DVB-C là tiêu chuẩn Châu Âu xây dựng cho hệ thống phát tín hiệu truyền hinh số quảng bá qua hệ thống mạng cáp. Hệ thống đó sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG 2 hoặc MPEG4, điều chế QAM và mã hoá kênh.
DVB-C2 đƣợc phát triển từ năm 2008 là thế hệ tiêu chuẩn thứ hai cho việc truyền tín hiệu qua mạng cáp. Mục đích ban đầu của DVB-C2 là phát triển cho các dịch vụ mạng mới nhƣ HDTV, VOD và truyền IP tốc độ cao. DVB-C2 sử dụng các kỹ thuật mới trong điều chế và mã hoá kênh làm tăng hiệu suất sử dụng phổ lên hơn 30% và dung lƣợng đƣờng truyền về (downstream) của mạng HFC tăng hơn 60%.
Hình 3.24: So sánh điều chế sử dụng trong DVB-C và DVB-C2
Dƣới đây là bảng so sách một số các đặc trƣng khác nhau giữa DVB-C và DVB-C2 Đặc tính DVB-C DVB-C2 Giao diện vào Dòng TS đơn Single Transport Stream (TS) Sử dụng nhiều dòng TS và dòng đóng gói chung (Generic Stream
Encapsulation GSE)
Multiple Transport Stream and Generic Stream Encapsulation (GSE)
Phƣơng thức mã hoá kênh và điều chế
Điều chế và mã hoá cố định
Điều chế và mã hoá thay đổi theo biến
FEC Chèn
Interleaving
Theo Bit Theo thời gian và theo tần số
Điều chế Sóng mang QAM COFDM Khoảng bảo vệ Không hỗ trợ 1/64 or 1/128 Các hệ thống điều chế 16- to 256-QAM 16- to 4096-QAM Bảng 3.4: So sánh đặc trƣng của DVB-C và DVB-C2 3.3.3. Kiến trúc hệ thống DVB-C2. 3.3.3.1.Tổng quan hệ thống.
Một hệ thống C2 có cấu trúc chung nhƣ hình 3.25. Trong mô hình OSI DVB – C2 chỉ tác động đến lớp vật lý của quá trình truyền dữ liệu. Tín hiệu đầu vào có thể một hoặc nhiều dòng truyển tải Mpeg2, các quá trình xử lý tín hiệu trƣớc đầu vào nhƣ nén tín hiệu không thuộc hệ thống C2. Đầu vào hệ thống là một hoặc nhiều trùm dữ liệu logic. Sau đó tín hiệu đó sẽ đi qua một các đƣờng dẫn vật lý PLPs (Physical Layer Pipes ). Đầu ra hệ thống là đơn tín hiệu và đƣợc phát trên một kênh RF.
Hình 3.25: Cấu trúc hệ thống DVB-C2
Dòng tín hiệu đầu vào sẽ đƣợc chứa trong một chu kỳ của một khung lớp vật lý (C2 Frame), tổng số dung lƣợng đầu vào không đƣợc vƣợt quá dung lƣợng khả dụng của một khung C2. Một hoặc nhiều đƣờng dẫn vật lý PLP đƣợc sắp xếp thành một nhóm và một hay nhiều nhóm đó sẽ tạo thành một Data Slice. Một hệ thống C2 gồm một hay nhiều Data Slice.
Khi có nhiều dòng TS MPEG -2 (MPEG 4) đƣợc phát qua một nhóm ống dẫn vật lý PLP quá trình chia dòng TS thành Dòng TSTP và TSPSC sẽ đƣợc
thực hiện trƣớc khi đến khối xử lý tín hiệu đầu vào. Quá tình xử lý đó là một phần không thể thiếu của hệ thống DVB –C2
3.3.3.2 Cấu trúc hệ thống
Quá trình xử lý tín hiệu của hệ thống C2 đƣợc thể hiện trong hình 3.26a. Gồm bốn công đoạn nhƣ sau: Tín hiệu vào đƣợc chia thành các phần song song nhờ bộ (Input Processing) hình 3.26b. Sau đó thực hiện chèn bít và mã nén trên modul BICM( Bit Interleaved Coding and Modulation) nhƣ hình 3.26c. Tiếp theo tín hiệu sẽ đƣợc xây dựng khung nhƣ hình 3.26d và cuối cùng đƣa đến bộ phát tín hiệu ghép kênh trực giao OFDM nhƣ hình 3.26e.
