Chơng V : Truyền dẫn truyền hình số
5.1. Hệ thống ghép kênh và truyền tải MPEG 2
5.1.1. Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG-2
a. Mã hố
Để có thể truyền với độ tin cậy cao, các dịng cơ sở video, audio đợc đóng lại thành dịng cơ sở đóng gói PES (Packetized ES) tơng ứng với các gói có độ dài thay đổi. Mỗi gói PES bao gồm một header và số liệu các dòng cơ sở. Các gói PES này đợc ghép kênh với nhau tạo ra dòng truyền tải TS (Transport Stream) hoặc dịng chơng trình.
b. Giải mã
Gồm các quy trình ngợc lại, dịng truyền tải đợc phân kênh để trả lại các dòng cơ sở video và dòng sơ cấp andio. Sau đó đợc giải mã video, audio để tạo lại tín hiệu.
c Đồng bộ
Đồng bộ là một vấn đề quan trọng. Đối với các bộ ghép kênh phân chia thời gian, thời gian trễ giữa bộ mã hố và bộ giải mã thờng có giá trị khơng đổi. Đối với các bộ ghép kênh gói nh MPEG - 2, thời gian trễ phải thay đổi theo sự thay đổi độ dài gói (nếu có) và tần số ghép kênh. Đồng bộ trong hệ thống ghép kênh MPEG - 2 đợc thực hiện thông qua các nhãn thời gian (Time Stamps) và các chuẩn đồng hồ (Clock Reference).
5.1.2 Cấu trúc cơ sở dịng ES
Dịng cơ sở là tín hiệu gốc tại đầu ra của bộ mã hố, chứa những thơng tin cần thiết giúp giúp bộ giải mã tạo lại tín hiệu hình ảnh hoặc âm thanh ban đầu. Đơn vị cơ sở của một hình ảnh là khối 8 x 8 phần tử ảnh.
Hệ sô ứng với thành phần một chiều đợc gửi đi trớc với độ chính xác cao hơn các hệ sô khác. Mã End of Block gửi sau cùng. Các Block hợp thành các Macroblock (MB), mỗi MB có một véctơ chuyển động hai chiều. Các MB hợp lại tạo thành các Slice. Slice có thể bắt đầu từ bất kì điểm nào và có kính thớc tuỳ ý. Tuy nhiên, đối với tiêu chuẩn ATSC quy định Slice phải bắt đầu từ mép phía trái của hình ảnh.
Nhiều Slice hợp lại tạo thành một ảnh hoặc một mành tích cực, vài ảnh tập hợp thành một nhóm ảnh (GOP). Nhóm ảnh bắt đần bằng một ảnh I. Nhiều nhóm ảnh GOP hợp lại thành chuỗi dữ liệu video.
5.1.3 Dịng cơ sở đóng gói PES
Dịng cơ cơ đóng gói PES có thể tạo ra từ một trong hai bộ mã hoá là: mã hoá ứng dụng và mã hố truyền tải. Dịng cơ sở đóng gói (PES) và dịng dữ liệu cơ sở (ES) có chiều dài vơ tận đợc chia thành các gói có kích thớc phù hợp cho từng ứng dụng. Chiều dài của gói có thể tới vài trăm Kbytes. Chiều dài cực đại của gói PES là 216 bytes.
5.1.4 Ghép kênh dịng chơng trình (Program Stream MUX)
Một dịng chơng trình là kết quả ghép kênh một vài dịng cơ sở đóng gói sử dụng cùng một hệ thống xung nhịp thời gian (Time Clock). Dịng ch- ơng trình có thể là một dịng video có kèm audio hoặc một chơng trình nhiều kênh audio.
Dòng video cơ sở chia thành các đơn vị truy cập (AU - Access Unit). Mỗi AU chứa dữ kiệu đã đợc nén của một ảnh. Mỗi video Au là một gói chơng trình (Program Stream Packet). Dịng chơng trình bao gồm các gói PES có độ dài thay đổi đợc thiết kế để truyền trong mơi trờng khơng có tạp nhiễu.
Hình 5.2 Ghép kênh dịng chơng trình và dịng chơng trình
5.1.5 Ghép kênh dịng truyền tải (Transport Stream MUX)
Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài khơng đổi và truyền các gói này đi sau khi đã cộng với dịng bit điều khiển dùng để mơ tả chơng trình, ta sẽ có dịng truyền tải TS.
