Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử - Viễn thông: Phân tích các nhân tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T

Chia sẻ: 123share | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

290
lượt xem 99
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục luận văn bao gồm ba chương: Chương I - Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T, chương II - Trình bày một số nội dung chính của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2, chương III - Một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của DVB-T2 so với DVB-T.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử - Viễn thông: Phân tích các nhân tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN HIỂN PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƢU VIỆT CỦA TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ DVB-T2 SO VỚI DVB-T NGÀNH : CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ THÁI TRỊ HÀ NỘI – 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Phân tích một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Thái Trị. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. . Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Phạm Văn Hiển
LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Ngô Thái Trị người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc. Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Phạm Văn Hiển
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T) ...............................................................................................................3 1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744 ..............................3 1.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn ............................................................................3 1.1.2 Nội dung chính của tiêu chuẩn.................................................................3 1.2 Thực hiện bằng cách sử dụng COFDM ........................................................9 1.3 Ghép đa tần trực giao OFDM ........................................................................9 1.3.1 Nguyên lý OFDM:.....................................................................................9 1.3.2 Số lượng sóng mang ................................................................................10 1.3.3. Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT .....................................12 1.3.4 Tổ chức kênh trong OFDM.....................................................................15 1.3.5. Phương thức mang dữ liệu trong COFDM...........................................19 1.4. Mã hóa kênh trong DVB-T..........................................................................20 1.4.1. Mã hóa phân tán năng lượng ................................................................21 1.4.2. Mã ngoại (outer coding) .........................................................................22 1.4.3. Ghép xen ngoại (outer interleaving) ......................................................22 1.4.4.Mã hoá nội (inner coding).......................................................................24 1.4.5.Ghép xen nội ............................................................................................26 1.5 .Một số khả năng ƣu việt của DVB-T ..........................................................31 1.5.1 Điều chế phân cấp ..................................................................................32 1.5.2. Mạng đơn tần SFN .................................................................................37 1.6. Kết luận chƣơng I .........................................................................................40 CHƢƠNG II. TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 ..........41 2.1. Những ƣu điểm cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2: ......................................41 2.2. Mô hình cấu trúc của hệ thống DVB-T2: ...................................................42 2.3. Một số tính năng mở rộng của DVB-T2 .....................................................44 2.3.1. Các thông số mở rộng của DVB-T2: ......................................................44
