(Luận văn thạc sĩ) hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB t) và một số giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống

Edited by Foxit PDF Editor 2003 - Ï010 I'W ' ĐẠI ỈHỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRưịlVVIG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ PHẠM MINH HÒA H Ệ T H Ố m T R Ư T Ể N H ÌN H s ố M Ặ T Đ Â T (D V B -T ) V / M Ộ T S Ố G IẢ I PH Á P N  N G C A O CHẨ7T LƯ Ợ NG H Ệ T H Ố N G Nginh: Côigỉ nghệ Điện tử - Viễn Ihông Chiyên ngimh: Kỹ thuật Điện tử M Số: 60 522 70 L,UẬN VẢN THẠC s ĩ NGƯỜI HUỚNG DẪN KHOA HỌC ĐAI H C QCGìiiM H.', NỘI TRUNG TM ÍHỊNQ Tr.'M ,— m- l o ì M ỉ — ; \ TS T rịnh Anh Vũ H Nội - 2008 MỤC LỤC Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình minh họa Danh mục bảng biểu Mở đầu Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỂN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRUYỀN h ìn h s ố 1.2 CÁC TIÊU CHUẨN VỀ TRUYỀN h ìn h s ố MẶT ĐẤT 1.3 ĐẶC ĐIỂM Cơ BẢN CỦA TIÊU CHUAN DVB-T 1.4 Sơ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN h ìn h s ố MẶT ĐẤT DVB-T Chương 2: CÁC KỸ THUẬT c BẢN TRONG TRƯYỂN h ình số m ặ t đ ấ t 2.1 KỶ THUẬT SỐ HĨA TÍN HIỆU TRUYỀN h ìn h 2.1.1 Lấy mâu tín hiệu Video 2.1.2 Lượng tử hóa mã h ó a 12 2.2 KỸ THUẬT NÉN MPEG-2 13 2.2.1 Các khái niệm q trình mã hóa Video MPEG-2 13 2.2.2 Nén video số theo tiêu chuẩn MPEG-2 14 2.2.2.1 Nén ảnh 14 2.22.2 Nén ảnh loại p (nén liên ảnh) 18 2.2.23 Nén ảnh B 20 2.2.3 Các đặc tính mức (Profiles and levels) 21 2.2.4 Nén Audio 22 2.2.5 Cấu trúc dòng liệu MPEG-2 24 2.2.5.1 Cấu trúc phân lớp 24 2.2.5.2 Dòng sở dòng sở đóng gói 26 2.2.5.3 Dịng chương trình (PS) dịng truyền tả i 27 2.3 GHÉP KÊNH DÒNG TRUYỀN t ả i n h iề u c h n g t r ìn h 29 2.4 KỸ THUẬT Mà HÓA ĐƯỜNG TRƯYEN 31 2.5 PHẦN ĐIỀU C H Ế 42 2.6 CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN t h e o t iê u CHư ẨN DVB-T 53 Chương 3: MỘT s ố GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỂN HÌNH S ố MẬT ĐẤT THEO CHUẨN DVB-T .56 3.1 CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRUYỀN h ìn h s ố MẶT ĐẤT TỪ PHÍA PHÁT 56 3.1.1 Tăng khả nảng sửa lỗi mã .57 3.1.2 Tăng độ sâu tráo 57 3.1.3 Thay đổi kích thước nhớ mã hóa 58 3.1.4 Thay đổi độ sâu tráo 59 3.1.5 Sử dụng điều chế có phân cấp 60 3.1.6 Lựa chọn FFT khoảng bảo vệ 63 3.2 CẢI THIỆN CHẤT LUỢNG TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH s ố MẶT ĐẤT Ở PHÍA THU 66 3.2.1 Thu phân tập 66 3.2.2 Sử dụng thuật toán