Nghiên cứu truyền hình số vệ tinh theo tiêu chuẩn châu Âu thế hệ thứ hai (DVBS2) và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

LỜI NÓI ĐẦUTruyền hình vệ tinh bắt đầu sử dụng tại Việt Nam từ những năm 1990 đểtruyền dẫn tín hiệu các chương trình truyền hình đến các trạm phát lại mặt đất ởcác tỉnh, thành trong cả n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

-–&& -ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH

THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU THẾ HỆ THỨ HAI

(DVB-S2)

VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Cao Thành Nghĩa Sinh viên thực hiện : Nguyễn Trọng Thái

Lớp : 49K - ĐTVT

Khóa học : 2008 - 2013

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH 1

1.1 Tổng quan về truyền hình số qua vệ tinh 1

1.2 Tiêu chuẩn DVB -S 5

1.2.1 Thích nghi đầu vào và phân tán năng lượng 6

1.2.2 Mã hóa ngoài 10

1.2.3 Khối xáo trộn bit 11

1.2.4 Mã hóa trong-mã chập 13

1.2.5 Lọc băng gốc và điều chế tín hiệu 16

1.3 Các thông số kỹ thuật đường truyền của tiêu chuẩn DVB-S 18

1.4 Tiêu chuẩn truyền hình vệ tinh lưu động DVB-DSNG 20

1.4.1 Sơ lược về điều chế mã lưới 21

1.4.2 Tiêu chuẩn DVB-DSNG 22

1.5 Kết luận chương 1 24

Chương 2 TIÊU CHUẨN DVB-S2 VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG 25

2.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn DVB-S2 25

2.1.1 Khối thích nghi kiểu truyền dẫn 25

2.1.2 Khối thích nghi dòng truyền tải 30

2.1.3 Khối mã hóa sửa lỗi trước FEC 31

2.1.4 Khối ánh xạ bit lên chòm sao điều chế 34

2.1.5 Tạo khung lớp vật lý 36

2.1.6 Lọc băng gốc và điều chế cầu phương 53

2.2 Đặc điểm của tiêu chuẩn DVB-S2 40

2.3 Một số điểm đáng chú ý về thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn DVB-S2 42

2.4 So sánh một số thông số kỹ thuật với DVB-S 46

2.5 Kết luận chương 2 50

Chương 3 MỘT SỐ ĐỀ XUẤT VỀ DỊCH VỤ VÀ THÔNG SỐ TRẠM THU PHÁT KHI SỬ DỤNG DVB-S2 CHO ĐÀI THVN 51

3.1 Hiện trạng sử dụng thông tin vệ tinh của Đài Truyền hình Việt Nam 51

3.1.1 Hiện trạng truyền dẫn và phát sóng các chương trình truyền hình quảng bá và truyền hình lưu động qua vệ tinh 51

3.1.2 Hiện trạng truyền dẫn và phát sóng chương trình truyền hình VTV4 dành cho cộng đồng người Việt Nam ở nước ngoài qua vệ tinh 52

3.1.3 Hiện trạng các máy phát vệ tinh của Đài THVN 52

3.1.4 Hiện trạng máy phát vệ tinh lưu động băng C 53

3.2 Một số đề xuất về dịch vụ của DVB-S2 54

3.2.1 Phát sóng kết hợp các chương trình truyền hình quảng bá SDTV và HDTV 54

3.2.2 Phân phối chương trình đến các trạm phát truyền hình mặt đất 55

3.2.3 Các ứng dụng lưu động DSNG sử dụng DVB-S2 56

3.2.4 Góp tin truyền hình tới Studio 57

3.2.5 Mã hóa và điều chế thích nghi cho các ứng dụng điểm-điểm 58

3.2.6 Dịch vụ IP unicast 59

3.2.7 Đối với dịch vụ truyền hình quảng bá 60

3.3 Kết luận chương 3 65

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình vệ tinh bắt đầu sử dụng tại Việt Nam từ những năm 1990 đểtruyền dẫn tín hiệu các chương trình truyền hình đến các trạm phát lại mặt đất ởcác tỉnh, thành trong cả nước Ban đầu là sử dụng vệ tinh băng tần C, công nghệtương tự, sau đó đã tiến đến công nghệ số băng tần C, Ku Sau đó truyền dẫn vệtinh được sử dụng để truyền hình trực tiếp các chương trình như kỷ niệm các ngày

lễ lớn, các sự kiện thể thao, văn hóa trong và ngoài nước, cầu truyền hình,… đãđem lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao và phát huy những ưu điểm của truyềnhình số qua vệ tinh

