GIỚI THIỆU VỀ ĐỀTÀI Với những ưu điểm vượt trội của truyền hình số so với truyền hình analog, trong những năm qua, truyền hình số mặt đất đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới và ở Việt Na
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM
-
NGUYỄN HUY HOÀNG
NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CHO CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60.52.70
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – NĂM 2011
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam
Người hướng dẫn khoa học:
PGS – TS Trần Hồng Quân
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3GIỚI THIỆU VỀ ĐỀTÀI
Với những ưu điểm vượt trội của truyền hình số so với truyền hình analog, trong những năm qua, truyền hình số mặt đất đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới và
ở Việt Nam, việc thay thế hoàn toàn truyền hình mặt đất analog bằng công nghệ truyền hình số mặt đất trên toàn thế giới sẽ diễn ra trong tương lai không xa
Đến nay đã có nhiều Quốc gia trên thế giới lựa chọn tiêu chuẩn DVB – T để phát sóng mặt đất Tuy nhiên, trước các nhu cầu đòi hỏi về dung lượng, về kháng lỗi đường truyền, nâng cao độ tin cậy với các loại hình dịch vụ, về giảm tỷ số công suất đỉnh / công suất trung bình, nhu cầu về phân chia phổ tần của các dịch vụ viễn thông khác, cùng với xu thế hội tụ trong các môi trường truyền dẫn, sự phát triển mạnh mẽ của truyền hình độ phân giải cao HDTV với dung lượng bit lớn mà DVB
Từ các yêu cầu thực tế đặt ra đó, nhóm DVB Project đã phát triển chuẩn truyền hình số thế hệ thứ 2 là DVB – T2 Tiêu chuẩn này được xuất bản lần đầu tiên vào 6/2008 và được ETSI chuẩn hóa từ tháng 9/2009 Hiện nay, Anh, Phần Lan đã thông báo triển khai các dịch HDTV trên đường truyền mặt đất dùng chuẩn DVB – T2; Đức, Ý Tây Ban Nha, Thuỵ Điển cũng đang tiến hành thử nghiệm phát sóng DVB - T2
Từ năm 2001, Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm phát sóng truyền hình mặt
hình, theo đó đến năm 2020 cơ bản chấm dứt truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất sử dụng công nghệ analog trên toàn quốc Trước sức ép về lộ trình chuyển đổi hoàn toàn sang phát sóng số mặt đất trước năm 2020, xu hướng phát triển của truyền hình số mặt đất DVB – T2 trên thế giới, luận văn tập trung phân tích các giải pháp kỹ thuật của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T, những bất cập, tồn tại khi triển khai tại Việt Nam, đồng thời nghiên cứu cấu trúc và những giải pháp kỹ thuật cơ bản, những tính năng ưu việt của tiêu chuẩn DVB – T2 Từ đó, đề xuất lựa chon giải pháp công nghệ hợp lý nhất cho hệ thống truyền hình số mặt đất tại Viêt Nam trong những năm tới
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT, NHU CẦU VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1.1 Giới thiệu các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất
Với truyền hình số mặt đất, hiện tại hầu hết các nước đang sử dụng thế hệ thứ nhất truyền hình số gồm 3 tiêu chuẩn:
1.1.1 Chuẩn ATSC
Trang 4Năm 1996 FCC đã chấp nhận tiêu chuẩn truyền hình số của Mỹ dựa trên tiêu chuẩn gói dữ liệu quốc tế 188 byte Mpeg – 2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cụ thể được quy định bởi ATSC ATSC cho phép 36 chuẩn Video từ HDTV đến các dạng thức Video tiêu chuẩn SDTV khác với các phương thức quét (xen kẽ, liên tục) và các tỷ
lệ khuôn hình khác nhau
ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình liên kết hệ thống mở (OSI) 7 lớp của các mạng dữ liệu Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác cùng lớp ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio và
dữ liệu phụ Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với sửa lỗi, ghép dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích với dạng thức ATM Hình 1.1 dưới đây mô tả khung dữ liệu VSB
sử dụng các phương thức điều chế tín hiệu số khác nhau đối với từng đoạn dữ liệu
như QPSK, DQPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM
ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền
đa chương trình phức tạp với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu
di động v.v có thể sử dụng cho các kênh truyền 6, 7 và 8MHz
Các tham số cơ bản của ISDB-T như bảng 1.1 sau:
Bảng 1.1: mô tả các thông số truyền dẫn cho ISDB-T kênh cao tần 8MHz
[12]
Trang 5Độ rộng băng tần (MHz) 7,433 7,431 7,426 Khoảng cách sóng mang
(Khz)
Số biểu trưng trong một
khung
204
Khoảng thời gian tích cực
trong một biểu trưng (S)
1.1.3 Tiêu chuẩn Châu Âu (DVB – T)
DVB dùng điều chế ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã (COFDM), tốc độ bit tối đa 24 Mbps( dải thông 8Mhz)
Điểm nổi trội nhất của COFDM là ở chỗ dòng dữ liệu cần truyền tải được phân phối cho nhiều sóng mang riêng biệt Mỗi sóng mang được xử lý tại một thời điểm thích hợp và được gọi là một “COFDM Symbol”
Do số lượng sóng mang lớn, mỗi sóng mang lại chỉ truyền tải một phần của dòng bít nên chu kỳ của một biểu trưng khá lớn so với chu kỳ của một bít thông tin Các sóng mang riêng biệt được điều chế QPSK, 16QAM hoặc 64QAM Tỷ lệ mã hoá thích hợp của mã sửa sai cũng góp phần cải thiện chất lượng hệ thống
1.1.4 Đánh giá 3 tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất
Điểm giống nhau của ba tiêu chuẩn trên là sử dụng chuẩn nén MPEG -2 cho tín hiệu video Điểm khác nhau cơ bản là phương pháp điều chế
Hệ thống ATSC sử dụng kỹ thuật điều chế “điều biên cụt” của những năm
1980 Điều biên cụt 8VSB (Vestigal Side Band) vẫn bị các khuyết tật vốn có của
nó, không có khả năng cho thu di động, không khắc phục hiện tượng phản xạ và không thiết lập được mạng đơn tần như giải pháp của hệ ISDB-T và DVB-T
ISDB-T có ba điểm khác biệt so với DVB-T Một là, sử dụng ghép xen thời gian, trong khi DVB-T không sử dụng kỹ thuật này Hai là, phân đoạn (vùng) tần số cho các dịch vụ khác nhau Trong ISDB-T, người ta dành 10 khoảng tần số cho dịch
Trang 6vụ hình ảnh và 3 khoảng cho dịch vụ âm thanh trong khi DVB – T chỉ sử dụng phương pháp điều chế phân cấp Ba là, ISDB-T không tương thích với các hệ phát
số qua vệ tinh DVB-S và phát số qua cáp DVB-C
1.2 Thực trạng truyền hình só mặt đất tại Việt Nam
Hiện nay VTC đã phát sóng 28 kênh truyền hình và nhiều kênh phát thanh được điều chế trên hai kênh sóng mang liền kề
Việc truyền dẫn tín hiệu đến các máy phát được thực hiện qua mạng cáp quang
và qua vệ tinh Tín hiệu Video và Audio sau khi được nén và ghép thành 02 luồng
số liệu ASI 1 và ASI 2 sẽ được ghép và truyền qua cáp quang hoặc qua vệ tinh đến
các địa điểm phát sóng, phát ở 02 kênh RF liền kề phát sóng mặt đất
Như vậy, hiện nay ở Việt Nam, việc phát sóng kỹ thuật số sử dụng công nghệ DVB-T đã được một số đơn vị và các đài truyền hình từng bước triển khai Các đài
và đơn vị này đều sử dụng công nghệ nén MPEG-2, phát sóng theo mô hình mạng
