Tìm hiểu về các phương thức điều chế trong hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất ATSC

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - TIỂU LUẬN MÔN HỌC “KỸ THUẬT PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH” Đề tài: “Tìm hiểu phương thức điều chế hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất ATSC” Giáo viên: NGUYỄN THỊ THU HIÊN Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp Nhóm mơn học : : : : BÙI MẠNH ÁNH B17DCVT028 D17CQVT04-B NHĨM 01 Hà Nợi, tháng 6/2021 MỤC LỤC Giới thiệu ATSC Tổng quan điều chế VSB 2.1 Khái niệm 2.2 Bộ điều chế VSB 2.3 Bộ giải điều chế VSB 2.4.1 2.4.2 Ưu điểm .6 Nhược điểm Chế độ truyền dẫn sử dụng 8-VSB ATSC 3.1 Bảo vệ chống lại lỗi và đồng bợ hóa kênh 3.2 Mã hóa Reed-Solomon .9 3.3 Đan xen 10 3.4 Trellis coding 10 3.5 Điều chế 12 Chế độ truyền mặt đất (16-VSB) 13 LỜI CẢM ƠN! Sự phát triển khoa học đại đem lại cho người hiểu biết sâu sắc giới mà đem lại cho người hiểu biết phương pháp nhận thức giới Chính mà việc áp dụng công nghệ kỹ thuật số vào đời sống ngày phổ biến, giúp người xã hội ngày phát triển mạnh mẽ Em xin chân thành cảm ơn Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông đưa môn học “Kỹ thuật phát truyền hình” vào chương trình học Mơn học giúp sinh viên nắm hiểu rõ trình tự logic, phương pháp nghiên cứu cách trình bày luận điểm khoa học để tiến tới hồn thành luận án tốt nghiệp cuối khóa Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới cô Nguyễn Thị Thu Hiên, giảng viên tâm huyết, truyền đạt vốn kiến thức quý báu tới toàn thể sinh viên suốt kỳ học vừa qua Mặc dù có nhiều cố gắng nỗ lực lần đầu biên soạn, kiến thức kỹ hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong giáo xem xét góp ý kiến để tiểu luận em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Giới thiệu ATSC ATSC (Advanced Television Systems Committee) tiêu chuẩn để truyền hình kỹ thuật số qua mạng mặt đất, cáp vệ tinh Nó phần lớn thay cho tiêu chuẩn NTSC tương tự sử dụng chủ yếu Hoa Kỳ, México Canada Những người dùng trước NTSC, Nhật Bản, khơng sử dụng ATSC q trình chuyển đổi truyền hình kỹ thuật số họ họ áp dụng hệ thống riêng họ gọi ISDB Các tiêu chuẩn ATSC phát triển vào đầu năm 1990 Grand Alliance, tập đồn gồm cơng ty điện tử viễn thơng Tiêu chuẩn quản lý Ủy ban Hệ thống Truyền hình Tiên tiến Tiêu chuẩn bao gồm số yếu tố cấp sáng chế việc cấp phép bắt buộc thiết bị sử dụng phần tiêu chuẩn Điểm mấu chốt tiêu chuẩn số hệ thống điều chế 8VSB sử dụng để phát sóng qua không trung ATSC bao gồm hai định dạng video độ nét cao chính, 1080i 720p Nó bao gồm định dạng độ nét tiêu chuẩn, ban đầu có dịch vụ HDTV mắt định dạng kỹ thuật số ATSC mang nhiều kênh thông tin luồng thông thường có tín hiệu độ phân giải cao số tín hiệu độ phân giải tiêu chuẩn phân bổ phân bổ kênh MHz (NTSC cũ) ATSC hỗ trợ âm vòm 5.1 kênh sử dụng định dạng AC-3 Dolby Digital Nhiều dịch vụ liệu phụ trợ cung cấp Tổng quan điều chế VSB 2.1 Khái niệm Thuật ngữ VSB viết