Tổng quan tình hình nghiên cứu
Tình hình trên thế giới
Vào giữa những năm 1920, nhà phát minh Scotland John Logie Baird đã chứng minh khả năng truyền hình ảnh chuyển động với độ phân giải 30 dòng, đủ để nhận diện khuôn mặt Năm 1928, tín hiệu truyền hình đầu tiên được phát ở Schenectady, New York, và BBC thành lập đài truyền hình đầu tiên trên thế giới tại London vào năm 1936 Sau Thế chiến II, kỷ nguyên truyền hình đen trắng bắt đầu với sự phát triển các thông số kỹ thuật và quy trình truyền hình Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khán giả, truyền hình màu đã được phát minh nhằm tái tạo thế giới thực Năm 1940, Peter Carl Goldmark tại phòng thí nghiệm CBS phát triển hệ thống truyền hình màu gọi là hệ thống tuần tự trường, sử dụng băng thông 12 MHz với 343 dòng, không tương thích với TV đen trắng Hệ thống này bắt đầu phát sóng thử nghiệm vào năm 1946, đánh dấu sự khởi đầu của thời đại truyền hình màu.
Vào những năm 1950, hệ thống tín hiệu TV màu NTSC (Ủy ban Tiêu chuẩn Truyền hình Quốc gia) đã được phát triển tại Hoa Kỳ để tương thích với TV đen trắng Hệ thống này sử dụng lược đồ mã hóa độ chói-sắc độ, trong đó các tín hiệu màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam (RGB) được mã hóa thành một tín hiệu độ chói (Y) cùng với hai tín hiệu màu (U và V) được điều chế theo biên độ cầu phương, cho phép tất cả tín hiệu được truyền đồng thời Năm 1962, Walter Bruch đã có những đóng góp quan trọng cho sự phát triển này.
Một kỹ sư người Đức tại Telefunken đã phát triển hệ thống Đường dây thay thế pha (PAL) dựa trên công nghệ NTSC, mang lại khả năng đảo pha từng dòng của tín hiệu sắc độ Hệ thống PAL cải thiện khả năng bù lỗi pha và tăng dung sai cho sai số pha vi phân từ ± 12 ° đến ± 40 °, góp phần nâng cao chất lượng tín hiệu trong hệ thống NTSC.
120 quốc gia liên tiếp áp dụng và vào năm 1972, Trung Quốc cũng quyết định áp dụng nó
Trong 70 năm đầu của thế kỷ XX, mặc dù sự phát triển của TV đã trải qua hai giai đoạn khác nhau (đen trắng và màu), nhưng đặc điểm cơ bản của truyền tín hiệu truyền hình là không thay đổi, đó là tín hiệu truyền hình liên tục, hoặc analog, và do đó tại sao cả TV đen trắng và TV màu đều được gọi là tương tự Trong truyền tín hiệu truyền hình tương tự, biên độ, tần số, pha hoặc sự kết hợp của các thông số này của sóng mang được thay đổi phù hợp với nội dung cần truyền Do đó, điều chế tuyến tính cũng như truyền dẫn đạt được trong một bước.
Tình hình trong nước
Sau khi triển khai chủ trương số hóa hệ thống truyền hình, Hội đồng Khoa học Đài Truyền hình Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm với ba tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật số khác nhau Cuối cùng, hội đồng đã thống nhất trình lãnh đạo Đài ký quyết định lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho Việt Nam Quyết định này được công bố vào lúc 11h30 ngày 26/3/2001.
Hồ Anh Dũng, Tổng Giám đốc Đài THVN, đã ký quyết định chọn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T, đánh dấu sự khởi đầu của quá trình chuyển đổi từ công nghệ phát sóng truyền hình tương tự sang truyền hình số tại Việt Nam.
Năm 2011, Công ty Nghe nhìn Toàn cầu (AVG) đã bắt đầu phát sóng truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T2, phủ sóng khoảng 50% hộ dân Cùng năm, Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng đã đề xuất kế hoạch số hóa truyền hình, với mục tiêu đến năm 2020, 100% hộ dân Việt Nam có thể xem truyền hình số Đến 0h ngày 28 tháng 12 năm 2020, 15 địa phương cuối cùng trong lộ trình số hóa đã ngừng phát sóng truyền hình tương tự, đánh dấu sự hoàn thành Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất theo Quyết định số 2451/QĐ-TTg ngày 27/12/2011 của Thủ tướng Chính phủ.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn là nghiên cứu lý thuyết tổng quan về công nghệ truyền hình số mặt đất thế hệ 2 DVB-T2, đồng thời phân tích đặc tính kênh truyền của hệ thống truyền hình số mặt đất.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan hệ thống truyền hình số
- Nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn châu Âu (DVB)
- Nghiên cứu đặc tính kênh truyền của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đặc tính kỹ thuật và đặc tính kênh truyền của hệ thống truyền hình số mặt đất DTTB.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ truyền hình số mặt đất thế hệ 2 bao gồm việc thu thập thông tin khoa học thông qua việc phân tích các văn bản, tài liệu và công trình liên quan Bằng cách sử dụng tư duy logic, chúng tôi tổng hợp và liên kết các thông tin đã phân tích để xây dựng một hệ thống lý thuyết mới, sâu sắc và toàn diện Luận chứng khoa học được hình thành từ quá trình này sẽ cung cấp cái nhìn rõ ràng và chính xác về sự phát triển của công nghệ truyền hình số.
