Hình 1.5. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống DVB – S (EN 300 421)
DVB-S được thiết kế để cung cấp các dịch vụ trực tiếp đến người tiêu dùng DTH (direct to home) bằng việc sử dụng mã thu tích hợp giải mã IRD (Integrated Receiver Decoders), cũng như các hệ thống ăng ten chung và truyền hình cáp trạm đầu cuối. DVB-S là phù hợp để sử dụng trên băng thông khác nhau của bộ phát đáp vệ tinh và tương thích với dòng truyền tải (MPEG 2) các dịch vụ truyền hình được mã hóa. Tính linh hoạt được định nghĩa trong đặc tính kỹ thuật cho phép dung lượng truyền dẫn sẽ được sử dụng cho nhiều cấu hình dịch vụ truyền hình, bao gồm cả âm thanh và các dịch vụ dữ liệu.
Thành phần xử lý tín hiệu theo tiêu chuẩn DVB - S bao gồm khối mã hóa ngoài RS, khối xáo trộn bit, mã hóa trong, lọc băng gốc và điều chế QPSK, điều đó được thể hiện ở sơ đồ khối hình 1.5. [7].
- Thích nghi đầu vào và phân tán năng lượng: dòng bit đầu vào phải được tiến hành phân tán năng lượng để xáo trộn các bit nhằm tránh hiện tượng các bit giống
Mã hóa vi deo Mã hóa Audio Mã hóa Data Thành phần dịch vụ G hé p kê nh ch ư ơ ng tr ìn h G hé p kê nh tr uy ề n d ẫ n Thích nghi đầu vào & phân tán năng lượng Mã hóa ngoài Xáo trộn bit Mã hóa trong Lọc băng gốc Điều chế QPSK Tới kênh RF vệ tinh
nhau tập trung với số lượng lớn. Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng tập trung năng lượng trong phổ giống như các phổ vạch. Phân tán năng lượng được thực hiện bằng việc ngẫu nhiên hóa dãy bit đầu vào với một dãy bit giả ngẫu nhiên được tạo ra từ các thanh ghi dịch. Như vậy, tín hiệu đầu vào có phổ gần giống với phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên. Và tại phía thu thì dãy bit thu được sẽ được khôi phục lại bằng cách cộng với dãy bit giả ngẫu nhiên.
- Mã hóa ngoài: Đường truyền vệ tinh chịu ảnh hưởng lớn của nhiễu và tạp âm nên việc áp dụng các phương pháp sửa lỗi là rất cần thiết. Thông tin truyền hình là dạng thông tin một chiều do vậy phương pháp sửa lỗi được sử dụng là phương pháp sửa lỗi trước (FEC) theo phương pháp này phía thu sẽ có khả năng phát hiện và sửa lỗi bit nếu có. Dòng bit sau khi qua khối thích nghi dòng truyền tải và phân tán năng lượng sẽ được đưa đến khối mã hóa ngoài. Trong tiêu chuẩn DVB, mã ngoài được sử dụng là mã RS (204, l88). Đây là mã Reed - Solomon, thuộc dạng mã khối, với mã RS (204, 188) có kích thước khối mã được xử lý là 188 byte phù hợp với kích thước truyền tải MPEG-2. Các gói này được kết hợp với 16 byte nhằm phục vụ cho mục đích xác định và sửa lỗi tại phía thu.
- Xáo trộn bit: Đây là phương pháp kết hợp mã ngoài RS (204, 188) đế nâng cao khả năng sửa lỗi chùm. Khi có lỗi chùm xảy ra chất lượng tín hiệu suy giảm đột ngột. Nếu lỗi chùm xảy ra vượt quá 8 byte thì phương pháp sửa sai RS (204, 188) không thể khắc phục được và dẫn tới sự sai lệch trong quá trình giải mã lại tín hiệu. Tại phía thu việc xáo trộn được làm ngược lại với phía phát. Khi có lỗi chùm xảy ra trên đường truyền thì các lỗi đó phân đều trên các gói mà không tập trung tại một gói, nhờ đó mà khi đường truyền bị lỗi chùm thì vẫn có thể khắc phục được trong một giới hạn nào đó.