tắt Vestigial Side Band Nó loại kỹ thuật điều chế biên độ , phần tín hiệu đặt tên Vestigial điều chế dải biên Hình 2.1: Tín hiệu VSB Cùng với dải biên trên, phần dải biên truyền kỹ thuật Một dải bảo vệ có chiều rộng nhỏ đặt hai bên VSB để tránh nhiễu Điều chế VSB chủ yếu sử dụng truyền hình 2.2 Bộ điều chế VSB Sơ đồ khối điều chế VSB thể hình: Hình 2.2: Bộ điều chế VSB Trong phương pháp này, tạo sóng DSBSC Sau áp dụng sóng DSBSC đầu vào lọc định hình dải biên Bộ lọc tạo đầu sóng VSB Tín hiệu điều chế m(t) tín hiệu sóng mang c(t) đầu vào thiết bị điều chế nên tín hiệu đầu DSBSC có dạng: p(t) = Ac cos(2πfc t).m(t) Áp dụng biến đổi Fourier hai vế ta phương trình phổ tín hiệu DSBSC: P(f) = 𝐴𝑐 [ M ( f – fc ) + M ( f – fc )] Gọi hàm truyền lọc H(f) Bộ lọc có đầu vào tín hiệu p(t) đầu tín hiệu điều chế VSB s(t) Biến đổi Fourier p(t) s(t) P(f) S(f) Từ ta có tín hiệu phổ tín hiệu VSB biểu diễn phương trình sau: S(f) = P(f).H(f) Thay giá trị P(f) vào phương trình ta được: S(f) = Ac [ M( f – fc ) + M( f + fc )].H(f) 2.3 Bộ giải điều chế VSB Hình 2.3: Bộ giải điều chế VSB Trong q trình này, tín hiệu tin ban đầu tạo cách nhân tín hiệu VSB đầu vào với sóng mang có tần số tần số pha sóng mang sử dụng điều chế VSB Tín hiệu thu sau đưa qua Bộ lọc thơng thấp Đầu lọc tín hiệu tin mong muốn Từ hình vẽ, viết đầu điều chế là: v(t) = Ac cos(2πfc t).s(t) Tín hiệu sau qua lọc có dạng: Ac V0 (f) = M(f).[ H( f – fc ) + H( f + fc )] 2.4 Ưu nhược điểm điều chế VSB 2.4.1 Ưu điểm • Ưu điểm điều chế VSB giảm băng thơng • Do cho phép truyền phần dải biên thấp hơn, hạn chế lọc nới lỏng Vì việc thiết kế lọc dễ dàng • Nó sở hữu đặc tính pha tốt làm cho việc truyền thành phần tần số thấp thực 2.4.2 Nhược điểm • Băng thơng so sánh với SSB lớn • Giải điều chế phức tạp Chế độ truyền dẫn sử dụng 8-VSB ATSC enc ode Truyền hình kỹ thuật số mặt đất (8-VSB) hỗ trợ tốc độ truyền liệu khoảng 19 Mbit/s kênh có độ rộng MHz Sơ đồ khối chế độ thể Hình 3.1 Đầu vào cho hệ thống truyền tải đến từ hệ thống truyền tải luồng liệu nối tiếp tạo thành từ gói liệu MPEG có kích thước 188 byte, đại diện cho 19 Mbit/s Dữ liệu đầu vào qua giả ngẫu nhiên sau xử lý sửa lỗi chuyển tiếp (FEC), gọi mã hóa Reed-Solomon (qua bit chẵn lẻ thêm vào gói) Q trình thực cách xen kẽ 1/6 trường liệu mã trellis code với tỷ lệ 2/3 Trình tự FEC không áp dụng cho byte đồng hóa gói truyền tải, biểu diễn q trình truyền đoạn liệu có tín hiệu đồng Sau q trình giải trình tự FEC, gói liệu định dạng khung liệu để truyền phân đoạn có liệu đồng hóa thêm vào Hình 3.1: Sơ đồ khối máy phát 8-VSB Hình 3.2 cho thấy liệu tổ chức để truyền Mỗi khung liệu bao gồm hai trường liệu, trường có 313 phân đoạn liệu Phân đoạn trường liệu tín hiệu đồng hóa, bao gồm chuỗi huấn luyện sử dụng cân máy thu 312 đoạn liệu lại vận chuyển liệu tương đương với việc vận chuyển 188 byte, tải liên quan đến FEC Hình 3.2: Khung liệu 8-VSB 828 ký hiệu truyền dạng tín hiệu tám cấp đó, vận chuyển bit biểu tượng Sau đó, 2484 = (828 × 3) bit liệu vận chuyển phân đoạn liệu, với điều kiện tiên để gửi gói truyền tải bảo vệ: • 187 byte liệu + 20 byte chẵn lẻ Reed – Solomon = 207 byte; • 207 byte × bit / byte = 1656 bit; • tỷ lệ 2/3 mã hóa trellis code yêu cầu 3/2 × 1656 bit = 2484 bit Tỷ lệ ký hiệu xác là: 𝑆𝑅 = 4,5 × 864 = 10,76 𝑀𝐻𝑧 286 (1.1) Tần số phân đoạn liệu là: 𝑓𝑠𝑒𝑔 = 𝑆𝑅 = 12.49 × 103 𝑝ℎâ𝑛 đ𝑜ạ𝑛 𝑑ữ 𝑙𝑖ệ𝑢/𝑠 832 (1.2) Tốc độ khung hình (mỗi giây) biểu thị bằng: 𝑓𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑜 = 𝑓𝑠𝑒𝑔 = 20.66 𝑘ℎ𝑢𝑛𝑔 ℎì𝑛ℎ/𝑠 626 (1.3) Tốc độ ký hiệu (SR) tốc độ truyền tải (TR) cố định tần số Các ký hiệu tám cấp, kết hợp với phân đoạn liệu nhị phân, đồng hóa tín hiệu đồng trường liệu sử dụng để điều chế sóng mang Tuy nhiên, trước truyền, phần lớn dải bị loại bỏ Do đó, phổ thu bị giảm, ngoại trừ dải bên đáp ứng danh định sóng vng đồng hình sin dẫn đến vùng có chuyển tiếp 620 kHz Phổ truyền dẫn danh định VSB thể Hình 2.4.3 Nó bao gồm tín hiệu thí điểm nhỏ tần số bị triệt tiêu, 310 kHz dải bên Hình 2.4.3: Chiếm dụng danh định kênh 8-VSB 3.1 Bảo vệ chống lại lỗi đồng hóa kênh Tồn tải liệu hữu ích vận chuyển với mức độ ưu tiên Một giả ngẫu nhiên liệu sử dụng tất liệu đầu vào để giả ngẫu nhiên hóa tải hữu ích gói (ngoại trừ trường liệu có đồng hóa, phân đoạn có đồng hóa byte chẵn lẻ Reed-Solomon) Bộ trình tự liệu sử dụng phép toán XOR tất byte với chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) có độ dài tối đa 16 bit PRBS tạo ghi dịch chuyển 16 bit, có chín đầu vào phản hồi số đầu ghi dịch chọn byte xen kẽ cố định Bộ tạo đa thức cho mã giả ngẫu nhiên cách khởi tạo trình bày Hình 2.4.3 3.2 Mã hóa Reed-Solomon Mã Reed-Solomon sử dụng hệ thống truyền 8-VSB cung cấp kích thước khối liệu 187 byte, với 20 byte chẵn lẻ thêm vào để sửa lỗi Một khối Reed– Solomon 207 byte truyền đoạn liệu Trong việc tạo byte từ dòng bit nối tiếp, bit quan trọng (MSB) bit nối tiếp 20 byte chẵn lẻ Reed-Solomon gửi cuối đoạn liệu Mã hóa /giải mã Reed – Solomon tiến trình biểu thị tổng số byte gói truyền tới byte tải trọng ứng dụng tại, byte Reed-Solomon sử dụng tải Đa thức máy phát: G16 = X16 + X13 + X12 + X11 + X7 + X6 + X3 + X + Bắt đầu cho hệ lục phân F180: X16 X15 X14 X13 X9 X8 Hình 3.3: Đa thức xáo trộn liệu Hình 3.4: Lược đồ xen kẽ phù hợp 3.3 Đan xen Hệ thống truyền dẫn VSB sử dụng đan xen phức hợp 52 phân đoạn liệu Sự đan xen cung cấp cho độ sâu khoảng 1/6 trường liệu (4 ms) Chỉ byte liệu đan xen Bộ đan xen cho byte liệu trường liệu đồng hóa Việc đan xen phân đoạn thực để cải thiện trình mã hóa Trellis code Giai đoạn đan xen chập chờn thể Hình 3.4 3.4 Trellis coding Hệ thống truyền 8-VSB sử dụng mã Trellis với tỷ lệ hai phần ba (2/3) Một bit đầu vào mã hóa thành hai bit đầu mã tích chập nửa tốc độ, bit khác mã hóa trước Dạng sóng sử dụng với mã Trellis chòm chiều gồm tám cấp độ (3 bit) Mã Trellis sử dụng phân đoạn xen kẽ Điều đòi hỏi 12 mã hóa Trellis giống hệt hoạt động xen kẽ biểu tượng liệu Việc xen kẽ kèm với mã hóa biểu