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phần mềm mô phỏng Matlab để làm rõ bản chất và các vấn đề của đối tượng nghiên cứu.
Cấu trúc luận văn
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền hình số mặt đất
Nội dung chương này sẽ trình bày về lịch sử và sự phát triển của truyền hình số
Ngoài ra cũng trình bày tổng quan về hệ thống truyền hình số mặt đất
Chương 2:Các đặc tính kỹ thuật trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVB- T2
Trong chương này sẽ trình bày các đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T và DVB-T2
Chương 3: Đặc tính kênh truyền của hệ thống truyền hình số mặt đất
Chương này sẽ tóm tắt các đặc tính cơ bản của kênh vô tuyến thông qua hai mô hình toán học chính Dựa trên những mô hình này, chúng tôi sẽ tiến hành phân tích chi tiết các đặc điểm của kênh vô tuyến.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT…6 1.1 Giới thiệu và khái quát lịch sử
Kỷ nguyên TV màu tương tự
Truyền hình đen trắng, ra đời vào những năm 60 của thế kỷ XX với công nghệ ống thu hình Vidicon, đã đánh dấu bước khởi đầu cho việc truyền tải hình ảnh xa Mặc dù được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và có sự cải tiến về độ ổn định nhờ vào sự phát triển của đèn điện tử, truyền hình đen trắng vẫn gặp phải hạn chế lớn là không thể truyền tải hình ảnh màu sắc như thực tế Đến năm 1957, hệ thống truyền hình màu đầu tiên được giới thiệu tại Pháp, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp truyền hình.
Hiện nay, trên toàn thế giới có ba loại công nghệ truyền hình tương tự chính là NTSC, SECAM và PAL, sử dụng điều chế RF để phát tín hiệu sóng VHF hoặc UHF Mỗi khung hình truyền hình bao gồm các dòng quét với độ sáng khác nhau, được trình chiếu nhanh chóng để tạo ra hình ảnh mà mắt người cảm nhận Các khung hình này được hiển thị tuần tự, cho phép mô tả chuyển động Tín hiệu truyền hình tương tự chứa thông tin về thời gian và đồng bộ, giúp máy thu tái tạo hình ảnh hai chiều chuyển động từ tín hiệu một chiều biến thiên chậm.
Tiêu chuẩn NTSC, được phát triển tại Mỹ và ra mắt lần đầu vào năm 1954, hiện là tiêu chuẩn truyền hình lâu đời nhất NTSC sử dụng phương pháp quét dòng 525 và có tần số quét hình là 60Hz.
Tiêu chuẩn SECAM, được phát triển tại Pháp và lần đầu tiên ra mắt vào năm 1967, sử dụng quét dòng 625 với tần số quét hình 50Hz Các tiêu chuẩn khác nhau trong hệ thống này áp dụng băng thông video và thông số kỹ thuật khác nhau, cung cấp dịch vụ âm thanh đa dạng.
Tiêu chuẩn PAL, phát triển tại Đức và ra mắt lần đầu vào năm 1967, là một biến thể của NTSC PAL sử dụng quét dòng 625 với tần số quét hình 50Hz, và các tiêu chuẩn khác nhau trong hệ thống này cung cấp băng thông video và thông số kỹ thuật âm thanh đa dạng.
Trong kỷ nguyên truyền hình tương tự, mỗi tiêu chuẩn có phương tiện truyền dẫn tín hiệu riêng, dẫn đến việc các mạng truyền hình mặt đất thường thuộc sở hữu nhà nước hoặc chính phủ do chi phí thiết bị mạng cao Sự thiếu khả năng giao tiếp giữa các chuẩn yêu cầu mỗi quốc gia phát triển hệ thống truyền hình mặt đất riêng Hệ thống này bao gồm quy trình sản xuất chương trình (quay phim, chỉnh sửa, hoàn thiện và lưu trữ video), phát sóng (tạo composite video, điều chế, khuếch đại và phát sóng) và tiếp nhận tín hiệu (thu từ anten, giải điều chế và hiển thị hình ảnh, âm thanh cho người xem), tất cả đều sử dụng tín hiệu tương tự.
Ngày nay, thông tin kỹ thuật số được sản xuất hoàn toàn trong phòng thu Với sự phát triển của truyền hình kỹ thuật số, tất cả các quy trình từ tạo ra, truyền tải đến nhận tín hiệu đều được thực hiện dưới dạng kỹ thuật số Điều này mang lại chất lượng hình ảnh và âm thanh tối ưu, với hình ảnh rộng hơn so với bản gốc (màn hình toàn cảnh) và độ phân giải cao hơn (độ phân giải cao) cùng âm thanh stereo.
Các hệ thống truyền hình số ngày càng phát triển nhờ vào những ưu điểm nổi bật như khả năng chống nhiễu và hiệu quả băng thông cao hơn so với truyền hình tương tự Xu hướng hiện nay cho thấy nhiều quốc gia đang tích cực nghiên cứu và chuyển đổi sang truyền hình số.
Kỷ nguyên truyền hình số
Nhu cầu ngày càng cao về chất lượng âm thanh và hình ảnh của tín hiệu TV đã thúc đẩy sự phát triển của ngành phát thanh truyền hình, dẫn đến sự ra đời của truyền hình số (DTV) Với những đột phá kỹ thuật trong xử lý tín hiệu số, bao gồm thu nhận, ghi, nén, lưu trữ, phân phối, truyền và nhận tín hiệu, ngành bán dẫn và các lĩnh vực liên quan đã góp phần quan trọng vào sự chuyển mình của ngành phát thanh truyền hình, đánh dấu giai đoạn DTV trong lịch sử của nó.