Ngoài nhiệm vụ truyền dẫn, từ năm 2002 Đài Truyền hình Việt Nam đã sửdụng vệ tinh vào dịch vụ truyền hình đến từng nhà DTH với ưu điểm có thể sửdụng anten thu kích thước nhỏ gọn trên băng tần Ku Hiện nay, số lượng thuê baoDTH đã tăng lên đáng kể và số lượng cũng như chất lượng chương trình khôngngừng được nâng cao nhằm đáp ứng nhu cầu của thuê bao và cạnh tranh với cácloại hình truyền dẫn khác

Toàn bộ hệ thống truyền hình số qua vệ tinh của Truyền hình Việt Nam hiệnnay sử dụng tiêu chuẩn nén video MPEG-2 và tiêu chuẩn truyền hình qua vệ tinhDVB-S Tiêu chuẩn DVB-S2 ra đời từ năm 2003 với những ưu điểm so vớichuẩn DVB-S như: khả năng sử dụng băng tần hiệu quả hơn, các kiểu điều chế, mãhóa linh hoạt hơn và không bị hạn chế với kiểu mã hoá MPEG-2 mà mềm dẻo hơnkhi chấp nhận bất kì dạng đầu vào, bao gồm dòng bit liên tục, dòng truyền tảiMPEG đơn hoặc đa chương trình, IP hay ATM Đặc tính này cho phép các dòng dữliệu khác và các cấu hình dữ liệu trong tương lai có thể sử dụng được với DVB-S2

mà không cần tới một tiêu chuẩn mới Tiêu chuẩn DVB-S2 đã bắt đầu được đưavào sử dụng tại Đài THVN trong truyền dẫn lưu động từ đầu năm 2010 Trongnhững năm tới, việc đưa vào sử dụng chuẩn DVB-S2 trong truyền dẫn, phát sóngcác chương trình truyền hình là cần thiết Tuy nhiên cần có sự nghiên cứu tìmhiểu một cách khoa học để việc áp dụng đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao và tậndụng tốt các thiết bị hiện tại

Với mục tiêu này em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu truyền hình số vệ tinh theo tiêu chuẩn Châu Âu thế hệ thứ hai (DVB-S2) và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Cao Thành Nghĩa đã tận tìnhhướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án này Do thời gian có hạn, trình

độ bản thân còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được

sự góp ý của các thầy, các cô cùng các bạn

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Thái

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trong đồ án này, em xin trình bày tổng quan về truyền hình số vệ tinh và đisâu vào nghiên cứu và thử nghiệm chuẩn DVB-S2, cũng như một số ứng dụng củachuẩn DVB-S2 với ngành truyền hình và cuối cùng là đề xuất về dịch vụ vàthông số trạm thu phát khi sử dụng DVB-S2 cho Đài THVN Nội dung của đồ ánbao gồm:

- Chương 1: Tổng quan về truyền hình số vệ tinh

- Chương 2: Tiêu chuẩn DVB-S2 và một số ứng dụng

- Chương 3: Một số đề xuất về dịch vụ và thông số trạm thu phát khi sử

dụng DVB-S2 cho Đài THVN.

ABSTRACK

In this thesis, I would like to present an overview of satellite digital televisionand going into research and testing DVB-S2, as well as some applications of theDVB-S2 standard for the broadcast industry and eventually is proposed to serviceand base station parameters when using the DVB-S2 for Vietnam Television Thecontents of the scheme include:

- Chapter 1: Overview of satellite digital television

- Chapter 2: DVB-S2 standard and some applications

- Chapter 3: Some suggestions on services and base station parameters whenusing the DVB-S2 for Vietnam Television

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Một số ứng dụng của truyền hình số qua vệ tinh 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối truyền hình số qua vệ tinh 3

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình vệ tinh DVB – S 5

Hình 1.4 Ví dụ một mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên đơn giản 7

Hình 1.5 Nguyên lý ngẫu nhiên hóa để phân tán năng lượng trong DVB-S 9

Hình 1.6 Cấu trúc dòng truyền tải sau khi được ngẫu nhiên hóa 9

Hình 1.7 Gói dòng truyền tải TS của MPEG-2 10

Hình 1.8 Gói TS sau khi được mã hóa RS 10

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của bộ xáo trộn/ giải xáo trộn 12