2.3.2. Giải pháp kỹ thuật cơ bản trong DVB-T2 : ............................................44 2.4. Kết luận chƣơng II .......................................................................................59 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƢU VIỆT CỦA DVB-T2 SO VỚI DVB-T ............................................................61 3.1. Kích thƣớc FFT .............................................................................................61 3.1.1 Các thông số mở rộng FFT......................................................................61 3.1.2. Kết quả đo kiểm thực tế. ..........................................................................63 3.2. Mở rộng băng thông .....................................................................................64 3.3. Pilot tán xạ .....................................................................................................66 3.4. Khoảng bảo vệ - GI. ......................................................................................67 3.4.1. Các chế độ điều chế và khoảng bảo vệ - GI. ..........................................67 3.4.2. Kết quả đo kiểm thực tế. ..........................................................................72 3.5. Chòm sao xoay. .............................................................................................74 3.5.1 Một số thông số chòm sao xoay. ..............................................................74 3.5.2 Kết quả đo kiểm. .......................................................................................76 3.6 Kết luận chƣơng III .......................................................................................81 KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO. .....................................................................................83
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Advanced Television System Commitee ATSC Uỷ banConstellation Active hệ thống truyền hình mới Extension (củarộng - mở Mỹ)chòm sao tích cực (dùng ACE BPSK trong DVB-T2) Binary Phase Shift Keying - Khoá dịch pha hai mức BCH bose-chaudhuri -hocquenghem Consultative Committee on International Telegraph and Telephon CCIR Uỷ ban tư vấnCommittee Consultative điện thoại on và International điện báo quốcRadio tế CCITT Uỷ banEuropéen Comté tư vấn vô de tuyến quốc tế Normalisation ELECtrotechnique CENELEC Coded Uỷ banOrthogonal tiêu chuẩn kỹ thuật điện Frequency tử ChâuMultiplexing Division âu COFDM Ghép đa tần Common trực giao Source có mã Format Intermediate CSIF DCT Định dạng Discrete trungTransform Cosine gian cho nguồn chung - Chuyển đổi(dùng cosin trong rời rạcchuẩn Mpeg) DFT Discrete Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Modulation - Điều chế xung mã vi sai Differential Quadratue Phase Shift Keying DQPSK Khoá dịch Digital pha vi sai Terrestrial bốn mứcBroadcasting Television DTTB DVB Truyền Video Digital dẫn truyền hình số mặt Broadcasting đất bá truyền hình số - Quảng DVB-C DVB – Cable - Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB – Satellite - Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB – Terrestrial - Truyền dẫn truyền hình số mặt đất European Telecommunications Standards Institute ETSI ES Viện tiêu dòng chuẩn cơ bản viễn thôngStream) (Elementary Châu âu FEC Forward Error Correction - Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying - Khoá dịch tần GOP Group Of Pictures - Nhóm ảnh (trong Mpeg) HDTV High Definition TeleVision - Truyền hình phân giải cao I In-phase - Đồng pha (dùng trong QAM) Q Quadrature phase - Vuông pha (dùng trong QAM)
