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 truyền ở Schenectady, New York, và BBC thành lập đài truyền hình đầu tiên trên thế giới tại London 8 năm sau đó Sau Thế chiến II, kỷ nguyên truyền hình đen trắng bắt đầu, với các thông số kỹ thuật dịch vụ truyền hình dần được hình thành Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người xem, truyền hình màu đã được phát minh nhằm mô phỏng thế giới thực Năm 1940, Peter Carl Goldmark tại phòng thí nghiệm CBS đã phát triển hệ thống truyền hình màu gọi là hệ thống tuần tự trường, sử dụng băng thông 12 MHz và 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 TV 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 nhằm 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) và hai tín hiệu màu (U và V), tất cả được truyền đồng thời thông qua điều chế biên độ cầu phương 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 hệ thống NTSC ở Cộng hòa Liên bang Đức Hệ thống PAL thực hiện đảo pha từng dòng của thành phần vuông góc trong tín hiệu sắc độ của NTSC, giúp bù lỗi pha hiệu quả và tăng dung sai cho sai số pha vi phân từ ± 12 ° đến ± 40 °.
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 quyết định số hóa hệ thống truyền hình, Hội đồng Khoa học Đài Truyền hình Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm các tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật số khác nhau Cuối cùng, hội đồng đã đồng thuận và trình lãnh đạo Đài ký quyết định lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho Việt Nam Lễ ký quyết định diễn ra vào lúc 11h30 ngày 26/3/2001.
Hồ Anh Dũng, Tổng Giám đốc Đài THVN, đã ký quyết định lựa 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 phát sóng truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T2, phủ sóng khoảng 50% hộ dân Cùng năm, Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng khởi xướng đề án số hóa truyền hình nhằm chuyển đổi tín hiệu từ truyền hình tương tự sang truyền hình số mặt đất, với mục tiêu đến năm 2020, 100% hộ dân Việt Nam có thể xem truyền hình số Đến 28 tháng 12 năm 2020, Việt Nam chính thức hoàn thành đề án số hóa truyền hình, khi 15 địa phương cuối cùng ngừng phát sóng truyền hình tương tự Quyết định số 2451/QĐ-TTg ngày 27/12/2011 của Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn này là nghiên cứu tổng quan về công nghệ truyền hình số mặt đất thế hệ 2 DVB-T2, cùng với việc phân tích đặc tính kênh truyền trong 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 yêu cầu thu thập thông tin khoa học từ các văn bản và tài liệu liên quan Bằng cách sử dụng tư duy logic, quá trình này phân tích và tổng hợp các luận chứng khoa học Kết quả là một hệ thống lý thuyết mới, sâu sắc và toàn diện, kết nối các mặt và bộ phận thông tin đã được phân tích.
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 ống thu hình Vidicon, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc truyền tải hình ảnh Mặc dù được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu và có độ ổn định cao nhờ sự phát triển của đèn điện tử, truyền hình đen trắng vẫn gặp phải nhược điểm lớn là không thể truyền tải màu sắc thực tế Đến năm 1957, hệ truyền hình màu đầu tiên được phát minh tại Pháp, mở ra một cuộc cách mạng cho ngành công nghiệp truyền hình.
Hiện nay, có ba loại công nghệ truyền hình tương tự chính được sử dụng toàn cầu, bao gồm NTSC, SECAM và PAL, với việc điều chế RF để phát tín hiệu trên các băng tần VHF hoặc UHF Mỗi khung hình của hình ảnh truyền hình bao gồm các dòng quét có độ sáng khác nhau, được hiển thị nhanh chóng để tạo cảm giác như một hình ảnh hoàn chỉnh Các khung hình này được trình chiếu liên tiếp, cho phép mô tả chuyển động Tín hiệu truyền hình tương tự mang thông tin về thời gian và đồng bộ, giúp máy thu tái tạo lại hình ảnh hai chiều chuyển động từ tín hiệu một chiều.
Tiêu chuẩn NTSC, phát triển tại Mỹ và ra mắt lần đầu vào năm 1954, hiện là tiêu chuẩn truyền hình lâu đời nhất Nó bao gồm 525 dòng quét và tần số quét hình là 60Hz.
