tiêu chuẩn DVB-T2 phải bảo đảm tính tương quan giữa các chuẩn trong họ DVB Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 là tiêu chuẩn chủ yếu dành cho các đầu thu cố định

và thu di động Do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các hệ thống hạ tầng anten hiện có Từ những yêu cầu đó, luận văn đã tập trung nghiên cứu các giải pháp

kỹ thuật của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB- T, những bất cập, tồn tại khi triển khai ở Việt Nam, đồng thời nghiên cứu cấu trúc và những đặc tính kỹ thuật cơ bản, những tính năng ưu việt của tiêu chuẩn DVB-T2 Từ đó đề xuất lựa chọn giải pháp công nghệ hợp lý nhất cho hệ thống truyền hình số mặt đất tại Việt Nam trong những năm tới Nội dung của luận văn bao gồm:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

DVB-T CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA DVB-T2

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT

ĐẤT DVB-T2 TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VIỆT NAM

ABSTRACT

Second generation DVB-T2 terrestrial digital TV standard is the DVB Project group announced in May 6/2008 The deployment and development of new products for this new standard has also begun DVB-T2 inherit the success of DVB-

T with many improvements on increasing transmission capacity The ability to increase capacity is one of the main advantages of the DVB-T2 Compared with the standard DVB-T digital television today, DVB-T2 standard minimum capacity

increased by 30% during the same reception conditions and the use of existing antennas The fact can increase capacity up to nearly 50% for technology use DVB-T2 standard, data storage in the UK achieve greater than about 50% compared to DVB-T, DVB-T2 in addition also has the ability reflex to resist sugar (Multipaths) and mutations interfered better than DVB-T It is more favorable for the deployment

of new broadcast services require larger bit capacity

Requirements set the standard for terrestrial digital television new DVB-T2 standards to ensure interoperability between their standards of DVB TV standard DVB-T2 digital terrestrial standard is primarily intended for fixed receivers and mobile revenues Therefore, DVB-T2 to allow the system to use the existing antenna infrastructure From these requests, dissertation research focused on technical solutions of television systems DVB T digital terrestrial, the inadequacies and shortcomings when deployed in Vietnam, as well as researching the structure and the basic technical characteristics, premium features Vietnam's DVB-T2 standard Since then proposed selection reasonable technology solutions for digital television system ground in Vietnam in the coming years The contents of the thesis include:

CHAPTER 1 OVERVIEW OF TERRESTRIAL DIGITAL

TELEVISION CHAPTER 2 BASIC TECHNICAL OF DVB-T2

CHAPTER 3 DEPLOYMENT OF TERRESTRIAL DIGITAL

TELEVISION DVB-T2 AT VIETNAM TELEVISION

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ

khác, trở thành phương tiện truyền thông độc lập và có sức mạnh to lớn trong việc tạo dựng và định hướng dư luận Việc phát sóng truyền hình đầu tiên ở Mỹ được bắt đầu từ những năm 1930, và truyền hình chỉ thực sự phổ biến từ những năm 1950 Những đài phát thanh như NBC, CBS, ABC… sau khi phát triển thêm hệ thống truyền hình đã thực sự lớn mạnh và trở thành những tập đoàn phát thanh truyền hình tầm cỡ thế giới

Trên thực tế, sự hình thành và phát triển của truyền hình gắn liền với các sự kiện khoa học - công nghệ cũng như các sự kiện chính trị - xã hội khác Ngay từ đầu những năm 1920, người ta đã chú ý đến truyền hình do họ nhận thức được vai trò của truyền hình trong việc tuyên truyền, quảng bá trên các mặt kinh tế, chính trị, xã hội…có thể kể đến một số mốc quan trọng trong lịch sử truyền hình như sau:

• Năm 1839: Bee Quell tìm ra hiện tượng quang điện

• Năm 1898: Volsske tìm ra hệ thống truyền hình không dây dẫn (truyền hình bằng sóng điện từ)

• Tháng 3/1899: Liên lạc vô tuyến quốc tế đầu tiên ra đời ở Anh và Pháp, dài

46 Km

• Năm 1941: Mỹ chấp nhận chuẩn 525 dòng quét với bộ phân giải của mình

• Trong và sau chiến tranh thế giới thứ II: các cường quốc chạy đua gay gắt để phát các chương trình truyền hình nhằm vận động nhân dân ủng hộ các chiến lược quân sự và kinh tế của mình

• Năm 1957: Ở Pháp xuất hiện hệ truyền hình màu SECAM do Henry De France nghiên cứu và thực hiện

• Năm 1962: Giáo sư Walter Bruce ở Tây Đức công bố hệ truyền hình PAL

Cả hai hệ SECAM và PAL về nguyên lý chung thống nhất với hệ NTSC

• Năm 1966: Ở Na Uy đã tiến hành hội nghị CCIR để chọn hệ truyền hình màu thống nhất cho cả Châu Âu, để tiện cho việc trao đổi chương trình truyền hình màu giữa các nước

Kết quả một số nước chọn hệ SECAM, một số nước dùng hệ PAL, Mỹ và Nhật sử dụng hệ NTSC Ở Việt Nam chọn hệ PAL tiêu chuẩn OIRT (Organization Internatinal Radio and Television - Tổ chức phát thanh truyền hình quốc tế)