IDFT Inverse DFT -DFT ngược International Electrotechnical Commission (part of the ISO) IEC IFFT Uỷ ban FFT Inverse kỹ thuật điện - FFT tử quốc tế ngược Intergeted Services Digital Broadcasting – Terrestrial ISDB-T ISO Hệ thống truyền International hình số Standard mặt đất sử dụng Organization mạngtiêu - Tổ chức đa dịch vụquốc chuẩn (Nhật) tế International Telecommunication Union ITU LP Liên minh Low viễn Priority bitthông streamquốc tế bít ưu tiên thấp - Dòng PLP Physical Layer Pipes - ống lớp vật lý (dùng trong DVB-T2) Low Density Parity Check- kiểm tra cường độ ưu tiên thấp (dùng LDPC MB trong DVB-T2) Macro Block - Khối macro (dùng trong MPEG-2) ML Main Level (dùng trong MPEG-2) MP Main Profile (dùng trong MPEG-2) MPEG Moving Pictures Experts Group MISO Nhóm chuyên (Multiple Input,giaSingle nghiên cứu về- tiêu Output) chuẩnphát, đa anten hìnhmột ảnhanten động thu Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM OOK Ghép đa tần trực- giao On-Off-Keying Khoá tắt mở Phase Alternating Line PAL QAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ vuông góc QPSK Hệ truyền hình Quadratue Phasemàu PAL Shift (pha -thay Keying đổidịch Khoá theopha dòng quét)góc vuông RS Reed-Solomon SDTV Standard Definition TeleVision - Truyền hình phân giải tiêu chuẩn SFN Single Frequency Network - Mạng đơn tần số TS Transport Stream - Luồng truyền tải TR Tone Reservation - hạn chế âm sắc UHF Ultra-High Frequency VHF Very-High Frequency VLC Variable Length Coding - Mã có độ dài thay đổi VSB Vestigial sideband - Biên tần cụt
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sơ đồ puncturing và dãy được truyền sau khi biến đổi nối tiếp song song. ..........................................................................................................25 Bảng 1.2: Hoán vị các bit theo mode 2k ..........................................................31 Bảng 2.1: Ví dụ so sánh DVB-T2 với DVB-T tại Anh .....................................42 Bảng 2.2: Ví dụ về cấu hình DVB-T2 được ghép bởi 3 ống lớp vật lý ...........48 Bảng 3.1: Thông số kích thước FFT trong DVB-T2 / 8MHz .........................61 Bảng 3.2: Các thông số đo với FFT thay đổi 8K và 16K .................................64 Bảng 3.3: Tăng lưu lượng dữ liệu kênh truyền tương ứng với các chế độ sóng mang mở rộng ...........................................................................................65 Bảng 3.4 : Các dạng pilot tán xạ [tham khảo theo TS 102 831] ........................67 Bảng 3.5: Độ dài khoảng bảo vệ trong DVB-T2 (kênh 8Mhz) .......................69 Bảng 3.6: Tốc độ bit cực đại và cấu hình trong kênh 8MHz,32k,1/128,PP7 71 Bảng 3.7 : Kết quả đo kiểm khi FFT: 32K thay đổi GI ...................................73 Bảng 3.8 : Kết quả đo kiểm khi FFT: 16K thay đổi GI ...................................73 Bảng 3.9: Giá trị của góc xoay .........................................................................76 Bảng 3.10: Các thông số đo khi chưa xoay chòm sao .....................................78 Bảng 3.11: Các thông số đo khi chưa xoay chòm sao .....................................80
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất. .....................5 Hình 1.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol .........................11 Hình 1.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ ..............................................................13 Hình 1.4: Chèn thêm các scattered pilot ..........................................................15 Hình 1.5: Phân chia kênh .................................................................................16 Hình 1.6: Ví dụ về đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính. Trục z miêu tả đáp ứng kênh. ................................................................16 Hình 1.7: Chèn các sóng mạng phụ .................................................................17 Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ .........................................................................17 Hình 1.9: Dạng tín hiệu minh họa khi có khoảng bảo về. ..............................18 Hình 1.10: Các sóng mạng đồng bộ. ................................................................18 Hình 1.