- Mã hóa trong: đây là loại mã xoắn, nó được thực hiện theo nguyên lý sau. Đầu vào là một dãy bit nhị phân còn đầu ra gồm hai đường bit chẵn và bit lẻ. Các bit ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào bit vào tại thời điểm đang xét mà còn phụ thuộc vào các bit trước đó.
- Lọc băng gốc và điều chế tín hiệu: Trong các thiết bị điều chế tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh, tín hiệu được xử lý bằng bộ DSP (Digital Signal Processing) ở các khâu điều chế cũng như các bộ lọc trung tần. Điều này giúp cho tín hiệu truyền
hình có độ linh động cao và tốc độ ổn định. Việc điều chế tín hiệu sử dụng DSP cho phép thay đối kiểu điều chế (QPSK, 8PSK) dễ dàng trong những trường hợp đặc biệt như truyền hình lưu động.
Tín hiệu vào bộ điều chế là tín hiệu số. Phổ tần của các tín hiệu này theo lý thuyết là vô hạn và đòi hỏi kênh truyền dẫn cũng phải có băng thông vô hạn để truyền dẫn. Trong thực tế thì điều này không thể thực hiện được nên cần phải có các bộ lọc để hạn chế dải thông của tín hiệu. Sử dụng các bộ lọc dẫn đến can nhiễu xuyên ký tự ISI. Để khắc phục điều này các bộ lọc phải thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist. Trong hệ thống DVB-S sử dụng loại bộ lọc cosin nâng, được đặc trưng bởi hệ số roll-off αvới hàm truyền đạt H(f) là
H(f) = 1 với f < fN(1−α) (1.2a) ; 2 sin 2 1 2 1 ) ( − + = α π f f f f H N N với fN (1 − α ) ≤ f ≤ fN (1 + α ) (1.2b) H(f) = 0 với f > fN(1+α) (1.2c) Trong đó fN là tần số Nyquist, αlà hệ số roll - off được lựa chọn tùy thuộc vào kiểu điều chế được sử dụng. Khi sử dụng điều chế BPSK và QPSK thì α = 0,35, điều chế 8PSK hay 16QAM thì α = 0,35 hoặc α = 0,25 tùy thuộc vào thiết bị và sự lựa chọn của người sử dụng hệ thống.
1.3.2.2 . Tiêu chuẩn EN 301 210 - (DVB-DSNG)
Tiêu chuẩn EN 301 210 sử dụng điều chế QPSK, 8PSK hay 16QAM quá trình xử lý tín hiệu tương tự như trong tiêu chuẩn EN 300 421: Hệ thống cũng bao gồm các phần phân tán năng lượng, mã khối Reed Solomon, Outer Interleaver. Sự khác biệt từ phần mã trong (Inner coder) và phần điều chế. Trong kiểu điều chế 8PSK hay 16 QAM sử dụng phương thức điều chế TCM (Trellis Code Modulation - điều chế mã lưới), đây là phương pháp kết hợp điều chế và mã hóa kênh [8].
Hình 1.7. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống DVB – DSNG (301 210)
Quá trình mã hóa kết hợp với điều chế tiêu chuẩn EN 301 210 được mô tả như sau: Tín hiệu sau khi qua khối mã hóa ngoài được đưa đến khối chuyển đổi song song ra song song với 8 đầu vào. Số đầu ra phụ thuộc vào kiểu điều chế và sửa lỗi trước (FEC). Tín hiệu đầu ra bao gồm 2 thành phần, thành phần không mã hóa (NE - Non Encoded) và thành phần mã hóa (E - Encoded).