Elementary Stream map = ánh xạ dòng cơ sở; Transport Stream LUX = Ghép kênh dịng truyền tải PLD = Packet ldentifcation
Hình 5.3 Ghép kênh dịng truyền tải
Program Stream MUX Video PES
Audio PES
Program
Stream (PS) Audio Video Audio
Program Stream MUX = Ghép kênh dịng chương trình Dịng chương trình
Gói PES
Transport
Stream MUX Transport Stream (TS)
PID1 PID2 PID(n-3) PID(n-2) PID(n-1) PID(n) • • • Video PES Audio PES Video PES Audio PES Data Elementary Stream map (Program - map - table)
a. Cấu trúc gói truyền tải
Kích thớc gói truyền tải cố định và bằng 188 bytes, chia thành dữ liệu bắt đầu (header) và dữ liệu có ích (Payload). Dữ liệu bắt đầu có độ dài tối thiểu bằng 4bytes và có câu trúc sau:
• Sync byte: Byte đồng bộ đợc phân biệt bời bộ giải mã.
• Transport Enor Indication (1 bit). Bit này dùng để báo hiệu có lỗi gói xảy ra trên đờng truyền khi tỉ lệ sai nhầm bit (BER) vợt quá giới hạn cho phép.
• Backet Identification (PID): Mã 13 bit này đợc sử dụng để phân biệt các loại gói khác nhau. Các dịng bit cơ sở đóng gói DES và dịng bit điều khiển đợc nhận biết bởi PIDs duy nhất của chúng trong giá trị đầu của mành.
• Continuity counter: Mã 4 bit này đợc gia tăng trị số tại mạch mã hố mỗi khi có một gói đợc truyền đi. Sử dụng mã này để xác định khi có dữ liệu nào đó bị mất hoặc lặp lại.
b. Hệ thống ghép các dịng truyền tải
Đây là một q trình ghép các dịng truyền tải khác nhau. Trong q trình cộng, các dịng bit truyền tải sẽ tơng ứng với việc cộng các chơng trình riêng biệt và dịng bit điều khiển cấp hệ thống, đợc định nghĩa với PID - 0. Dịng bit này mang thơng tin trong một bản tổ chức chơng trình, sắp xếp các tỉ số nhận biết chơng trình.
Tại bên thu, các dịng bit cơ sở chỉ cần một bộ tách kênh để trích cả hai bảng tổ chức chơng trình và bảng ánh xạ chơng trình.
c. Đặc điểm của dịng truyền tải MPEG-2
Dịng truyền tải MPEG - 2 với độ dài TS cố định, có một số những u điểm nơi bật sau:
• Cấp phát dung lợng động: Các gói TS với độ dài cố định tạo khả năng
linh hoạt trong việc cấp phát dung lợng kênh giữa các số liệu video, audio cũng nh các số liệu phụ. Mỗi gói TS đợc nhận dạng bởi số PID có trong TS Header.
• Khả năng co dãn: Một kênh có dải thơng rộng hơn đợc khai thác tối
đa bằng cách sử dụng nhiều dòng sơ cấp ES tại đầu vào bộ ghép kênh, hoặc ghép kênh thêm các dòng cơ bản ES này vào dòng bit ban đầu tại một bộ kênh ghép thứ hai. Tính chất nầy có giá trị khi phân phối trên mạng cũng nh cung cấp khả năng liên vận hành. Khả năng liên vận hành thể hiện ở hai điểm.
- Dịng truyền tải MPEG-2 có thể đợc truyền trên tất cả hệ thống thơng tin.
- Hệ thống MPEG-2 có thể truyền các dòng bit đã đợc tạo ra bởi các hệ thống thơng tin khác.
• Khả năng mở rộng: Cấu trúc dòng truyền tải cho phép mở rộng đợc khả năng phục vụ tơng lai. Có thể ghép thêm các dịng bit cơ sở mới mà khơng cần sửa đơi phần cứng phía phát, chỉ cần ghép các PID mới.
• Khả năng chống lỗi và đồng bộ: Các gói TS có độ dài khơng đổi tạo nền tảng cho việc kiểm soát lỗi gây ra bởi đờng truyền và việc khơi phục lại đồng bộ.
• Thiết bị thu rẻ tiền: Chế tạo bộ giải mã hệ thống đơn giản.
5.2 Kĩ thuật điều chế và giải điều chế
5.2.1 Giới thiệu
Khi phát một luồng số trên kênh vơ tuyến, các tín hiệu băng gốc số phải đợc biến đổi thành các tín hiệu băng tần vơ tuyến, q trình này gọi là điều chế. Q trình tái tạo lại tín hiệu số từ các tín hiệu trong băng tần vơ tuyến gọi là dải điều chế.
Q trình điều chế bao gồm việc khố chuyển biên độ, tần số hai pha của sóng mang tần, tại ba phơng pháp điều chế để truyền dẫn số là điều biên, điều tẩn và điều pha.
• Nếu cần truyền dòng số bằng điều chế biên độ cao thấp, theo dịng tín
hiệu cao thấp, theo dịng tín hiệu xung có - khơng thì khi đó ta sẽ chứng kiến có sự dịch chuyển biên độ sóng cao tần lúc cao, lúc thấp theo tín hiệu số cần truyền gọi là ook.