• Năm 1994: Mỹ nghiên cứu và thử nghiệm truyền hình số, đến tháng 12 năm

1996 ban hành tiêu chuẩn ATSC

• Năm 1997: Nhật Bản ban hành tiêu chuẩn ISDB - hay còn gọi là tiêu chuẩn DiBEG

• Năm 1997: Tiêu chuẩn DVB-T của Châu Âu ra đời Nhiều nước Bắc Âu, một số nước Châu Á trong đó có Việt Nam và nhiều nước khác đã lựa chọn tiêu chuẩn này và dự kiến phát sóng số hoàn toàn vào năm 2010 - 2015 Việt Nam từ những năm 1997 đến nay có một số đơn vị kỹ thuật có nghiên cứu và tiếp cận với công nghệ số, cho đến nay nhiều công đoạn trong sản xuất chương trình, truyền dẫn đã được số hóa, nhiều đề tài nghiên cứu truyền hình số đã

và đang được nghiên cứu thử nghiệm chính vì vậy mà nó mang tính khoa học và thực tiễn cao nhằm càng ngày càng nâng cao chất lượng cho việc phát hình số tại Việt Nam

Như vậy, có thể thấy, lịch sử phát triển của truyền hình luôn nằm trong và cùng song hành với lịch sử tiến bộ nhân loại Truyền hình ngày một lớn mạnh là do nhu cầu thông tin của công chúng ngày càng cao, khoa học kỹ thuật phát triển và xuất hiện nhu cầu giao lưu quốc tế Chính bản thân các vấn đề sự kiện chính trị, xã hội cũng góp phần thúc đẩy truyền hình phải tự phát triển và phát huy hơn nữa những ưu thế của mình, từ đó dần tạo nên những đặc trưng riêng biệt trong hệ thống các phương tiện truyền thông đại chúng hiện nay

1.1.2 Công nghệ truyền hình sơ khai-truyền hình tương tự

Truyền hình đen trắng là bước mở đầu cho việc truyền các hình ảnh đi xa

Nó được nghiên cứu và chế tạo vào những năm 60 của thế kỷ XX với những ống thu hình Vidicon Truyền hình đen trắng đã từng được sử dụng ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, cùng với sự phát triển nhanh chóng của đèn điện tử thì các thiết bị của truyền hình đen trắng có độ ổn định hơn, chất lượng tốt hơn Tuy nhiên truyền hình đen trắng lại có nhược điểm rất lớn là không có khả năng truyền đi các hình ảnh có màu sắc như trong thực tế Do đó, năm 1957, hệ truyền hình màu đầu tiên đã

ra đời tại Pháp, đã mở ra cuộc cách mạng đối với nền công nghiệp truyền hình

Hiện nay, có 3 loại công nghệ truyền hình tương tự chính được sử dụng trên toàn thế giới dựa trên tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh NTSC, SECAM và PAL và sử dụng điều chế RF để điều chế tín hiệu sóng mang VHF hoặc UHF Mỗi khung hình của một hình ảnh truyền hình bao gồm các dòng quét trên màn hình Các dòng có

độ sang khác nhau, tập hợp toàn bộ dòng được vẽ một cách nhanh chóng để mắt người cảm nhận nó như là một hình ảnh Các khung hình tiếp theo tuần tự được hiển thị, cho phép mô tả chuyển động Các tín hiệu truyền hình tương tự có thông tin về thời gian và đồng bộ để máy thu có thể tái tạo lại một hình ảnh hai chiều chuyển động từ một tín hiệu một chiều biến thiên theo thời gian

• Tiêu chuẩn NTSC được phát triển tại Mỹ và lần đầu tiên đượ sử dụng trong năm 1954, NTSC hiện là tiêu chuẩn truyền hình lâu đời nhất Nó bao gồm quét dòng là 525 và tần số quét hình là 60Hz

• Tiêu chuẩn SECAM được phát triển ở Pháp và lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1967 Nó sử dụng quét dòng 625 và tần số quét hình là 50Hz Các loại tiêu chuẩn khác nhau sử dụng băng thông video và thông số kỹ thuật cung cấp dịch vụ âm thanh khác nhau

• Tiêu chuẩn PAL được phát triển ở Đức và lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1967 Là một biến thể của NTSC, chuẩn PAL sư dụng quét dòng 625 và tần số quét hình là 50Hz Các tiêu chuẩn khác nhau sử dụng băng thông video và thông số kỹ thuật cung cấp dịch vụ âm thanh khác nhau

Trong thời đại truyền hình tương tự, các tiêu chuẩn đều có những phương tiện truyền dẫn tín hiệu cho riêng mình Các thiết bị mạng có giá thành cao nên các mạng truyền hình mặt đất đều trực thuộc nhà nước hoặc chính phủ Các chuẩn không có khả năng giao tiếp với nhau tạo nên đòi hỏi các quốc gia phải có hệ thống truyền hình mặt đất riêng cho mình Hệ thống truyền hình tương tự bao gồm hệ thống sản xuất chương trình truyền hình (quay hậu trường, chỉnh sửa, hoàn thiện và lưu trữ video), phát sóng (tạo ra composite video, điều chế, khuếch đại, phát sóng)

và tiếp nhận (thu tín hiệu từ anten, giải điều chế của máy thu truyền hình và hiển thị hình ảnh và âm thanh đến người xem) với tất cả các tín hiệu là tương tự