Thành phần E sẽ đi qua khối mã hóa trong, sau đó đi đến khối ánh xạ chòm sao, sau đó qua các bộ lọc băng gốc ra khối điêu chế biên độ vuông góc. Kỹ thuật điều chế TCM khác với các kỹ thuật điều chế khác, trong các kỹ thuật điều chế thông thường, các vị trí gần kề được thiết kế sao cho sự sai lệch bit giữa các vị trí đó là tối thiểu (sai lệch 1 bit) để khi xảy ra lỗi vị trí chỉ làm sai lệch 1 bit. Trong kỹ thuật điều chế TCM, các vị trí gần kề có thể sai khác nhau số bit lớn hơn 1 nhưng khi đó các bit này sẽ được đi qua khối mã sửa sai Convolution Encoder để tăng khả năng sửa lỗi vì các bit này có xác suất lỗi xẩy ra nhiều hơn so với các bit khác.
1 3.2.3. Tiêu chuẩn DVB-S2
Tiêu chuẩn DVB-S2 là thế hệ truyền dẫn thứ hai cho phát quảng bá vệ tinh được thiết kế như là một tiêu chuẩn tiếp theo của phát truyền hình số DVB-S quảng bá, nó được phát triển vào năm 2003 và phê chuẩn .của ETSI (EN 302. 307) tháng 3
Mã hóa vi deo Mã hóa Audio Mã hóa Data Thành phần dịch vụ G hé p kê nh ch ư ơ ng tr ìn h G hé p kê nh tr uy ề n d ẫ n 1 2 n Dịch vụ
Mã hóa nguồn và ghép kênh MPEG-2
Thích nghi đầu vào & phân tán năng lượng Mã hóa ngoài Xáo trộn bit Mã hóa trong
Kênh vệ tinh thích nghi
Ánh xạ lên chòm sao điều chế Lọc băng gốc Điều chế QPSK Tới kênh RF vệ tinh
năm 2005. Nó dựa trên các tiêu chuẩn DVB-S và DVB - DSNG, được sử dụng bởi các đơn vị di động để gửi âm thanh và hình ảnh từ các địa điểm từ xa trên toàn thế giới về các điểm thu truyền hình gia đình [5].
DVB-S2 được dự kiến cho phát sóng các dịch vụ bao gồm cả tiêu chuẩn và HDTV, dịch vụ tương tác bao gồm cả truy cập Internet, và dữ liệu phân phối nội dung. Sự phát triển của DVB-S2 trùng hợp với việc giới thiệu HDTV và H.264 (MPEG-4 AVC) nén tín hiệu vi deo. Hai tính năng mới quan trọng đã được thêm vào so với tiêu chuẩn DVB-S là:
• Một chương trình mã hóa mạnh mẽ dựa trên một mã LDPC hiện đại.
• Các chế độ VCM (Variable Coding and Modulation - mã hóa thay đổi và điều chế) và ACM (Adaptive Coding and Modulation - mã hóa thích nghi và điều chế), cho phép tối ưu hóa việc sử dụng băng thông bằng cách tự động thay đổi các tham số truyền.
1 4. Kết luận chương 1
Trong chương 1 trình bày một cách tổng quan về truyền hình số, thông tin vệ tinh, truyền hình số vệ tinh, đặc điểm của từng loại hệ thống nói chung. và truyền hình số vệ tinh nói riêng. Ngoài ra trong chương này luận văn trình bày những hiểu biết về các tiêu chuẩn DVB - S, DVB-DSNG đang được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền hình vệ tinh với những thông tin nổi bật:
1. Dạng tín hiệu đầu vào: Là dòng tín hiệu truyền tải MPG2-TS
2. Kiểu điều chế: Các hệ thống sử dụng tiêu chuẩn DVB-S sử dụng điều chế QPSK còn với tiêu chuẩn DVB-DSNG là QPSK, 8PSK, 16QAM.