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol ..................................19 Hình 1.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T ...........................................................20 Hình 1.13: Sơ dồ miêu tả nguyên lý ngẫu nhiên, ............................................21 giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu............................................................................21 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại .................................23 Hình 1.15: Các bước trong quá trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại (n = 2,3,..8) .................................................................................................................24 Hình 1.16: Sơ đồ thực hiện mã chập tốc độ 1/2 ..............................................25 Hình 1.17 Sơ đồ thực hiện việc ghép nội và mapping theo mô hình không phân cấp và mapping theo mô hình phân cấp .................................................29 Hình 1.19: Chòm sao phân cấp DVB-T ...........................................................33 Hình 1.20: Sơ đồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp. ..........35 Hình 1.21: Đồng bộ miền tần số .......................................................................38 Hình 1.22: Đồng bộ về mặt thời gian. ..............................................................39 Hình 2.1: Mô hình cấu trúc DVB-T2 ...............................................................43
Hình 2.2: Mô hình hệ thống của DVB-T2 .......................................................45 Hình 2.3: Vai trò T2-Gateway...........................................................................46 Hình 2.4: Các Ống lớp vật lý ............................................................................48 Hình 2.5: Khung T2 với chế độ M-PLP ...........................................................50 Hình 2.6: DVB-T2 với chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác nhau ............50 Hình 2.7: Mật độ phổ công suất đối với mode 2K và 32K ...............................52 Hình 2.8: Mô hình MISO .................................................................................53 Hình 2.9: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T(trái) và DVB-T2(phải) ..54 Hình 2.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM ............................................................54 Hình 2.11: Chòm sao 16-QAM xoay ................................................................55 Hình 2.12: Hiệu quả của chòm sao xoay so với không xoay ..........................55 Hình 2.13: Tráo tế bào ......................................................................................57 Hình 2.14: Tráo thời gian .................................................................................59 Hình 3.1: Mối liên hệ giữa kích thước FFT và GI ..........................................62 Hình 3.2: Phổ tín hiệu DVB-T2 lý thuyết với khoảng bảo vệ - GI=1/8 (kênh 8Mhz với chế độ sóng mang mở rộng 8K, 16K, 32K) .....................................65 Hình 3.3: Đồ thị chòm sao 256-QAM ..............................................................68 Hình 3.4: GI biểu diễn theo miền thời gian ....................................................70 Hình 3.5: Tốc độ bit cực đại với các chế độ Khoảng bảo vệ khác nhau .........72 Hình 3.6: Biểu đồ chòm sao của điều chế 16-QAM ........................................74 Hình 3.7: Biểu đồ chòm sao xoay của điều chế 16-QAM ...............................75 Hình 3.8: Cơ sở của bộ điều chế mã hóa xen bit với trễ và ánh xạ xoay .......76 Hình 3.9: Chòm sao khi chưa xoay ..................................................................77 Hình 3.10: Chòm sao khi đã xoay ....................................................................79