Những ưu điểm của DTV so với truyền hình tương tự truyền thống có thể được tóm tắt như sau:
Khả năng chống nhiễu vượt trội giúp giảm thiểu tiếng ồn và đảm bảo tín hiệu chất lượng cao Quá trình số hóa chuyển đổi tín hiệu tương tự thành chuỗi nhị phân, mang lại độ chính xác và hiệu suất tốt hơn.
Hiệu suất truyền cao hơn và linh hoạt hơn trong ghép kênh
Dễ dàng mã hóa và hỗ trợ các dịch vụ tương tác
Dễ dàng lưu trữ, xử lý và phân phối trong môi trường mạng
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số
Thành phần của hệ thống DTV
Hệ thống phát sóng truyền hình số DTV bao gồm ba thành phần chính: hệ thống đầu cuối chuyển đổi, hệ thống truyền tải và mạng phân phối, cùng với hệ thống đầu cuối người dùng.
1.4.1 Hệ thống đầu cuối phát sóng DTV
Hệ thống đầu cuối truyền để phát sóng DTV là thiết bị chuyên nghiệp thiết yếu cho đài truyền hình, bao gồm các thành phần như máy quay video, máy ghi hình, thiết bị lưu trữ, máy tạo hiệu ứng đặc biệt, máy biên tập, máy phụ đề, và bộ mã hóa âm thanh và video Ngoài ra, đơn vị xử lý thông tin còn tích hợp hệ thống lập lịch chương trình, hệ thống quản lý người dùng, bộ ghép kênh và hệ thống truy cập có điều kiện (CA) để đảm bảo quy trình phát sóng hiệu quả và chất lượng.
Hệ thống lập kế hoạch chương trình đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý ứng dụng và dịch vụ, với hệ thống quản lý người dùng đảm nhiệm việc xử lý thông tin tài khoản Bộ ghép kênh là phần cốt lõi, chịu trách nhiệm lập nội dung bằng cách chọn lọc, phân bổ, ghép kênh và phân phối nội dung thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, tất cả đều được kiểm soát bởi hệ thống lập chương trình.
1.4.2 Hệ thống truyền dẫn / Mạng phân phối để phát sóng DTV
Các mạng điển hình để truyền và phân phối tín hiệu DTV bao gồm phát sóng mặt đất, cáp và vệ tinh
Truyền hình mặt đất vẫn là hình thức phát sóng phổ biến nhất, theo các số liệu thống kê hiện nay Để thích ứng với môi trường truyền dẫn phức tạp, công nghệ và chức năng trong hệ thống DTTB đã có sự khác biệt so với truyền hình tương tự, cũng như với truyền hình vệ tinh và cáp Mạng truyền dẫn phát sóng mặt đất chủ yếu sử dụng mạng đơn tần SFN cùng với bộ kích thích và bộ truyền.
Truyền hình số mặt đất có diện phủ sóng hẹp hơn so với truyền hình vệ tinh, nhưng dễ triển khai hơn so với mạng cáp Để khắc phục hạn chế về băng thông và hiện tượng nhiễu ở truyền hình mặt đất tương tự, phương pháp điều chế OFDM được áp dụng nhằm tăng dung lượng dẫn qua một kênh sóng Phương pháp này mang lại nhiều đặc điểm ưu việt cho truyền hình số mặt đất.
- Trong phạm vi phủ sóng, chất lượng ổn định, khắc phục được các vấn đề phiền toái như hình ảnh có bóng, can nhiễu, tạp nhiễu, tạp âm…
- Máy thu hình có thể được lắp đặt dễ dàng ở các vị trí trong nhà, có thể xách tay hoặc lưu động ngoài trời
- Có dung lượng lớn, chứa âm thanh (như âm thanh nhiều đường, lập thể, bình luận…) và các dữ liệu
Có khả năng linh hoạt chuyển đổi giữa phát sóng chương trình chất lượng cao (HDTV) và nhiều chương trình chất lượng thấp hơn, cũng như ngược lại.
Tuy nhiên, phương thức truyền hình số mặt đất cũng có một số nhược điểm:
- Kênh bị giảm chất lượng do hiện tượng phản xạ đa đường (multipath)
- Giá trị tạp do con người tạo ra là cao
Phân bố tần số dày đặc trong phổ tần đối với truyền hình đang đặt ra thách thức trong việc giao thoa giữa truyền hình tương tự và truyền hình số Việc xem xét vấn đề này là rất cần thiết để đảm bảo sự chuyển đổi mượt mà và hiệu quả trong công nghệ truyền hình hiện đại.
Cả ba phương pháp truyền dẫn truyền hình số đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, hỗ trợ lẫn nhau Truyền hình qua vệ tinh phủ sóng rộng lớn với hàng trăm chương trình, trong khi tín hiệu số trên mặt đất phục vụ cho các chương trình khu vực với số lượng người thu không lớn Ngoài việc sử dụng anten cố định, truyền hình số mặt đất còn cho phép thu bằng anten nhỏ trên máy tính xách tay và di động Truyền hình số qua mạng cáp đặc biệt phù hợp cho cư dân ở khu đông đúc, nơi không thể lắp đặt anten vệ tinh hay anten mặt đất.