Hình 3.26b: Cấu trúc xử lý tín hiệu đầu vào
Hình 3.26d: Quá trình xây dựng khung tín hiệu
Hình 3.26e:Bộ phát tín hiệu ghép kênh trực giao OFDM
3.3.3.2.1 Hệ thống xử lý tín hiệu đầu vào.
Hệ thống C2 chấp nhận một hay nhiều dòng dữ liệu logic đầu vào. Mỗi một dòng dữ liệu đƣợc mang bởi một đƣờng dẫn vật lý PLP. Các đƣờng dẫn này hoạt động độc lập và chuyển các dòng dữ liệu thành các trƣờng dữ liệu - là một phần của khung BBFrame (Baseband Frame). Quá trình xử lý tín hiệu của mudul đầu vào hệ thống C2 bao gồm : đồng bộ tín hiệu đầu vào, loại bỏ các gói rỗng, và thực hiện mã hoá CR8. Sau đó dòng dữ liệu đƣợc phân thành các trƣờng chèn vào BBheader .
a. Các định dạng đầu vào.
PLP đầu vào hỗ trợ một trong các định dạng dữ liệu sau: • Dòng TS.
• Dòng GCS (Generic Continuous Stream) (một dòng tín hiệu có kich thƣớc gói thay đổi và các bộ điều chế không quan tâm kích thƣớc gói)
• Dòng GFPS (Generic Fixed-length Packetized Stream) dạng tín hiệu này tƣơng thích với hệ thống DVB –S2.
b.Giao diện đầu vào.
3.1.3. Đồng bộ tín hiệu
Quá trình xử lý dữ liệu trong các bộ điều chế DVB-C2 có thể tạo ra độ trễ khác nhau. Hệ thống đồng bộ sẽ đảm bảo cố định tốc độ bit và đỗ trễ trong quá trình truyền dữ liệu với bất kỳ định dạng dữ liều đầu vào nào.
DVB-C2 sử dụng một trƣờng SSY field (Input Stream Synchronization) có dung lƣợng hai hoặc ba byte mang khoá bộ đếm. Phía thu dựa vào thông tin này để khôi phục lại tín hiệu.
c. Loại bỏ các gói rỗng.
Do trong hệ thống nén MPEG quy định tốc độ ra bộ xáo trộn phía phát và vào bộ xáo trộn lại phía thu là cố định và có độ trễ không đổi. Do đó để đảm bảo quy định đó thì cần phải chèn thêm các bít vào khung dữ liệu. Các gói rỗng có PID=8191 và DVB-C2 căn cứ thông tin này để loại bỏ các gói thừa.
Hình 3.27: Sơ đồ xoá gói dƣ thừa
d. Mã hoá CRC-8
CRC-8 đƣợc áp dụng để dò lỗi trong gói gói tin UP (User Packet).
e.Baseband header (BBHeader).
Một BBHeader bao gồm cố định 10 byte và có hai dạng. Dạng thứ nhất áp dụng cho chế độ bình thƣờng NM (Normal Mode) và dạng thứ hai sử dụng trong chế độ cao HEM (High Efficiency Mode).
Hình 3.28: Định dạng của BBHeader
f. Định dạng đầu ra modul xử lý tín hiệu đầu vào
Tín hiệu đầu ra có 4 định dạng :
- Định dạng cho chế độ Normal Mode, dòng dữ liệu vào dạng GFPS và TS.