MỞ ĐẦU Với sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật, các nghành công nghệ trong đó có công nghệ điện tử viễn thông đã có sự phát triển vượt bậc trong ba thập kỷ vừa qua đem lại nhiều thành tựu phát minh ứng dụng trong sản xuất, trong đời sống xã hội. Công nghệ truyền hình là một bộ phận quan trọng trong lĩnh vực điện tử viễn thông, nó có những ứng dụng rộng rãi to lớn trong phát triển văn hóa đời sống tinh thần xã hội. Trong hơn một thập kỷ qua chúng ta đã chứng kiến sự chuyển đổi mạnh mẽ của công nghệ truyền hình từ phương thức tương tự xang công nghệ số. Ở Việt Nam quá trình chuyển đổi này thực sự ngoạn mục với sự phổ cập từng bước trong lĩnh vực truyền hình quảng bá và truyền hình trả tiền. Từ đầu những năm 90 cho đến nay nghành truyền hình đã ứng dụng các thành tựu về công nghệ truyền hình số trong truyền dẫn vệ tinh, phát triển mạng truyền hình cáp và phổ cập hệ thống truyền hình số mặt đất. Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền hình, chuẩn truyền hình số DVB-T là chuẩn phát sóng truyền hình số mặt đất đã được triển khai thành công, được nhiều nước chấp nhận. Tuy nhiên, từ sau sự ra đời của chuẩn DVB-T thì các nghiên cứu về kỹ thuật truyền dẫn vẫn tiếp tục được triển khai . Mặt khác, nhu cầu về phổ tần cao càng khiến cho việc gia tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên mức tối đa càng cấp thiết. Từ đó đã phát triển lên chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 là DVB-T2. Chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 với rất nhiều ưu điểm vượt trội so với DVB-T mà ở đó có rất nhiều thông số để mỗi nhà mạng có thể lựa chọn tùy vào mục tiêu của mình cũng như địa hình, địa điểm khác nhau. Đó là lý do em chọn đề tài: “Phân tích các nhân tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T” Bố cục luận văn bao gồm ba chương, trong chương I: Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T, trong chương II: Trình bày một số nội dung chính của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2. Chương III: Một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của DVB-T2 so với DVB-T 1
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, được sự hướng dẫn khoa học tận tình của TS.Ngô Thái Trị, luận văn đã được hoàn thành.Do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, thêm vào đó luận văn của em là vấn đề tương đối mới nên không thể tránh khỏi những sai sót. Kính mong được sự đóng góp của các thầy, các cô cùng các bạn. 2
CHƢƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T) 1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744 Tiêu chuẩn phát thanh truyền hình số mặt đất ETSI EN 300744 được Uỷ ban kỹ thuật phát thanh truyền hình Châu Âu JTC nghiên cứu và đề xuất. Tiêu chuẩn này đã được Dự án truyền hình số Châu Âu (DVB project) thông qua ngày 11 tháng 6 năm 1999, công bố và ngày 30 tháng 9 năm 1999. Thành lập tháng 9 năm 1993, đến nay DVB đã có hơn 200 thành viên thuộc 30 nước trên thế giới, nhiệm vụ của nó là thiết lập môi trường dịch vụ truyền hình số sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-2. JTC được thành lập năm 1990, là một tổ chức kết hợp của Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu Âu (EBU), Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử Châu Âu (CENELEC) và Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). 1.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn Tiêu chuẩn này mô tả hệ thống truyền dẫn cho truyền hình số mặt đất. Nó xác định hệ thống điều chế, mã hoá kênh dùng cho các dịch vụ truyền hình số mặt đất nhiều chương trình như: LDTV/SDTV/EDTV/HDTV. - Tiêu chuẩn mô tả chung hệ thống cơ bản của truyền hình số mặt đất. - Tiêu chuẩn xác định các yêu cầu chỉ tiêu chung, và các đặc điểm của hệ thống cơ bản, mục đích để đạt được chất lượng dịch vụ. - Tiêu chuẩn xác định tín hiệu được điều chế số để cho phép việc tương thích giữa các phần thiết bị được sản xuất bởi các nhà sản xuất khác nhau. Đạt được điều này bằng cách mô tả chi tiết tín hiệu xử lý ở phía các module, trong khi đó thì việc xử lý ở các máy thu là để mở cho các giải pháp thực hiện khác nhau. 1.1.2 Nội dung chính của tiêu chuẩn - Hệ thống được định nghĩa là một thiết bị gồm những khối chức năng, tín hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 nhận được tại đầu ra của bộ ghép kênh (Multiplexer), đầu ra là tín hiệu RF đi tới anten. 3