Tiêu chuẩn SECAM, được phát triển tại Pháp và ra mắt lần đầu vào năm 1967, sử dụng quét dòng 625 với tần số quét hình 50Hz Các tiêu chuẩn khác nhau cung cấp băng thông video và thông số kỹ thuật 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, sử dụng quét dòng 625 với tần số quét hình 50Hz Các tiêu chuẩn này có sự khác biệt về băng thông video và thông số kỹ thuật cung cấp dịch vụ âm thanh.
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 quyền sở hữu của nhà nước hoặc chính phủ do chi phí thiết bị cao Sự không tương thích giữa các chuẩn yêu cầu mỗi quốc gia phải phát triển hệ thống truyền hình mặt đất độc lập Hệ thống này bao gồm quy trình sản xuất chương trình (quay phim, chỉnh sửa, lưu trữ video), phát sóng (tạo composite video, điều chế, khuếch đại) và tiếp nhận (thu tín hiệu từ anten, giải điều chế và hiển thị hình ảnh, âm thanh cho người xem), với tất cả các tín hiệu đều là tương tự.
Ngày nay, thông tin kỹ thuật số được sản xuất hoàn toàn trong phòng thu, với truyền hình kỹ thuật số cho phép tất cả các quy trình diễn ra dưới dạng kỹ thuật số Điều này bao gồm việc tạo ra, truyền tải và nhận tín hiệu kỹ thuật số cho hình ảnh, âm thanh và thông tin bổ sung Nhờ đó, chất lượng hình ảnh và âm thanh được nâng cao, mang đến trải nghiệm hình ảnh rộng hơn với độ phân giải cao và âm thanh stereo sống động.
Hệ thống truyền hình số ngày càng phát triển và được nghiên cứu ở nhiều quốc gia nhờ vào những ưu điểm vượt trội như khả năng chống nhiễu và hiệu quả băng thông cao hơn so với truyền hình tương tự Xu hướng hiện nay là chuyển đổi sang truyền hình số để tận dụng những lợi ích này.
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 truyền hình số (DTV) 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, đã tạo ra bước ngoặt lớn cho ngành phát thanh truyền hình Hiện nay, ngành này đang bước vào giai đoạn thứ ba quan trọng trong lịch sử của mình, đánh dấu kỷ nguyên DTV.
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 tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn, mang lại chất lượng cao hơn Sau quá trình số hóa, tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành chuỗi nhị phân với hai mức.
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 DTV (truyền hình kỹ thuật số) bao gồm ba thành phần chính: hệ thống đầu cuối chuyển đổi, hệ thống truyền tải/mạng phân phối và hệ thống đầu cuối người dùng.
1.4.1 Hệ thống đầu cuối phát sóng DTV
Hệ thống đầu cuối truyền DTV là thiết bị chuyên dụng cho đài truyền hình, bao gồm máy quay video, máy ghi hình, thiết bị lưu trữ, máy tạo hiệu ứng đặc biệt, máy biên tập, máy phụ đề, cùng bộ mã hóa âm thanh và video Đơn vị xử lý thông tin trong hệ thống này thường tích hợp các thành phần như hệ thống lập lịch chương trình, quản lý người dùng, bộ ghép kênh và hệ thống truy cập có điều kiện (CA).
Hệ thống lập kế hoạch chương trình đóng vai trò là nền tảng cho các ứng dụng hệ thống và quản lý dịch vụ, trong khi hệ thống quản lý người dùng xử lý thông tin tài khoản Bộ ghép kênh là phần cốt lõi, đảm nhiệm việc lập nội dung thông qua việc chọn lọc, phân bổ, ghép kênh và phân phối nội dung từ nhiều nguồn khác nhau đến các kênh khác nhau, tất cả dưới sự kiểm soát của 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 quan trọng và phổ biến nhất, theo các số liệu thống kê Để thích ứng với môi trường truyền dẫn phức tạp, công nghệ và chức năng trong hệ thống DTTB khác biệt so với truyền hình tương tự, vệ tinh và cáp Mạng truyền dẫn 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 lại dễ triển khai hơn so với mạng cáp Do bị giới hạn bởi băng thông, phương pháp điều chế OFDM được áp dụng nhằm tăng dung lượng dẫn qua một kênh sóng và giảm thiểu hiện tượng nhiễu ở truyền hình mặt đất tương tự Phương pháp này mang lại nhiều đặc điểm nổi bật.
- 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 chương trình chất lượng cao (HDTV) và phát 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 trong truyền hình là khá dày, và sự giao thoa giữa truyền hình tương tự và truyền hình số là một vấn đề quan trọng cần được xem xét.
