Bài giảng Kỹ thuật phát thanh và truyền hình: Chương 3

CHƯƠNG 3

Truyền hình số

Nội dung chương

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

3.1 Số hóa tín hiệu truyền hình 3.2 Nén tín hiệu truyền hình 3.3 Các chuẩn truyền hình số 3.4 Truyền hình số mặt đất 3.5. Truyền hình số cáp 3.6. Truyền hình số vệ tinh

127

Lộ trình chuyển đổi của Việt nam từ nay đến năm 2020

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

128 3.1 Đặc điểm của truyền hình số

1. Yêu cầu về băng tần: 2. Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm (S/N): 3. Méo phi tuyến: 4. Giá thành và độ phức tạp 5. Xử lý tín hiệu: 6. Khoảng cách giữa các trạm truyền hình và đồng kênh

129 ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ

Cã kh¶ n ¨ng ph¸t hiÖn lçi vµ söa sai.

  

TÝnh ph©n cÊp (HDTV + SDTV).

éng tèt. Ngường xem dï ®i trªn «t«, tµu ho¶ vÉn xem ®ược Thu di ® c¸c chương tr×nh truyÒn h×nh. Së dÜ như vËy lµ do xö lý tèt hiÖn t- ượng Doppler.

 

truyÒn t¶i ® îc nhiÒu lo¹i h×nh th«ng tin.

Ýt nh ¹y víi nhiÔu vµ c¸c d¹ng mÐo x¶y ra trªn ®ường truyÒn. b¶o toµn chÊt lượng h×nh ¶nh. Thu sè kh«ng cßn hiÖn tượng "bãng ma" do c¸c tia sãng ph¶n x¹ tõ nhiÒu hướng ®Õn m¸y thu. §©y lµ vÊn ®Ò mµ hÖ ph¸t analog ®ang kh«ng kh¾c phôc næi.

ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ

 ph¸t nhiÒu chương tr×nh trªn mét kªnh truyÒn h×nh: TiÕt kiÖm tµi

nguyªn tÇn sè

* 1 transponder 36 MHz truyÒn ®îc 2 chương tr×nh truyÒn h×nh t- ¬ng tù song cã thÓ truyÒn ®ược 10  12 ch¬ng tr×nh truyÒn h×nh sè (gÊp 5  6 lÇn)

* Mét trong nh÷ng lîi ®iÓm cña truyÒn h×nh sè lµ tiÕt kiÖm phæ tÇn sè

* Mét kªnh 8 MHz (trªn mÆt ®Êt) chØ truyÒn ®ược 01 chương tr×nh truyÒn h×nh tương tù song cã thÓ truyÒn ®îc 4  5 chương tr×nh truyÒn h×nh sè ®èi víi hÖ thèng ATSC, 4  8

chương tr×nh ®èi víi DVB-T (tuú thuéc M-QAM, kho¶ng b¶o vÖ vµ FEC)

ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ



ChÊt lîng

tÝn hiÖu sè

tÝn hiÖu t¬ng tù

Kho¶ng c¸ch gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu

B¶o toµn chÊt lượng :

ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ

 TiÕt kiÖm n¨ng lîng, chi phÝ khai th¸c thÊp: C«ng suÊt ph¸t kh«ng cÇn qóa lín v× cêng ®é ®iÖn trêng cho thu sè thÊp h¬n cho thu analog (®é nhËy m¸y thu sè thÊp h¬n -30 ®Õn -20dB so víi m¸y thu analog).

 M¹ng ®¬n tÇn (Sfn): Cho kh¶ n¨ng thiÕt lËp m¹ng ®¬n kªnh (®¬n tÇn - Single Frequency Network ), nghÜa lµ nhiÒu m¸y ph¸t trªn cïng mét kªnh sãng. §©y lµ sù hiÖu qu¶ lín xÐt vÒ mÆt c«ng suÊt vµ tÇn sè.

 TÝn hiÖu sè dÔ xö lý, m«i trêng qu¶n lý ®iÒu khiÓn vµ xö lý rÊt

 v.v...

th©n thiÖn víi m¸y tÝnh.