đa tần (trừ An Viên Group) và ghép khá nhiều chương trình trên một kênh sóng
1.3 Nhu cầu và xu hướng phát triển
Người xem luôn có nhu cầu thu được nhiều kênh từ sóng truyền hình mặt đất Đáp ứng nhu cầu này với truyền hình Analog gặp nhiều khó khăn về thiết bị phát và kênh sóng cao tần, vì mỗi kênh cần một máy phát và một kênh sóng
Các băng tần VHF và UHF lâu nay dùng cho truyền hình mặt đất đến nay đã không đủ cho yêu cầu phát nhiều kênh, trong khi các mạng thông tin chuyên ngành, thông tin di động cũng có nhu cầu ở các dải tần này
Chất lượng của các kênh truyền hình đòi hỏi ngày càng cao, đặc biệt là nhu cầu thưởng thức truyền hình độ nét cao (HDTV) ngày càng lớn
Để đáp ứng các nhu cầu trên chỉ có giải pháp là chuyển sang truyền hình số mặt đất với những ưu điểm vượt trội so với truyền hình analog Với truyền hình số DVB-T có thể thiết lập mạng phát hình gồm nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Điều này giúp cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và tiết kiệm kinh phí đầu tư, chi phí vận hành
Để phát huy được các ưu điểm trên, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt quy hoạch phát sóng truyền dẫn, theo đó sẽ chấm dứt truyền dẫn, phát sóng truyền hình
Trang 7bằng công nghệ Analog, chuyển sang phát sóng số mặt đất trước năm 2020 Việc phát triển nhanh các hệ thống phát hình số mặt đất với số kênh đủ lớn, có khả năng phát HDTV là một nhu cầu cấp thiết ở nước ta
Mạng DVB – T đã được nhiều Quốc gia lựa chọn triển khai cũng như đã khẳng định được ưu thế rõ rệt trên thế giới Tuy nhiên, qua các hệ thống truyền hình
số đang khai thác và nhu cầu thực tế đặt ra về đòi hỏi ngày càng tăng về dung lượng, về kháng lỗi đường truyền, nâng cao độ tin cậy với các loại hình dịch vụ, về giảm tỷ số công suất đỉnh / công suất trung bình, nhu cầu về phân chia phổ tần của các dịch vụ viễn thông khác, cùng với xu thế hội tụ trong lĩnh vực truyền dẫn, truyền hình di động, sự phát triển mạnh mẽ của truyền hình độ phân giải cao HDTV với dung lượng bit lớn mà DVB – T chưa đáp ứng được
Trước những nhu cầu đặt ra trên, từ tháng 6/2007 đến tháng 3/2008, trên 40 tổ chức đã tập trung nghiên cứu tiêu chuẩn mới của DVB - T Đến cuối năm 2008, những nội dung cơ bản của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 đã được ban hành Cùng với việc ra đời các chuẩn nén mới như MPEG 4, chuẩn H264 kết hợp với các ưu điểm vượt trội của DVB – T2, nhất là khi sử dụng với mạng đơn tần và nhiều kênh liền kề sẽ là xu hướng phát triển cho truyền hình số mặt đất trên thế giới Trước hoàn cảnh đó, truyền hình số mặt đất Việt Nam sẽ lựa chọn công nghệ nào? Đây
là một bài toán cần có lời giải để đáp ứng được nhu cầu phát triển của kinh tế - xã hội Việt Nam Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu công nghệ truyền hình mặt đất đang
và sẽ có ở Việt Nam, thế giới để từ đó đề xuất khuyến nghị lựa chọn công nghệ hợp lý cho truyền hình số Việt Nam
Chương 2
TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN DVB – T
2.1 Sơ đồ khối của hệ thống DVB-T
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 (Multiplexer), đầu ra là tín hiệu RF đi tới anten
Hệ thống tương thích 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)
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống phát theo tiêu chuẩn DVB – T được thể
hiện ở hình 2.1 dưới đây
Trang 8Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất DVB-T [6]