Mạng đơn tần SFN của mô hình kênh hệ thống truyền hình số mặt đất…
Mạng đơn tần (SFN) là một tính năng quan trọng của hệ thống truyền hình số (DTV), phân biệt nó với hệ thống truyền hình tương tự SFN yêu cầu nhiều máy phát truyền cùng một tín hiệu tại cùng một thời điểm và tần số, giúp đạt được vùng phủ sóng đáng tin cậy So với mạng đa tần (MFN), SFN mang lại nhiều ưu điểm như sử dụng phổ tần hiệu quả hơn và cung cấp cường độ tín hiệu đồng đều hơn Độ lợi phân tập từ các máy phát trong cùng khu vực dịch vụ có thể nâng cao hiệu suất thu và giảm công suất phát tổng thể Bằng cách điều chỉnh mật độ, chiều cao, vị trí của các tháp và công suất phát, có thể cải thiện vùng phủ sóng và hiệu suất phổ, đồng thời giảm thiểu hoặc loại bỏ các điểm mù Khái niệm SFN trong hệ thống truyền hình số mặt đất đang thu hút nhiều sự chú ý nhờ vào hiệu suất phổ cao của nó.
Có hai sơ đồ cơ bản để xây dựng mạng phát sóng đồng bộ (SFN): sử dụng nhiều máy phát công suất cao để phủ sóng một khu vực rộng lớn hoặc kết hợp một máy phát công suất cao với các bộ lặp công suất thấp để bổ sung vùng phủ sóng SFN yêu cầu tất cả các máy phát truyền cùng một tín hiệu tại cùng một thời điểm và tần số, dẫn đến việc máy thu nhận nhiều bản sao của tín hiệu gốc từ các máy phát khác nhau Tuy nhiên, việc sử dụng SFN có thể tạo ra hiệu ứng đa đường nghiêm trọng, với độ trễ và cường độ tín hiệu cao từ các máy phát ở cùng tần số Độ trễ nhân tạo phụ thuộc vào khoảng cách giữa các máy phát; ví dụ, với khoảng cách 100 km, độ trễ có thể lên tới 330μs Do đó, khoảng cách giữa các máy phát cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ trễ cộng với trải phổ đa đường vẫn nhỏ hơn độ dài bảo vệ Các thành phần đa đường này có thể làm tăng sự fading chọn lọc tần số của kênh phát sóng, đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về thiết kế máy thu Hiệu ứng đa đường động cũng liên quan đến sự dịch chuyển tần số Doppler, với giá trị tối đa phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của hệ thống.
Trong mô hình kênh đa đường, độ trễ τl của tất cả các thành phần là giá trị tuyệt đối theo thời gian Tại đầu thu, tín hiệu được lấy mẫu theo chu kỳ ký hiệu Ts sau khi đã đi qua bộ chuyển đổi tần số xuống và bộ lọc phù hợp.
Các chuẩn truyền hình
Hoa Kỳ là quốc gia tiên phong trong việc phát triển truyền hình số (DTV) và đã thực hiện thành công quá trình chuyển đổi từ truyền hình analog sang kỹ thuật số.
Một số quốc gia khác, bao gồm Canada, Mexico, Hàn Quốc và Honduras, đã áp dụng tiêu chuẩn ATSC
Châu Âu thăng hạng DTV rất nhanh và thành công Đến giữa năm 2013, gần
Hai mươi quốc gia, bao gồm Đức, Tây Ban Nha, Na Uy, Hà Lan, Bỉ, Phần Lan và Vương quốc Anh, đã hoàn tất việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang kỹ thuật số Giống như Hoa Kỳ, các quốc gia này đã áp dụng luật pháp và hỗ trợ tài chính từ chính phủ để đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra suôn sẻ Vương quốc Anh là một trong những quốc gia tiên phong trong việc thúc đẩy truyền hình kỹ thuật số, với sự tham gia tích cực của các nhà điều hành truyền hình vệ tinh như British Sky Broadcasting Group PLC (BSkyB) và đài truyền hình công cộng BBC.
Với truyền hình số mặt đất, hiện tại hầu hết các nước trên thế giới đang sử dụng các chuẩn truyền hình sau:
Tiêu chuẩn ATSC DTV được thiết kế cho hệ thống phân phối cáp và phát sóng trên mặt đất, cho phép thu các chương trình HDTV ngoài trời Hệ thống này truyền tải video, âm thanh và dữ liệu phụ chất lượng cao trong kênh 6 MHz, với tốc độ dữ liệu khoảng 19Mbps thông qua điều chế dải biên tiền đình tám cấp (8-VSB) Nó bao gồm các thành phần như nén và mã hóa nguồn, ghép kênh và truyền dịch vụ, cùng với truyền dẫn RF Hệ thống cung cấp nhiều chất lượng hình ảnh thông qua 18 loại định dạng video khác nhau, bao gồm SD và HD, quét liên tục hoặc xen kẽ, cùng với các tốc độ khung hình đa dạng.