3.2 Sơ đồ hệ thống truyền hình số

134 HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐỂ PHÁT THỬ NGHIỆM

Nguồn tín hiệu

Hệ thống nén ghép

Hệ thống máy phát số mặt đất

Anten thu vệ tinh

Máy phát số kênh 26

Anten phát

Đầu thu vệ tinh

Điều chế số COFDM

KĐ kích KĐ công suất

A/V

Nén MPEG-2

Bộ ghép (MUX)

Bộ cộng 2 máy phát

Anten thu mặt đất

Điều chế số COFDM

KĐ kích KĐ công suất

Anten thu mặt đất

Nén MPEG-2

Đầu thu mặt đất analog

Máy phát số kênh 34

Các hệ thống đo lường và kiểm chuẩn

Đầu thu số mặt đất

11 www.vtc.com.vn

a. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video

Phương pháp 1: Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM ra tín hiệu số Phương pháp 2: Biến đổi riêng từng tín hiệu thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu sai màu R-Y và B-Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản R, G, B) ra tín hiệu số và truyền đồng thời theo thời gian hoặc ghép kênh.

a. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video

Đối với tín hiệu truyền hình mầu hệ PAL có tần số lấy mẫu được lựa chọn là 4fC= 17,734475 MHz. Đối với tín hiệu hệ mầu NTSC có tần số lấy mẫu là 4fC= 14,32818 MHz. Đối với tín hiệu video tổng hợp, các pixel được lượng tử hoá 8 hay 10 bit. Do chất lượng của tín hiệu Composite thấp vì vậy tín hiệu này ít được sử dụng. Thay vào đó là việc chuyển đổi tương tự - số theo khuyến cáo CCIR 601 đối với các tín hiệu mầu thành phần.

a. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video

Tín hiệu Video có đặc trưng riêng, nên ngoài việc thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquist, qúa trình lấy mẫu còn phải tuân theo cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữa các hệ thống...

b. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI ADC VÀ DAC

Các phương pháp chuyển đổi ADC

Các phương pháp chuyển đổi DAC

139

Cấu trúc lấy mẫu

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

140

Cấu trúc lấy mẫu trực giao

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

141

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

142

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

143 2. Số hóa tín hiệu video màu tổng hợp

Để tiến tới xu hướng chuẩn hoá cho các thiết bị Video số, người ta đã đưa ra hai tiêu chuẩn về tần số lấy mẫu là fSA = 4fSC NTSC và 4fSCPAL tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang màu và sử dụng 8 bit hoặc 10 bit để biểu diễn các mẫu.

a.

 Các tham số cơ bản:

Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4fSC NTSC

TÝn hiÖu vµo NTSC

+1320, +2310,

910 768 4fsc - 14,32818 MHZ Trùc giao +330, +3030 10 bit/mÉu

+ Tång sè mÉu trªn mét dßng video + Sè mÉu trªn mét dßng video tÝch cùc + TÇn sè lÊy mÉu + CÊu tróc lÊy mÉu + C¸c mÉu + Sè bÝt lîng tö





Cấu trúc lấy mẫu:

Khoảng cách lấy mẫu

trùng với đỉnh biên độ các



tín hiệu EI & EQ.

Số mẫu trên 1 dòng:

NSA=FSA/FH=4FSC/FH=



4x3.58MHz/15750Hz=910.

dòng video tích cực; 142

Trong đó: 768 mẫu cho

mẫu cho đồng bộ dòng.

 Thang lượng tử:

Quan hệ giữa mức video tương tự và thang lượng tử ứng với mã hóa 10 bit.

 Cấu trúc dòng số:

Quan hệ giữa dòng tương tự và dòng số.

 Cấu trúc mành số:

Quan hệ giữa mành tương tự và mành số.

b. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4fSC PAL  Các tham số cơ bản:

PAL

TÝn hiÖu vµo

+ Tống số mẫu cho một dòng 1135

+ Số mẫu trên một dòng tích cực

948

+ Tần số lấy mẫu 4fsc - 17,734475 MHz

+ Các mẫu +450; +1350; +2250; +3150

+ Cấu trúc lấy mẫu

CÊu tróc trùc giao

+ Số bít lượng tử hoá 8 hoÆc 10 bit cho mét mÉu

 Cấu trúc lấy mẫu:

Khoảng cách lấy mẫu tại 45, 135, 225, 315 độ, không phải đỉnh lớn nhất. VD: sọc màu vàng có biên độ lớn nhất 0.934V nhưng mẫu lớn nhất chỉ 0,886V.