CD3-OFDM 66 Chương 4: NGHIÊN c ứ u ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM s ố VÀ TẬP CÁC THAM SỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BANG THỬ NGHIỆM THựC T Ế .70 4.1 THIẾT BỊ SỬ DỤNG ĐỂ THỬNGHIỆM 70 4.2 KẾT QUẢ THỬNGHIỆM 71 4.2.1 BER MER (tỷ lệ lỗi điéu chế) 72 4.2.2 BER FFT 73 4.2.3 Phân tích I, Q với số tham số khác 73 a Kết phân tích I, Q với tham số 64-QAM, FEC = 3/4, Tg = 1/4 73 b Kết phân tích I, Q với tham số 16-QAM, FEC = 3/4, Tg = 1/32 75 4.2.4 Lựa chọn tham sô' tối ưu tham số có dung lượng bit (hiệu xuất sử dụng phổ) tương đương 76 4.3 KẾT LUẬN VÀ MỘT s ố ĐỀ XUẤT 85 T À I L IỆ U T H A M K H Ả O DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ATSC Advanced Television Standards Committee Hội đồng tiêu chuẩn truyền hình tiên tiến B frame Bi-directionally predicted frame Ảnh dự báo chiều BER Bit error Rate Tỷ lệ lỗi bit CA Conditional Access Truy cập có điều kiện CAT Conditional Access Table Bảng truy cập có điểu kiện COFDM Codec Orthgonal Frequency Division Multiplex Mã hóa ghép kênh theo tần số trực giao D/A Digital To Analog Chuyển đổi số/ tương tự DAB Digital Audio Broacasting Phát số DBS Direct Broacasting Satellite Truyền hình trực tiếp từ vệ tinh DCT Discrete Cosin Transform Biến đổi Cosin rời rạc DEMUX Demultiplex Tách kênh DiBEG Digital Broadcasting Expert's Group Nhóm chun gia truyền hình số (Nhật) DPCM Differential Pulse Code Modulation Điều xung mã vi sai DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số DTH Direct To Home Truyền hình trực tiếp từ vệ tinh đến hộ gia đình DTV Digital Television Truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số (chuẩn châu Âu) DVB'T DVB-Terrestrial Truyền hình số mãt đất DVB-T EBU European Broacast Union Hiệp hội p.thanh - T.hình châu Âu T viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ES Elementary Stream Dòng ETSI European Technical Standard Institute Viện chuẩn viễn thông châu Âu FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến FFT Fast Fourie Tranformation Biến đổi Fouire nhanh FIFO First in First out Vào trước trước GOP Group Of Picture Nhóm ảnh HDTV High Definition Television Truyền hình độ phân giải cao HP High Priority Ưu tiên cao IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourie ngược ISO International Standard Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế LP Low Priority Ưu tiên thấp LSB Least Significant Bit Bit quan trọng MFN Multi Frequency Network Mạng đa