Hình 3.29: Cấu trúc modul xử lý tín hiệu đầu vào
- Định dạng cho chế độ High Efficiency Mode, dòng dữ liệu vào dạng TS
Hình 3.30: Định dạng cho chế độ High Efficiency Mode
Hình 3.31: Định dạng cho chế độ Normail Mode
3.3.3.2.2. Các phương thức chèn dòng dữ liệu
Việc chèn dữ liệu cung cấp ba chức năng :
Hình 3.32: Cấu trúc BBFrame
a.Lập lịch trình (Scheduler )
Lập lịch trình sẽ quyết định việc xây dựng các Data Slice với nhau và trong hệ thống C2 nó sẽ mang dữ liệu đi trong những đƣờng truyền vật lý PLP
b.Chèn bit
Việc chèn thêm thực hiện trong các chi tiết khi dữ liệu ngƣời dùng sẵn sàng cho việc truyền. Kết quả là khung BBFrame có độ dài bít Kbch cố định .
c. Xáo trộn dữ liệu
Để đảm bảo an toàn dữ liệu các khung BBF cần phải đƣợc ngẫu nhiên hoá. DVB-C2 sử dụng mã hoá giả ngẫu nhiên PRBS(Pseudo Random Binary Sequence) để xáo trộn dữ liệu bằng cách tạo ra máy phát với công thức sau :
Hình 3.33: Xáo trộn dữ liệu
3.3.3.3. Hệ thống phát OFDM
Hình 3.34: Cấu trúc hệ thống OFDM
Ghép phân chia theo tần số trực giao là một công nghệ trong lĩnh vực truyền dẫn. Băng tần tổng của đƣờng truyền đƣợc chia thành N kênh tần số không chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh đƣợc điều chế với một sóng mang phụ riêng và N kênh đƣợc ghép phân chia theo tần số.
3.3.3.3.1. Điều chế IFFT – OFDM.
IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) là quá trình chuyển đổi Fourier ngƣợc. Tín hiệu phát đƣợc xây dựng thành các khung. Mỗi khung có chu kỳ là TF và bao gồm LF Symbols. Mỗi một Symbol đƣợc cấu thành bởi một tập hợp Ktotal sóng mang đƣợc phát với chu kỳ TS. Nó bao gồm hai phần : Phần chu kỳ hữu dụng TU và khoảng bảo vệ với chu kỳ Δ. Khoảng bảo vệ bao gồm một phần và đứng trƣớc của chu kỳ TU. Sự kết hợp giữa khoảng bảo vệ và FTT đƣợc thể hiện trong bảng “các thông số OFDM “sau :
Bảng 3.5: Các thông số OFDM
Các Symbol trong khung C2 là từ 0 đến LF-1. Tất cả các symbol đều chứa dữ liệu và thông tin liên quan. Vì tín hiệu OFDM bao gồm các sóng mang đƣợc điều chế độc lập, mỗi symbol có thể lần lƣợt đƣợc chia vào các cell tƣơng ứng với điều chế đƣợc mang trên một sóng mang trong suốt một symbol.
Các sóng mang đƣợc đƣợc xác đinh bằng khoảng k Є [ Kmin ; Kmax ]. Khoảng cách giữa hai sóng mang liên kề là 1/TU và khoảng cách giữa hai song mang Kmin và Kmax là Ktotal/TU.
Tín hiệu phát đƣợc miêu tả trong biểu thức sau :
Trong đó :
Với
- k : Số lƣợng sóng mang.
- l : Số lƣợng symbol OFDM bắt đầu từ 0 tới Preamble Symbol frame của khung
- m : Số khung C2.
- Ktotal : Là số lƣợng sóng mang đƣợc phát. Ktotal = Kmin - Kmax - LF : Là tổng số symbol OFDM trong một khung.
- TS : Tổng số chu kỳ của tất symbol, và TS = TU + Δ;
- TU : Là các kỳ của symbol có ích đƣwcj định nghĩa ở bản trên. - Δ : Chu kỳ của khoảng bảo vệ.
- Cm,l,k : là giá trị điều chế phức hợp cho sóng mang k của symbol OFDM thứ l trong khung C2 thứ m.
- Kmin là chỉ số của sóng mang có tần số thấp nhất. - KMax là chỉ số của sóng mang có tần số cao nhất.