Hệ thống ISDB-T được thiết kế để thu phát sóng cả trong nhà và ngoài trời, hỗ trợ các dịch vụ tích hợp như âm thanh, video, đồ họa và văn bản, từ LDTV đến HDTV Sử dụng công nghệ phân đoạn-OFDM với 13 phân đoạn trên băng thông 6 MHz, ISDB-T cho tốc độ bit thực từ 280,85 đến 1787,28 kbps cho mỗi phân đoạn Tổng thông lượng dữ liệu đạt từ 3,65 đến 23,23 Mbps, phù hợp cho nhiều loại luồng dịch vụ, bao gồm HDTV Các phân đoạn trong phổ tần số có thể kết hợp và đối sánh hiệu quả để cung cấp nhiều loại dịch vụ khác nhau trong cùng một băng tần hoạt động, đặc biệt trong các dịch vụ DTV di động.
Hệ thống DVB-T được phát triển để thu sóng cả trong nhà và ngoài trời, đồng thời hỗ trợ thu sóng di động cho các dịch vụ video và âm thanh kỹ thuật số, cũng như các chương trình đa phương tiện.
Tốc độ tải dữ liệu trong kênh 8 MHz dao động từ 4,98 đến 31,67 Mbps, phụ thuộc vào các tham số mã hóa, kiểu điều chế và khoảng thời gian bảo vệ DVB-T, một hệ thống OFDM, sử dụng mã sửa lỗi theo tầng và hỗ trợ nhiều cấu trúc mạng, bao gồm mạng đơn tần số lớn (SFN) và mạng máy phát đơn, đồng thời duy trì hiệu suất phổ cao Tiêu chuẩn DVB yêu cầu hệ thống DTV áp dụng thuật toán nén MPEG-2 và sử dụng luồng truyền tải MPEG-2 (TS) cùng phương pháp ghép kênh.
DTMB được thiết kế để đáp ứng nhu cầu phát sóng đa dạng như HDTV, SDTV và truyền phát dữ liệu đa phương tiện, cung cấp vùng phủ sóng rộng rãi với khả năng hỗ trợ cả thu sóng trong nhà, ngoài trời và di động Hệ thống này sử dụng điều chế đơn và đa sóng mang với cấu trúc OFDM đồng bộ miền thời gian (TDS-OFDM) cùng mã chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) làm mã bên trong Nhờ vào sự kết hợp các tính năng kỹ thuật, DTMB mang lại khả năng đồng bộ hóa hệ thống nhanh chóng, độ nhạy nhận tốt hơn, hiệu suất hệ thống vượt trội trước hiệu ứng đa đường, hiệu suất phổ cao và khả năng hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện hiệu quả.
CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2
Giới thiệu chung
Hiện tại, ITU đã chính thức chấp thuận bốn tiêu chuẩn DTTB thế hệ đầu tiên, bao gồm: Ủy ban Hệ thống Truyền hình Tiên tiến ATSC, Phát sóng video kỹ thuật số Mặt đất DVB-T, ISDB-T (Dịch vụ Tích hợp Mặt đất Kỹ thuật số đúc), và DTMB (Truyền hình đa phương tiện kỹ thuật số mặt đất) Chương này sẽ giới thiệu và thảo luận chi tiết về mã hóa kênh, kỹ thuật điều chế và chế độ hoạt động được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn này.
Chuẩn truyền hình số sử dụng công nghệ nén và xử lý số để truyền dẫn đồng thời nhiều chương trình trong một dòng dữ liệu, mang lại chất lượng hình ảnh phục hồi tùy thuộc vào thiết bị thu Đây là một bước tiến quan trọng trong ngành sản xuất và quảng bá truyền hình, cung cấp tính linh hoạt và hiệu quả cao nhờ vào nhiều định dạng hình ảnh khác nhau Hiện nay, có ba tiêu chuẩn truyền hình số đang tồn tại song song trên thế giới, trong đó DVB-T là tiêu chuẩn phổ biến nhất được áp dụng tại nhiều quốc gia.
Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T
DVB-T (Digital Video Broadcast – Terrestrial) là tiêu chuẩn truyền hình số được tổ chức ETSI (European Telecommunications Standards Institute) công nhận vào tháng 2 năm 1997
DVB-T áp dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo mã trực giao tần số COFDM, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Kỹ thuật này có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường, rất phù hợp với các khu vực có địa hình phức tạp Ngoài ra, COFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN và hỗ trợ thu di động, lý tưởng cho các chương trình độ nét cao HDTV.
Hệ thống DVB-T có khả năng xử lý hiệu quả các kênh Gauss, Ricean và Rayleigh, đồng thời quản lý tốt tiếng vọng đa đường tĩnh và động ở mức cao (0-dB) với độ trễ dài Hệ thống này đáng tin cậy trong việc khắc phục nhiễu do tín hiệu trễ, bao gồm tiếng vọng từ địa hình, tòa nhà và tín hiệu phát từ xa trong môi trường SFN.
DVB-T có nhiều tham số để đáp ứng nhiều loại tỷ lệ sóng mang trên nhiễu và đặc tính kênh
Các thông số này giúp các đài truyền hình lựa chọn chế độ phù hợp nhất Sự kết hợp của điều chế QAM và các tốc độ mã khác nhau cho phép cân bằng giữa tốc độ bit và độ mạnh Hệ thống cũng hỗ trợ mã hóa và điều chế kênh phân cấp hai cấp, bao gồm chòm sao đồng nhất và đa phân giải.