tượng (0, 12, 24, 36, ) nhóm, biểu tượng (1, 13, 25, 37, ) dạng nhóm thứ hai biểu tượng (2, 14, 26, 38, ) nhóm thứ ba, v.v Trong việc tạo bit nối tiếp từ byte song song, MSB gửi trước: (7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0) Bit MSB mã hóa trước (7, 5, 3, 1) bit quan trọng (LSB) đưa trở lại mã hóa tích chập (6, 4, 2, 0) Bộ mã hóa Trellis sử dụng mã hóa phản hồi bốn trạng thái, Hình 3.5 Mã hóa trước ánh xạ biểu tượng hiển thị hình Mã Trellis mã hóa trước phân đoạn xen kẽ, cung cấp ánh xạ hiển thị Hình 3.5, minh họa Hình 3.6 Như hiển thị hình, byte liệu cung cấp từ byte trộn đến mã hóa Trellis mã hóa trước Sau 10 đó, chúng xử lý dạng byte đầy đủ 12 mã hóa Mỗi byte tạo bốn biểu tượng từ mã hóa Hình 3.5 Bộ mã hóa trước, mã hóa ánh xạ ký hiệu 8-VSB Hình 3.6: Bộ trộn cho mã Trellis Đầu đa phân hiển thị Hình 3.6 tiến lên bốn biểu tượng giới hạn Dữ liệu khỏi ghép kênh tuân theo thứ tự thơng thường mã hóa từ đến 11 từ phân đoạn khung Trong phân đoạn thứ hai, thứ tự thay đổi ký hiệu đọc từ mã hóa 4-11, sau từ mã hóa 0-3 Phân đoạn thứ ba đọc từ mã hóa 8-11, sau từ mã hóa 0-7 Ba mẫu lặp lại thơng qua tất 312 phân đoạn khung Bảng 3.7: Trình tự phần xen kẽ để mã hóa Trellis 11 Bảng 3.7 cho thấy trình tự xen kẽ ba phân đoạn liệu khung Sau phân đoạn liệu đồng hóa chèn vào, thứ tự ký hiệu liệu cho biểu tượng mã hóa xảy khoảng 12 ký hiệu Một chuyển đổi hoàn toàn byte song song thành bit nối tiếp cần 828 byte để tạo 6624 bit Các ký hiệu liệu hai bit gửi theo thứ tự MSB tạo Bằng cách này, hoạt động chuyển đổi hoàn chỉnh mang lại 3312 ký hiệu liệu, tương ứng với bốn phân đoạn 828 ký hiệu liệu Tổng cộng có 3312 chia cho 12 mã hóa Trellis dẫn đến 276 ký hiệu cho mã hóa Trellis 276 ký hiệu byte dẫn đến 69 byte lập trình lưới Quá trình chuyển đổi bắt đầu phân đoạn trường liên quan đến nhóm gồm bốn phân đoạn kết thúc trường Tổng cộng có 312 phân đoạn trường, chia cho 4, dẫn đến 78 hoạt động chuyển đổi trường Trong phân đoạn đồng hóa, đầu vào cho bốn mã hóa bị bỏ qua chu kỳ mã hóa thực mà khơng cần đầu vào Đầu vào lưu trữ chu kỳ ghép kênh tiếp theo, sau mã hóa xác cung cấp 3.5 Điều chế Ánh xạ đầu giải mã Trellis đến mức tín hiệu định danh tín hiệu (−7, −5, −3, −1, +1, +3, +5, +7) hiển thị Hình 3.5 Các mức định danh phân đoạn liệu đồng hóa trường liệu đồng hóa −5 +5 Giá trị 1,25 thêm vào tất giá trị định danh sau ánh xạ bit thành biểu tượng, để tạo tần số thí điểm nhỏ Tần số tín hiệu thí điểm giống tần số sóng mang bị triệt tiêu Cơng suất tín hiệu thấp 11,3 dB so với cơng suất trung bình tín hiệu liệu Bộ điều biến VSB nhận 10,7 Msymbols/s, tám cấp độ, mã hóa Trellis với tín hiệu liệu bao gồm thí điểm thêm khung đồng Hiệu suất hệ thống truyền hình kỹ thuật số phụ thuộc vào phản ứng lọc pha tuyến tính với cosin Nyquist tăng lên máy phát kết nối với máy thu Phản ứng lọc hệ thống phẳng toàn dải, ngoại trừ vùng chuyển tiếp cuối dải, Hình 3.8 12 Hình 3.8: Phản ứng định danh kênh 8-VSB (có lọc) Chế độ truyền mặt đất (16-VSB) Chế độ truyền 16-VSB mạnh mẽ sơ đồ 8-VSB (ngưỡng SNR 28,3 dB bit), có tốc độ cao 38 Mbits/giây (ATSC, 1995b) Một số phần chế độ tương tự với hệ thống 8-VSB Một thí điểm, phân đoạn liệu đồng hóa trường liệu đồng hóa sử dụng để cung cấp q trình hoạt động mạnh mẽ Cơng suất tín hiệu thí điểm chế độ thấp 11,3 dB so với cơng suất tín hiệu biểu tượng, phân đoạn, trường liệu tất mức tốc độ giống Các định nghĩa khung liệu giống Sự khác biệt sơ số lượng mức truyền (16 so với 8), việc sử dụng mã hóa Trellis lọc sử dụng NTSC để từ chối nhiễu hệ thống mặt đất Phổ RF chế độ tốc độ cao sử dụng modem máy phát trông giống hệt với hệ thống 8-VSB Một phân đoạn liệu điển hình trình bày 16 cấp độ liệu, dẫn đến tốc độ truyền trùng lặp Mỗi phần 828 ký hiệu liệu đại diện cho 187 byte liệu 20 byte ReedSolomon, nhóm thứ hai gồm 187 byte liệu 20 byte Reed- Solomon (trước xen kẽ tích chập) Hình 4.1: Khối chức máy phát 16-VSB 13 Hình 4.1 cho thấy sơ đồ khối chức máy phát có tốc độ cao Nó giống hệt với hệ thống 8-VSB, ngoại trừ mã hóa Trellis thay ánh xạ chuyển đổi liệu thành biểu tượng đa cấp Bộ trộn tích chập với 26 phân đoạn liệu Việc xen kẽ cung cấp cho độ sâu khoảng (1/12) trường liệu (2 ms) Chỉ có byte liệu xen kẽ Biểu đồ 4.2: Bảng ánh xạ 16-VSB Hình 4.2 cho thấy ánh xạ đầu trộn đến mức danh nghĩa (−15, −13, −11, , +11, +13, +15) Các mức danh nghĩa phân đoạn liệu đồng hóa trường liệu đồng hóa −9 +9 Giá trị 2.5 thêm vào tất mức định danh sau ánh xạ bit thành biểu tượng với mục tiêu tạo tần số thí điểm nhỏ với giai đoạn sóng mang bị triệt tiêu Phương pháp điều chế chế độ giống hệt với chế độ 8-VSB, ngoại trừ thực tế số cấp độ truyền 16 thay 14 KẾT LUẬN Thơng qua nội dung bài, có nhìn rõ phương thức điều chế sử dụng hệ thống truyền hình kĩ thuật số mặt đất ATSC cách thức hoạt động chúng Trong phần nêu nguồn gốc đặc điểm tiêu chuẩn ATSC Tiếp đến, phần hai đem lại nội dug điều chế VSB (tín hiệu, giải điều chế, ưu nhược điểm) Cuối cùng, phần ba phần bốn tìm hiểu chi tiết chế độ truyền dẫn sử dụng 8-VSB 16-VSB Tài liệu tham khảo: Wikipedia https://vi.wikipedia.org/wiki/ATSC Digital Televison Systems, tác giả Marcelo S.Alencar https://nvhrbiblio.nl/biblio/boek/Alencar%20-%20Digital%20television%20syst ems.pdf Amplitude Modulation – Tutorialspoint https://www.tutorialspoint.com/analog_communication/analog_communication _vsbsc_modulation.htm 15 ... rõ phương thức điều chế sử dụng hệ thống truyền hình kĩ thuật số mặt đất ATSC cách thức hoạt động chúng Trong phần nêu nguồn gốc đặc điểm tiêu chuẩn ATSC Tiếp đến, phần hai đem lại nội dug điều. .. Giải điều chế phức tạp Chế độ truyền dẫn sử dụng 8-VSB ATSC enc ode Truyền hình kỹ thuật số mặt đất (8-VSB) hỗ trợ tốc độ truyền liệu khoảng 19 Mbit/s kênh có độ rộng MHz Sơ đồ khối chế độ thể Hình. .. truyền kỹ thuật Một dải bảo vệ có chiều rộng nhỏ đặt hai bên VSB để tránh nhiễu Điều chế VSB chủ yếu sử dụng truyền hình 2.2 Bộ điều chế VSB Sơ đồ khối điều chế VSB thể hình: Hình 2.2: Bộ điều chế