Mối liên quan giữa chu kỳ và băng thông của nhƣ sau :
3.3.3.3.2. Đặc tính cấu trúc
Các symbol OFDM đƣợc cấu thành bởi hai sóng mang giống nhau kề nhau. Biên độ và pha của các sóng mang Data Cell thay đổi theo sự sắp xếp đã đƣợc miêu tả trƣớc.
Mật độ phổ công suất Pk(f) của sóng mang tại tần số : fk = k/TU (với Kmin < k < Kmax ). Đƣợc định nghĩa theo biểu thức sau :
Toàn bộ mật độ công suất phổ của các sóng mang Cell Data đã đƣợc điều chế là tổng các mật độ công suất của tất cả các sóng mang. Một phổ tín hiệu phát DVB theo lý thuyết có dạng nhƣ hình sau :
Hình 3.35: Phổ tín hiệu phát DVB-C2
Phổ tín hiệu biểu diễn bằng đƣờng cong màu xanh dƣơng có độ rộng 7.61 MHz. Đƣờng cong màu đỏ là minh hoạ viền tần số thấp của tín hiệu phổ rộng tần số 455 MHz. Bởi vì chu kỳ Symbol OFDM rộng hơn khoảng chống sóng mang biển đổi nguợc. Do vậy mật độ phổ không là hằng số trong một băng thông danh định.
Kết luận:
Một kênh truyền hình trên mạng cáp có độ rộng băng thông là 8MHz. Hệ số roll off là 0.15, phƣơng thức điều chế 64QAM, dung lƣợng tối đa một kênh
số sẽ là 38Mbps. So với kênh vệ tinh thì các kênh cáp hầu nhƣ tuyến tính hơn và có tỷ số S/N cao, nhƣng băng tần bị hạn chế (7 đến 8 MHZ cho mỗi kênh) và có thể bị ảnh hƣởng bởi nhiễu và sự dội lại của tín hiệu (echo). Do đó để tăng hiệu quả phổ trong DVB-C cần điều chế ở mức cao16-32-64QAM nhƣng không sử dụng mã vòng xoắn Viterbi, do đó tốc độ vào khoảng 38Mbps.
3.4.Phát HDTV qua IP
Hiện nay DVB mới chỉ hỗ trợ phát HDTV qua IP với chuẩn nén MPEG 2. Bản thân MPEG 4 cũng định nghĩa phƣơng thức đóng gói dữ liệu MPEG 4 lên dòng truyền tải IP (đuợc xem nhƣ MPEG 4/part 8), tuy nhiên hiện nay mới dùng để truyền SDTV và các dịch vụ khác.
Hình 3.36: Qua trình thu phát phát HDTV qua IP
Theo chuẩn DVB-IP, các gói TS của MPEG 2 đƣợc đóng gói vào các gói dữ liệu IP. Một gói dữ liệu IP sẽ bao gồm IP header, UDP header (User datagram Protocol), RTP header (Real Time Protocol) và tải chứa nội dung gói TS MPEG 2.
HDTV MPEG2
Một gói IP chứa tối đa 7 payload của gói TS MPEG 2.
Hình 3.37: Cấu trúc gói dữ liệu IP
Hình trên mô tả quá trình xử lý từ phía phát đến phía thu có sử dụng mã sửa lỗi FEC cho HDTV.
CHƢƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1.Mô hình mô phỏng
Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết đƣợc trình bày trong những chƣơng trƣớc. Trong chƣơng này, chúng ta giới thiệu chƣơng trình mô phỏng hệ thống HDTV với các chế độ điều chế, tỷ lệ mã sửa sai, khoảng bảo vệ khác nhau.
Việc mô phỏng hệ thống đƣợc sử dụng chƣơng trình mô phỏng MATLAB để thực hiện mô phỏng việc phát sóng HDTV với các chuẩn DVB-T,DVB-T2, DVB-C2. Những mô hình cơ bản này đƣợc lấy từ Demo-Blocksets- Application Specific Examples, MATLAB & SIMULINK R2009a và đƣợc chỉnh sửa và cải tiến để phù hợp với yêu cầu.
4.1.1.Mô hình hệ thống DVB-T
Mô hình DVB-T, mode 2k đƣợc mô tả nhƣ hình 4.1 .