Ngày nay, thông tin kỹ thuật số được tạo ra trong phòng thu Với truyền hình

kỹ thuật số, tất cả các quá trình là kỹ thuật số, các hình ảnh, âm thanh và tất cả các thông tin bổ sung được tạo ra, truyền đi và nhận được tín hiệu kỹ thuật số Điều này cho phép định dạng tốt nhất cho hình ảnh và âm thanh, hình ảnh rộng hơn so với bản gốc (màn hình toàn cảnh), với mức độ cao hơn về độ phân giải (độ phân giải cao) và âm thanh stereo Các hệ thống truyền hình số với những ưu điểm vượt trội

so với truyền hình tương tự ở khả năng chống nhiễu cũng như tăng hiệu quả băng thông đang ngày càng phát triển và được nghiên cứu ở nhiều quốc gia Do đó, xu hướng hiện nay là chuyển đổi sang truyền hình số

1.1.3 Khái niệm truyền hình kỹ thuật số

Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà sử dụng phương pháp

số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin, mở ra một khả năng đặc đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ truyền hình đã được nghiên cứu trước

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần

mà không làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải tất cả các trường hợp, tín hiệu số đều đạt được kết quả cao hơn so với tín hiệu tương tự (bộ lọc là một ví

dụ cụ thể) Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự phát triển của công nghiệp truyền hình trên thế giới nhằm đạt được một hệ thống nhất chung đó là hệ thống truyền hình hoàn toàn bằng kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin Hệ truyền hình kỹ thuật số đã và đang được phát triển trên toàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong công nghiệp truyền hình

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra như trên hình 1.1 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Trong thiết bị mã hóa (biến đôi A/D), tín hiệu truyền hình tương tự

sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát Sau đó tín hiệu truyền hình số được truyền tới bên thu qua kênh thông tin Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát Quá trình giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến

đổi tín hiệu truyền hình số sang tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình

số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa và giải mã tín hiệu truyền hình

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hóa kênh Mã hóa kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin Thiết bị mã hóa kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử

lý tại phía phát Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa và giải mã tín hiệu truyền hình [2]

1.1.4 Những đặc điểm cơ bản của truyền hình kỹ thuật số

Các hệ thống truyền hình phổ biến hiện nay như: NTSC, SECAM, PAL đều

là các hệ thống truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình tương tự là hàm liên tục theo thời gian và từ khâu tạo dựng, truyền dẫn, phát sóng đến khâu thu tín hiệu đệu chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (nhiễu và can nhiễu từ nội bộ hệ thống và từ bên ngoài) làm giảm chất lượng hình ảnh Để khắc phục những hiện tượng đó, người ta

mã hóa tín hiệu truyền hình ở dạng số để xử lý Do đó hệ thống truyền hình số có những ưu điểm sau:

• Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai

• Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong trung tâm truyền hình mà tỷ

số S/N (tỷ số tín hiệu/tạp âm) không giảm Trong truyền hình tương tự thì việc này gây ra méo tích lũy (mỗi khâu xử lý đều gây méo)

• Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng không bị giảm

• Có khả năng lưu trữ tín hiệu số trong các bộ nhớ đơn giản và sau đó đọc nó với tốc độ tùy ý

• Khả năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ…)

• Khả năng thu di động tốt người xem dù đi trên ôtô, tàu hỏa vẫn xem được các chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng Doppler

• Dễ tạo dạng, lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệ truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, để thực hiện những kỹ xảo trong truyền hình

• Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường Trong hệ thống truyền hình tương tự, thường xảy ra hiện tượng bóng ma do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá

• Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỷ lệ nén có thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất lượng Từ đó có thể truyền được nhiều chương trình trên một kênh sóng, trong khi truyền hình tương tự mỗi chương trình phải dùng một kênh sóng riêng

• Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giũa điểm và điểm Do sự phát triển của công nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác ngày càng phong phú đa

• Bảo toàn chất lượng: chất lượng của tín hiệu số và tín hiệu tương tự trong quá trình truyền từ máy phát đến máy thu được thể hiện như hình 1.2

Tuy nhiên, truyền hình số cũng có một vài nhược điểm đáng quan tâm như:

• Dải thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự

• Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thường phức tạp hơn (phải dùng mạch chuyển đổi số - tương tự)

1.1.5 Xử lý tín hiệu truyền hình số

Theo hình 1.3, mỗi một chương trình truyền hình cần một bộ mã hóa

MPEG-2 riêng trước khi biến đổi tín hiệu từ tương tự sang số Khi đã được nén để giảm tải

dữ liệu, các chương trình này sẽ ghép lại với nhau để tạp thành dòng bit liên tiếp Lúc này chương trình đã sẵn sàng được truyền đi xa, cần được điều chế để phát đi theo các phương thức:

• Truyền hình số vệ tinh DVB-S (QPSK)

• Truyền hình số cáp DVB-C (QAM)

• Truyền hình số mặt đất DVB-T (COFDM)

Phía thu sau khi nhận được tín hiệu sẽ tiến hành điều chế phù hợp với phương pháp điều chế, sau đó tách kênh rồi giải nén MPEG-2, biến đổi ngược lại số sang tương tự, gồm 2 đường hình và tiếng rồi đến máy thu hình

Các tiến trình xử lý tín hiệu trong hệ thống truyền hình số sẽ bao gồm:

• Số hóa tín hiệu truyền hình

• Chuyển đổi tương tự sang số

• Chuyển đổi số sang tương tự

• Nén tín hiệu truyền hình để giảm bớt data thông tin trong tín hiệu truyền

• Mã hóa và điều chế tín hiệu số

Hình 1.3: S ơ đồ tổng quan hệ thống thu và phát truyền hình số

1.1.6 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số

• Truyền hình số vệ tinh: Kênh vệ tinh (khác với kênh cáp và kênh phát sóng mặt đất) đặc trưng bởi băng tần rộng và sự hạn chế công suất phát Khuếch đại công suất của Transponder làm việc gần như bão hòa trong các điều kiện phi tuyến

