Giáo trình truyền hình số - Chương 3 docx

Khi dùng cơ cấu đồng bộ để dò tìm tín hiệu các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh nếu đặt các góc không đúng thì anten sẽ không bám theo đúng quỹ đạo địa tĩnh.. Một cách lý thuyết, một Anten

THU THẬP DỮ LIỆU QUAVỆ TINH ( Digital Satellite News Gathering)

I Trạm mặt đất (Earth Station) :

I.1 Kinh tuyến và Vĩ tuyến

Trái đất được chia ra thành các kinh tuyến và các vĩ tuyến để xác định vị trí địa lý của các quốc gia, lãnh thổ hay một vị trí địa lý cụ thể nào đó…

Các đường kinh tuyến đều quy về hai cực Bắc – Nam và được chia thành

Các đường vĩ tuyến đều cắt và ngang qua các đường kinh tuyến Vĩ độ là

N lấy ở

địa cực Bắc (Bắc cực) và 900S lấy ở địa cực Nam (Nam cực) Các đường kinh tuyến và vĩ tuyến được mô tả như hình vẽ sau:

Hình 1.1 Kinh tuyến và Vĩ tuyến

Việt Nam nằm ở tọa độ 80 240 vĩ Bắc và 10001100 kinh đông Hà Nội là

21004 vĩ bắc và 105084 kinh đông TP Hồ Chí Minh 10046 vĩ bắc và 10604 kinh đông

I.2 Địa cực và địa từ:

Các đường kinh tuyến đều tập trung về hai địa cực nên gọi là Bắc và Nam địa

lý Còn la bàn sẽ chỉ hướng Bắc từ trường của quả đất nên gọi là Bắc địa từ Do các trạm thu đều nằm trên các kinh tuyến và vĩ tuyến địa lý nên có sự khác biệt với hướng địa từ một góc, gọi là góc lệch Góc lệch thay đổi theo vĩ tuyến và kinh tuyến, hay cụ thể hơn là nó tăng tỷ lệ với vĩ độ Ví dụ với vĩ độ 50 750 thì góc lệch 0,770 8,330 Góc lệch của Hà Nội 3017 và TP HCM 1066

I.3 Góc ngẩng (Elevation), Góc phương vị (Azimuth) và Góc phân cực (Angle

20 40

60 80

Trong phạm vi hẹp ta có thể tạm coi mặt đất nơi đặt Anten là đường tiếp tuyến

Cách tìm hay dựng góc ngẩng rất khó Bởi vậy ta có thể tìm góc nghiêng của nó để

lắp đặt dễ dàng hơn Ta tính được góc ngẩng như sau:

e = 900 – góc nghiêng (i)

[1 –cos2(Lon)xcos2(Lat)]1/2 (I.1.3.1)

Lat : Vĩ độ nơi thu ; Lon : sai biệt kinh độ giữa nơi thu và vệ tinh

I.3.2 Góc phương vị :(Azimuth) [a]

Các vệ tinh ở trên quỹ đạo địa tĩnh nằm trong mặt phẳng xích đạo Mỗi một

trạm thu ở mặt đất chỉ có thể nhìn thấy vệ tinh ở nửa phần quả đất, từ kinh tuyến

00 1800

e = 900 – [ góc lệch (d) + góc nghiêng (i)]

Đường ngang song song với mặt đất

Trong các biểu đồ được lấy chuẩn ở kinh tuyến 00, rẽ về hướng Tây và hướng

Tây-Đông

Góc phương vị là góc dẫn hướng cho anten quay tìm vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây Góc phương vị được xác định bởi đường thẳng hướng tới vệ tinh

Góc được tính theo chiều kim đồng hồ, theo công thức:

a = 1800 + kinh độ Tây Hoặc a = 1800 - kinh độ Đông

Góc phương vị phụ thuộc vào kinh độ của điểm thu và kinh độ của vệ tinh tg(Lon)

Nếu như Anten thu nằm lệch tâm với chùm sóng chính của tín hiệu vệ tinh, hiệu suất thu năng lượng giảm và còn gây ra các tác hại khác như làm méo dạng tín hiệu, tăng tạp nhiễu Vì vậy cần phải hiệu chỉnh lại góc phân cực bằng đầu dò phân cực ở đầu thu Góc phân cực cũng thay đổi theo vĩ tuyến và kinh tuyến giữa tâm chùm sóng bức xạ với điểm thu Thông thường giá trị của nó được tính sẵn theo vĩ độ và kinh độ