Hình 4.1: Mô hình DVB-T, mode 2k
Mô hình bao gồm các khối chức năng độc lập, mỗi khối đƣợc biểu diễn bởi một hàm m-file.
AWGN Channel.
Hình 4.2: Khối cộng nhiễu Gauss trắng
Tín hiệu lối vào và tín hiệu lối ra có thể là số thực hoặc số phức. Nếu tín hiệu vào là thực thì khối này sẽ cộng nhiễu Gauss thực và tạo ra một tín hiệu thực ở lối ra. Khi tín hiệu lối vào là phức, khối này cộng tín hiệu Gauss
phức và tạo ra một lối ra tín hiệu phức.
Khi sử dụng sự thay đổi mode với lối vào phức, giá trị thay đổi ngang bằng thành phần thực chia cho thành phần ảo của tín hiệu lối vào.
Thông số có thể thay đổi đƣợc là Initial seed, Mode, Eb/No (dB), Number of bits per symbol, Input signal power (watts), Symbol period (s).
Có thể xác định sự khác nhau của bộ tạo nhiễu bởi kênh AWGN tỷ số tín hiệu trên tạp Eb/N0 và Eb/N0 với tín hiệu lần lƣợt là bít và là symbol, hay tỷ lệ tín trên tạp SNR.
DVB-T sử dụng các khối mã hoá sửa sai RS(204,188) kết hợp với khối mã hoá trong Punctured Convolutional Code ( R), trong đó các giá trị tỉ lệ mã R đƣợc sử dụng để mô phỏng là 1/2, 2/3, 3/4.
Hình 4.3: Bộ mã hoá Convolutional Code
Khối Mapper của DVB-T sử dụng các điều chế cơ sở QPSK 2K, 16- QAM, 64-QAM. Khối OFDM dùng để mô phỏng ở chế độ 2k, kích thƣớc IFFT 2048 và 1512 sóng mang có dữ liệu có ích.
4.1.2.Mô hình hệ thống DVB-T2
Hình 4.4 :Sơ đồ mô hình hệ thống DVB-T2 mode 32k Convolution Encoder Puncture Function Nrs 2Nrs Nrs N= Rcc
Ngoài các khối cơ bản nhƣ trong DVB-T thì DVB-T2 có thêm các khối BBFRAME, BCH Encoder, LDPC Encoder.
Mã LDPC là một mã khối, tức là một khối dữ liệu đƣợc mã hoá thành một từ mã. Mã LDPC đƣợc xác định bằng một ma trận kiểm tra chẵn lẻ thƣa mật độ thấp. LDPC trong DVB-T2 có 2 loại chiều dài từ mã : 64800 bit và 16200 bit.
4.1.3.Mô hình hệ thống DVB-S2
Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống DVB-S2 nhƣ hình vẽ 4.5
Hình 4.5: Mô hình DVB-S2
4.2.Đánh giá một số kết quả mô phỏng
4.2.1.Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T
4.2.2.Hệ thống DVB-S2
Hình 4.7 : So sánh sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Gaussian sau bộ sửa lỗi LDPC sử dụng QPSK và 8QPSK.
Hình 4.8 : Sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Gaussian sau bộ sửa lỗi Viterbi sử dụng 4 QAM
Hệ mô phỏng cũng đã chạy với các tỷ lệ mã hoá R=2/3, ¾ tƣơng ứng với điều chế 16 QAM, 64 QAM. Kết quả thể hiện khi so sánh hiệu suất giữa các sơ đồ điều chế với cùng một tỉ lệ mã sửa sai ta thấy rằng QPSK tốt hơn so với 16QAM với hệ DVB-T2.
CHƢƠNG 5 : ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI HDTV TẠI VIỆT NAM
Truyền hình Việt Nam đã lựa chọn hệ thống tiêu chuẩn DVB cho truyền hình số tại Việt Nam. Hiện nay có 3 đơn vị phát sóng truyền hình số mặt đất:
- Công ty VTC: đƣợc phép phát sóng qua vệ tinh theo chuẩn DVB-T,