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 có khả năng phủ sóng rộng rãi với hàng trăm chương trình, trong khi tín hiệu số mặt đất phục vụ cho các chương trình khu vực với lượng người thu không lớn Ngoài việc sử dụng anten cố định trên mái nhà, truyền hình số mặt đất còn cho phép thu bằng anten nhỏ trên máy tính xách tay và thiết bị di động như ô tô hay máy bay Truyền hình số qua mạng cáp là lựa chọn thuận tiện cho cư dân ở khu vực 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…
SFN (Single-Frequency Network) là một tính năng quan trọng của hệ thống DTV, phân biệt nó với truyền hình tương tự Trong khi kênh cấm (taboo channel) được sử dụng trong mạng đa tần MFN (Multi-Frequency Network), SFN yêu cầu nhiều máy phát truyền cùng một tín hiệu tại cùng một thời điểm và tần số, đảm bảo vùng phủ sóng đáng tin cậy So với MFN, SFN có ưu điểm vượt trội trong việc sử dụng phổ tần hiệu quả hơn và cung cấp cường độ tín hiệu đồng đều hơn trong vùng phủ mong muốn Độ lợi phân tập từ các máy phát trong 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 đạt được vùng phủ sóng tốt hơn và giảm thiểu các điểm mù Khái niệm SFN trong hệ thống truyền hình số mặt đất đang thu hút sự chú ý nhờ hiệu suất phổ cao.
Có hai sơ đồ cơ bản để xây dựng mạng phát sóng đơn tần số (SFN): sử dụng một số máy phát công suất cao để phủ sóng rộng lớn hoặc kết hợp một máy phát công suất cao với nhiều bộ lặp công suất thấp Các bộ lặp này giúp tăng cường phạm vi phủ sóng cho những khu vực không được máy phát chính che phủ Trong SFN, tất cả máy phát phải 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, điều này cũng có thể tạo ra hiệu ứng đa đường nghiêm trọng, với độ trễ và cường độ tín hiệu cao từ các máy phát khác ở cùng tần số Độ trễ này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các máy phát; ví dụ, khoảng cách 100 km có thể tạo ra độ trễ lên tới 330μs Do đó, việc lựa chọn khoảng cách giữa các máy phát trong hệ thống SFN cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo rằng độ trễ cộng với trải phổ đa đường vẫn nhỏ hơn độ dài bảo vệ Hiện tượng đa đường có độ trễ dài và cường độ mạnh có thể làm tăng đáng kể sự fading chọn lọc tần số của kênh phát sóng, đặt ra yêu cầu cao về thiết kế máy thu Ngoài ra, hiệu ứng đa đường động cũng liên quan đến sự dịch chuyển tần số Doppler, với giá trị lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của đầu cuối trong hệ thống.
Trong mô hình kênh đa đường, độ trễ τl của các thành phần là giá trị tuyệt đối theo thời gian Tại đầu thu, tín hiệu được lấy mẫu tại chu kỳ ký hiệu Ts sau khi 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 sự phát triển của truyền hình số (DTV) và đã thực hiện thành công việc chuyển đổi từ công nghệ analog sang công nghệ 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 quá trình 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 sang DTV diễn ra suôn sẻ Vương quốc Anh nổi bật trong nỗ lực quảng bá DTV, với sự tham gia mạnh mẽ của các nhà điều hành truyền hình trả tiền qua vệ tinh như British Sky Broadcasting Group PLC (BSkyB) và đài truyền hình công cộng British Broadcasting Corporation (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 để hỗ trợ hệ thống phân phối cáp và phát sóng trên mặt đất, cho phép thu nhận các chương trình HDTV ngoài trời Hệ thống truyền tải video, âm thanh và dữ liệu phụ chất lượng cao trong kênh 6 MHz, cung cấp tốc độ dữ liệu khoảng 19Mbps bằng cách sử dụng điều chế dải biên tiền đình tám cấp (8-VSB) Nó bao gồm các thành phần như hệ thống nén và mã hóa nguồn, ghép kênh và truyền dịch vụ, cùng với hệ thống truyền dẫn RF Hệ thống này có khả năng cung cấp hình ảnh với nhiều chất lượng khác nhau thông qua 18 loại định dạng video, 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 lẫn ngoài trời, phục vụ cho các dịch vụ tích hợp như âm thanh, video, đồ họa và văn bản, từ LDTV đến HDTV Công nghệ phân đoạn-OFDM với 13 phân đoạn cho băng thông 6 MHz cho phép tốc độ bit thực từ 280,85 đến 1787,28 kbps cho mỗi phân đoạn, mang lại tổng thông lượng dữ liệu từ 3,65 đến 23,23 Mbps Điều này phù hợp cho nhiều loại luồng dịch vụ, bao gồm cả HDTV, với khả năng kết hợp và đối sánh các phân đoạn trong phổ tần số, đáp ứng nhu cầu của dịch vụ DTV di động.