Hệ thống tương thích trực tiếp với chuẩn nén tín hiệu video MPEG-2 ISO/IEC 13818. Do hệ thống được thiết kế cho truyền hình số mặt đất hoạt động trong băng tần UHF hiện có, nên đòi hỏi hệ thống phải có khả năng chống nhiễu tốt từ các máy phát tương tự hoạt động cùng kênh hoặc kênh liền kề, đòi hỏi hệ thống phải có hiệu suất sử dụng phổ tần cao băng tần UHF, điều này có thể đảm bảo bằng việc sử dụng mạng đơn tần (SFN). Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ thống phát hình số mặt đất. Các tín hiệu hình ảnh, âm thanh sẽ qua một loạt quá trình xử lý để cuối cùng tại đầu ra anten cũng vẫn là tín hiệu cao tần phát đi nhưng những tính năng ưu việt của truyền hình số mặt đất lại hoàn toàn được thể hiện trong các quá trình xử lý này. Các khối nét đứt trên hình sẽ có khi cấu hình hệ thống dùng cho điều chế phân cấp. Khối Splitter (bộ tách) phân chia dòng dữ liệu thành 2 luồng với những mức ưu tiên khác nhau, tốc độ bit và tỷ lệ mã hóa khác nhau, có nghĩa là khả năng chóng lỗi của từng dòng bit là khác nhau. Sơ đồ chung ta thấy một hệ thống máy phát chủ yếu sẽ gồm phần điều chế OFDM và phần mã hoá sửa lỗi. Cụ thể chức năng của các khối như sau: 4
Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất. a. Phần ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2 Các tín hiệu đầu vào gồm hình ảnh, âm thanh và các dữ liệu phụ sẽ được số hóa nhờ khối ghép kênh và mã hóa nén MPEG-2. Đầu ra của khối này sẽ là dòng truyền truyền tải MPEG-2 (dòng dữ liệu số) với một tốc độ bit nhất định đưa vào máy phát. Đây là quá trình số hóa tín hiệu. 5
b. Khối mã hóa phân tán năng lượng và phối hợp ghép kênh. Để đảm bảo cho việc truyền dẫn không có lỗi, dòng dữ liệu TS đến từ khối nén sẽ được ngẫu nhiên hoá. Các gói dữ liệu này đầu tiên được nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS. Mục đích của quá trình này là 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”), đồng thời đây cũng được xem là quá trình phối hợp để ghép kênh truyền tải. c. Khối mã ngoại và ghép xen ngoại (Outer encoder and interleaver) Dòng dữ liệu sau khi đã được ngẫu nhiên hóa sẽ tiếp tục được xử lý tại khối mã ngoại và ghép xen ngoại. Sở dĩ gọi là "ngoại" vì việc xử lý ở đây là theo byte, còn mã nội và ghép xen nội là xử lý theo "bit". Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed- Solomon RS (204, 188, t=8) để mã hoá dữ liệu đã được ngẫu nhiên hoá nhằm tạo ra các gói dữ liệu đã được bảo vệ lỗi. Do được mã hoá theo mã RS (204,188, t=8) nên mỗi gói dữ liệu sẽ được thêm 16 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa tới 8 lỗi trong một gói. Việc ghép ngoại chính là ghép các byte với một chu kỳ ghép qui định trước, thường độ sâu ghép là l=12. Đây cũng là việc nhằm giảm tính phụ thuộc thống kê của lỗi. d. Khối mã nội (inner encoder) Đây là quá trình mã hoá tiếp theo nhưng việc mã sẽ chi tiết đến từng bit. Thông số mã hóa ở đây chính là tỷ lệ mã hóa n/m (1/2, 2/3, 3/4...). Nghĩa là cứ m bít truyền đi thì chỉ có n bit mang thông tin, các bit còn lại là để sửa lỗi. e. Khối ghép xen nội (inner interleaver) Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bit, thông tin sẽ rất khác so với ban đầu. Quá trình này để giảm thiểu lỗi đến mức tối đa. f. Các khối điều chế tín hiệu (Mapper, Frame Adaptation, OFDM...) Đây là quá trình xử lý phức tạp nhất, nhưng về nguyên lý ta có thể hiểu như sau: dữ liệu sau khi đã hoàn thành mã sửa lỗi sẽ được ánh xạ lên chòm sao điều chế (khối mapper), và sau khi thêm các pilot đồng bộ, các dữ liệu sẽ được đưa lên các sóng mang. Và tất nhiên là có rất nhiều sóng mang. Việc chèn thêm 6