• Truyền hình số cáp: Điều kiện truyền các tín hiệu số trong mạng cáp tương đối dễ hơn, vì các kênh là tuyến tính với tỷ số công suất sóng mang trên tạp

âm (C/N) tương đối lớn Tuy nhiên độ rộng băng tần kênh bị hạn chế (8MHZ) Đòi hỏi phải dùng các phương pháp điều chế số có hiệu quả cao hơn so với truyền hình số qua vệ tinh

• Truyền hình số mặt đất: Truyền hình số mặt đất có diện phủ sóng hẹp hơn so với truyền qua vệ tinh, song dễ thực hiện hơn so với mạng cáp Cũng bị hạn chế bởi băng thông nên sử dụng phương pháp điều chế OFDM nhằm tăng dung lượng dẫn qua một kênh sóng và khắc phục hiện tượng nhiễu ở truyền hình mặt đất tương tự

1.1.7 Các tiêu chuẩn hiện nay của hệ thống truyền hình kỹ thuật số

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 thùy theo mức độ phức tạp của máy thu Trên thế giới có 5 nhóm tiêu chuẩn truyền hình số chính:

• ATSC (Advanced television System Committee): Tiêu chuẩn Bắc Mỹ/Hàn Quốc

• DVB (Digital Video Broadcasting): Tiêu chuẩn Châu Âu

• ISDB (Intergrated Services Digital Broadcasting): Tiêu chuẩn Nhật Bản

• ISDTV/ISDB-Tb (Brazilian International Standard for Digital Television): Tiêu chuẩn Brazil/Mỹ Latinh

• DTMB (Chinese Standard for Digital Television): Tiêu chuẩn Trung Quốc Các điểm tương đồng giữa các hệ thống là sử dụng cùng một băng tần số, cải thiện độ phân giải theo chiều dọc và ngang đặc biệt, nâng cao phần hiển thị màu sắc

và định dạng với tỷ lệ 16:9, hỗ trợ âm thanh đa kênh độ trung thực cao và truyền dữ liệu

Với truyền hình số mặt đất, hiện tại hầu hết các nước trên thế giới đang sử dụng các chuẩn truyền hình sau:

• Tiêu chuẩn ATSC

• Tiêu chuẩn ISDB-T

• Tiêu chuẩn Châu Âu (DVB-T)

Điểm giống nhau của cả ba tiêu chuẩn trên là sử dụng chuẩn nén MPEG-2 cho tín hiệu video Điểm khác nhau cơ bản là phương pháp điều chế

ATSC sử dụng kỹ thuật điều chế “điều biên cụt” của những năm 1980 Điều biên cụt 8-VSB (Vestigal Side Band) cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm tốt hơn nhưng lại không có khả năng cho thu di động, không khắc phục hiện tượng phản xạ và không thiết lập được mạng đơn tần như giải pháp của hệ thống ISDB-T và DVB-T

DiBEG có tính phân lớp cao, cho phép đa loại hình dịch vụ, linh hoạt mềm dẻo, tận dụng tối đa dải thông, có khả năng thu di động nhưng không tương thích với các dịch vụ truyền hình qua vệ tinh, truyền hình cáp

DVB-T với phương pháp điều chế COFDM tỏ ra có nhiều đặc điểm ưu việt, nhất là đối với các nước có địa hình phức tạp, có nhu cầu sử dụng mạng đơn tần và đặc biệt là khả năng thu di động

1.2 Hệ thống truyền hình số DVB-T

1.2.1 Khái niệm và sơ khối DVB-T

Chuẩn truyền hình số là một sự thay đổi đáng kể trong nền công nghiệp sản xuất và quảng bá các sản phẩm truyền hình Nó mang lại tính mềm dẻo và hiệu quả

sử dụng cao do có nhiều dạng thức hình ảnh khác nhau trong nén số Hiện nay, trên thế giới tồn tại song song ba tiêu chuẩn truyền hình số Trong đó DVB-T là tiêu chuẩn đang được ứng dụng và sử dụng rộng rãi nhất ở nhiều quốc gia

DVB-T (Digital Video Broadcast – Terrestrial) là tiêu chuẩn truyền hình số được tổ chức ETSI (European Telecommunications Standards Institute) công nhận vào tháng 2 năm 1997

DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (Code 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 các tiêu chuẩn DVB, trong đó bao gồm các tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh, truyền hình số mặt đất và truyền hình số cáp Phạm vi của tiêu chuẩn:

• Tiêu chuẩn này mô tả hệ thống truyền dẫn cho truyền hình số mặt đất Nó xác định hệ thống điều chế, mã hóa kênh dùng cho các dịch vụ truyền hình

số mặt đất nhiều chương trình như: LDTV/SDTV/EDTV/HDTV

• Tiêu chuẩn mô tả chung hệ thống cơ bản của truyền hình số mặt đất

• Tiêu chuẩn xác định các yêu cầu chỉ tiêu chung, và các đặc điểm của hệ thống cơ bản, mục đích để đạt được chất lượng dịch vụ

• Tiêu chuẩn xác định tín hiệu được điều chế số để cho phép việc tương thích giữa các phần thiết bị được sản xuất bởi các nhà sản xuất khác nhau Đạt được điều này bằng cách mô tả chi tiết tín hiệu xử lý ở phía các module, trong khi đó thì việc xử lý ở các máy thu là để mở cho các giải pháp thực hiện khác nhau

Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T được thể hiện như hình 1.4:

Hình 1.4: H ệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T

Chức năng phía phát:

• Tín hiệu Video/Audio nguồn: Tín hiệu nguồn là tín hiệu số hay tương tđược biến đổi thành các dữ liệu số Các chuẩn tín hiệu số được định dạng sao cho tương thích với hệ hống mã hóa Tín hiệu video có tốc độ bit rất lớn, chẳng hạn chuẩn CCIR 601 thì tốc độ bit tăng lên đến 270 Mbps Để các kênh truyền hình quảng bá có độ rộng 8 MHz có thể đáp ứng cho việc truyền tín hiệu số, cần phải giảm tốc độ bit bằng nhiều cách nén tín hiệu video

• Mã hóa nguồn dữ liệu (Source Coding): Mã hóa nguồn dữ liệu thực hiện nén

số ở các tần số nén khác nhau Việc nén được thực hiện bằng bộ mã hóa MPEG-2 Việc mã hóa 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 tín hiệu Audio cũng vậy, việc nén dựa trên nguyên lý tai nghe người khó phân biệt âm thành trầm nhỏ so với âm thanh lớn khi chúng có thể bỏ đi và không được sử dụng Mã hóa nguồn chỉ liên quan đến các đặc tính của nguồn Phương tiện truyền phát không ảnh hưởng đến mã hóa nguồn

• Mã hóa kênh: Gói và đa hợp Video, Audio và các dữ liệu phụ vào một dòng

dữ liệu phụ ở đây là dòng truyền tải MPEG-2 Nhiệm vụ của mã hóa kênh là làm cho tín hiệu truyền phát sóng phù hợp với kênh truyền Trong truyền hình số mặt đất mã được sử dụng là mã Reed-Solomon Mã Reed-Solomon

được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin ngày nay do có khả năng sửa lỗi rất cao

• Điều chế: Điều chế tín hiệu phát sóng bằng dòng dữ liệu, quá trình này bao gồm cả mã hóa truyền dẫn, mã hóa kênh và các kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi, chống lại các suy giảm chất lượng do pha đinh, tạp nhiễu [3]

Chức năng phía thu:

Bên thu sẽ thực hiện quá trình mở gói, giải mã, hiển thị hình và đưa ra máy thu

1.2.2 Những đặc tính kỹ thuật cơ bản của DVB-T

1.2.2.1 Bộ điều chế DVB-T

Khối phân tán năng lượng

Dòng số vào của hệ thống được tổ chức thành các gói có độ dài cố định chính là đầu ra của bộ ghép truyền dẫn các dòng MPEG-2 Chiều dài tổng cộng của mỗi gói sau bộ ghép là 188 byte, trong đó có một byte chức từ mã đồng bộ Thứ tự

xử lý ở phía phát luôn luôn theo thứ tự từ bit MSB (bit 0) của byte chứa từ mã đồng

bộ Để đảm bảo các chuyển đổi nhị phân được thực hiện chính xác thì dữ liệu của khối ghép kênh MPEG-2 đầu vào hệ thống được mã hóa

Dữ liệu vào: 1011100xxxxxxxx…

Dãy PRBS: 00000011

Đa thức bộ tạo chuỗi PRBS là 1 + X14 + X15

Việc nạp dãy 100101010000000 vào thanh ghi PRBS được bắt đầu tại đầu của mỗi lượt gói truyền dẫn Để cung cấp tín hiệu khởi tạo cho bộ giải nhiễu tín hiệu (descrambler), byte đồng bộ của gói truyền dẫn đầu tiên trong nhóm 8 gói các bit được đảo lại Toàn bộ quá trình được gọi là quá trình thích nghi ghép truyền dẫn

Bit đầu tiên tại đầu ra bộ tạo PRBS sẽ là bit đầu tiên (MBS) của byte đầu tiên sau byte từ mã đồng bộ đã được đảo Để hỗ trợ thêm các chức năng đồng bộ, trong thời gian của các byte đồng bộ của 7 gói truyền dẫn ngay sau đó, chuỗi PRBS vẫn được tạo nhưng lại không lấy ra khiến các byte đồng bộ này không được ngẫu nhiên hóa Vì thế chu kỳ của PRBS là 1503 byte Quá trình ngẫu nhiên hóa cũng ở trạng thái tích cực khi dòng bit đầu vào bộ điều chế không tồn tại hoặc không cùng định dạng với dòng MPEG-2

Khối mã ngoài

Mã ngoài và tráo ngoài sẽ được thực hiện trên cấu trúc gói đầu vào theo hình

vẽ (hình 1.6a) mã rút ngắn Reed-Solomon R-S được thực hiện với từng gói và đã được ngẫu nhiên hóa (188 byte) như hình 1.6b để tạo ra gói có tính chống lỗi (hình 1.6c Mã R-S cũng được thực hiện với byte đồng bộ Gói dữ liệu có thể được đảo hoặc không đảo

a) Gói truyền tải MPEG-2

b) Gói truyền tải ngẫu nhiên hóa: Các byte đồng bộ và các byte dữ liệu ngẫu

nhiên hóa

c) Gói chống lỗi với mã Reed-Solomon R-S (204, 188,8)

d) Cấu trúc dữ liệu sau khối ghép xen ngoài

Khối ghép xen ngoài

Khối này thực hiện ghép xen kẽ với độ sâu I = 12 các gói dữ liệu (Outer Interleave) đã được bảo vệ lỗi R-S Các gói được bảo vệ khỏi lỗi R-S có chiều dài là