Hình 1.10 Lỗi chùm được phân tán thành nhiều lỗi đơn 13

Hình 1.11 Bộ tạo mã chập với độ dài K = 3 13

Hình 1.12 Các trạng thái và đầu ra của bộ tạo mã chập được xét 14

Hình 1.13 Sơ đồ trạng thái của bộ tạo mã chập được xét 14

Hình 1.14 Sơ đồ lưới của bộ tạo mã chập được xét 15

Hình 1.15 Sơ đồ bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S 15

Hình 1.16 Vị trí các bit được loại bỏ trong các tỷ lệ mã tương ứng 16

Hình 1.17 Đáp ứng tần số của bộ lọc với các giá trị α khác nhau 17

Hình 1.18 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QPSK trong DVB-S 18

Hình 1.19 Giản đồ chòm sao định vị các bit điều chế QPSK 18

Hình 1.20 Nguyên lý điều chế TCM 21

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý điều chế TCM”pragmatic”dùng trong DVB 22

Hình 1.22 Sơ đồ khối điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB-DSNG 23

Hình 1.23 Giản đồ định vị bit điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB –DSNG 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2 25

Hình 2.2 Hoạt động của bộ mã hóa CRC-8 27

Hình 2.3 Định dạng đầu ra sau khối thích nghi kiểu truyền dẫn 28

Hình 2.4 Các thành phần trong khối thích nghi dòng truyền tải 30

Hình 2.5 Khung BBFRAME tại đầu ra khối thích nghi dòng truyền tải 30

Hình 2.6 Nguyên lý ngẫu nhiên hóa trong DVB-S2 31

Hình 2.7 Các thành phần trong khối mã hóa trước FEC 31

Hình 2.8 Cấu trúc FECFRAME sau bộ mã hóa trước 31

Hình 2.9 Sơ đồ xáo trộn bit, điều chế 8PSK và khung FECFRAME thường 34

Hình 2.10 Các sơ đồ điều chế được sử dụng trong DVB-S2 35

Hình 2.11 Ánh xạ các bit trong điều chế phân cấp 36

Hình 2.12 Minh họa cấu trúc khung vật lý được sử dụng trong DVB-S2 36

Hình 2.13 Quá trình tạo thành FECFRAME trong DVB-S2 37

Hình 2.14 Các thành phần của khối tạo khung PLFRAME 38

Hình 2.15 Cấu trúc của PLHEADER 39

Hình 2.16 Mô hình mã hóa và điều chế thích nghi 45

Hình 2.17 Độ lợi công suất của DVB-S2 với DVB-S 47

Hình 2.18 Độ lợi băng thông của DVB-S2 47

Hình 2.19 Hiệu suất băng thông và C/N yêu cầu trên kênh nhiễu Gausse trắng cộng (AWGN) 48

Hình 3.1 Truyền dẫn và phát sóng các chương trình VTV 1,2,3,5,6 trên băng C (Hà Nội) và Ku (Vĩnh Yên) 51

Hình 3.2 Truyền dẫn và phát sóng chương trình VTV4 qua vệ tinh 52

Hình 3.3 Sơ đồ khối máy phát vệ tinh băng C 53

Hình 3.4 Cấu hình phát sóng HDTV và SDTV sử dụng VCM 55

Hình 3.5 Phân phối chương trình đến các trạm phát truyền hình mặt đất 56

Hình 3.6 Sơ đồ khối của hệ thống DVB-S2 với ứng dụng điểm-điểm 58

Hình 3.7 Dịchvụ IP dùng DVB-S2 liên kết ACM 59

Hình 3.8 Vùng phủ sóng vệ tinh Measat 1 61

Hình 3.9 Vùng phủ sóng vệ tinh VINASAT1 63

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Ví dụ các trạng thái và đầu ra của mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên 8

Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S 15

Bảng 1.3 Sự phụ thuộc của tốc độ bit vào băng thông và tỷ lệ mã trong DVB-S 19

Bảng 1.4 Tỷ lệ mã trong và Eb/ No yêu cầu tại phía thu 20

Bảng 1.5 Các lựa chọn điều chế và mã hóa trong DVB –DSNG 24

Bảng 2.1 Giá trị các trường trong MATYPE-1 29

Bảng 2.2 Các tham số mã hóa đối với khung FECFRAME thường 32

Bảng 2.3 Đa thức sinh BCH trong trường hợp khung FECFRAME thường 33

Bảng 2.4 Thông số của bộ xáo trộn bit trong tiêu chuẩn DVB-S2 34

Bảng 2.5 Số lượng các SLOT theo độ dài XFECRAME 38

Bảng 2.6 So sánh DVB-S2 với DVB-S ở một vài chế độ làm việc khác nhau điển hình 48

Bảng 3.1 Ví dụ so sánh DVB-S và DVB-S2 trong ứng dụng quảng bá 54

Bảng 3.2 Bảng kết quả C/N toàn tuyến đối với vùng phủ sóng và với các anten thu có đường kính khác nhau 62

Bảng 3.3 Yêu cầu C/N đối với các tỷ lệ mã hoá FEC trong đương truyền vệ tinh tiêu chuẩn DVB-S 62

Bảng 3.4 Bảng kết quả C/N toàn tuyến đối với vùng phủ sóng và với các anten thu có đường kính khác nhau 64

Bảng 3.5 Yêu cầu đường truyền đối với các kiểu mã hoá 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

8PSK 8-ary Phase Shift Keying Khóa dịch pha 8 mức

16APSK 16-ary Amplitude Phase

Shift Keying Khóa dịch biên độ và pha 16 mức

32APSK 32-ary Amplitude Phase

Shift Keying Khóa dịch biên độ và pha 32 mức

AGC Automatic Gain control Tự động điều chỉnh độ khuếch đại

ACM Adaptive Coding and

Modulation Mã hóa và điều chế thích nghi

Interference Nhiễu do vệ tinh cận kênh

AVC Advanced Video Coding Mã hóa video tiến tiến

AWGN Additive white Gaussian

BC Backwards Compatible Tương thích ngược

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai mức

BCH Bode-Chaudhuri

Hocquenghem Mã khối nhị phân sửa lỗi

CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm

CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit không đổi

CCM Constant Coding and

Modulation Mã hóa và điều chế không đổi

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra chẵn lẻ vòng

DFL Data Field Length Độ dài trường dữ liệu

DTH Direct To Home Dịch vụ truyền hình vệ tinh tận nhàDVB Digital Video Broadcasting Tổ chức dự án phát thanh truyền hình

số châu ÂuDNP Deleted Null Packets Xóa các gói rỗng

EIRP Effective Isotropic Radiated

Power

Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương

FEC Foward Error Correcection Mã sửa lỗi trước

HDTV High Definition Television Truyền hình độ phân giải cao

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

ISI Intersybol Interference Nhiễu xuyên ký tự

LDPC Low Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ thấp

LNA Low Noise Amflifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LNB Low Noise Block Bộ đổi tần, khuếch đại tạp âm thấp

MCPC Multi Chanel Per Carrier Nhiều kênh trên một sóng mang

MPE Multi-Protocol

Encapsulation Đóng gói đa thủ tục

PLS Physical Layer Signalling Báo hiệu lớp vật lý

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

RF Radio Frequency Tần số radio (cao tần)

RS Reed - Solomon error

correction code Mã sửa sai Reed – Solomon

SCPC Single-Channel-Per-Carrier Đơn kênh trên một sóng mang

SDTV Standard Definition

Televition Truyền hình phân giải tiêu chuẩn

SSPA Solid State Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất bán dẫn

TWTA Traveling Wave Tube

Amplifier Bộ khuếch đại dùng đèn sóng chạyULPC Uplink Power Control Điều khiển công suất phát lên

UPL User Packet Length Độ dài gói người dùng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH

Truyền hình qua vệ tinh là một phương pháp phủ sóng có hiệu quả so vớicác phương pháp khác Trong hệ thống truyền hình mặt đất, để phủ sóng toàn bộlãnh thổ sẽ cần đến rất nhiều trạm phát truyền hình mặt đất với chất lượng tín hiệukhông đồng đều, nhất là với địa hình nhiều đồi núi như nước ta Truyền hình qua vệtinh có những ưu điểm mà các hệ thống phát sóng truyền hình khác như truyềnhình cáp hay truyền hình mặt đất không thể có được