tần MFP Mega-Frame Packet Gói Mega Frame MPEG Motion Picture Expert Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh động MSB Most Significant Bit Bit quan trọng MUX Mutiplex Ghép kênh OFDM Ortholognal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sô' trực giao PAL Phase Alternating Line Hệ PAL (trong TH tương tự) Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt PAT Program Association Table Bảng truy xuất chương trình PCR Program Clock Reference Đổng hồ tham chiếu chương trình PES Paket Elementary Stream Dịng đóng gói p frame Predicted frame Ảnh dự báo ảnh trước (trong chuẩn MPEG) PID Packet Identifi cation Nhận dạng gói PRBS Pseudo-Random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PMT Program Map Table Bảng đổ chương trình PS Program Stream Dịng chương trình QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biên vng góc QEF Quasi - Error Free Gần không lỗi QPSK Quaternary Phase Shift Keying Khoá dịch pha mức SCPC Single Channel Per Carrier Đơn kênh sóng mang SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần SI Service Information Thông tin dịch vụ RLC Run Length Coding Mã hoá theo chiều dài TPH Transport Packet Header Tiêu đề gói truyền tải TPS Transmission Parameter Signalling Tham số báo hiệu truyền dẫn TS Transport Stream Dòng truyền tải VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit thay đổi Variable Length Coding Mã hoá với độ dài từ mã thay đổi VLC DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA Tên hình vẽ Thứ tự Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số DVB-T Hình 2.1 Q trình mã hóa video MPEG-2 14 Hình 2.2 Quá trình giảm liệu thực với ảnh I 15 Hình 2.3 Các khối mẫu hệ số DCT 16 Hình 2.4 Hai cách quét hệ số DCT 18 Hình 2.5 Đánh giá chuyển động 19 Hình 2.6 ước lượng chuyển động bù chuyển động dự đốn ảnh p 20 Hình 2.7 Sơ đổ khối q trình mã hóa MPEG 21 Hình 2.8 Bộ mã hóa cảm thụ audio 23 Hình 2.9 Cấu trúc phân lớp video MPEG-2 25 Hình 2.10 Cấu trúc dịng sở Video 26 Hình 2.11 Cấu trúc PES nội dung Header 27 Hình 2.12 Cấu trúc dịng truyền tải 28 Hình 2.13 Gói truyển MPEG-2 29 Hình 2.14 Dịng chương trình dịng truyền tải 29 Hình 2.15 Ghép kênh dịng TS (a), dịng TS nhiều chương trình (b) 30 Hình 2.16 Sơ đổ mã hóa ngẫu nhiên 32 Hình 2.17 Khối Outer Interleaver khối Outer Deinterleaver 34 Hình 2.18 Sơ đổ khối khối xáo trộn hệ thống có phân cấp 38 Hình 2.19 Sơ đồ khối khối xáo trộn hệ thống khơng phân cấp 39 Hình 2.20 Sơ đổ tạo địa xáo trộn