Đây là sơ đồ khối của một hệ thống phát hình số mặt đất đầy đủ 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
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 2.1 sẽ được sử dụng khi hệ thống dùng theo cấu hình điều chế phân cấp Khi đó từ khối ghép kênh mã hóa nguồn dữ liệu MPEG 2 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 chống lỗi của từng dòng bit là khác nhau Sơ đồ khối cho ta thấy một hệ thống máy phát chủ yếu sẽ gồm phần điều chế OFDM và phần mã hoá sửa lỗi
2.2 Giải pháp cơ bản ở từng khối chức năng của DVB-T
2.2.1 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, mã hóa và nén MPEG-2 Đầu ra của khối này sẽ là dòng truyền truyền tải MPEG-2 với một tốc độ bit nhất định đưa vào máy phát Đây là quá trình số hóa tín hiệu
2.2.2 Khối ghép kênh truyền tải và ngẫu nhiên hóa số liệu
Để hạn chế tối đa các lỗi trong truyền dẫn, 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
2.2.3 Khối mã ngoại và ghép xen ngoại
Trang 9Dòng 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 thống kê của lỗi
2.2.4 Khối mã nội (inner coder)
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, 5/6, 7/8) Nghĩa là
cứ m bít truyền đi thì chỉ có n bit mang thông tin, các bit còn lại là để sửa lỗi
2.2.5 Khối ghép nội (inner interleaver)
Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bit, thông tin sẽ rất khác so với ban đầu
2.2.6 Chòm sao tín hiệu và quá trình ánh xạ (mapper)
Hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất OFDM sử dụng kỹ thuật truyền dẫn ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM Mỗi khung OFDM gồm các sóng mang được điều chế theo một trong các phương pháp QPSK, 16QAM, 64QAM, 16QAM không đồng nhất, 64QAM không đồng nhất COFDM cho phép trải dữ liệu
để truyền đi trên cả miền thời gian và miền tần số
Do có hiện tượng fading tần số giữa các dải tần cận kề, nên COFDM có sử
dụng xen tần số, nghĩa là các bit dữ liệu liên tiếp nhau sẽ được trải ra trên các sóng mang cách biệt nhau Hình 2.6
Hình 2.6 Thực hiện ánh xạ (mapping) dữ liệu lên các symbol
Trong DVB-T việc ánh xạ (mapping) dữ liệu lên các symbol OFDM thực ra là điều chế từng sóng mang riêng rẽ, và có thể theo một trong ba chòm sao toạ độ
Trang 10phức 4QAM, 16QAM, 64QAM Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao
2.2.7 Cấu trúc khung OFDM
gồm có 68 ký tự OFDM Cứ 4 khung lập thành một siêu khung Mỗi ký tự được thiết lập bởi k = 6817 sóng mang ở mode 8k hoặc k = 1705 trong mode 2k, nó có chu kỳ Ts
COFDM đã thực hiện việc phân chia kênh truyền dẫn cả trong miền thời gian
và miền tần số, tổ chức kênh RF thành tập các "dải tần phụ" hẹp và tập các "đoạn thời gian" liên tiếp nhau hình 2.8
Hình 2.8 Phân chia kênh
Mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính Trục z miêu tả biên độ đáp ứng kênh
Ngoài dữ liệu truyền đi, 1 khung OFDM còn chứa:
Các tải phụ TPS (transmission parameter signalling)
Tín hiệu dẫn đường dùng cho đồng bộ khung, đồng bộ tần số, thời gian
tham số của 1 ký tự OFDM theo từng mode được cho trong bảng 2.4
Bảng 2.4: Các tham số của 1 ký tự OFDM [7]
Chèn các sóng mang phụ
Trong mỗi đoạn thời gian, gọi là mỗi symbol OFDM, mỗi dải tần phụ được trang bị một sóng mang phụ mô tả trên hình 2.9 Để tránh nhiễu giữa các sóng mang, chúng được bố trí vuông góc với nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang được đặt bằng với nghịch đảo của một chu kỳ symbol