Với ưu điểm có vùng phủ sóng rộng, không phụ thuộc vào địa hình đồi núi,

để phủ sóng cả lãnh thổ Việt Nam chỉ cần một trạm phát lên vệ tinh, nhữngtrạm mặt đất đặt trong vùng phủ sóng đều thu được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh Một

số ưu điểm nữa là chất lượng tín hiệu ổn định, dung lượng đường truyền lớn, cường

độ trường tại điểm thu ổn định truyền hình qua vệ tinh đã được sử dụng rộng rãitrên toàn cầu

1.1 Tổng quan về truyền hình số qua vệ tinh [1]

Truyền hình số qua vệ tinh phát triển vào năm 1995 nhưng vào thờiđiểm đó chỉ chiếm một thị phần nhỏ Đến cuối năm 1998 chỉ có 0.3% hộ gia đìnhthu tín hiệu truyền hình số vệ tinh DTH Đến nay số hộ gia đình sử dụng truyềnhình số qua vệ tinh đã phát triển tại hầu hết các nước trên thế giới Chỉ tính đếncuối năm 2004 riêng khu vực Châu Á đã có trên 25 triệu hộ gia đình sử dụngtruyền hình số qua vệ tinh

Dịch vụ DTH sử dụng công nghệ truyền dẫn số nên đảm bảo chất lượng tínhiệu hình ảnh cũng như âm thanh, có thể truyền dẫn được nhiều chương trìnhtruyền hay một chương trình truyền hình có độ phân giải cao HDTV và độ phângiải tiêu chuẩn SDTV trên một bộ phát đáp, hệ thống âm thanh Stereo hay âmthanh lập thể AC-3 Ngoài ra hệ thống truyền hình số còn tương thích vớinhiều loại dịch vụ khác như truyền dữ liệu, internet, truyền hình tương tác

Do đặc điểm phân bố địa hình và dân cư trên lãnh thổ Việt Nam, nhiều đồinúi, mật độ dân cư phân bố không đồng đều, nên việc lựa chọn phương thứctruyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tinh để phủ sóng toàn quốc là có hiệu quả

cao nhất Truyền hình Việt Nam bắt đầu sử dụng công nghệ truyền hình số qua vệtinh từ tháng 4-1998 với chương trình VTV3 phát trên băng tần Ku qua vệ tinhThaicom 2 Đến nay, toàn bộ các chương trình của truyền hình Việt Nam đã sửdụng công nghệ truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh.

Việc chuyển đổi sang phát truyền hình số qua vệ tinh sẽ tạo ra nhiềudịch vụ mới kết hợp với việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tinhtrong tương lai như:

 Truyền hình trực tiếp từ vệ tinh tới các hộ gia đình (DTH): Cung cấp

các kênh truyền hình mà người xem có thể thu trực tiếp chương trình truyềnhình từ vệ tinh bằng anten thu có đường kính từ 60cm đến 90cm

Đầu cuối CATV

Truyền hình lưu động

Hình 1.1 Một số ứng dụng của truyền hình số qua vệ tinh

 Truyền dẫn tín hiệu đến các trạm phát lại mặt đất: Phương thức này

đang được áp dụng hiệu quả tại Đài THVN để đưa tín hiệu các chương trìnhVTV1, VTV2, VTV3, VTV5 đến khoảng hơn 100 trạm phát lại mặt đất củaTHVN tại các tỉnh thành phố và hàng ngàn máy phát lại công suất nhỏ khác tạicác huyện, xã trong cả nước

 Truyền hình độ phân giải cao (HDTV): Cung cấp các kênh truyền hình

có độ phân giải cao HDTV trên độ rộng băng tần của 1 bộ phát đáp mà hệ thốngtương tự không thể thực hiện được

 Truyền dẫn tín hiệu truyền hình lưu động (SNG): Truyền tin nhanh từ

hiện trường về studio, truyền hình trực tiếp các chương trình ca nhạc, thể thao,các sự kiện chính trị, văn hóa, …

 Internet: Cung cấp đường truyền số liệu tốc độ cao từ nhà cung cấp

dịch vụ đến các thuê bao dịch vụ …

 SMATV: Cung cấp dịch vụ truyền hình đến các tòa nhà lớn, khu chung cư.