2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống DTV-T
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T
- Tín hiệu video/audio nguồn:
Tín hiệu nguồn là tín hiệu số hay tương tự được biến đổi thành các dữ liệu số
Các chuẩn tín hiệu số được định dạng sao cho tương thích với hệ hống mã hóa
Tín hiệu video có tốc độ bit cao, như chuẩn CCIR 601 với 270 Mbps, đòi hỏi các kênh truyền hình quảng bá có băng thông 8 MHz phải nén tín hiệu để truyền tải số hiệu quả Việc giảm tốc độ bit là cần thiết để đảm bảo khả năng truyền tín hiệu số mượt mà.
- Mã hóa nguồn dữ liệu : (Source Coding)
Mã hóa nguồn dữ liệu thực hiện nén số ở các tần số khác nhau thông qua bộ mã hóa MPEG-2 Quá trình này dựa vào việc xử lý nhiều khung hình ảnh, trong đó chứa thông tin với sự sai khác rất nhỏ.
MPEG hoạt động bằng cách chỉ gửi những thay đổi cần thiết, giúp giảm dữ liệu từ 100 đến 200 lần Tương tự, đối với tín hiệu âm thanh, việc nén dựa trên nguyên lý rằng tai người khó phân biệt âm thanh nhỏ so với âm thanh lớn, cho phép loại bỏ những thông tin không cần thiết mà vẫn đảm bảo chất lượng âm thanh.
Mã hóa nguồn chỉ liên quan đến các đặc tính của nguồn Phương tiện truyền phát không ảnh hưởng đến mã hóa nguồn
Gói và kết hợp video, âm thanh cùng các dữ liệu phụ thành một dòng dữ liệu duy nhất, cụ thể là dòng truyền tải MPEG-2 Mục tiêu của mã hóa kênh là điều chỉnh tín hiệu phát sóng để tương thích với kênh truyền.
Mã Reed-Solomon, được áp dụng trong truyền hình số mặt đất, nổi bật với khả năng sửa lỗi vượt trội, làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến trong các hệ thống thông tin hiện đại.
Điều chế tín hiệu phát sóng là quá trình chuyển đổi dòng dữ liệu thành tín hiệu phát sóng, bao gồm mã hóa truyền dẫn và mã hóa kênh Quá trình này sử dụng các kỹ thuật nhằm giảm thiểu xác suất lỗi và khắc phục suy giảm chất lượng tín hiệu do pha đinh và tạp nhiễu.
Bên thu sẽ thực hiện quá trình mở gói, giải mã, hiển thị hình và đưa ra máy thu
Bộ chia tách luồng vận chuyển tạo ra hai luồng MPEG độc lập, tương ứng với các hệ thống ưu tiên cao và thấp Hai luồng bit này được ánh xạ vào chòm sao tín hiệu thông qua bộ điều chế Để đảm bảo tín hiệu có thể được xử lý bởi bộ thu đơn giản, hệ thống phân cấp chỉ áp dụng cho việc mã hóa và điều chế kênh mà không cần mã nguồn phân cấp Dịch vụ chương trình có thể được mô phỏng thành phiên bản tốc độ bit thấp với bảo vệ cao hơn và phiên bản tốc độ dữ liệu cao với bảo vệ ít hơn Điều này cho phép truyền tải các chương trình khác nhau trên các luồng riêng biệt với mức độ bảo vệ khác nhau Để hoạt động nghịch đảo, bộ thu cần các khối như bộ tách sóng, bộ giải mã, bộ khử xen kẽ và bộ phân kênh.
2.2.2 Các đặc tính kỹ thuật DVB-T
Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T
❖ Khối phân tán năng lượng
Hệ thống tổ chức dòng số vào thành các gói cố định với độ dài 188 byte, bao gồm một byte chức từ mã đồng bộ, là đầu ra của bộ ghép truyền dẫn MPEG-2 Quá trình xử lý ở phía phát diễn ra theo thứ tự từ bit MSB (bit 0) của byte chứa mã đồng bộ Để đảm bảo tính chính xác trong các chuyển đổi nhị phân, dữ liệu của khối ghép kênh MPEG-2 đầu vào được mã hóa.
Dữ liệu vào: 1011100xxxxxxxx… Dãy PRBS: 00000011 Đa thức bộ tạo chuỗi PRBS là 1 + X14 + X15
Việc nạp dãy 100101010000000 vào thanh ghi PRBS bắt đầu tại đầu mỗi lượt gói truyền dẫn Để khởi tạo bộ giải nhiễu tín hiệu, byte đồng bộ của gói truyền dẫn đầu tiên trong nhóm 8 gói được đảo lại Toàn bộ quá trình này được gọi là quá trình thích nghi ghép truyền dẫn.
Bit đầu tiên tại đầu ra bộ tạo PRBS là bit đầu tiên (MBS) của byte đầu tiên sau byte từ mã đồng bộ đã được đảo Để hỗ trợ các chức năng đồng bộ, trong thời gian của 7 byte đồng bộ kế tiếp, chuỗi PRBS vẫn được tạo nhưng không được lấy ra, dẫn đến các byte đồng bộ này không bị ngẫu nhiên hóa Do đó, chu kỳ của PRBS là 1503 byte.
Quá trình ngẫu nhiên hóa cũng ở trạng thái tích cực khi dòng bit đầu vào bộ điều chế không tồn tại hoặc không cùng định dạng với dòng MPEG-2
Mã ngoài và tráo ngoài được áp dụng cho cấu trúc gói đầu vào như minh họa trong hình 2.3 Mã rút ngắn Reed-Solomon (R-S) được thực hiện cho từng gói và đã được ngẫu nhiên hóa với kích thước 188 byte, nhằm tạo ra gói dữ liệu có khả năng chống lỗi Hình 2.3 cũng cho thấy mã R-S được thực hiện với byte đồng bộ, trong khi gói dữ liệu có thể được đảo hoặc không đảo.