symbol chế độ 2K 41 Hình 2.21 Sơ đồ tạo địa xáo trộn symbol chế độ 8K 41 Hình 2.22 Biểu đồ chịm tín hiệu DVB-T khơng phân cấp 42 Hình 2.23 Biểu đồ chịm tín hiệu DVB-T phân cấp 43 Hình 2.24 Phổ kênh OFDM 45 Hình 2.25 Một đoạn phổ OFDM 45 Hình 2.26 OFDM miền tần số thời gian 45 Hình 3.1 Sơ đồ khối máy phát truyền hình số mặt đất 56 Hình 3.2 Sơ đổ tráo bytes có độ sâu 12 57 Hình 3.3 Bộ mã hóa sử dụng mã xoắn mẹ 58 Hình 3.4 Quan hệ tỷ lệ lỗi bit BER tỷ lệ mã trục tọa độ lương bit nhiễu Eh/N0 59 Hình 3.5 Đồ thị chịm điều chế QPSK, khơng phân cấp 60 Hình 3.6 Đổ thị chịm điều chế 16QAM, khơng phân cấp 60 Hình 3.7 Đồ thị chịm điều chế 64QAM, khơng phân cấp 61 Hình 3.8 Đồ thị chòm điều chế 64QAM, phân cấp a = 61 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Quan hệ tỷ lệ lỗi bit BER Eb/N0 mật độ điều chế khác Mức độ lỗi bit vói tỷ lệ mã sửa sai mật độ điểu chế khác Mơ hình mạng phát sơ' mặt đất SFN Xác suất phủ sóng tối thiểu máy thu thơng thường máy thu sử dụng thuật toán CD3-OFDM, thông số máy phát khác Quan hệ xác suất phủ sóng tối thiểu máy thu thơng thường va máy thu sử đụng thuật toán CD3-OFDM theo khoảng cách đài phát, sử dụng tỷ lệ mã 2/3 điều chế 16-QAM Quan hệ xác suất phủ sóng tối thiểu máy thu thơng thường máy thu sử dụng thuật toán CD3-OFDM theo khoảng cách đài phát, sử dụng tỷ lệ mã 2/3 điều chế 64-QAM 62 62 68 68 69 69 Hình 4.1 Sơ đồ đấu nối thiết bị đo kiểm tra 71 Hình 4.2 Phân tích I,Q với tham số 64-QAM, FEC 3/4, Tg 1/4 73 Hình 4.3 Phân tích I,Q với tham số 16-QAM, FEC 3/4, Te 1/32 75 DANH MỤC CÁC BẢNG B lỂ TÊN BẢNG, BIỂU THỨTự Trang Bảng 2.1 Ma trận lượng tử mặc định áp dụng cho ảnh I,P,B 17 Bảng 2.2 Các Profile Level MPEG-2 22 Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật audio MPEG-1 MPEG-2 23 Bảng 2.4 Thuật toán rút bỏ bits mã tạo mã có tỷ lệ mã khác từ mã mẹ 36 Bảng 2.5 Chế độ 2K 41 Bảng 2.6 Chế độ 8K 41 Bảng 2.7 Môt vài tham số 47 Bảng 2.8 Vị trí sóng mang Pilot liên tục 49 Bảng 2.9 Thứ tự sóng mang dịng truyền tải TPS 49 Bảng 2.10 Thứ tự khung siêu khung 51 Bảng 2.11 Biểu thị chòm 51 Bảng 2.12 Giá trị hệ sô' a 51 Bảng 2.13 Bảng biểu thị tỷ lệ mã xoắn cho dòng HP dòng LP 52 Bảng 2.14 Tốc độ liệu tỷ số C/N hệ thống DVB-T với kênh Mhz hệ thống khơng phân cấp 53 Bảng 3.1 Số gói RS khung OFDM 63 Bảng 3.2 Tốc độ bit hữu ích 63 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 4.1 Bảng 4.2 Bảng 4.3 Bảng 4.4 Yêu cầu tỷ số C/N để BER = 2x1 O'4 điều chế phân cấp Yêu cầu tỷ số C/N