 Đầu cuối CATV: Cung cấp tín hiệu truyền hình đến các đầu cuối dịch vụ

truyền hình cáp để đưa đến các thuê bao truyền hình cáp

Khác với các phương pháp truyền dẫn khác như truyền hình mặt đất haytruyền hình cáp, phương pháp truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh cũng có nhưng đặcđiểm riêng phụ thuộc vào mục đích truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh Do đặc điểm củatruyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh có đặc điểm là truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng, hệ sốđịnh hướng của anten lớn, tín hiệu ít bị ảnh hưởng của phản xạ nhiều đường Tuynhiên do công suất trên vệ tinh là hữu hạn, đồng thời cự ly thông tin lớn, suy giảmđường truyền lớn, dễ bị ảnh hưởng của mưa nhất là băng tần Ku vì vậy tỷ số C/N củađường truyền không cao so với các phương pháp truyền dẫn khác, ví dụ như truyềnhình cáp hay truyền hình số mặt đất Chính vì những lý do đó mà hiệu suất sử dụngbăng thông không cao so với các phương pháp truyền dẫn khác

Giải điều chế

1/ Khối mã hóa tín hiệu và ghép kênh: Có nhiệm vụ tạo ra dòng truyền tải

TS Tín hiệu truyền hình tương tự được biến đổi sang tín hiệu số, sau đó được néntheo tiêu chuẩn MPEG -2 Dòng bit thu được là các dòng cơ sở ES được phân vàocác gói dòng truyền tải TS Tùy thuộc vào hệ thống mà dòng truyền tải có thể làđơn chương trình hay đa chương trình Các biện pháp khóa mã cũng có thể được ápdụng để tăng tính bảo mật cho hệ thống

2/ Khối điều chế: Sau khi tạo thành dòng truyền tải MPEG-2, tín hiệu được

đưa đến khối điều chế tín hiệu số Khối điều chế có nhiệm vụ biến đổi tín hiệutruyền hình số MPEG-2 thành tín hiệu trung tần IF (Intermediate Frequency 70/140MHz) Tùy thuộc vào các tiêu chuẩn khác nhau mà các kiểu điều chế được sửdụng khác nhau Các kiểu điều chế được áp dụng trong tiêu chuẩn DVB-S làQPSK, BPSK, 8PSK hay 16PSK; trong DVB-S2 là QPSK, 8PSK, 16APSK,32APSK

3/ Phần RF: Sau khi điều chế dòng truyền tải thành tín hiệu trung tần IF, tín

hiệu trung tần IF sẽ được đưa tới khối đổi tần lên (Upconverter) để biến đổi tín hiệutrung tần từ 70 MHz lên thành tín hiệu RF Tùy thuộc vào băng tần hoạt động của

hệ thống mà tần số RF có thể thay đổi từ 5,9 GHz đến 6,7 GHz đối với băng tần Chay từ 13,75 GHz đến 14,5 GHz đối với băng tần Ku Sau khi đi qua khối đổi tần tínhiệu RF được đưa vào khối khuếch đại công suất (HPA – High Power Amplifier) đểđạt được công suất cần thiết phát lên vệ tinh Khối đổi tần này và khối khuếch đạicông suất tương tự như các khối khuếch đại công suất hay đổi tần trong các trạm pháttruyền hình tương tự qua vệ tinh

Hệ thống thu có chức năng ngược lại so với hệ thống phát, tín hiệu RF saukhi đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) sẽ được đổi tần xuống trung tần band

L Tại các máy thu tín hiệu trung tần band L sẽ được khuếch đại, giải điều chế thànhdòng truyền tải TS sau đó được giải mã thành tín hiệu tương tự đưa đến monitor quađường dây AV

Hệ thống truyền hình số qua vệ tinh sử dụng tín hiệu vào là dòng truyền tảiMPEG – 2 theo tiêu chuẩn ISO/IEC 13818 Tùy thuộc vào mục đích truyền tín hiệuqua vệ tinh mà hệ thống truyền hình số qua vệ tinh có cấu trúc hệ thống khác nhau.Truyền hình số qua vệ tinh có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như: truyền dẫn tín

hiệu cho các trạm phát lại tương tự, truyền dẫn cho các chương trình truyền hìnhphụ vụ cho truyền hình trực tiếp hay từ vệ tinh đến các hộ gia đình (DTH – Derect

To Home)

Mặc dù truyền hình số qua vệ tinh có thể ứng dụng cho nhiều mục đíchnhưng về cơ bản các hệ thống máy phát tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh đều cónhững đặc điểm chung