 Thang lượng tử:

Quan hệ giữa mức video tương tự và thang lượng tử ứng với mã hóa 10 bit.

 Cấu trúc dòng số:

Quan hệ giữa dòng tương tự và dòng số.

 Cấu trúc mành số:  Khoảng xóa mành số mành 1: dòng 623 đến dòng 5.

 Khoảng xóa mành số mành 2: dòng 310 đến dòng 317.

3. Số hóa tín hiệu video thành phần



hiệu thành phần số hóa và tần số lấy mẫu:

chuẩn CCIR 601: các tín hiệu thành phần được số hóa gồm tín hiệu



Tín Theo chói EY, 2 hiệu hiệu màu ER-Y và EB-Y

số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5 MHz được chọn sao cho là một số



Tần nguyên lần tần số dòng fH cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625 dòng:  FSA=13,5 MHz = 864 x fH đối với tiêu chuẩn 625 (fH = 15625 Hz).  FSA=13,5 MHz = 858 x fH đối với tiêu chuẩn 525 (fH = 15750 Hz).

tín hiệu chói lấy mẫu tần số 13,5 MHz và phổ tín hiệu mầu lấy mẫu tần

Phổ số 6.75 MHz.



 Tín hiệu chói EY, 2 hiệu màu ER-Y và EB-Y được lấy mẫu trên tất cả các

b. Các chuẩn lấy mẫu: Có nhiều chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần, điểm khác nhau chủ yếu là tỉ lệ lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu. Tiêu chuẩn 4:4:4

 VD hệ PAL: 625 dòng (576 dòng tích cực) x 720 cột, lấy mẫu 10 bit theo

dòng tích cực của tín hiệu video.

chuẩn 4:4:4, tốc độ bit đầu ra:

Tốc độ bit = (720 (EY )+720 (ER-Y )+ 720 (EB-Y)) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25ảnh/s = 311 Mbps

 Tiêu chuẩn 4:2:2

 Cứ 4 lần lấy mẫu chói EY, có hai lần lấy mẫu các hiệu màu ER-Y và EB-Y .  Khi giải mã màu điểm ảnh chỉ lấy mẫu chói sẽ lấy mẫu hai tín hiệu mầu của

 VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:2:2, 10 bit/mẫu thì tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+360 (ER-Y )+ 360 (EB-Y)) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 207 Mbps.

điểm ảnh trước đó.

-> Tốc độ bit giảm

 Tiêu chuẩn 4:2:0

 Lấy mẫu chói EY trên tất cả các dòng, cứ cách một điểm ảnh lại lấy mẫu cho chỉ

một tín hiệu màu.

 Tín hiệu màu được lấy xen kẽ theo từng dòng VD: dòng n lấy mẫu ER-Y thì dòng

n+1 lấy mẫu EB-Y.

 VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:2:0, 10 bit/mẫu thì tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+360 (ER-Y )+ 0 (EB-Y)) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 155,5 Mbps.

-> Tốc độ bit giảm

 Tiêu chuẩn 4:1:1

 Lấy mẫu chói EY trên tất cả các dòng, cứ 4 mẫu EY lại lấy mẫu hai tín hiệu

 Khi giải mã màu 3 điểm ảnh sau được suy ra từ điểm ảnh đầu.  VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:1:1, 10 bit/mẫu thì tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+180 (ER-Y )+ 180 (EB-Y)) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 155,5 Mbps.

màu ER-Y và EB-Y một lần.

-> Tốc độ bit bằng với chuẩn 4:2:0.



c. Thang lượng tử

Y và các mức lượng tử.

Quan hệ tín hiệu chói tương tự E

 Quan hệ tín hiệu hiệu màu tương tự ER-Y và các mức lượng tử.