• Nếu dịng xung có - khơng bằng phơng pháp diều tần thì lúc này ta
thấy tần số sóng cao tần lúc cao lúc thấp tuỳ thuộc vào biên độ dịng xung.
• Nếu truyền xung có, khơng bằng phơng pháp điều chế pha thì pha của sóng cao tân cũng có sự dịch chuyển.
• Mỗi phơng pháp điều chế có u điểm riêng. Việc lựa chọn phụ thuộc vào tiềm năng thông tin, công suất phát và độ rộng kênh. Việc lựa chọn phải đảm bảo:
- Tốc độ số liệu cực đại. - Xác suất lỗi cực tiểu. - Công suất phát cực tiểu. - Độ rộng kênh cực tiểu.
- Khả năng chống nhiễu cực đại. - Mức độ phức tạp cực tiểu.
Trong kỹ thuật truyền hình số, việc sử dụng điều chế khố chuyển pha và khoá chuyển biên kết dụng đợc gọi là điều chế cầu phơng hay biên độ vng góc (QAM).
5.2.2 Phơng pháp điều chế M - PSK
M-PSK là phơng pháp điều chế tín hiệu số. Thơng tin sẽ đợc truyền tải đi dới dạng các biểu trng (Symbol). Mỗi symbol mang một thông tin của 2, 3 hoặc nhiều bit và đợc truyền lệch pha nhau. Số lợng bit, độ lệch pha phụ thuộc vào giá trị M. Nếu truyền dẫn M tín hiệu số riêng biệt qua một kênh hạn chế đơn biên, khi đó phơng pháp điều chế là thay đổi pha sóng mang theo M bậc gián.đoạn. Với M tín hiệu số khác biệt đến từ M nguồn khác biệt, ta có lốc độ bit thấp hơn mà độ rộng băng vẫn giữ nguyên.
Si(t) Acos(ωSCt + 2πi/M + λ) M = 2n
trong đó: A là biên độ tín hiệu.
ωSC = 2πfCS với fSC là tần số sóng mang.
N là một số nguyên dơng bất kỳ và bằng sổ bit ímg với mỗi biểu trng.
i = 0, 1 2... M-l
S(t) là tín hiệu số sau điều chế.
5.2.3 Điều chế QPSK (4 - PSK)
Điều chế khoá dịch pha cầu phơng QPSK - Quadrature Phase Shift Keying ứng với trờng hợp M - 4. Ta có phơng trình:
Si(t) = Acos(ωSC+ 2πi/4 + λ)
Bộ điều chế QPSK có sóng mang dịch pha 900. Đối với trờng hợp λ = 0, dạng sóng có 4 khả năng, mỗi dạng sóng đợc truyền đi trong khoảng TS và đợc biểu diễn nh sau:
S0(t) = Acosω0t S1(t) = Asinω0t
S2(t) = Acosω0t S3(t) = Asinω0t với 0 < t < TS
5.2.4 Điều chế M - QAM
ở hệ thống M-PSK, các thành phần đồng pha và vng góc đợc kết hợp với nhau đợc một tín hiệu tơng hợp có đờng bao khơng đổi. Nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và pha vng góc có thể độc lập với nhau, ta đợc sơ đồ điều chế mới gọi là điều chế biên độ vng góc (cầu ph- ơng) M trạng thái (M - QAM). Trong phơng thức điều chế M-QAM, sóng mang bị điều chế cả pha và biên độ.
Chùm tín hiệu của M - QAM bao gồm một mạng các điểm tin hình chữ nhật. Với trờng hợp M - 16 (16-QAM), dạng cơ sở của chùm tín hiệu là dạng của 1 tín hiệu ASK có L trạng thái với L = 4.
Tổng quát một tín hiệu điều chế 16-QAM cho phép truyền M - L2 ký hiệu độc lập nh nhau trên cùng một độ rộng băng tần của kênh cần thiết cho sơ đồ điều chế ASK M trạng thái.
Dạng tổng quát của QAM - M đợc xác định bằng tín hiệu phát.
δi(t) = - b Cos t T E 2 t Sin b T E 2 c i 0 c i 0 ω + ω
trong đó: E0 là năng lợng của tín hiệu có biên độ thấp nhất.
ai, bi là cặp số nguyên độc lập đợc chọn tuỳ ý theo vị trí của điểm bản tin.
T - 2Tb là thời gian của một ký hiệu.
Tín hiệu Si(t) gồm hai thành phần sóng mang có pha vng góc đợc điều chế bởi một tập hợp tín hiệu rời rạc có tên là "điều chế có biên độ vng góc".
