Tạp chí Khoa h ọc ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Công ngh ệ 26 (2010) 268-275 Mã sửa lỗi hệ thống truyền hình số qua vệ tinh hệ thứ (DVB-S2) Ngô Thái Trị* Đài Truyền hình Việt Nam, 43 Nguyễn Chí Thanh, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 20 tháng năm 2010 Tóm tắt Trong lĩnh vực truyền hình số, truyền hình số qua vệ tinh (DVB-S) thành công Ngay từ năm cuối kỷ XX, DVB-S ứng dụng rộng rãi ngày phủ sóng khắp hành tinh Thay truyền chương trình truyền hình tương tự, phát đáp ngày truyền 10 chương trình truyền hình số chất lượng cao Truyền hình số qua vệ tinh hệ thứ (DVB-S2) chí truyền tới 20 chương trình Bài báo giới thiệu giải pháp kỹ thuật sử dụng DVB-S2, mã sửa lỗi số kết mô Matlab thực tác giả nhằm minh chứng lợi ích mã LDPC so với mã CC sử dụng DVB-S Giới thiệu hệ thứ (DVB-S2), mã phòng vệ lỗi (FEC coding) bao gồm mã (BCH) mã (LDPC).[1] Bài báo trình bày giải pháp kỹ thuật sử dụng DVB-S2 mã sửa lỗi số kết mô tác giả thực chương trình Matlab nhằm chứng minh tính ưu việt loại mã so với mã CC RS sử dụng DVB-S Dòng liệu đầu vào BBFRAME dòng liệu đầu FECFRAME Mỗi BBFRAME (Kbch bits) xử lý mã hoá FEC để tạo FECFRAME (n ldpc bits) Bit chẵn lẻ (BCHFEC) mã BCH gắn vào sau BBFRAME, bit chẵn lẻ (LDPCFEC) mã LDPC gắn vào sau trường BCHFEC trình bày hình Dạng thức liệu DVB-S2 Trong hệ thống truyền hình số qua vệ tinh × _ ĐT: 84-4-38318119 E-mail: ntt@vtv.gov.vn 268 N.T Trị / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Công ngh ệ 26 (2010) 268-275 269 Nbch = kldpc Kbch Nbch-Kbch BBFRAME BCHFEC nldpc-kldpc LDPCFEC (nldpc bits) Hình Dạng thức liệu (nldpc = 64800 bits với FECFRAME bình thường, nldpc = 16200 bits với FECFRAME ngắn) Bảng bao gồm thông số mã FEC FECFRAME bình thường (n ldpc = 64800 bits), bảng FECFRAME ngắn (n ldpc = 16200 bits ) Bảng Thông số FEC FECFRAME bình thường (n ldpc = 64800 bits)[2] MÃ LDPC 1/4 1/3 2/5 1/2 3/5 2/3 3/4 4/5 5/6 8/9 9/10 Block BCH chưa mã hoá Kbch 16008 21408 25728 32208 38688 43040 48408 51648 53840 57472 58192 Block BCH mã hoá kldpc 16200 21600 25920 32400 38880 43200 48600 52840 54000 57600 58320 BCH sửa t-lỗi 12 12 12 12 12 10 12 12 10 8 Block LDPC mã hoá nldpc 64800 64800 64800 64800 64800 64800 64800 64800 64800 64800 64800 Bảng Thông số FEC FECFRAME ngắn (nldpc = 16200 bits )[2] MÃ LDPC 1/4 1/3 2/5 1/2 3/5 2/3 3/4 4/5 5/6 8/9 9/10 Block BCH chưa mã hoá Kbch 3072 5232 6312 7032 9552 10632 11712 12432 13152 14232 NA Block BCH mã hoá Nbch 3240 5400 64800 7200 9720 10800 11880 12600 13320 14400 NA BCH sửa t-lỗi Tỷ lệ LDPC hiệu dụng kldpc/16200 Block LDPC mã hoá 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 NA 1/5 1/3 2/5 4/9 3/5 2/3 11/15 7/9 37/45 8/9 NA 16200 16200 16200 16200 16200 16200 16200 16200 16200 16200 NA 270 N.T Trị / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Cơng ngh ệ 26 (2010) 268-275 Mã ngồi (BCH) Mã sửa t-lỗi BCH (Nbch, Kbch) ứng dụng cho BBFRAME (K bch) để tạo gói có khả kháng lỗi Các thơng số BCH nldpc = 64800 trình bày bảng nldpc = 16200 trình bày bảng Đa thức sinh mã BCH sửa t-lỗi tạo phép nhân với đa thức t bảng nldpc = 64800 bảng nldpc = 16200 Bảng Đa thức BCH (đối với FECFRAME bình thường n ldpc = 64800) + x2 + x3 + x5 + x16 + x + x4 + x5 + x6 + x8 + x16 + x2 + x3 + x4 + x5 + x7 + x8 + x9 + x10 + x11 + x16 + x2 + x4 + x6 + x9 + x11 + x12 + x14 + x16 + x + x2 + x3 + x5 + x8 + x9 + x10 + x11 + x12 +x16 + x2 + x4 + x5 + x7 + x8 + x9 + x10 + x12 + x13 + x14 + x16 + x2 + x5 + x6 + x8 + x9 + x10 + x11 + x13 + x15 + x16 + x + x2 + x5 + x6 + x8 + x9 + x12 + x13 + x14 + x16 + x5 + x7 + x9 + x10 + x11 + x16 + x + x2 + x5 + x7 + x8 + x10 + x12 + x13 + x14 + x16 + x2 + x3 + x5 + x9 + x11 + x12 + x13 + x16 + x + x5 + x6 + x7 + x9 + x11 + x12 + x16 g1(x) g2(x) g3(x) g4(x) g5(x) g6(x) g7(x) g8(x) g9(x) g10(x) g11(x) g12(x) Bảng Đa thức BCH (đối với FECFRAME ngắn nldpc = 16200) LDPC mã cách hệ thống khối bit thông tin với kích thước kldpc , i = (i , i , …i ) 10 Quá trình BCH mã bits thông tin m = (mk bch -1, mk bch -2, …m1, m0) thành từ mã bc h -2, …m1, m0, dn bch bc -k h 1, dn bch -k bch -2, d1, d0) thực sau: Nhân đa thức thông tin m(x) = mk bc k -1 h -1x bch + n …+ m1x + m0by x Chia x n bch bch -k bc k -2 h -2 x bch + k ldpc -1 n ldpc -k ldpc -1 từ mã bắt đầu theo thứ tự từ i0 đến hết với pn ldpc -k ldpc -1 Thơng số mã LDPC ( nldpc, kldpc) trình bày bảng bảng [3, 4] 4.1 Mã với FEC FRAME bình thường Nhiệm vụ mã hoá xác định nldpc - bch -k bch m(x) Đặt d(x) số dư: mk thành từ mã với kích thước nldpc, c = (i0, i1, …i , p , p , …p ) việc truyền k ldpc -1 mk d1x + d0 Mã (LDPC) g11(x) + x4 + x211 + 3x12 +5 x14 g12(x) + x + x + x + x + x + x7 + x8 + x10 + x13 + x14 -1, n -k -1 -1x bch bch + Gọi c(x) từ mã -k c(x) = xn bch bch m(x) + d(x) g1(x) + x + x3 + x5 + x14 g2(x) + x6 + x8 + x11 + x14 g3(x) + x + x2 + x6 + x9 + x10 + x14 g4(x) + x4 + x7 + x8 + x10 + x12 + x14 g5(x) + x2 + x4 + x6 + x8 + x9 + x11 + x13 +x14 g6(x) + x3 + x7 + x8 + x9 + x13 + x14 g7(x) + x2 + x5 + x6 + x7 + x10 + x11 + x13 + x14 g8(x) + x5 + x28 + x39 + x910 + 10x11 + 14 x14 g9(x) + x + x + x + x + x + x g (x) + x3 + x6 + x9 + x11 + x12 + x14 c = (mk bc h -k bc h bch d(x) = dn cho đa thức sinh g(x) kldpc bit chẵn lẻ ( p0, p1, …pn ldpc -k ldpc -1) block k bit thông tin (i , i , …i ) ldpc k ldpc -1 N.T Trị / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Cơng ngh ệ 26 (2010) 268-275 271 Quy trình thực sau: Bảng Giá trị q khung (FRAME) bình thường Khởi đầu p0 = p1, …pn ldpc -k ldpc -1 = Cộng bit thông tin i0 vào bit chẵn lẻ có địa xác định Ví dụ: p0 = p0 ⊕ i0 p2767 = p2767 ⊕ i0 p240 = p240 ⊕ i0 p16043 = p16043 p10491 = p10491 ⊕ i0 ⊕ i0 p18673 = p18673 ⊕ i0 Tỷ lệ mã 1/4 q 135 2/3 2/5 1/2 3/5 2/3 120 72 108 90 60 45 36 30 20 18 3/4 4/5 5/6 8/9 9/10 p506 = p506 ⊕ i0 p9279 = p9279 ⊕ i0 4.2 Mã với FEC FRAME ngắn p12826 = p12826 ⊕ i0 p10579 = p10579 ⊕ i0 Giá trị q khung (FRAME) ngắn trình bày bảng [4] p8065 = p8065 ⊕ i0 Bảng Giá trị q khung (FRAME) ngắn p20928 = p20928 ⊕ i0 p8226 = p8226 ⊕ i0 Tỷ lệ mã 1/4 2/3 2/5 Với 359 bit thông tin im, m=1, 2, …, 359 cộng im vào địa bit chẵn lẻ gán cho 359 bit thông tin im, m=361, 362, …, 719 tính theo cơng thức: 1/2 3/5 2/3 3/4 4/5 5/6 8/9 q 36 30 27 25 18 15 12 10 { x + (m mod 360) x q } mod ( nldpc - kldpc ) Trong đó: x địa bit chẵn lẻ ứng với bit thông tin i360 Tiếp tục thực phép tính cho i = pi = pi ⊕ pi-1 i = 1, 2, …, nldpc - kldpc-1 Giá trị cuối pi, i = 0, 1, …, nldpc kldpc-1 bit chẵn lẻ pi Một số kết mô Nhằm so sánh tính ưu việt mã sửa lỗi LDPC BCH sử dụng DVB-S2 so với mã CC RS sử dụng DVB-S, tác giả sử dụng phần mềm Matlab mô hai hệ thống nêu với trường hợp cụ thể sau: Phương thức điều chế QPSK, tỷ lệ mã 1/2 Phương thức điều chế QPSK, tỷ lệ mã 2/3 Phương thức điều chế QPSK, tỷ lệ mã 3/4 272 N.T Trị / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Công ngh ệ 26 (2010) 268-275 Hình Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2 Hình Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 1/2 N.T Trị / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Cơng ngh ệ 26 (2010) 268-275 Hình Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 2/3 Hình Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 2/3 Hình Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 3/4 273 274 N.T Trị / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa h ọc Tự nhiên Công ngh ệ 26 (2010) 268-275 Kết mô cho thấy độ chênh lệch độ lợi (gain) hai hệ thống trường hợp thấp 7dB (Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 3/4) cao 11.5 dB (Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 1/2) BB FRAME: BaseBand Frame BCH: Bose-Chaudhuri-Hocquenghem BCH-FEC: BCH Forward Error Correction CC: Convolution Code DVB: Digital Video Broadcasting project Kết luận Hệ thống truyền hình số qua vệ tinh hệ đầu (DVB-S) sử dụng mã sửa sai convolution code với khả lựa chọn tỷ lệ mã hầu sử dụng tỷ lệ mã 3/4 Trong DVB-S2 sử dụng LDPC code với 11 khả lựa chọn tỷ lệ mã khác cho khung liệu bình thường 10 khả lựa chọn tỷ lệ mã cho khung liệu ngắn Với mã BCH code mã LDPC, truyền hình số qua vệ tinh hệ thứ (DVB-S2) đạt dung lượng truyền liệu lớn nhiều so với DVB-S độ tin cậy cao Cùng với việc ứng dụng công nghệ khác, DVB-S2 đáp ứng việc truyền số lượng chương trình ngày tăng kể truyền hình độ phân giải tiêu chuẩn SDTV(Standard Definition Television) truyền hình độ phân giải cao HDTV (High Definition Television) Ký hiệu chữ viết tắt: 16APSK: 16-ary Amplitude and Phase Shift Keying 32APSK: 32-ary Amplitude and Phase Shift Keying 8PSK: 8-ary Phase Shift Keying BB: BaseBand DVB-S: DVB System for Satellite Broadcasting DVB-S2: DVB-S2 System FEC: Forward Error Correction HDTV: High Definition Television LDPC: Low Density Parity Check (codes) LDPC FEC: LDPC Forward Error Correction RS: Reed Solomon code Kbch: Số lượng bit block BCH chưa mã hoá Kldpc: Số lượng bit block LDPC chưa mã hóa Nbch: Số lượng bit block BCH mã hoá Tài liệu tham khảo [1] ETSI EN 301 210: "Digital Video Broadcasting, Framing structrure, channel coding and modulation for Digital Satellite News Gathering (DSNG) and other contribution applications by satellite" [2] ETSI EN 301 192: "Digital Video Broadcasting, DVB specification for data broadcasting" [3] R Gallager, "Low density parity check codes," IRE Trans.Inf Theory, vol.IT-8, pp.21-28, Jan.1962 [4] M Eroz, F.-W Sun and L.-N Lee, "DVB-S2 Low density parity check codes with near Shannon limit performance, " International Journal on Satellite Communication Networks, vol 22, no.3, May-June 2004 ... density parity check codes," IRE Trans.Inf Theory, vol.IT-8, pp.21-28, Jan.1962 [4] M Eroz, F.-W Sun and L.-N Lee, "DVB-S2 Low density parity check codes with near Shannon limit performance, " International... trường hợp thấp 7dB (Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 3/4) cao 11.5 dB (Điều chế QPSK, tỷ lệ mã 1/2) BB FRAME: BaseBand Frame BCH: Bose-Chaudhuri-Hocquenghem BCH-FEC: BCH Forward Error Correction CC: Convolution... Broadcasting, Framing structrure, channel coding and modulation for Digital Satellite News Gathering (DSNG) and other contribution applications by satellite" [2] ETSI EN 301 192: "Digital Video Broadcasting,