Hệ thống DVB-T được phát triển để thu sóng cả trong nhà lẫn ngoài trời, đồng thời hỗ trợ việc thu sóng di động cho các dịch vụ video, âm thanh kỹ thuật số và 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 như mã hóa kênh, kiểu điều chế và khoảng thời gian bảo vệ DVB-T là hệ thống OFDM sử dụng mã sửa lỗi theo tầng, hỗ trợ nhiều cấu trúc mạng như mạng đơn tần số lớn (SFN) và mạng máy phát đơn, đồng thời duy trì hiệu suất phổ cao Đối với mã hóa nguồn, tiêu chuẩn DVB yêu cầu sử dụng thuật toán nén MPEG-2 và luồng truyền tải MPEG-2 (TS) cùng với phương pháp ghép kênh.
DTMB được thiết kế để đáp ứng nhu cầu đa dạng về dịch vụ phát sóng như HDTV, SDTV và truyền phát dữ liệu đa phương tiện, với khả năng cung cấp vùng phủ sóng rộng lớn bao gồm SFN và hỗ trợ thu sóng trong nhà, ngoài trời cũng như di động Hệ thống này sử dụng điều chế đơn và đa sóng mang thông qua cấu trúc khung TDS-OFDM, kết hợp với mã chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) làm mã bên trong Nhờ vào sự kết hợp các tính năng kỹ thuật, DTMB cho thấy khả năng đồng bộ hóa hệ thống nhanh chóng, độ nhạy nhận tốt, hiệu suất chống lại hiệu ứng đa đường xuất sắc, 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 nay, bốn tiêu chuẩn DTTB thế hệ đầu tiên đã được ITU chính thức công nhận, bao gồm: Ủy ban Hệ thống Truyền hình Tiên tiến ATSC, Phát sóng video kỹ thuật số Mặt đất DVB-T, ISDB-T và DTMB 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 nhiều chương trình trong một dòng dữ liệu, đảm bảo chất lượng hình ảnh phục thuộc vào độ phức tạp của máy thu Đây là một bước ngoặt quan trọng trong ngành sản xuất và phát sóng truyền hình, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cao nhờ vào nhiều định dạng hình ảnh khác nhau Hiện nay, trên thế giới có ba tiêu chuẩn truyền hình số chính, trong đó DVB-T là tiêu chuẩn phổ biến nhất và được ứng dụng rộng rãi 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 sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã trực giao tần số COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing), mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Kỹ thuật này có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường, phù hợp với các khu vực có địa hình phức tạp, đồng thời cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network) 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 các tiếng vọng đa đường cả trong điều kiện tĩnh và động ở mức cao (0-dB) với độ trễ dài Nó có thể đáng tin cậy khắc phục nhiễu do tín hiệu trễ, bao gồm tiếng vọng phát sinh từ địa hình, tòa nhà, hoặc tín hiệu được truyền từ các máy phát 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 cho phép đài truyền hình chọn chế độ tối ưu nhất Sự kết hợp giữa điều chế QAM và các tốc độ mã khác nhau giúp cân bằng giữa tốc độ bit và độ mạnh tín hiệu Hệ thống còn 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, ví dụ như chuẩn CCIR 601 với tốc độ lên đến 270 Mbps Để các kênh truyền hình quảng bá có băng thông 8 MHz có thể truyền tải tín hiệu số, việc giảm tốc độ bit thông qua các phương pháp nén tín hiệu video là cần thiết.
- Mã hóa nguồn dữ liệu : (Source Coding)
Mã hóa nguồn dữ liệu sử dụng phương pháp nén số ở các tần số khác nhau, với bộ mã hóa MPEG-2 Quá trình này dựa trên nhiều khung hình ảnh chứa thông tin phong phú nhưng có sự khác biệt rất nhỏ.