Mã bên ngoài là RS (204,188, t = 8), là mã rút gọn RS (255,239, t = 8) Đa thức sinh của mạch mã hóa là
Hình 2.3: Xử lý xáo trộn gói truyền tải
Hình 2.4: Gói bảo vệ lỗi RS (204,188)
Hệ thống DVB sử dụng bộ xen chập (bộ xen ngoài) với thông số I = 12 và M = 17, tương tự như cấu trúc bộ xen byte ATSC Các byte dữ liệu xen kẽ được tạo ra từ gói sửa lỗi và được phân tách bằng byte đồng bộ MPEG-2, nhằm duy trì chu kỳ 204 byte Bộ xen kẽ gồm I = 12 nhánh, kết nối tuần hoàn với luồng byte đầu vào qua công tắc đầu vào Mỗi nhánh j hoạt động như một thanh ghi dịch chuyển đầu tiên (FIFO) với độ sâu j × M × ô, trong đó M = 17 và N = 204 Các ô trong thanh ghi FIFO chứa một byte với đầu vào và đầu ra chuyển mạch đồng bộ Để đảm bảo đồng bộ hóa, các byte SYNC sẽ luôn được chuyển đến nhánh 0 của bộ xen kẽ mà không có độ trễ.
Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2
2.3.1 Giới thiệu chung về truyền hình số mặt đất DVB-T2
Hệ thống DVB-T2, phát triển bởi tổ chức Digital Video Broadcasting (DVB), là thế hệ thứ hai của DVB-T, cung cấp dịch vụ truyền tải dữ liệu, video và âm thanh hiệu quả cho thiết bị di động thông qua các kỹ thuật mã hóa và điều chế tiên tiến Mặc dù DVB-T2 không được thiết kế để thay thế DVB-T trong ngắn hạn, cả hai hệ thống sẽ cùng tồn tại trên thị trường để phục vụ các nhu cầu dịch vụ khác nhau trong tương lai Tổ chức DVB đã xác định nhiều yêu cầu kinh doanh làm cơ sở cho sự phát triển của DVB-T2.
Truyền dẫn T2 cần tương thích với các ăng ten thu trong nước hiện có và các phương tiện truyền dẫn hiện tại Điều này hạn chế việc áp dụng kỹ thuật MIMO, vì nó yêu cầu cả ăng ten thu và phối ghép mới.
- T2 chủ yếu nên nhắm mục tiêu các dịch vụ đến các máy thu di động và máy thu di động
- T2 phải cung cấp mức tăng công suất tối thiểu 30% so với DVB-T làm việc trong cùng các điều kiện và ràng buộc quy hoạch
- T2 sẽ cung cấp hiệu suất mạng đơn tần số (SFN) được cải thiện so với DVB-T
T2 cần thiết lập một cơ chế mạnh mẽ để cung cấp dịch vụ, cho phép cung cấp các mức độ khác nhau cho từng dịch vụ Chẳng hạn, trong một kênh 8 MHz, T2 có thể cung cấp dịch vụ cho ăng ten mái và các dịch vụ khác cho máy thu di động.
- T2 phải cung cấp băng thông và tần số tốt
Cần thiết phải thiết lập một cơ chế nhằm giảm tỷ lệ công suất đỉnh so với công suất trung bình của tín hiệu truyền đi, điều này có thể giúp giảm thiểu suy hao trong quá trình truyền dẫn.
DVB-T2, giống như chuẩn DVB-T, sử dụng công nghệ OFDM để truyền tín hiệu qua nhiều sóng mang con Tiêu chuẩn DVB-T2 nổi bật với nhiều chế độ khác nhau và áp dụng mã sửa lỗi LDPC và BCH xếp tầng, tương tự như DVB-S2, cho khả năng chống nhiễu xuất sắc Chế độ xen kẽ bit và lập bản đồ chòm sao mới cũng được tích hợp vào DVB-T2, dựa trên kỹ thuật COFDM và khoảng bảo vệ của DVB-T Bảng so sánh DVB-T2 và DVB-T về các yếu tố như mã sửa lỗi, chế độ điều chế, khoảng thời gian bảo vệ, kích thước FFT, và sóng mang rời rạc và liên tục cho thấy những ưu điểm vượt trội của DVB-T2 Thêm vào đó, DVB-T2 còn cung cấp nhiều tính năng mới hấp dẫn.
Khung T2 có cấu trúc đặc biệt với tiêu đề ngắn và ký hiệu nhận dạng, giúp quét kênh nhanh chóng và bắt tín hiệu hiệu quả Nó cũng chứa một số thông số hệ thống cơ bản cần thiết.
- Xoay chòm sao, một dạng phân tập không gian tín hiệu được sử dụng để cải thiện hiệu suất nhận cho chế độ mã hóa tốc độ cao
- Giám định để giảm tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình của tín hiệu truyền
Khung mở rộng dành cho tương lai (FEF) là một giải pháp mở rộng tín hiệu, giúp đảm bảo rằng các thiết bị thế hệ tiếp theo sẽ tương thích với những bản nâng cấp trong tương lai, khắc phục những hạn chế mà bộ thu thế hệ đầu tiên không thể xử lý.