các khoảng bảo vệ cũng sẽ được thực hiện nhằm tối ưu hoá tính ưu việt của truyền hình số. g. Khối D/A: Thực ra đây không phải là biến đổi Digital/Analog thuần tuý thông thường. Mà đó là quá trình hoàn chỉnh hàng ngàn sóng mang để đảm bảo việc phát tín hiệu lên anten. Hệ thống DVB-T có thể hoạt động trong băng tần 8Mhz, 7Mhz và 6Mhz, chủ yếu chỉ khác nhau ở tần số clock của hệ thống và một số thông số liên quan đến tần số clock sẽ phải tính lại. Sơ đồ cấu trúc, các nguyên tắc mã, sự xắp xếp, ghép xen được giữ nguyên, chỉ có tốc độ thông tin của hệ thống sẽ giảm theo hệ số 7/8 hoặc 6/8. - Truyền hình số mặt đất sử dụng nguyên lý ghép đa tần trực giao có mã (COFDM). Ghép đa tần trực giao (OFDM) được thực hiện tiếp nối theo sau quá trình mã hoá kênh (Channel Coding). - Ghép kênh phân chia tần số (FDM) là cơ sở của ghép đa tần trực giao OFDM. Dòng truyền tải nối tiếp MPEG-2 đầu vào được chuyển đổi thành n dòng bít song song, với n phù hợp với số lượng sóng mang. Những dòng bít song song này sẽ được ánh xạ lên những sóng mang riêng rẽ, những sóng mang riêng rẽ được ghép trực giao, kỹ thuật này cho phép truyền đồng thời đa sóng mang trên kênh truyền mà các sóng mang kế cận không gây can nhiễu sang nhau. Những sóng mang riêng rẽ được điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM. - Mã hoá kênh cần thiết cho việc truyền tải dữ liệu nhằm chống lỗi sai trên đường truyền do tác động của nhiễu. Mã hoá kênh gồm hai phần chính: khối mã ngoài (Outer Coder) nhằm kiểm soát sửa loạt lỗi sai xảy ra có chiều dài xác định, khối mã hoá trong (Inner Coder) nhằm kiểm soát sửa và báo lỗi cho một loạt lỗi sai có chiều dài lớn hơn chiều dài lỗi quy định. - Mã ngoài sử dụng mã Reed-Solomon RS(188,204), ghép xen ngoài (Outer Interleave) có chiều sâu l=12 bytes, giống như truyền hình vệ tinh và truyền hình cáp. Mã trong sử dụng mã vòng xoắn giống như truyền hình vệ tinh với các tỷ lệ mã hoá khác nhau. 7
- Khoảng bảo vệ mềm dẻo cho phép thiết kế hệ thống với nhiều cấu hình khác nhau như: mạng đơn tần diện rộng hoặc máy phát đơn lẻ, đảm bảo việc sử dụng tối đa băng tần. - Để thích ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau, kỹ thuật OFDM có hai chọn lựa về số lượng sóng mang, ba sơ đồ điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM và khoảng bảo vệ khác nhau cho phép làm việc với mạng đơn tần nhỏ và lớn. - Trong một điều kiện xác định, việc thu chương trình truyền hình từ một số máy phát hoạt động trên cùng một tần số là rất có lợi, tất nhiên, các máy phát này đều truyền tải một chương trình truyền hình được đồng bộ chặt chẽ tạo nên mạng đơn tần. - Hệ thống cũng cho phép hai mức mã kênh và điều chế phân cấp. Trong trường hợp này sơ đồ khối của hệ thống có thêm phần các khối vẽ đứt nét như trên hình vẽ 2.1. Bộ chia chia dòng tín hiệu đầu vào thành hai dòng tín hiệu MPEG độc lập: dòng tín hiệu có độ ưu tiên cao và dòng tín hiệu có độ ưu tiên thấp. Hai dòng bít này được phân bố trên biểu đồ chòm sao bởi khối Mapper. - Để đảm bảo có thể dùng máy thu đơn giản thu được tín hiệu phân cấp này, hệ thống chỉ sử dụng mã kênh và điều chế phân cấp mà không dùng mã nguồn phân cấp. Theo phương thức này, một chương trình truyền hình được truyền đồng thời dưới hai dạng: tốc độ bít thấp với độ phân giải thấp và dạng thứ hai là tốc độ bít cao với độ phân giải cao hơn. Trong cả hai trường hợp, máy thu chỉ cần một bộ bao gồm các khối với chức năng ngược lại với máy phát: khối giải ghép xen trong, giải mã hoá trong, giải ghép xen ngoài, giải mã hoá ngoài và giải ghép kênh. Máy thu chỉ cần có thêm chức năng phân tách dòng bít được chọn từ sự phân bố trong biểu đồ sao. - Điều chế phân cấp cho phép truyền song song các chương trình khác nhau với mức độ sửa lỗi khác nhau và vùng phủ sóng khác nhau. - Để tránh nhiễu do sóng phản xạ hoặc do các máy phát liền kề trong mạng đơn tần, khoảng bảo vệ được đưa xen vào giữa các symbol liên tiếp của 8