Khi dùng cơ cấu đồng bộ để dò tìm tín hiệu các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh nếu đặt các góc không đúng thì anten sẽ không bám theo đúng quỹ đạo địa tĩnh Trường hợp này sẽ không thu được tín hiệu của tất cả vệ tinh trên quỹ đạo

Sự phân cực sóng điện từ mô tả sự định hướng của vector điện trường trong không gian Sự phân cực được quyết định bởi cách mà tín hiệu RF được bức xạ từ anten vào không gian Chức năng này được thực hiện bởi một bộ phân cực nó là một phần của hệ thống anten Một anten có khả năng phát và nhận tín hiệu nếu nó được phân cực

Một sóng phân cực tuyến tính có hướng của vector điện trường hợp với trục đứng hoặc ngang một góc không đổi khi nó lan truyền trong không gian Vì vậy, khi vector điện trường song song với chiều ngang thì sóng được phân cực ngang,

và khi vector điện trường thẳng đứng thì nó là phân cực đứng Hình vẽ sau cho ta thấy sự phân cực ngang và phân cực đứng của một sóng đi vào mặt phẳng tờ giấy

Hình1.3 (a) phân cực đứng (b) phân cực ngang (c) phân cực dạng elip

Vector điện trường của các sóng phân cực dạng tròn vẽ trên các vòng tròn khi sóng lan truyền Chiều quay của nó theo chiều kim đồng hồ nếu các sóng được phân cực tròn tay phải( Right Hand Circularly Polarized Wave) và ngược lại Sự méo dạng của sóng được phân cực dạng ellip đi vào mặt phẳng tờ giấy

Ar = EMax / EMin

Trong đó:

EMax và EMin là hai trục lớn và nhỏ của elip

Một thông số quan trọng khác của sóng là góc độ nghiêng của ellip với trục tham chiếu Sự phân cực dạng ellip có thể xem là một trường hợp tổng quát bởi vì loại phân cực này sẽ đạt phân cực thẳng khi Ar đến  và phân cực tròn khi

Ar =1

Một cách lý thuyết, một Anten được phân cực đôi có thể ngăn cách các sóng được truyền trong phân cực trực giao, cho phép mỗi phân cực được nhận một kênh riêng biệt Một hệ thống sử dụng tính chất này của Anten được xem là hệ thống phân cực đôi

I.4 Định vị vệ tinh :

a) Cân chỉnh hướng Bắc – Nam của Anten : Trước tiên sử dụng la bàn để chỉnh

cho trục xuyên tâm của Anten nằm ngang hướng Bắc – Nam Ở Việt Nam ta phải cộng thêm 62E để có được hướng Bắc – Nam thực

Để có thể xác định được tọa độ Vệ Tinh, phải điều chỉnh Anten Parabol theo các thông số góc ngẩng, góc phương vị và góc phân cực

b) Cân chỉnh góc ngẩng chảo - El (Elevation): là góc tạo thành giữa tiếp tuyến

thu ở mặt đất và đường nối điểm thu đến vệ tinh

(b) (a)

i

Emin

(c)

Cách 1:

Hình 1.5 Góc ngẩng và góc nghiêng

Trong phạm vi hẹp có thể tạm coi mặt đất nơi đặt Anten là đường tiếp tuyến

Ta tìm góc ngiêng của Antenna Parabol để lắp đặt Góc nghiêng tạo bởi mặt phẳng miệng chảo và mặt đất như hình vẽ

Do các trạm thu đều nằm trên kinh tuyến địa lý (tập trung về 2 cực) nên có sự khác biệt với hướng địa từ (được xác định bằng la bàn) một góc, gọi là góc lệch biểu thị sự sai lệch về kinh độ Góc lệch thay đổi theo kinh tuyến và vĩ tuyến, hay

cụ thể hơn là nó tăng tỉ lệ với vĩ độ Ví dụ vĩ độ 575 thì góc lệch 0,77  8,33 ; góc lệch của Hà Nội 317 và Tp HCM 166

Lúc này góc ngẩng được tính bằng :

El = 90 - (góc lệch + góc nghiêng)

Tại xích đạo, góc lệch bằng 0, góc nghiêng = vĩ độ Khi ấy đường tâm trục Parabol sẽ song song mặt phằng xích đạo, và góc ngẩng = 90