3 . Mã hóa: Gồm mã hóa ngoài sử dụng mã RS (204,188) và mã hóa trong là mã xoắn.
4. Hệ số roll - off α: Các thiết bị hiện nay chủ yếu sử dụng hệ số roll – off là 0,35 hoặc 0,25.
Từ các vấn đề được trình bày ở chương này sẽ làm cơ sở để tác giả nghiên cứu phần trọng tâm của luận văn là chuẩn truyền hình số vệ tinh theo tiêu chuẩn Châu âu thế hệ thứ 2 (DVB-S2) được trình bày trong chương 2.
Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ NỔI BẬT TRONG TIÊU CHUẨN DVB-S2
Đây là chương trọng tâm của luận văn, trình bày. những vấn đề nổi bật trong tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh thế thệ thứ 2. Tiêu chuẩn này đã, đang và sẽ được lựa chọn nhiều để dần khắc phục và thay thế những hạn chế của tiêu chuẩn DVB - S trong truyền hình số vệ tinh khi nhu cầu về hiệu quả sử dụng băng tần, tốc độ truyền dẫn, độ tin cậy và tính mềm dẻo trong truyền tải mà các tiêu chuẩn DVB - S đang còn hạn chế. Đây cũng chính là lý do để tiêu chuẩn DVB-S2 ra đời.
DVB-S2 là thế hệ thứ 2 của truyền hình số phát qua vệ tinh - phát triển từ dự án DVB năm 2003. Nó có lợi thế từ việc phát triển mã hóa kênh (LDPC) kết hợp với các đinh dạng điều chế khác nhau (QPSK, 8PSK, 16APSK và 32APSK). Khi sử dụng cho các ứng dụng tương tác, như đường truyền internet, nó có thể hỗ trợ cho điều chế và mã hóa thích nghi (ACM), vì vậy có thể lạc quan về các thông số truyền dẫn cho từng cá nhân sử dụng, phụ thuộc vào điều kiện đường truyền. Các chế độ tương thích ngược được sử dụng, cho phép các set-top-box DVB-S tiếp tục hoạt động trong thời kỳ chuyển tiếp [8].
Hệ thống DVB-S2 được thiết kế cho các ứng dụng của vệ tinh dải rộng như:
• Các dịch vụ truyền hình SDTV và HDTV (truyền hình tiêu chuẩn và truyền hình có độ phân giải cao);
• Các dịch vụ tương tác, bao gồm truy cập intemet, các ứng dụng cho người tiêu dùng.
• Các ứng dụng chuyên nghiệp, như góp tin cho truyền hình số và thu thập tin tức, phân phối tín hiệu truyền hình đến các máy phát hình mặt đất VHF/UHF.
• Phân phối dữ liệu và làm đường truyền internet [10].
Vì vậy chương 2là nội dung trọng tâm của luận văn, trình bày những nội dung cơ bản về DVB-S2 nhằm tiến tới đưa ra những giải pháp áp dụng vào thực tiễn.
2.1. Kiến trúc hệ thống
Tiêu chuẩn DVB-S2 (EN 302 307) là thế hệ thứ 2 của tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh. Đây là tiêu Chuẩn kết hợp giữa chức năng truyền quảng bả của
DVB-S với ứng dụng chuyên nghiệp của DVB-DSGN thành một tiêu chuẩn DVB- S2. Hệ thống DVB-S2 được mô tả bởi sơ đồ khối chức năng hình 2.1 . dưới đây [9,10]
Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống DVB-S2
2.1.1. Mode thích nghi kiểu truyền dẫn
Hệ thống thực hiện ghép lối vào, đồng bộ luồng tín hiệu vào, bỏ đi gói rỗng (chỉ cho trường hợp luồng truyền tải và ACM), mã hoá CRC-8 để dò. Tìm lỗi (dành cho luồng lối vào là các gói), kết hợp luồng lối vào (trường hợp đa luồng vào) và luồng vào gắn trong trường dữ liệu. Cuối cùng, báo hiệu băng gốc được chèn vào để cho thiết bị nơi thu biết định dạng mode thích nghi.