204 byte được chia thành 17 khối với 12 byte mỗi khối Mỗi phần tử ghi dịch FIFO được cấu trúc thành byte Các chuyển mạch đầu vào và đầu ra được đồng bộ với nhau Các byte đồng bộ của MPEG-2 luôn chạy không trễ qua nhánh “0” của bộ ghép xen Quá trình ghép xen kẽ sẽ phân bố các lỗi cụm (burst error) qua một số các khối làm cho việc sửa sai có thể thực hiện một cách hiệu quả

Bộ chèn xen kẽ có 12 nhánh kết nối vòng tròn đối với dòng byte đầu vào Mỗi nhánh có chứa một thanh ghi dịch vào trước ra trước FIFO (First In First Out)

Khối mã trong

Mã trong dựa trên cơ sở bộ mã hóa vòng xoắn gốc có tốc độ 1/2 vowis 64 trạng thái Hệ thống DVB-T cho phép tao các tỷ lệ mã khác nhau bằng cách tách trích (Puncturing) dữ liệu sau bộ mã hóa xoắn Điều đó cho phép lựa chọn khả năng sửa sai cũng như tốc độ dữ liệu trong các mode truyền phân cấp và không phân cấp

Khối ghép xen trong

Khối ghép xen trong (Inner Interleaving) bao gồm khối ghép xen bit và khối ghép xen symbol

• Ghép xen bit: Đầu vào bộ ghép xen trong có thể có tới hai đầu vào, được tách thành 2, 4 hoặc 6 dòng con theo thứ tự điều chế và loại điều chế Trong mode không phân cấp, dòng bit vào duy nhất được tách ra thành v dòng bit con, v = 2 khi điều chế QPSK, v = 4 khi điều chế 16 QAM và v = 8 khi điều chế 64 QAM Trong mode điều chế phân cấp, cả hai dòng ưu tiên thấp thành

4 dòng con Điều này được thực hiện với cả hai chế độ điều chế QAM đồng nhất và không đồng nhất

• Ghép xen symbol: Mục đích của ghép xen symbol là ánh xạ các từ mã v bit lên 1512 sóng mang (trong mode 2K) hay 6048 sóng mang (trong mode 8K) thuộc một symbol OFDM Bộ ghép xen symbol thực hiện ghép xen các khối

1512 hay 6048 symbol dữ liệu

1.2.2.2 Mã hóa COFDM trong DVB-T

Cơ sở của điều chế COFDM dựa vào thuật toán biến đổi ngược Fourrier nhanh IFFT (Inverse Fast Fourrier Transform)

Nguyên lý COFDM

Như chúng ta đã biết hệ phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (ghép tần

số trực giao có mã) như một phương thức điều chế dữ liệu OFDM là một dạng đặc biệt của hệ thống điều chế đa sóng mang Các sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu con lên các sóng mang Các sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luồng dữ liệu có tốc độ bit cao

Ý tưởng đầu tiên của OFDM 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 phản xạ), nghĩa là

sẽ không còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu Để có thể lập lại được những dữ liệu đã mất ở bên thu, cần mã hóa dữ liệu trước khi phát Việc sử dụng số lớn sóng mang tưởng như không có triển vọng lắm trong thực tế và không chắc chắn, vì sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo Và cũng có vẻ như sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này Nhưng vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/TU với TU là khoảng symbol hữu ích (u: useful) Đây chính là điều kiện trực giao của các sóng ang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao

Kỹ thuất điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và các bộ lọc nhưng chúng ta đã tránh được điều này dựa vào thành các sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó tròn miền thời gian liên tục Tùy thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gắn cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định Nhờ bộ ánh xạ (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức

và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên trục Re (trục thực) và trục Im (trục ảo) Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc Trong thực tế, các thành phần Re

và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận lại tín hiệu trong băng tần cơ bản Quá trình xử

lý ở phía thu sẽ thực hiện biến đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải ánh xạ (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền

Đối với 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 Tùy thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16 QAM hay 64 QAM mỗi sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2,4 hoặc 6 bit Tuy nhiên với công suất phát cố định, khi có nhiều bit

dữ liệu trong một symbol thì các điểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi Với

mô hình điều chế không phân cấp luồng số dữ liệu đầu vào được tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở Mỗi nhóm bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tương ứng với một điểm trên biểu đồ chòm sao Hình 1.8 biểu diễn các chòm sao của điều chế QPSK (4 QAM), 16 QAM và 64 QAM không phân cấp

Trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập sẽ được truyền trong cùng một thời điểm Luồng dữ liệu có mức ưu tiên cao (HP) được điều chế QPSK và luồng có mức ưu tiên thấp được điều chế 16 QAM hoặc 64 QAM

Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame) Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát – Transission Parameter Signalling – TPS carriers) Lý do của việc hình thành các siêu khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomin 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ cấu hình thàm số phát, điều này tránh việc phải chèn thêm các gói đệm không cần thiết Mỗi khung chứa

68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đền 67) Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz (Việt Nam chọ dải thông 8MHz, có nước chọn 7MHz) Hình 1.9 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số

Như vậy, trong một symbol sẽ bao gồm:

• Các sóng mang dữ liệu (video, audio…) được điều chế M-QAM Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K và 1512 với 2K

• Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K và 45 pilot với 2K Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha

• Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K và 131 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao Chúng không có vị trí

cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8MHz Bên máy thu khi nhận được các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh

để đạt được đáp ứng kênh tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần)

• Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2.5 dB so với các sóng mang khác

• Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chòm sao, chúng nằm trên trục thực Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế

độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K Các sóng mang TPS này không những có vị trí cố định trên biểu đồ chòm sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz

Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI)

Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval Duration) Tg trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện

cố định (hình 1.10)

Hình 1.10: Phân b ố sóng mang khi chèn thêm khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ là thời gian thiết bị thu chờ đợi, trước khi xử lý tín hiệu Tg

càng lớn, khoảng cách tối đa giữa các máy phát hình càng lớn Tuy nhiên, về góc độ

lý thuyết thông tin, Tg có giá trị càng nhỏ càng tốt, bởi lẽ Tg là khoảng thời gian không được sử dụng trong kênh truyền Tg lớn sẽ làm giảm dung lượng của kênh truyền

Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU Như vậy 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 thỏa mãn ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ

Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đường (multipath) của máy thu Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phía phát Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB: 1/4TU, 1/8TU, 1/16TU, 1/32TU

Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản

xạ Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích, vì vậy, cùng chế độ phát, Tg càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng

ít, số lượng chương trình sẽ giảm Nhưng Tg càng lớn khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao

và với thông số khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T Các máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát cùng một kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số

1.2.2.3 Chòm sao tín hiệu và quá trình ánh xạ

Để thực hiện phát sóng trên mặt đất, hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang MCM (Multi Carrier Modulation) với từng sóng mang được điều

số QPSK hoặc QAM Các sóng mang đơn lẻ được truyền đi đồng thời bằng phương pháp ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM Các sóng mang được điều chế số

qua phép ánh xạ (Mapping) dựa trên cơ sở biểu đồ chòm sao (constellation) của kỹ thuật điều chế số Phép ánh xạ thực hiện gán các giá trị symbol đầu vào lên các điểm của chòm sao tương ứng với pha và độ lớn của các vecto bao gồm phần thực (Real) và phần ảo (Image) Trong đó mỗi symbol là tổ hợp đồng thời của giá trị điều chế trực giao I (Inpha) và Q (Quadrature) tạo nên điểm chòm sao Khối ánh xạ (Mapping) thực hiện tiếp nối theo sau khối mã hóa xoắn (Convolutional Coder) Phép ánh xạ còn phụ thuộc các mode truyền phân cấp hoặc không phân cấp (Hierachical, Non- Hierachical) được áp dụng cho việc truyền ghép kênh đa sóng mang phân chia trực giao OFDM)

1.2.2.4 Mã sửa sai

Hệ thống DVB-T sử dụng mã sửa sai R-S (Reed-Solomon) và mã cuốn Mã Reed-Solomon là một mã sửa lỗi thuộc một lớp con của mã BCH - lớp mã BCH không nhị phân Mã BCH (mã Bose, Chaudhuri và Hocquenhem) là một loại mã sửa lỗi vòng ngẫu nhiên quan trọng, có khả năng sửa được nhiều lỗi và được ứng dụng rất rộng rãi Bộ mã R-S nhận một khối thông tin rồi thêm vào các bit dư Lỗi xuất hiện trong khi truyền hoặc lưu trữ có thể do nhiều nguyên nhân (như tạp âm)

Bộ giải mã R-S sẽ xử lý từng khối dữ liệu và cố gắng sửa lỗi để khôi phục lại dữ liệu ban đầu Số lượng và kiểu lỗi có thể sửa được phụ thuộc vào các đặc tính của

mã R-S đó

Ưu điểm của việc sử dụng mã R-S và mã cuốn là xác suất tồn tại của một lỗi còn lại trong dữ liệu đã được mã hóa thường là nhỏ hơn rất nhiều so với xác suất của một lỗi khi không sử dụng mã R-S Khả năng này thường được gọi là tăng ích điều chế

1.2.2.5 Môi trường phản xạ đối với DVB-T

Hệ phát số DVB-T sử dụng ghép đa tần trực giao OFDM có nhiều ưu điểm Trong đó có một ưu điểm rất nổi trội và quan trọng (hơn hẳn hệ ATSC của Mỹ) đó

là cho khả năng thiết lập mạng đơn tần Khi thiết lập mạng đơn tần, tất cả các máy phát thuộc mạng đơn tần đó đều phát cùng kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch

và tiết kiệm tài nguyên tần số Mạng đơn tần tuân thủ 3 điều kiện:

• Các máy phát cùng một dòng truyền tải TS: các máy phát thuộc mạng đơn

tần chỉ phát đúng một dòng truyền tải duy nhất (cả về nội dung, cả về thời gian) Về nội dung, có nghĩa là tại bất kỳ máy phát nào cũng không được làm mất tính thống nhất của dòng TS đó

• Phát cùng tần số: các máy phát phải phát cùng tần số, như đã biết ở các máy

phát số DVB-T không có bộ dao động hình sin tạo các sóng mang nhu các hệ thống truyền hình tương tự Hàng ngàn sóng mang trong bộ điều chế số được tạo ra là do tín hiệu của dòng TS sau khi chia nhỏ ra được biến đổi Fourier ngược tạo nên Độ chính xác của tần số liên quan chặt chẽ tới độ chính xác của dòng TS Như vậy, việc đồng bộ các dòng TS cũng đồng nghĩa với việc thực hiện đồng bộ tần số ở khâu điều chế của các máy phát