Xích đạo

Tiếp tuyến ngang

[1 – cos2(Lon)xcos2(Lat)]1/2

Lon là sai biệt kinh độ giữa nơi thu và vệ tinh

Lat là vĩ độ nơi thu (nơi đặt Anten)

c) Cân chỉnh gốc phương vị Az (Azimuth) :

Góc phương vị là góc dẫn hướng cho Anten quay tìm vệ tinh trên quĩ đạo địa

tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây Góc phương vị được xác định bởi đường thẳng

hướng tới vệ tinh

II.1 Số lượng chương trình truyền hình qua một kênh :

Một kênh truyền có dải thông cố định cho phép truyền được các chương trình

truyền hình Vấn đề này phụ thuộc vào :

Để xác định độ rộng kênh có thể truyền được tín hiệu số có tốc độ lớn nhất là

bao nhiêu cần dựa vào định lý Shannon Định lý này xác định sự phụ thuộc của tốc

Cực Bắc

Nam

Góc Az của vệ tinh 2 180 - 30 = 150

Góc Az của vệ tinh 1

180 + 45 = 225

45W

30E

độ bit cực đại vào độ rộng kênh truyền tỉ số S/N chuẩn, để truyền tín hiệu số có tốc

độ bit C (Mbps) yêu cầu độ rộng kênh bằng W  3/4 C (Hz)

Từ đó với độ rộng W đã cho thì có thể truyền được tín hiệu số có tốc độ bit lớn nhất bằng 4/3 W Ví dụ với kênh có độ rộng 8MHz thì tín hiệu số có tốc độ bit lớn nhất là 8  4/3  10,7 Mbps có thể truyền qua nó

* Dạng điều chế số :

Khi dùng điều chế số ta thường gặp khái niệm dải thông hiệu dụng Với các

dạng điều chế số ta có các dải thông hiệu dụng thực tế như sau :

* Tốc độ sửa lỗi FEC :

Tín hiệu điều chế số thường được xử lý bằng các mã đặc biệt để cho các máy thu (IRD hoặc Set-Top-Box) có thể kiểm tra các bit thông tin được gửi đi có được thu đúng không Kỹ thuật sửa lỗi tiến (gửi thông tin sửa lỗi trước đến máy thu cùng với các dữ liệu gốc) tạo tín hiệu có khả năng chống nhiễu tốt hơn hẳn so với truyền số không có mã đặc biệt

Các thực nghiệm mã hóa trước đây đã so sánh chỉ tiêu của tin tức được mã

so với không mã và thấy rằng sự cải thiện tín hiệu này là khoảng 3,3 dB Ngoài ra, một bộ mã hóa sử dụng cả hai kỹ thuật mã khác nhau sẽ tạo ra độ lợi bổ sung Trong kỹ thuật FEC người ta dùng các symbols dư bổ sung vào tin tức gốc Mặc

dù điều này tăng tốc độ truyền toàn bộ và các yêu cầu dải thông, các symbols dư tăng cường tính thống nhất của tin tức, ngăn ngừa không cho tạp kênh che khuất các symbols để phá bỏ sự thống nhất của tín hiệu có ích Các bộ giải mã dùng các symbols FEC để phục hồi dữ liệu sau khi tin tức đã được thu

Một dạng mã FEC, được gọi là mã Viterbi, được biểu thị bằng tỉ số, ví

số biểu thị số symbols có sửa lỗi ở đầu ra bộ mã hóa Do vậy, FEC 7/8 có nghĩa rằng có 7 symbols truyền dữ liệu đi vào bộ mã hóa và 1symbols để sửa lỗi trong 8 symbols đi ra

Một dạng mã FEC khác là Reed-Solomon Mã này bổ sung các symbols dư vào các chuỗi hoặc các khối số nhị phân Reed-Solomon dùng 188 bytes trong mỗi khối 204 bytes để truyền thông tin gốc Số còn lại được dùng để gửi các bit kiểm tra đến IRD để trợ giúp việc sửa lỗi truyền

Bộ giải mã Reed-Solomon dùng thuật toán để giải quyết đồng thời một tập hợp các chương trình đại số dựa trên biểu hiện kiểm tra chẵn từ khối thu được

* Dịch vụ truyền :