 Quan hệ tín hiệu hiệu màu tương tự EB-Y và các mức lượng tử.



d. Cấu trúc lấy mẫu

Lấy mẫu thời gian xóa dòng hệ 625/50

 Lấy mẫu xóa mành hệ 625/50

3.3 Nén tín hiệu video (Digital video compression)

1. Mục đích nén  Giảm tốc độ bit đầu ra nhằm giảm độ rộng băng tần cần thiết để truyền tải

(bandwidth reduction)

 Ví dụ với tín hiệu HDTV:

High-Definition Television (HDTV)

- 1920x1080 - 30 frames per second (full motion) - 8 bits for each three primary colors (RGB) Total 1.5 Gb/sec!

 Bản chất của nén Video là một quá trình trong đó dữ liệu biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video.

 Độ dư thừa dữ liệu (data redundancy):là trung tâm trong nén ảnh số. Độ dư thừa dữ liệu không phải là một khái niệm trừu tượng mà là một thực tế có thể định lượng được bằng toán học.

 Dư thừa về không gian (spatial redundancy).  Dư thừa về thời gian (temporal redundancy).

Cable TV: each cable channel is 6 MHz - Max data rate of 19.2 Mb/sec - Reduced to 18 Mb/sec w/audio + control … Compression rate must be ~ 80:1!



2. Nén dựa trên giảm dư thừa về không gian (Spatial Redundancy):

Các điểm ảnh lân cận nhau trong một ảnh hoặc các ảnh liên tiếp nhau thì tương tự nhau hoặc khác nhau rất ít, ta chỉ cần thông tin về sự khác nhau này.

 Giảm dư thừa không gian (Spatial Redundancy Reduction).

 Chuyển thành phần lấy mẫu video từ ER, EG, EB sang EY, ER-Y, EB-Y : Mắt người kém nhạy cảm với các tín hiệu màu.  Chia bức ảnh làm các Macro Blocks (16x16 pixels) gồm 4 Blocks, mỗi Block gồm 8x8 pixels.  Biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosine Transformation). • Nén không gian được thực hiện bởi phép biến đổi DCT trên Block 8x8 pixels dựa trên phân tích Fourier, trong đó tín hiệu được biểu diễn dạng sin và cos, biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. • Sau biến đổi DCT, các giá trị của block được sắp xếp theo thứ tự từ trái qua phải và từ trên xuống dưới với các thành phần tần số tăng dần: từ 1 chiều DC đến thành phần xoay chiều cao nhất AC. Sự biến đổi giá trị biên độ (chênh lệch) theo hướng nào càng lớn thì giá trị AC theo hướng đó càng cao.  Lượng tử hóa • Bản thân phép biến đổi DCT không nén dữ liệu • Quá trình lượng tử hóa và mã hóa sau DCT thực hiện nén data.

“Intra-Frame Encoded”

Zig-Zag Scan, Run-length coding

Quantization • major reduction • controls ‘quality’

 Mã hóa chuyển đổi khối (Block Transform Encoding)

DCT

Quantize

Zig-zag

011010001011101...

Huffman Code

Run-length Code

 Quá trình nén

DC component

Quantize

DCT

original image

AC components

zigzag

10011011100011...

run-length code

Huffman code

 So sánh với quá trình giải nén

reconstructed block

original block

errors

 Một số vấn đề:



giảm hiệu quả?

Original (63 kb)

Low (7kb)

Very Low (4 kb)



Khi nào thì việc giảm dư thừa về không gian Trả lời: Khi bức ảnh có độ phân giải cao hoặc phim có hình ảnh và màu sắc biến đổi nhanh. Nếu nén sẽ làm giảm chất lượng ảnh.

Ví dụ :

3. Nén dựa trên giảm dư thừa về thời gian (Temporal Redundancy):  Các ảnh liên tiếp nhau có hình ảnh màu sắc tương tự nhau. Có dư thừa

thông tin.

950 951 952

 Cử động theo thời gian

 Giảm sự dư thừa về thời gian:  Dự đoán bù chuyển động (Motion Compensated Prediction): Dự đoán ảnh

hiện tại dựa trên các ảnh được mã hóa trước đó.