để BER = 2x10‘4 điều chế không phân cấp BER tương ứng C/N FFT khác (phương pháp điều chế 64QAM, FEC = 2/3) Tổng hợp kết phân tích I, Q với số tham số chế độ 2K Kết đo Kiểu điều chế 16QAM, tỉ lệ mã 3/4, khoảng bảo vệ 1/4 kiểu điều chế 64QAM, tỉ lệ mã 1/2, khoảng bằo vệ 1/4 Kết đo Kiểu điều chế 16QAM, tỉ lệ mã 3/4, khoảng bảo vệ 1/8 & Kiểu điều chế 16QAM, tỉ lệ mã 5/6, khoảng bảo vệ 1/4 & Kiểu điều chế 64QAM, tỉ lệ mã 1/2, Khoảng bảo vệ 1/8 64 65 73 74 76 78 THỨTự Bảng 4.5 Bảng 4.6 Bảng 4.7 TÊN BẢNG, BIỂU Kết đo Kiểu điều chế 16QAM, tỉ lệ mã 3/4, khoảng bảo vệ 1/32 & kiểu điều chế 64QAM, tỉ lệ mã 1/2, khoảng bảo vệ 1/32 Kết đo Kiểu điều chế 16QAM, tỉ lệ mã 3/4, khoảng bảo vệ 1/8 & kiểu điều chế 64QAM, tỉ lệ mã 5/6, khoảng bảo vệ 1/4 Các thông sô' phát phù hợp với dung lượng chương trình ty số C/N Trang 80 82 85 -73- 4.2.2 BER FFT a Kết thử nghiệm: Bảng 4.1 : BER tươìĩg ứng C/N FFT khác (phương pháp điều chê'64QAM, FEC =213) BER C/N (dB) 18 FFT (2K) 10'9 FFT (8K) lo-4 17 10'8 2.1 O'4 16 3.10'8 5.1 O'4 15 10'7 8.2.10-4 14 3.IO-7 10-3 13 10-6 3.105 12 1er6 4.1 O'5 11 4.10-6 6.10 s 10 6.1 O'6 9.10 s 10'5 10'2 b Nhận xét: Với phương pháp điều chế, FFT 2K cho BER tương ứng C/N thấp nhiều so với 8K Hay nói cách khác, 8K nhậy cảm tạp nhiễu so với 2K Máy phát làm việc chế độ 8K đòi hỏi cơng suất phải cao (tăng C/N) để đạt BER điều kiện 2K 4.2.3 Phân tích I, Q với số tham số khác nhau: a Kết phân tích I, Q với tham số 64-QAM, FEC 3/4, T g 1/4 Kết đo phân tích I, Q phần xác định thông qua thiết bị thu đo (RFM 210 DVB-T Measurement Receiver) hãng Tektronix Kết đo thực vào ngày 26/9/08 điều kiện môi trường Mức TH đầu vào máy thu -65 dB Tần số phát thử nghiệm 546MHz ( Kênh 30) Iắ IQ n n « t u r« ia t | £4— ffFit £ la rv a l /«*-*«*>t * r a Q»» k m I * iU *r*irc.tôy s HartHH canxt ffc/ctỗằ: 2K C.S*3*-ô3 i n X Coứ* fu t*» Ï ĩ /í ^4 ■ r « :V TvT T -cT i, • Ï-T c f i f * r ■ i ' • T, i - V f Ị V* • t Ị - ^ *r i l E E ! :M > • ĩ » ttit Bứ.lii B T iil KTEt) X 1 * - « » I í , ; r o ií-4 r«npi te*h « Qu a L r r * CHtt S « tcarr« c(:tN Ỉ tù r r o p s I Wẻ9ẽ QÊ ô i t S y r tb o U c a t « ĩỉ i r»ầkiữ : «ĩ> »3248 Ln«* : «20» LÕ C a r r í đ r ỉ Ui Q rrU rỉ LMŨ C a l ĩ B O t rh»*awr«4«eata t i - H J U c : M ttV ĩiỉ* ÍN rt OŒ ** 413.1»-134* CaiT tluppỉ c •> E * 24 -« d H no» «»£?:> xs»2 ữ ÌM Á b liK l Post ( llt* r h ỉỉ Ihrm f n n j K * is iir c w a ỉi Cfemnel S t«t« In fo CS1 Fr««i C w < ii> : ĩr« q ,?