MPEG hoạt động bằng cách chỉ truyền tải những thay đổi cần thiết, giúp giảm dữ liệu từ 100 đến 200 lần Tương tự, trong tín hiệu âm thanh, việc nén dựa trên nguyên lý rằng tai người khó phân biệt âm thanh nhỏ so với âm lớn, cho phép loại bỏ những âm thanh không cần thiết.
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, Audio cùng với dữ liệu phụ thành một dòng dữ liệu trong truyền tải MPEG-2 Mã hóa kênh có nhiệm vụ điều chỉnh tín hiệu phát sóng để tương thích với kênh truyền.
Trong truyền hình số mặt đất, mã Reed-Solomon được áp dụng để đảm bảo chất lượng tín hiệu Mã này được ưa chuộng trong các hệ thống thông tin hiện đại nhờ khả năng sửa lỗi vượt trội, giúp cải thiện độ tin cậy của dữ liệu truyền tải.
Điều chế tín hiệu phát sóng bao gồm việc sử dụng dòng dữ liệu để mã hóa truyền dẫn và mã hóa kênh, nhằm giảm thiểu xác suất lỗi và khắc phục các suy giảm chất lượng 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 cho các hệ thống ưu tiên cao và thấp, giúp ánh xạ vào chòm sao tín hiệu qua bộ điều chế Điều này đảm bảo tín hiệu có thể được xử lý bởi bộ thu đơn giản 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 tốt hơn và phiên bản tốc độ cao ít bảo vệ hơn Các chương trình khác nhau có thể được truyền trên các luồng riêng biệt với mức bảo vệ khác nhau Bộ thu yêu cầu các khối như bộ tách sóng, bộ giải mã và bộ phân kênh để thực hiện hoạt động nghịch đảo.
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 tại phía phát diễn ra theo thứ tự từ bit MSB (bit 0) của byte chứa từ mã đồng bộ Để đảm bảo các chuyển đổi nhị phân diễn ra chính xác, dữ liệu đầu vào của khối ghép kênh MPEG-2 được mã hóa.
Dữ liệu vào: 1011100xxxxxxxx… Dãy PRBS: 00000011 Đa thức bộ tạo chuỗi PRBS là 1 + X14 + X15
Quá trình nạp dãy 100101010000000 vào thanh ghi PRBS bắt đầu từ đầu mỗi lượt gói truyền dẫn Để khởi tạo bộ giải nhiễu tín hiệu (descrambler), byte đồng bộ của gói truyền dẫn đầu tiên trong nhóm 8 gói sẽ được đảo lại Toàn bộ quy 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 khi byte từ mã đồng bộ đã được đảo Để hỗ trợ các chức năng đồng bộ, trong thời gian của các byte đồng bộ của 7 gói truyền dẫn tiếp theo, chuỗi PRBS vẫn được tạo nhưng không được lấy ra, khiến 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 sẽ được áp dụng trên cấu trúc gói đầu vào như hình vẽ (hình 2.3) Mã rút ngắn Reed-Solomon R-S được thực hiện cho từng gói và đã được ngẫu nhiên hóa (188 byte) nhằm tạo ra gói dữ liệu có khả năng chống lỗi Hình 2.3 cũng minh họa mã R-S được thực hiện với byte đồng bộ 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 một bộ xen chập với thông số I = 12 và M = 17, được thiết kế tương tự như bộ xen byte ATSC sau khi mã hóa RS Các byte dữ liệu xen kẽ được hình thành từ gói sửa lỗi và được phân tách bởi byte đồng bộ MPEG-2, nhằm duy trì chu kỳ 204 byte Bộ xen kẽ, với I = 12 nhánh, kết nối tuần hoàn với luồng byte đầu vào thông qua công tắc đầu vào Mỗi nhánh j hoạt động như một thanh ghi dịch chuyển FIFO với độ sâu j × M × ô, trong đó M = 17 và N = 204 Các ô của thanh ghi FIFO chứa byte với đầu vào và đầu ra được chuyển mạch đồng bộ Để đảm bảo đồng bộ hóa, các byte SYNC sẽ 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 DVB-T2 không được thiết kế để thay thế DVB-T trong ngắn hạn, mà cả hai sẽ đồng tồn tại trên thị trường để phục vụ nhu cầu khác nhau trong tương lai Tổ chức DVB đã xác định một loạt yêu cầu kinh doanh làm cơ sở cho sự phát triển của DVB-T2.