1.2 Tiêu chuẩn DVB -S (EN 300 421) [4]

Tiêu chuẩn DVB-S (EN 300 421) ra đời vào năm 1994, được sử dụng phổ

biến để truyền tín hiệu truyền hình quảng bá qua vệ tinh Đường truyền vệ tinhngoài những ưu điểm còn tồn tại một nhược điểm lớn là cự ly thông tin lớn, chịuảnh hưởng mạnh của nhiễu và tạp âm…Bản thân dòng truyền tải MPEG-2 không

có chức năng sửa lỗi, chống nhiễu đường truyền do vậy không thể truyền trựctiếp dòng truyền tải

Tiêu chuẩn DVB-S được thiết kế trên cơ sở gia tăng khả năng chốngnhiễu cho dòng truyền tải MPEG-2

Theo DVB-S, quá trình xử lý tín hiệu truyền hình vệ tinh gồm các bướcnhư sau:

- Thích nghi đầu vào và phân tán năng lượng

- Mã hóa ngoài sử dụng mã Reed-Solomon RS (204,188)

- Xáo trộn bit nhằm tăng khả năng chống lỗi cụm

- Mã hóa trong sử dụng mã xoắn với các tỷ lệ mã khác nhau

- Lọc băng gốc và điều chế QPSK

Thích nghi đầu vào

và phân tán năng lượng

Mã hóa ngoài RS(204,188) Xáo trộn bit

Điều chế QPSK Lọc băng gốc

Mã hóa trong [Mã chập]

1.2.1 Thích nghi đầu vào và phân tán năng lượng [2]

1.2.1.1 Sự cần thiết phải phân tán năng lượng

Dòng bit đầu vào phải được tiến hành phân tán năng lượng, mục đích củaquá trình này là nhằm xáo trộn các bit nhằm tránh hiện tượng các bit giốngnhau tập trung với số lượng lớn Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng tập trung năng lượngtrong phổ, được biết đến như các phổ vạch Cần tránh xuất hiện phổ vạch do:

- Sự tập trung năng lượng cao tần sẽ tăng khả năng tạo ra giao thoatrong các kênh có tần số cạnh nhau

- Các vạch phổ cố định có thể tạo ra vấn đề nghiêm trọng khi thu Bởi vì bộdao động nội có thể điều chỉnh đến vạch phổ thay cho sóng mang tới, gây tổnhao thông tin

- Các vạch phổ, thực chất là thành phần một chiều DC rất khó đểtruyền dẫn, gây mất mát thông tin được truyền đi

1.2.1.2 Nguyên lý của ngẫu nhiên hóa nhằm phân tán năng lượng

Việc ngẫu nhiên hóa được thực hiện theo nguyên lý tương tự như kỹthuật trải phổ Dãy bit đầu vào sẽ được cộng modul 2 với một dãy bit giả ngẫunhiên (PRBS-Pseudo Random Binary Sequence) được tạo ra từ các thanh ghi dịch.Như vậy tín hiệu đầu vào có phổ bất kỳ trở thành tín hiệu có phổ tương tự nhưphổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên

Tại phía thu, dãy bit thu được cũng được cộng với dãy bit giả ngẫunhiên Khi đó sẽ khôi phục được dữ liệu hoàn toàn giống như trước khi xáo trộn.Điều này được giải thích như sau:

- Bộ cộng modul 2 là cổng logic XOR có bảng chân lý:

0

1 0

0 0

0 0

1

1 1

- Giả sử tín hiệu muốn truyền đi là X

- Tín hiệu giả ngẫu nhiên PRBS là Y

- Tín hiệu được truyền đi sau khi qua bộ ngẫu nhiên hóa là X Y

- Tín hiệu thu được sau khi cộng với chuỗi giả ngẫu nhiên tương tựphía phát:

(X ⊕ Y) ⊕ Y’ = X ⊕ (Y ⊕ Y’) = X (1.1)

Để tín hiệu sau khi khôi phục hoàn toàn giống với tín hiệu đã truyền đi thìtín hiệu giả ngẫu nghiên tại phần thu phải giống hoàn toàn so với phần phát vàphải đồng bộ với phần phát

1.2.1.3 Điều kiện của chuỗi giả ngẫu nhiên

Các chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS có thể được tạo ra từ các thanh ghidịch và các mạch hồi tiếp Đối với thanh ghi dịch có độ dài n, độ dài N của chuỗiPRBS được tạo ra là: N = 2n-1