 Vector chuyển động (Motion Vector):

 Nhóm ảnh GOP (Group Of Pictures)  Các loại ảnh:  Ảnh loại I ( Intra-picture): Là ảnh được mã hoá độc lập, ảnh I có chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toàn bộ hình ảnh vì chúng được tạo thành bằng thông tin của chỉ một ảnh, ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, tuy nhiên đạt được tỷ lện nén thấp nhất.

 Ảnh loại P (Predicted - Picture): Là ảnh mã hoá có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trước (ảnh dự đoán trước), ảnh P cung cấp các hệ số nén cao hơn ảnh I.

 Ảnh loại B (Bidiretional Predcited-picture): Là ảnh được mã hoá sử dụng bù chuyển động từ ảnh I và ảnh P phía trước và phía sau (ảnh dự đoán hai chiều), ảnh B có tỷ lệ nén cao nhất.

 Cấu trúc của GOP:  GOP mở luôn bắt đầu bằng một ảnh I và kết thúc ở một ảnh trước ảnh I tiếp

theo.

Type Size Compression

--------------------

I 18 KB 7:1 P 6 KB 20:1 B 2.5 KB 50:1 Avg 4.8 KB 27:1 -------------------

lệ nén phụ thuộc Tỉ vào tỉ lệ số lượng ảnh B, P trong mỗi GOP

 Một số vấn đề:  Khi nào độ dư thừa về thời gian giảm hiệu quả?  Trả lời:

- Khi nhiều cảnh thay đổi trong ảnh. - Di chuyển tốc độ cao

4. Các chuẩn nén video hiện tại

APPLICATION

STANDARD

BIT RATE

Variable

JPEG

Continuous-tone still-image compression

H.261 (1990)

p x 64 kb/s

Video telephony and teleconferencing over ISDN

1.5 Mb/s

MPEG-1 (1991)

Video on digital storage media (CD-ROM)

MPEG-2 (1993)

Digital Television

> 2 Mb/s

H.263 (1995)

< 33.6 kb/s

Video telephony over PSTN

MPEG-4 (1993)

Variable

Object-based coding, synthetic content, interactivity

Variable

H.264 (2003) Advanced Video Coding Standard

From Low bitrate coding to HD encoding, HD-DVD, Surveillance, Video conferencing.

 Chuẩn nén H261 (1990): 



video hai chiều thời gian thực, ứng dụng trong thoại video và hội

lấy mẫu 4:2:0. H.261 hỗ trợ tốc độ bit p*64 kbps (p=1..30).

: Common

 Intermediate Format QCIF: Quarter CIF.

Truyền nghị video. Chuẩn CIF

Sử dụng ảnh I và P (chưa có ảnh B).

3.4 Digital Video Broadcast /Điều chế tín hiệu truyền hình số

DVB: Digital Video Broadcast DVB-S: Satellite DVB-C: Cable DVB-T: Terrestrial

CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN HÌNH SỐ

 TruyÒn h×nh sè truyÒn qua VÖ tinh:

 TruyÒn h×nh sè truyÒn qua C¸p:

Kªnh vÖ tinh (kh¸c víi kªnh c¸p vµ kªnh ph¸t sãng trªn mÆt ®Êt) ®Æc trng bëi b¨ng tÇn réng vµ sù h¹n chÕ c«ng suÊt ph¸t. KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt cña Transponder lµm viÖc gÇn nh b·o hoµ trong c¸c ®iÒu kiÖn phi tuyÕn.

§iÒu kiÖn truyÒn c¸c tÝn hiÖu sè trong m¹ng c¸p t¬ng ®èi dÔ h¬n, v× c¸c kªnh lµ tuyÕn tÝnh víi tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p (C/N) t¬ng ®èi lín. Tuy nhiªn ®é réng b¨ng tÇn kªnh bÞ h¹n chÕ (8 Mhz), ®ßi hái ph¶i dïng c¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ sè cã hiÖu qña cao h¬n so víi truyÒn h×nh theo qua vÖ tinh.

CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN HÌNH SỐ



TruyÒn h×nh sè truyÒn qua sãng MÆt ®Êt:



DiÖn phñ sãng hÑp h¬n so víi truyÒn qua vÖ tinh song dÔ thùc hiÖn h¬n so víi m¹ng c¸p. còng bÞ h¹n chÕ bëi b¨ng th«ng nªn sö dông ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ofdm nh»m t¨ng dung lîng truyÒn dÉn qua 1 kªnh sãng vµ kh¾c phôc c¸c hiÖn tîng nhiÔu ë truyÒn h×nh mÆt ®Êt t¬ng tù.