Truyền dẫn T2 cần phải 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 mạnh mẽ khác nhau cho từng loại dịch vụ Chẳng hạn, trong một kênh 8 MHz, T2 có khả năng 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 Tuy nhiên, DVB-T2 nổi bật với một số chế độ khác nhau và sử dụng mã sửa lỗi LDPC và BCH xếp tầng tương tự như DVB-S2, mang lại hiệu suất chống nhiễu tốt Bên cạnh đó, DVB-T2 tích hợp các đặc điểm của kênh phát sóng mặt đất, cùng với chế độ xen kẽ bit và lập bản đồ chòm sao mới dựa trên kỹ thuật COFDM, sử dụng khoảng bảo vệ như DVB-T Bảng 2.6 so sánh các yếu tố như mã sửa lỗi chuyển tiếp, chế độ điều chế, thời gian bảo vệ, kích thước FFT và sóng mang rời rạc cũng như liên tục giữa DVB-T2 và DVB-T Ngoài những tính năng đã liệt kê, DVB-T2 còn cung cấp nhiều tính năng mới hấp dẫn.
Khung T2 được thiết kế với tiêu đề có ký hiệu nhận dạng đặc biệt, giúp quét kênh nhanh chóng và bắt tín hiệu hiệu quả Đồng thời, khung này cũng chứa các 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 thiết kế nhằm mở rộng tín hiệu, giúp khắc phục những phần không được bộ thu thế hệ đầu tiên xử lý Với FEF, thế hệ tiếp theo sẽ đảm bảo tính tương thích với các bản nâng cấp trong tương lai.
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
Mô hình cao nhất của hệ thống DVB-T2 được mô tả trong hình 2.13, bao gồm các quá trình như xử lý đầu vào, mã hóa xen kẽ bit, mô-đun điều chế, tạo khung và tạo ký hiệu OFDM Hệ thống nhận đầu vào từ một hoặc nhiều luồng vận chuyển MPEG và các luồng chung Bộ tiền xử lý đầu vào, không thuộc về hệ thống DVB-T2, bao gồm bộ tách dịch vụ và bộ phân kênh để tách các dịch vụ trước khi đưa vào hệ thống, tạo ra một hoặc nhiều luồng dữ liệu logic 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 đầu ra của bộ tiền xử lý tương ứng với các PLP này.
Khi có nhiều đường ống lớp vật lý (PLP), quá trình truyền dữ liệu sẽ được phân chia theo thời gian trong lớp vật lý, với các tham số tương ứng được cung cấp, giúp cân bằng giữa phân tập thời gian và giảm thiểu tiêu thụ điện năng.
Kỹ thuật đa PLP và phân chia thời gian của DVB-T2 cho phép áp dụng các cấp độ mã hóa, điều chế và độ sâu xen kẽ miền thời gian khác nhau cho từng PLP, mang lại độ mạnh mẽ đa dạng cho các dịch vụ Máy thu có khả năng tập trung tài nguyên giải mã vào một PLP chứa dữ liệu cần thiết, giúp tối ưu hóa hiệu suất 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, với thời gian ngắt xen kẽ khoảng 70 mili giây cho PLP đơn lẻ và có thể kéo dài đến toàn khung hình (150–250 mili giây) hoặc hơn cho các dịch vụ tốc độ dữ liệu thấp.
Trong chế độ truyền SISO (ăng-ten phát đơn), đầu ra của lớp vật lý DVB-T2 cung cấp tín hiệu RF 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, cải thiện hiệu suất truyền dẫn.
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 Thông tin này sẽ được báo hiệu trong trường BBHEADER TS / GS Đối với 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) là luồng gói có độ dài thay đổi mà bộ điều chế không nhận biết được ranh giới gói Đặc trưng bởi dòng bit liên tục, GCS phải được báo hiệu trong trường BBHEADER với TS/GS và UPL = 0D Nếu luồng gói có độ dài không đổi vượt quá 64 kbit, nó cũng được coi là GCS và sẽ được báo hiệu trong BBHEADER với trường TS/GS dưới dạng GCS.
Luồng theo nhịp độ cố định chung (GFPS) được thiết kế để tương thích với DVB-S2 và có khả năng thay thế GSE trong tương lai Định dạng này yêu cầu 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