Phân tích Si thành hai hàm cơ sở:
( ) Sin t T 2 t c 1 =− ω Φ Với 0 ≤ t ≤ T ( ) Cos t T 2 t c 2 =− ω Φ Với 0 ≤ t ≤ T
Khi tín hiệu nhị phân số đến bộ điều chế, nh với QPSK, đợc rẽ thành hai luồng bit riêng biệt có nửa tốc độ bit rb /2 của tốc độ luồng bit số liệu đến rb nhờ bộ biến đổi nối tiếp song song. Bộ biến đổi nối tiếp - song song làm biến đổi tín hiệu nhị phân (trong hệ thống thực tế là mã AMI hay HDB3) từ mã AMI hay HDB3 thành các digit hai cực "không trở về không" NRZ, thực hiện giả ngẫu nhiên luồng bit vào cũng nh thêm các bit mào đầu để mang thông tin của khung, bit kiểm tra chẵn lẻ.
Hình 5.4 So đồ khối điều chế M - QAM
Việc giải mã các kênh cơ sở đợc thực hiện ở đầu ra mạch quyết định, mạch này đợc thiết kế để so sánh tín hiệu L mức với L - 1 ngỡng quyết định. Sau đó hai chuỗi số cơ số hai đợc tách ra sẽ kết hợp với nhau ở bộ biến đổi song song vào bộ nối tiếp để khôi phục lại chuỗi tín hiệu ban đầu.
Khi M tăng, sự khác nhau giữa PSK và QAM M trạng thái là đáng kể. Vấn đê thiết kế tín hiệu tính tốn bao hàm nhiều yếu tố nh giảm độ rộng băng tần, tăng cơng suất, độ phức tạp và thích ứng đối với kênh sử dụng.
5.3. Các phơng thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số
Có ba phơng pháp để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số là:
• Truyền qua cáp quang • Truyền qua vệ tinh
• Truyền qua mặt đất
5.3.1 Truyền hình cáp
Hệ thống truyền hình cáp (CATV - Community Antenna Television) xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40. Thuật ngữ CATV đợc dùng để chỉ chung cho các hệ thống truyền hình cáp vơ tuyến và hữu tuyến. Truyền
hình cáp sử dụng các kênh truyền nằm trong phạm vi dải thông ở cận dới của băng VHF. Các kênh đợc chia thành các băng VHP thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng (Super banh).
Truyền hình cáp vơ tuyến MMDS (Multiprogram Multipoint Distribution Syslem) sử dụng mơi trờng truyền sóng là sóng viba tại dải tần 900 MHz. Việc triển khai mạng MMDS rất đơn giản do chỉ dùng anten nhng có cũng nhợc điểm sau:
• Hạn chế vùng phú sóng: MMDS địi hỏi anten thu và anten phát phải
nhìn thấy nhau và khơng có vật cản trên đờng truyền.
• Chịu ảnh hởng mạnh bởi nhiễu cơng nghiệp.
• Chịu ảnh hởng bởi thời tiết: suy hao rất lớn trong không gian khi thời tiết xấu, dẫn đến giảm mạnh chất lợng tín hiệu hình ảnh tại nơi thu.
• u cầu dải tần số vơ tuyến q lớn: Mỗi kênh truyền hình cần một
dải tần là 8 MHz. Nếu muốn cung cấp 13 kênh truyền hình thì cần một dải thơng là 104 MHz. Đây là một dải tần vơ tuyến rất lớn.
• Gây can nhiễu cho các đài vơ tuyến khác.
• Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số.
• Khơng thể cung cấp các dịch vụ hai chiều.
Truyền hình cáp hữu tuyến là hệ thống mà tín hiệu truyền hình đợc dẫn thẳng từ trung tâm chơng trình đến hộ dân bằng một sợi cáp (đồng trục, cáp quang, hoặc cáp xoắn). Về góc độ kỹ thuật, truyền hình cáp hữu tuyến có những u điểm vợt trội hơn so với các hệ thống truyền hình khác nh:
• ít chịu ảnh hởng của nhiễu cơng nghiệp:. Các sợi cáp có khả năng
chống nhiễu cao hơn nhiều lần so với tín hiệu vơ tuyến, đảm bảo chất lợng cho tín hiệu.
• Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến: Do là một mạng thơng tin hữu tuyến riêng biệt.
• Có khả năng cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai
chiều khác.
• Ưu điểm của truyền hình cáp là có thể sử dụng các kênh kề nhau để truyền tín hiệu trong tất cả các phạm vi mà không xuất hiện hiện tợng nhiễu đồng kênh. Tuy nhiên các tín hiệu phải đợc điều khiển ở độ tuyến tính cao để tránh hiện tợng điều chế lơng hỗ.
Cáp quang đợc ứng đụng rộng rãi trong công nghiệp truyền thông. Môi trờng truyền của cáp quang là bức xạ hồng ngoại với các thành phần điện từ có