TruyÒn h×nh sè trong c¶ ba m«i trêng cã sù bæ sung, hç trî cho nhau. NÕu truyÒn h×nh qua vÖ tinh cã thÓ phñ sãng mét khu vùc rÊt lín víi sè lîng ch¬ng tr×nh lªn ®Õn hµng tr¨m th× tÝn hiÖu sè trªn mÆt ®Êt sÏ ®îc dïng ®Ó chuyÓn c¸c ch¬ng tr×nh khu vùc, nh»m vµo mét sè lîng kh«ng lín ngêi thu.

CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN HÌNH SỐ

 §ång thêi, ngoµi viÖc thu b»ng Anten cè ®Þnh trªn m¸i nhµ, truyÒn h×nh mÆt ®Êt cßn cho phÐp thu b»ng Anten nhá cña m¸y thu x¸ch tay, thu di ®éng (trªn « t«, m¸y bay...). TruyÒn h×nh sè truyÒn qua m¹ng c¸p phôc vô thuËn lîi cho ®èi tîng lµ c d©n ë c¸c khu ®«ng ®óc, kh«ng cã ®iÒu kiÖn l¾p Anten thu vÖ tinh hay anten mÆt ®Êt.

SƠ Đ Ồ K H Ố I H Ệ T H Ố N G T R U Y Ề N H ÌN H S Ố DVB

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

185

1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số DVB (Digital Video Broadcast)

Sơ đồ tổng quát phía phát/thu của DVB

ớc 1:

3 / 2 / 2 0 1 7



V ũ T h

ị

T h ú y H à

Bư Các dòng chương trình truyền hình số sau khi nén MPEG2 (video & audio) sẽ được phân chia thành các dòng đóng gói cơ sở PES (Packetized Elementary Stream) đi đến bộ ghép kênh. Dòng dữ liệu đầu ra là các gói có độ dài 188 byte (1byte đồng bộ+187byte dữ liệu).

187

GH É P KÊNH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

188

XƯ ̉ LÝ L U Ồ NG MPEG 2- STB

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

189

TH E MPEG TR A N S P O R T ST R E A M

3 / 2 / 2 0 1 7

V ũ T h

ị

T h ú y H à

190

DVB-S TR A N S M I S S I O N SY S T E M KU BA N D

TR A N S P O R T PA C K E T

192

IT 481, Fall 2006

08/28/2006

TRANSPORT STREAM MULTIPLEXER

3 / 2 / 2 0 1 7

 Ngẫu nhiên hóa bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS: phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài “0” và “1”).

V ũ T h

ị

 Mã hóa sửa lỗi Reed Solomon. FEC: Forward Error

Correction

T h ú y H à

 Mã xoắn, mã chập: loại bỏ tính thống kê của nhiễu.

194

NG Â ̃U NHIÊN HÓA DVB SC R A M B L E R /DE S C R A M B L E R

p(n-14) +p(n-15)

x(n)

y(n)

y(n) = x(n) + p(n-14) + p(n-15) Self descrambling: y(n) = x(n) + p(n-14) + p(n-15) + p(n-14) + p(n-15)

= y(n)

RANDOMIZED TRANSPORT PACKETS

RE E D -SO L O M O N EN C O D IN G

 An RS code is partially specified as an RS(n,k)

with m-bit symbols.  E.g. the DVB code is RS(204,188) using 8-bit symbols.  n refers to the number of encoded symbols in a block,  k refers to the number of original message symbols.

 The difference n-k (usually called 2t) is the number of parity symbols that have been appended to make the encoded block.

MÃ H Ó A REED SOLOMON RS(204,188,T=8) ERROR PROTECTED PACKET.

HI Ê ̣U NĂNG R-S (PERFORMANCE)



The

DVB code



bản tin thành các blocks có kích thước 188 symbols .

Chia Ch

èn 16 symbols sửa lỗi (2t = 204-188 = 16) .