íW3 IỈ2 * C S l P e » > J eưM TEĩrrROMIX G r ĩí x W - ! Hỉnh 4.2: Phân tích Ỉ,Q với tham SỐ64-QAM, FEC 314, Tg Ị 14 -74- Bảng 4.2: Tổng hợp kết q phán tích I,Q với sơ'bộ tham số chế độ 2K STT M-QAM, FEC, Tg C/N BER MER cs STEM STED AI QE PJ 23,9 dB 1,7.105 6,3 dB 66,3 dB 1,3-103 6,2.10-4 4,2.10-2% 5,8.10‘2độ 0,07° 64QAM 23,5 dB 1,1.1 6,5 dB 64,8 dB 5,3.103 1,3-103 2,4.10'2% 1,4-103độ 0,23 ° FEC = 3/4 22,0 dB 7,3.10-5 7,6 dB 62,9 dB 4,1.103 3,1.103 4,0 AO'2% 3,9.10'3độ 0,22 Tg= l/4 20,0 dB 6,8.10'5 11,2 dB 58,2 dB 6,4 lO'* 5,5.10‘3 5,9.10'2% 4,6.103độ 0,30 19,1 dB 1,9.1 O'4 14,5 dB 55,4 dB 8,8.10° 6,0.1 ' 7,2.10'2% 6,7.103độ 0,52 21,1 dB 5,9.10-6 8,0 dB 69,7 dB 1,2.1 9,3.10-4 5,8.10'3% 3,0.10-Jđộ 0,34 18,8 dB 3,0.10-5 11,5 dB 67,3 dB 3,4.10° 1,0.10’3 1,4.102% 1,1 -10 3độ 0,47° 16,5 dB 8,0.10-5 14,4 dB 61,5 dB 4,5.103 2,3.10'3 7,0.10-2% 8,2.10'3độ 0,63 ° 15,3 dB 1,5.10-4 16,2 dB 53,3 dB 5,5.103 4,l i a 2,2.10'2% 4,1.10'2độ 0,90° 14,8 dB 1,1.10"* 17,9 dB 52,4 dB 1,1 -10 4,7.10° 3,0.10-2% 6,0.10'3độ 0,92° 14,4 dB 1,7.10"* 17,9 dB 51,3 dB 8,3-102 6,9.103 2,6.1 2% 6,0.10 ' độ 0,70 12 14,2 dB 1,9.10^ 17,6 dB 52,0 dB 8,7.10-2 6,4.10-’ 2,7.102% 5,5.10'3độ 0,64° 13 14,2 dB 2J 10-4 17 đB 53,1 dB 7,9.10-3 6,3.10‘3 2,7.10-2% 5,8.10'3độ 0,71 14 14,1 dB 2,2 K)-4 17,8 dB 51,0 dB 9,0.102 5,2.10-3 2,7.10-2% 5,4.10'3độ 0,79° 15 13,3 dB 4,7 K)-4 19,1 dB 45,1 dB 1,0.10’2 8,8.10 5,1.10'2% 5,0.10‘3độ 0,88° 10 11 16QAM FEC - 3/4 Te = 1/32 -75* Từ bảng kết đo ta có nhận xét sau: - Vói tham số 64-QAM, FEC = 3/4, Tg = 1/4, giá trị C/N BER đạt mức ngưỡng (C/N = 20 dB, BER = 6,8.10 s) thì: + Tỷ lệ lỗi điều chế ; MER « 11,2 dB; + Mất cân biên độ: AI « 5,9.10'2% + Lỗi vuông pha: QE « 4,6.10'3độ + Rung pha: PJ « 0,30 độ Như đưa nhận xét: với phương thức điều chế 64QAM, FEC 3/4, Tgl/4 giá trị MER < 11,2 dB, AI < 5,9.10'2 %, QE < 4,6.10‘3độ , PJ < 0,30 độ thiết bị thu hồn tồn giải điều chế tín hiệu b Kết phân tích I, Q với tham số 16-QAM, FEC 3/4, Tg 1/32 Ị ẳ •’ ĩ ĩ f lO « V-Tsj t ~ ì"l k.:*Ïr * r6 ■’ "*• I*•fâ im a t • ì i & Ẵ ỉĩ * /»&íiỉrỉí * : tfa it l i w ft.ï.H c Ị.Í > 'p ỹ i ' ’t ’ H ỉ ị.ỉìị * ỉm c&inttỉ + t r c■ỈUT'? * ì >W; e J SWÜ iì& iĩ ị 'T •- - • V - - ' - '■ • ■-*! ï ‘ồỹ ■ ' : ỳ \ ã *Êã' C O fợit f t o c ỵ 2K < Á i* ỉ4 (a ï * ỵ/3 Ct\ỉa S a t # / - ? • ;y ặ «f Ị '■ % t m «es n ü a i f e v ỗ p ! ? 83ẻ.J5 fcwfe* t m t ì c - 'â -Z y a \ -í& - ỈẰV 31 d s t : X ỉ y& ổ# X î -’m S tfiT ik ôls : iỉC iậở w C a r r if) r : i * i (Ĩ4U* r ì *! * f* ;v.i' \ V,ĩ„‘ r > F r e