Một dòng MPEG-2 có thể chứa nhiều chương trình truyền hình cùng với Audio, các audio phụ, dữ liệu truy cập có điều kiện, các dữ liệu phụ như teletext, kết nối Internet Yêu cầu tốc độ đối với từng loại là khác nhau Ví dụ phim chất lượng VHS có thể được truyền ở tốc độ bit 1,5 Mbps; tin tức và chương trình TV ở 3,4 - 4 Mbps; quảng bá chất lượng cao (studio) ở tốc độ hơn 8 Mbps Tốc độ mã cần thiết cho quảng bá MPEG-2 bất kỳ thay đổi phù hợp với các quyết định phân phối bit được làm bởi mỗi nhà cung cấp chương trình

Bảng các tốc độ dữ liệu MPEG-2 cho các thể loại chương trình :

Truyền hình có chất lượng Studio (CCIR 601) 8,064 Mbps

* Khoảng bảo vệ : Trong phát sóng trên mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T COFDM, để khắc phục hiện tượng phản xạ nhiều đường khoảng bảo vệ sẽ được dùng ở đầu mỗi chu kỳ symbols Do vậy dải thông có ích sẽ bị giảm tương ứng với

độ dài khoảng bảo vệ

* Vấn đề dung hòa gói tín hiệu số : Tốc độ symbols thường thay đổi từ một gói số này tới gói số tiếp theo Tốc độ symbols cực đại có thể đạt được là một hàm của dải thông kênh Thông thường có thể tính :

Tốc độ symbols cực đại = độ rộng dải thông / 1,2

Con số 1,2 (hoặc 1,3 ) để chỉ ra rằng trong thực tế dải thông truyền là bé hơn dải thông kênh do các bộ lọc truyền không lý tưởng

Ví dụ đối với đường truyền vệ tinh có dải thông transponder 36 MHz thì tốc

độ symbols cực đại = 48 Msym /s

Giả sử dùng tốc độ FEC 3/4 thì tốc dộ bit cho phép kênh sẽ là :

48 Msym /s  2 ( 2 bit cho một symbol, điều chế QPSK) = 96 Mb/s

96 Mb/s  3/4 (tốc độ FEC inner code) = 72 Mb/s

72Mb/s  188/204 (tốc độ FEC Reed-Solomon outer code)= 66,3 Mb/s Nếu chỉ thay đổi tốc độFEC của inner codetừ 3/4 xuống 1/2 thì tốc độ bit có ích có giá trị: 48 Msym /s  2 = 96 Mb/s

96 Mb/s  1/2 = 48 Mb/s

48 Mb/s  188/204 = 44,2 Mb/s

Ta thấy mặc dù tốc độ FEC 1/2 sẽ làm tăng khả năng chống nhiễu, nó cũng

làm giảm rất nhiều tốc độ bit có ích, có nghĩa là giảm số dịch vụ chương trình có

thể gửi qua transponder

Do vậy tùy theo tình hình cụ thể mà có sự dung hòa giữa tham số FEC và

tốc độ bit có ích

* Tốc độ bit lỗi (BER) và Eb/No :

Tốc độ bit lỗi (BER) xác định chỉ tiêu của đường truyền số BER 1 10-3

biểu thị xác suất một lỗi xảy ra trong một khối 1000 bits BER 5  10-5 là tốt hơn

BER 9,0  10-4 vì đó là xác suất lỗi xảy ra sẽ thấp hơn BER cũng có thể được

hiển thị như 5E-4 hoặc 3E-3, tương đương với BER 5  10-4 hoặc 3 10-3

Đo định lượng về đường truyền số bằng Eb/No (tỉ số năng lượng bit trên mật

độ tạp)

Eb/No (dB) biểu diễn tỉ số bit trên tạp của hệ thống thu Khi Eb/No tăng số

bit lỗi sẽ giảm

Số chương trình có thể truyền trên một kênh (dải thông cố định) thay đổi trong

một phạm vi rất lớn, từ một chương trình đến hàng chục chương trình (phương

pháp thống kê tốc độ mã thay đổi )

Ví dụ Band C trên một vệ tinh (uplink 5927MHz – 6403MHZ ,downlink

3702MHZ – 4178MHZ) có 12 Transponders mỗi transponders cách 4MHZ lúc

truyền tín hiệu analog có thể truyền được 24 chương trình truyền hình (mỗi

chương trình truyền trên một kênh có độ rộng khoảng 36 MHz), khi truyền tín

hiệu số có nén bằng phương pháp ghép kênh số chương trình truyền hình có thể truyền lên tới hàng trăm