• Phát “cùng thời điểm”: các máy phát phát “cùng thời điểm” mục đích để

nhấn mạnh tính khắt khe của đồng bộ: cùng thời điểm phát gói “đầu tiên” của cùng một Mega-frame ra không trung ở tất cả các máy phát trong một mạng đơn tần, không có sự nhanh chậm hơn nhau, nói cách khác sự chênh lệch thời gian thời gian phát gói này tại tất cả các máy phát trong một mạng đơn tần phải bằng không Đây chính là vấn đề cốt lõi của quá trình đồng bộ

Vì vậy, để mạng đơn tần hoạt động hiệu quả cần thực hiện tốt việc thiết lập

và hiệu chỉnh đồng bộ giữa các máy phát Trong DVB-T cần đáp ứng yêu cầu về khoảng phòng vệ, để đảm bảo nó cần phải giữ khoảng cách giữa các máy phát phải đảm bảo các điều kiện khoảng bảo vệ, tức là không được vượt khoảng cách cực đại cho phép với nhau

Phản xạ là hiện tượng chung và phổ biến của truyền sóng điện từ Trong môi trường thực tế, chúng ta đang chịu hậu quả của hiện tượng phản xạ sóng khi thu các chương trình truyền hình Đối với công nghệ analog, nhiều sóng đến anten thu và gây ra nhiều hình trên tivi, tạo nên bóng ma lem nhem, thậm chí các hình ảnh phá nhau làm mất đồng bộ và không thể xem được Sóng của máy phát hình số cũng chịu quy luật phản xạ, nhưng do kỹ thuật ghép đa tần trực giao và nhờ có thông số

“khoảng thời gian bảo vệ” của DVB-T, nên các thiết bị thu số DVB-T có thể khắc phục hiệu quả hiện tượng thu phản xạ

Hệ thống DVB-T có một thông số liên quan đến việc chống hiện tượng phản

xạ, đó là khoảng thời gian bảo vệ Tg Khoảng thòi gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB (xem bảng 2.1) và người phát sóng có thể lựa chọn một trong các giá trị đó Bảng 2.1 cho thấy, ở một chế độ phát 8K hoặc 2K, có thể chọn một trong 4 giá trị cho khoảng thời gian bảo vệ Chế độ phát 8k cho khoảng thời gian bảo vệ lớn gấp 4 lần chế độ 2K (nếu cùng tỷ lệ Tg/Tsymbol)

B ảng 1.1: Khoảng thời gian bảo vệ ở các chế độ phát khác nhau [5]

Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn có thể khắc phục tốt hiện tương phản xạ

1.3 Kết luận chương

Qua nội dung tổng quan của chương này, chúng ta có thể thấy rằng DVB-T2

là cơ hội duy nhất để hỗ trợ các dịch vụ có tốc độ bit lớn như HDTV Đặc tính kỹ thuật DVB-T2 được xem như chuẩn thay thế tiềm năng cho chuẩn DVB-T đang dùng Điều này có nghĩa trong tương lai các dịch vụ truyền hình hiện đang được cung cấp bởi DVB-T sẽ được thay thế bởi cùng dịch vụ nhưng dùng DVB-T2 Khi phát sóng theo chuẩn DVB-T2, các dịch vụ mới được hướng đến bổ sung cho môi trường truyền theo chuẩn DVB-T hiện dùng Việc triển khai các dịch vụ dùng chuẩn

thuê bao sẽ chuyển dần sang sử dụng các dịch vụ trên DVB-T2 Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu các nội dung về tiêu chuẩn DVB-T2

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA DVB-T2

vụ viễn thông khác, cùng xu thế hội tụ trong lĩnh vực truyền dẫn, truyền hình di động, sự phát triển mạnh mẽ của truyền hình độ phân giải cao HDTV và 3DTV với dung lượng bit lớn mà DVB-T chưa đáp ứng được Trước những nhu cầu đặt ra trên, cuối năm 2008, những nội dung cơ bản của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 đã được ban hành Cùng với việc đưa ra các chuẩn nén mới như MPEG-4/H246 kết hợp với các ưu điểm vượt trội của DVB-T2, nhất là khi sử dụng với mạng đơn tần và nhiều kênh liền kề sẽ là xu hướng phát triển cho truyền hình số mặt đất trên thế giới

Những yêu cầu cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2 có thể được tóm tắt như sau:

• DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tương quan giữa các chuẩn trong họ DVB Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi giữa các tiêu chuẩn DVB phải thuận tiện cao nhất đến mức có thể

• DVB-T2 phải kế thừa những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn DVB khác

• Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định và di chuyển được Do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiện đang tồn tại ở mỗi gia đình và sử dụng lại các cơ sở anten phát hiện có

• Trong cùng một đơn vị truyền sóng, DVB-T2 phải đạt được dung lượng cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%

• DVB-T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ cụ thể Điều đó có nghĩa là DVB-T2 phải có khả năng đạt được độ tin cậy cao hơn đối với một vài dịch vụ so với các dịch vụ khác

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

• Nếu có thể phải giảm tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình của tín hiệu

để giảm thiểu giá thành truyền sóng

Hệ thống DVB-T2 được chia thành 3 khối chính ở phía phát (SS1, SS2, SS3)

và 2 khối chính ở phía thu (SS4, SS5) như trình bày dưới hình 2.1

• SS1: Khối mã hóa và ghép kênh

Khối mã hóa và ghép kênh có chức năng mã hóa tín hiệu video, audio cùng các tín hiệu phụ trợ kèm theo như thông tin về chương trình/thông tin dịch vụ PSI/SI hoặc tín hiệu báo hiệu lớp 2 (L2 Signalling) với công cụ điều khiển chung nhằm đảm bảo tốc độ bit không đổi đối với tất cả các dòng bit Khối này có chức