Đầu vào của hệ thống lần lượt là:
- Đơn hoặc đa dòng truyền tải (TS) MPEG - TS
- Các dòng truyền tải chung đơn hoặc đa dòng có thể là dòng bit liên tục hoặc là dạng gói.
Trình tự đầu ra là một BBHEADER (80 bit) theo sau là một lĩnh vực dữ liệu DATA FIELD. .
2.1.1.1. Giao diện lối vào
Bảng 2.1 Giao diện hệ thống
Vị trí Giao diện Kiểu giao diện Kết nối Dòng truyền Trạm
phát
Lối vào MPEC [1, 4] luồng truyền tải (note 1)
Từ bộ trộn MPEG
Đơn hoặc đa Trạm
phát
Lối vào (note 2)
Luồng chung Từ nguồn dữ liệu
Đơn hoặc đa Trạm phát Lối vào (note 3) ACM Từ tốc độ điều khiển cơ sở Đơn Trạm phát Lối ra 70/140 MHz Ì, L- band IF, RE (note4)
Tới thiết bị RF Đơn hoặc đa Note 1: Vì lý do khả năng tương tác được khuyến nghị dùng, các giao diện nối tiếp không đồng bộ (ASI) với 188 bytes định dạng, chế độ truyền dữ liệu (byte thường xuyên lây lan qua thời gian)
Note 2: Cho dịch vụ dữ liệu
Note 3: Chỉ dành cho ACM cho phép cài đặt phía ngoài của mode truyền dẫn ACM
Note 4: Nếu tốc độ kí tự cao gấp đôi
Khối giao diện lối vào ánh xạ tín hiệu điện lối vào trong khung bit-logic. Bit nhận đầu tiên được xác định là bit có trọng số lớn nhất (MSB).
Luồng truyền tải mô tả bởi gói khách hàng ( UP) chiều dài không đổi UPL = 188
x 8 bits ( một gói MPEG), với byte đầu tiên để đồng bộ.
Luồng chung mô tả bởi luồng bit liên tục hay một gói khách hàng có chiều dài không đổi ,với chiều dài các bits UPL (lớn nhất là 64k, UPL = 0D đề cập tới luồng liên tục ). Luồng gói chiều dài thay đổi hay có chiều dài không đổi nhưng vượt quá 64 Kbit sẽ được xem như là một luồng liên tục.
Với luồng chung đóng gói, nếu một byte đầu tiên của UP để đồng bộ , nó là không thay đổi , nói cách khác byte đồng bộ = 0D được chèn trước mỗi gói , và UPL tăng thêm 8 bit . Thông tin UPL có thể nhận được bởi bộ điều chế cài đặt cứng.
“ACM command” phát báo hiệu lối vào cho phép cài đặt thông số bên ngoài “mode điều khiển truyền dẫn cơ sở” thông số truyền dẫn được nhận bởi bộ điều chế DVB-S2 xác định điểm dữ liệu vào.
2.1.1.2 Đồng bộ luồng tín hiệu vào
Quá trình xử lí dữ liệu trong bộ điều chế DVB-S2 có thể gây ra trễ trong truyền dẫn thông tin . Khối đồng bộ luồng tín hiệu lối vào (tùy chọn) sẽ cung cấp nhiều phương pháp phù hợp đảm bảo tốc độ bit ổn định (Constant-Bit-Rate CBR ) và trễ đầu cuối ổn định cho đóng gói luồng vào.
2.1.1.3. Loại bỏ gói rỗng (cho ACM và luồng truyền tải )
Với mode ACM và định dạng luồng truyền tải lối vào , các gói MPEG rỗng đươc xác định (PID = 8191D ) và bị gỡ bỏ . Nhờ vậy giảm tốc độ tin đồng thời tăng