Hình 1.15 Ghép kênh

Tách kênh thực hiện qui trình ngược lại của bộ ghép kênh

Khôi phục tín hiệu ban đầu mà thường có những đích đến với nhau tại nơi thu của kết nối truyền dẫn

d Sơ đồ khối trạm thu hình vệ tinh (TVRO-Television Receiver Only)

Trạm thu hình cá nhân TVRO có nhiệm vụ thu tín hiệu từ các vệ tinh địa tĩnh, qua

xử lý tín hiệu giải điều chế và hoàn trả lại dạng nguyên thể

Một trạm thu TVRO gồm các bộ phận chính sau đây:

Thiết bị bên ngoài (Outdoor) gồm:

* Chảo anten parabol, đường kính chảo từ 0,6 6m, tùy thuộc vào băng tần thu và cường độ trường tại điểm thu

* Phễu thu sóng, ống dẫn sóng và que phân cực

* Bộ khuyếch đại dịch tần nhiễu thấp, LNA hay LNB

* Cơ cấu điều khiển chảo (Positioner) quay theo góc ngẩng và phương

vị

* Cơ cấu điều khiển góc quay phân cực (Polarotor)

Thiết bị bên trong (Indoor) gồm:

* Máy thu TVRO

* Mạch điện điều khiển góc quay của Polarotor và Positioner

Sơ đồ khối của trạm thu TVRO biểu thị dải tần số và chức năng của từng

khối

10.95 to 11.7 GHz | 0.95 to 1.7GHz | 134MHz | (11.7 to 12.1 GHz)

Hình 1.29 Sơ đồ khối trạm thu TVRO

Khối bên ngoài gồm anten parabol và bộ dịch tần LNB Trong đó:

(2a) Là mạch đổi phân cực trực giao

(2b) Là mạch chuyển tần sốband C, Ku về UHF

Dải tần làm việc của khối này ở băng tần C (3,7 4 GHz) và băng tần Ku

(3) Giữa khối bên ngoài và khối bên trong là mạch khuyếch đại cáp tuyến

tính , làm việc ở giải tần số 0,95 1,7GHz

(4) Khối trong nhà gồm bộ khuyếch đại trung tần (IF2 distributor) có từ

45 đầu phân nhánh ngõ ra , cho tín hiệu RF Video và Audio

Khối (5) là bộ khuyếch đại trung tần máy thu (IF receiver) Nó bao gồm:

(5a) Chuyển tần UHF xuống VHF = 134MHz, gọi là trung tần 2 (IF2)

(5b) Bộ giải điều chế FM

SHF Indoor

5a 5b 5c

(5c) Mạch khuyếch đại tín hiệu ra Video + FM sound

Hình 1.30 Mức tín hiệu của trạm thu TVRO

Sơ đồ khối mô tả mức tín hiệu cung tại điểm thu mặt đất cho phép với trạm thu cá nhân TVRO vào khoảng –130dBw/m2 Sau khi anten khuyếch đại 50dB,

nâng mức tín hiệu đến ngõ vào LNB là –80dB Độ lợi của bộ khuyếch đại dịch tần

khoảng 50dB, nâng mức tín hiệu ở ngõ ra là –30dB Đường dây cáp truyền tín

hiệu 0,951,7GHz từ khối bên ngoài đến khối bên trong, suy giảm tín hiệu đến –

20dB (mức cho phép) Nếu đường cáp truyền dài quá 100m thì cần phải có mạch

khuyếch đại cáp tuyến tính Tùy theo độ dài cáp mà bộ khuyếch đại cáp phải bù

tổn hao, thông thường độ lợi cho phép từ 1520dB Do vậy mức tín hiệu sau bộ

khuyếch đại cáp có giá trị từ -55 -30dB Ở đây lấy mức chuẩn –50dB Tín hiệu

qua mạch trung tần phân nhánh (distributor) không bị suy giảm, nên mức đưa đến

ngõ vào máy thu từ -55 -30dB, lấy chuẩn ở –50dB Mức tín hiệu ở ngõ ra được

tiêu chuẩn hóa ở mức đỉnh 1Vp-p Đây là mức tín hiệu tổng hợp Video + Sound

của băng tần gốc Baseband

II Công suất tín hiệu :

Cable Ampl ifier

IF distributor

Receiver unit

Video,Sound (Base band)

- 130

dB