OFDM. Nếu không, sóng phản xạ sẽ gây nhiễu lên các symbol nằm phía sau và làm tăng tỷ số lỗi. Như vậy, độ dài khoảng bảo vệ sẽ phụ thuộc vào độ lớn của vùng phủ sóng. Hay nói cách khác, khoảng cách giữa các đài phát kế cận sẽ quyết định độ dài của khoảng bảo vệ. Ví dụ, với mạng đơn tần lớn, khoảng bảo vệ phải ít nhất là 200µs. - Có 2 phương án về số lượng sóng mang. Khoảng cách tốt nhất là 896µs đối với 8k-mode và 224µs đối với 2k-mode. Tương ứng với 2 phương án về số lượng sóng mang, khoảng cách giữa các sóng mang sẽ là 1116 Hz và 4464 Hz. - Đối với hệ thống DVB-T sử dụng độ rộng băng tần 8MHz, điều này quyết định số lượng cụ thể của sóng mang: 6817 sóng mang cho OFDM symbol đối với 8k-mode (6048 sóng mang dùng để truyền thông tin, còn lại dùng để truyền đồngbộ và tín hiệu khác) và 1705 sóng mang cho OFDM symbol đối với 2k-mode (1512 sóng mang dùng để truyền thông tin). Các OFDM symbols được tính toán bằng phương pháp biến đổi Fourier ngược (IDFT). 1.2 Thực hiện bằng cách sử dụng COFDM Để đáp ứng các yêu cầu cũng như tính năng của truyền hình số mặt đất, nhóm nghiên cứu của DVB-T đã đưa ra một phương thức điều chế mới COFDM. Tính ưu việt cũng như lý do tại sao dùng phương thức này sẽ được trình bày trong phần sau, đây là nguyên lý cốt lõi của một hệ thống DVB-T. 1.3 Ghép đa tần trực giao OFDM 1.3.1 Nguyên lý OFDM: - COFDM là một phương thức ghép kênh đa sóng mang trực giao trong đó vẫn sử dụng các hình thức điều chế số cơ sở tại mỗi sóng mang. Tuy nhiên ta có thể gọi là phương thức điều chế COFDM. Phương thức này rất phù hợp cho những yêu cầu của phát hình mặt đất. - COFDM phù hợp với điều kiện truyền sóng nhiều đường, thậm chí cả khi có độ trễ lớn giữa các tín hiệu thu được. Chính điều này đã dẫn đến khái niệm mạng đơn tần (SFN), nơi có nhiều máy phát cùng gửi tín hiệu giống nhau trên cùng một tần số, mà thực ra đây chính là hiệu ứng "nhiều đường nhân tạo". COFDM cũng giải quyết được vấn đề nhiễu đồng kênh dải hẹp. Đây là hiện 9
tượng thường thấy trong các dịch vụ tương tự do các sóng mang gây ra. - Chính nhờ các ưu điểm trên mà COFDM đã được chọn cho hai tiêu chuẩn phát sóng là DVB-T và DAB, và tuỳ theo từng ứng dụng của từng loại mà có những lựa chọn cũng như yêu cầu khác nhau. Tuy nhiên ưu thế đặc biệt của COFDM về hiện tượng nhiều đường và nhiễu chỉ đạt được khi có sự lựa chọn tham số cẩn thận và quan tâm đến cách thức sử dụng mã sửa lỗi. - Ý tưởng đầu tiên của COFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong phát sóng các kênh mặt đất. Đáp ứng của kênh không tương đồng với từng dải tần nhỏ do có nhiều tín hiệu nhận được (tín hiệu chính + tín hiệu echo), nghĩa là sẽ không còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu. Để giải quyết vấn đề này thì cơ chế đầu tiên là phải phân tách luồng dữ liệu để truyền tải trên một số lượng lớn các dải tần số nhỏ cách biệt nhau, nghĩa là điều chế dữ liệu lên một số lượng lớn sóng mang dựa trên kỹ thuật FDM. Và để có thể xây dựng lại được những dữ liệu đã mất ở bên thu thì cần mã hóa dữ liệu trước khi phát. Do có một số đặc điểm chủ chốt sau đây đã giúp cho COFDM rất phù hợp cho các kênh mặt đất, đó là: • Các sóng mang trực giao - orthogonality (COFDM). • Chèn thêm các khoảng bảo vệ - guard interval. • Sử dụng mã sửa lỗi (COFDM), xen bit - symbol và thông tin trạng thái kênh.. Phần này chúng ta sẽ cùng giải thích các đặc điểm này cũng như ý nghĩa của chúng. 1.3.2 Số lượng sóng mang - Giả thiết rằng chúng ta điều chế các thông tin số cho một sóng mang. Trong mỗi symbol, chúng ta truyền sóng mang với biên độ và pha xác định. Biên độ và pha này lựa chọn theo chòm sao điều chế. Mỗi symbol vận chuyển một lượng bít thông tin nhất định, lượng bit này bằng với loga (cơ số 2) của số trạng thái khác nhau trong chòm sao. 10