Hình 2.13: Mô hình cấp cao nhất của hệ thống DVB-T2
Bảng 2.6: So sánh DVB-T2 và DVB-T
Mã FEC Mã hợp lệ + Mã RS 1/2,
Chế độ điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM,
Khoảng thời gian bảo vệ 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/256, 1/8, 19/128,
Tín hiệu rời rạc 8% tổng số nhà cung cấp dịch vụ
1%, 2%, 4%, 8% trong tổng số các nhà cung cấp dịch vụ
Tín hiệu liên tục 2,6% tổng số nhà cung cấp dịch vụ
0,35% tổng số nhà cung cấp dịch vụ
Hệ thống DVB-T2 được mô tả qua mô hình cấp cao nhất như hình 2.13, bao gồm các giai đoạn xử lý đầu vào, mã hóa xen kẽ bit, mô-đun điều chế, tạo khung và tạo ký hiệu OFDM Đầu vào của hệ thống có thể là một hoặc nhiều luồng vận chuyển MPEG và các luồng chung Bộ tiền xử lý đầu vào, không thuộc về hệ thống DVB-T2, thực hiện chức năng tách dịch vụ hoặc phân kênh cho luồng truyền tải, nhằm tách các dịch vụ vào đầu vào của hệ thống Mỗi luồng dữ liệu logic được thực hiện bởi một đường ống lớp vật lý (PLP), cho phép hệ thống DVB-T2 truyền tải nhiều PLP, với các đầu ra của bộ tiền xử lý tương ứng với các PLP này.
Khi có nhiều đường ống lớp vật lý (PLP), dữ liệu sẽ được truyền theo thời gian rõ ràng trong lớp vật lý, với các tham số tương ứng được cung cấp Điều này cho phép tối ưu hóa việc phân tập thời gian và giảm thiểu tiêu thụ điện năng.
Kỹ thuật đa PLP và phân chia thời gian trong DVB-T2 cho phép áp dụng các cấp độ mã hóa, điều chế và độ sâu xen kẽ thời gian khác nhau cho từng PLP, mang lại độ mạnh mẽ riêng cho từng dịch vụ Máy thu có khả năng tập trung tài nguyên giải mã vào một PLP chứa dữ liệu thiết yếu Đặc biệt, bộ đệm giới hạn về thời gian ngắt xen kẽ hỗ trợ độ sâu xen kẽ lớn hơn so với chế độ PLP đơn lẻ, vì nó chỉ xử lý dữ liệu tương ứng với các PLP được yêu cầu Đối với PLP đơn lẻ, độ sâu xen kẽ thời gian khoảng 70 mili giây, trong khi với nhiều PLP, thời gian này có thể kéo dài đến toàn khung hình (150–250 mili giây) hoặc thậm chí mở rộng qua nhiều khung hình cho các dịch vụ có tốc độ dữ liệu thấp hơn.
Trong chế độ truyền SISO (ăng-ten phát đơn), DVB-T2 cung cấp tín hiệu RF được điều chế trên một kênh RF tương tự như DVB-T Ngược lại, trong chế độ truyền MISO (ăng-ten kép), DVB-T2 áp dụng mã hóa Alamouti, cho phép tách tín hiệu đầu ra thứ hai từ ăng-ten thứ hai, nâng cao hiệu suất truyền tải.
2.3.1.2 Xử lý đầu vào Để cải thiện các ứng dụng đa dịch vụ của hệ thống, định dạng dữ liệu đầu vào cho mỗi DVB-T2 PLP hỗ trợ luồng truyền tải, luồng liên tục chung, luồng có nhịp độ dài chung và luồng chung được đóng gói, như được hiển thị trong hình 2.14 và được giải thích ở phần sau, trong khi hệ thống DVB-T ban đầu chỉ hỗ trợ định dạng luồng truyền tải
Hình 2.14: Định dạng dòng đầu vào PLP
Dòng vận tải (TS) được định nghĩa bởi các gói người dùng (UP) có độ dài 188 bit, với byte đầu tiên là 0x47, và sẽ được báo hiệu trong trường BBHEADER TS / GS Trong luồng truyền tải, tốc độ gói dữ liệu là một giá trị không đổi, trong đó một phần tương ứng với gói dữ liệu dịch vụ và phần còn lại là gói dữ liệu trống.
Luồng liên tục chung (GCS) được định nghĩa là luồng gói có độ dài thay đổi, trong đó bộ điều chế không nhận thức được ranh giới gói Đặc điểm của GCS là có dòng bit liên tục và cần được báo hiệu bởi trường TS/GS trong BBHEADER với giá trị UPL = 0D Ngoài ra, nếu luồng gói có độ dài không đổi vượt quá 64 kbit, nó cũng sẽ được coi là GCS và được chỉ định trong BBHEADER thông qua trường TS/GS.
Luồng theo nhịp độ cố định chung (GFPS) được thiết kế để tương thích với DVB-S2 và có khả năng thay thế bằng GSE trong tương lai Định dạng này yêu cầu một luồng UP có độ dài không đổi, với các bit O-UPL có độ dài tối đa là 64 K, được báo hiệu trong trường TS/GS của tiêu đề băng gốc.
UPL là độ dài gói người dùng ban đầu UPL là độ dài gói người dùng đã truyền, như được báo hiệu trong trường BBHEADER TS / GS