  Có thể sửa được lỗi 8 (t = 16/2) symbol

FRAMING STRUCTURE

ĐA N X E N XOẮN VỚI ĐỘ SÂU I=12 IN T E R L E A V E D FR A M E S (IN T E R L E A V IN G D E P T H I=12).

CONVOLUTIONAL INTERLEAVER

IN T E R L E A V E R

CO N V O L U T I O N A L CO D E DE F I N I T I O N

0 8 / 2 8 / 2 0 0 6

2 0 4

Punctured Code Definition

IT 481, Fall 2006

CONVOLUTIONAL ENCODER

To I Channel

Input Bit Stream

To Q Channel

IT 481, Fall 2006

PU N C T U R IN G PA T T E R N & TR A N S M IS S IO N SE Q U E N C E

Code Rates

Puncturing pattern

Transmitted sequence (after parallel-to-serial conversion)

1/2

X 1Y1

X: 1 Y: 1

2/3

X1 Y1 Y2

X: 1 0 Y: 1 1

3/4

X1 Y1 Y2 X3

X: 1 0 1 Y: 1 1 0

5/6

X1 Y1 Y2 X3 Y4 X5

X: 1 0 1 0 1 Y: 1 1 0 1 0

7/8

X1 Y1 Y2 Y3 Y4 X5 Y6 X7

X: 1 0 0 0 1 0 1 Y: 1 1 1 1 0 1 0

206

IT 481, Fall 2006

08/28/2006

PU N C T U R E D CO D E

0 8 / 2 8 / 2 0 0 6

2 0 7

IT 481, Fall 2006

PUNCTURED CONVOLUTIONAL CODE BLOCK DIAGRAM





thu:



điều chế tương ứng: COFDM (T), QAM (C), QPSK (S) để khôi phụ



đổi ADC, Lọc, định dạng lại dữ liệu (sysbol remapping), thực hiện quá

Phía Tín hiệu RF từ môi trường truyền dẫn đi vào bộ đổi tần xuống IF. VD: DVB-S: Ku: 10,7 – 12,75 GHz qua bộ LNC (Low Noise Converter) chuyển xuống IF1: 950 – 2175 MHz, sau khi lựa chọn kênh tiếp tục đổi tần xuống IF 2: 480 MHz. BVB-C và DVB-T: Chuyển từ RF: 47 – 860 MHz xuống trung tần IF 36,15 MHz. Giải hai tín hiệu I, Q. Biến trình sửa lỗi, khôi phục lại các gói truyền tải PES 188 byte. Giải Giải ngẫu nhiên hóa, và tách kênh theo yêu cầu người sử dụng. nén MPEG2 video và audio của chương trình mong muốn.

2. Đặc điểm của điều chế truyền hình số  DVB-S:  Khoảng cách truyền lớn 36 000 Km, suy hao và nhiễu đường truyền lớn.  Công xuất phát nhỏ, tín hiệu đến anten thu ở mặt đất rất yếu, C/N nhỏ <

 Anten nhìn thấy nhau, không chịu ảnh hưởng của đa đường.

10dB.

 DVB-C:  Khoảng cách truyền nhỏ, nhiễu nhỏ, tỉ số C/N lớn >30dB.  Chịu ảnh hưởng của hiện tượng vọng (echoes) tín hiệu do phản xạ tại các

-> Chọn phương pháp điều chế QPSK cho tỉ số C/N lớn, với băng tần rộng 27 – 36 MHz (analog FM đang tồn tại).

 DVB-T:  Khoảng cách truyền nhỏ, công suất phát lớn.  Ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiện tượng đa đường.

node trong mạng, tuy nhiên ảnh hưởng này nhỏ. -> Chọn phương pháp điều chế 16 - 256 QAM, băng tần hẹp 6 – 8 MHz (analog AM)

-> Chọn phương pháp điều chế COFDM, băng tần hẹp 6 – 8 MHz.

 Điều chế biên độ trực giao QAM (Quadarture Amplitude Modulation):



phương pháp điều chế số ASK, FSK: hiệu suất băng thông kém, yêu

Các cầu nâng cao tốc độ bit trên băng tần cho trước. Phương pháp điều chế QAM: ban đầu ứng dụng cho điều chế tín hiệu màu trong hệ NTSC 1954. Sau ứng dụng cho điều chế số nâng cao hiệu suất băng thông.

Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QAM:

 Đầu vào n bit, n/2 bit cho mỗi kênh I, Q.

 Ta có thể biểu diễn số trạng thái (symbol) tương ứng trên mặt phẳng I & Q gọi là chòm sao (Constellation). Mỗi điểm là một ngôi sao (star) tương ứng với 1 symbol biểu diễn các bit.

Chòm sao QPSK (4-QAM) 2 bits/symbol.

 Sau khi thực hiện biến

đổi DA, hai tín hiệu

analog I & Q đưa vào điều

biên riêng biệt với hai

sóng mang trực giao.

Chòm sao 64-QAM, 6 bits/symbol



3. Điều chế trong DVB – S và DVB – C

quan hệ giữa BER (Bit Error Ratio) và SNR trong điều kiện lý tưởng



Mối đối với điều chế QAM:

thấy rằng với cùng BER, QPSK cho SNR lớn hơn 12dB so với 64 –

Nhận QAM.

 Dựa vào đặc điểm về môi trường truyền cũng như hiệu suất băng thông tối

đa có thể đạt được, đồng thời qua thử nghiệm thực tế ta đưa ra lựa chọn

•

phương pháp điều chế:

•

DVB -S: QPSK với 2 bits/symbol.

•

DVB -C: 64-QAM với 6 bits/symbol.

Với DVB-T: Do ảnh hưởng nghiêm trọng bởi đa đường, biên độ đến bộ

thu biến đổi, BER lớn hơn mức cho phép. Nên không sử dụng QAM cho

DVB-T.

 Ảnh hưởng của nhiễu đến việc giải điều chế QAM:  Chòm sao ở đầu ra của bộ giải điều chế QPSK trong đầu thu vệ tinh:

Chòm sao QPSK với nhiễu trong DVB-S

 Chòm sao ở đầu ra của bộ giải điều chế 64-QAM trong đầu thu cáp:



Chòm sao 64-QAM với nhiễu S/N=23dB

Nếu S/N lớn hơn mức cho phép, bộ giải điều chế sẽ không phân biệt được điểm trong chòm sao với các điểm lân cận nó -> sai lỗi symbol.

 Với TH cáp, ngoài ảnh hưởng nhiễu trên đường truyền còn có ảnh hưởng của hiện tượng vọng tín hiệu trong mạng. ISI (Inter-Symbol Interference) rất lớn nên không thể phân biệt các điểm lân cận.

Constellation of 64-QAM with echoes

Constellation of 64-QAM with echoes after equalizing



đầu thu DVB-T sử dụng bộ lượng tử hóa vọng tương thích để khôi

Trong phục lại chòm sao tương đối chính xác.



4. Điều chế trong DVB-T Sử dụng điều chế phân chia theo tần số trực giao mã hóa COFDM (Coded



trực giao: đỉnh phổ của sóng mang này tương ứng với giá trị không

bít dữ liệu tốc độ cao sẽ phân chia thành các luồng tốc độ bít thấp

Orthogonal Frequency Division Modulation): Phân chia băng tần số sử dụng thành nhiều băng hẹp, mỗi băng hẹp là một sóng mang con điều hòa và các sóng mang này là trực giao với nhau (hàng nghìn sóng mang). Dòng hơn, mỗi luồng sẽ được điều chế bởi các sóng mang trực giao. Tính trong phổ của các sóng mang khác.

Phổ OFDM với số sóng mang N=5

 Chu kì biểu tượng Ts: thời gian để truyền đi 1 symbol.

1/Ts: là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp.

Phổ OFDM với số sóng mang N=32

 Sử dụng COFDM để triệt tiêu ảnh hưởng của đa đường:  Đối với hệ thống đơn sóng mang (QAM): máy thu sẽ cố gắng giải điều chế dữ liệu bằng cách kiểm tra tất cả thông tin nhận được liên quan đến symbol thứ n kể cả thông tin thu trực tiếp lẫn thông tin thu được do trễ.