Chuỗi PRBS trước khi xáo trộn với luồng bit vào MPEG-2 phải thỏamãn các điều kiện như:

- Tính cân đối (balance property): số bit 1 và 0 lệch nhau tối đa 1 bit

- Tính chạy (run property): số bước chạy độ dài 1 chiếm 1/2 tổng số bướcchạy, số bước chạy có độ dài 2 chiếm 1/4 tổng số bước chạy, độ dài 3 chiếm 1/8tổng số bước chạy…

- Tính tương quan (correlation property): so chuỗi ban đầu với chính chuỗi

đó khi dịch chuyển, tổng các số hợp (giống nhau) a (agreement) và tổng các sốkhông hợp (khác nhau) d (disagreement) lệch nhau không nhiều hơn 1

Để minh họa, xét chuỗi PRSB đơn giản có 4 bộ ghi dịch như trong hình vẽ sau:

X4 X3

X2 X1

Ra

Hình 1.4 Ví dụ một mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên đơn giản

Đa thức sinh (polynomial) của chuỗi giả ngẫu nhiên trong trường hợp nàylà: 1 + X3 + X4 Vì bộ ghi dịch có n = 4 thanh ghi nên độ dài chuỗi PRSB là 24-1

= 15 Giả sử trạng thái ban đầu là 1000, chuỗi giả ngẫu nhiên sẽ được tạo ra nhưtrong bảng:

Bảng 1.1 Ví dụ các trạng thái và đầu ra của mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Số TT Trạng thái Bit ra Số TT Trạng thái Bit ra

- Tính cân đối: tổng số bit 0 là 7, tổng số bit 1 là 8

- Tính chạy: số bước chạy có độ dài 1 bằng 4, số bước chạy có độ dài 2bằng 2, độ dài 3 bằng 1, độ dài 4 bằng 1

- Tính tương quan: xét công thức tổng quát hàm tự tương quan của

chuỗi f(t) (có chu kỳ T) và bản sao của nó khi dịch chuyển f(t + τ)

(1 ≤ τ < N) Trong đó τ là số bước dịch chuyển:

2 /

) ( ) ( ).

( lim ) (

T

T

t d t f t f

Khi τ = 0, f(t) và f(t + τ) tương quan tốt nhất: K(τ) = 1.

Khi chuỗi f(t) được dịch đi 1 nhịp, tương quan giữa f(t) và f(t + τ) như sau:

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1

d a a d d a d a d d d d a a aTrong đó tổng số d hơn tổng số a là 1 Dịch số bước bất kỳ (1 ≤ τ < N), hiệu sốbit hợp và không hợp luôn là 1 Như vậy điều kiện về tính tương hợp được thỏa mãn

1.2.1.4 Áp dụng ngẫu nhiên hóa trong DVB-S

Theo tiêu chuẩn DVB-S, dòng dữ liệu đầu vào hệ thống là dòng truyền tảiMPEG-2 Độ dài các gói của dòng truyền tải là 188 byte, trong đó có một bytedùng để đồng bộ gói với giá trị luôn bằng 47HEX (01000111) Việc phân tán

năng lượng luôn được thực hiện từ bit đầu tiên của byte đồng bộ (MSB- MostSignificant Bit) tức là bit 0 của byte 01000111.

Khi nhận tín hiệu byte đồng bộ, các giá trị của thanh ghi dịch được nạp giátrị”100101010000000”và việc tạo tín hiệu ngẫu nhiên được thực hiện với chu kỳ là

8 gói dòng truyền tải MPEG-2 Sau khi xáo trộn đủ 8 gói dòng truyền tải, các thanhghi dịch lại được nạp giá trị trên và thực hiện chu kỳ mới

Tại phía thu, tín hiệu thu được cũng được cộng với chuỗi giả ngẫu nhiên tương

tự và đồng bộ với chuỗi giả ngẫu nhiên bên phát Do vậy để cung cấp dấu hiệu cho bộgiải ngẫu nhiên, byte đầu tiên của gói truyền tải thứ nhất trong nhóm 8 gói được đảongược trở thành B8HEX (10111000) Đồng thời các byte đồng bộ trong các gói sẽkhông được ngẫu nhiên hóa Lúc này bộ tạo chuỗi PRSB vẫn hoạt động nhưng đầu ra

sẽ được vô hiệu hóa do vậy các byte đồng bộ sẽ vẫn được giữ nguyên

Byte đồng bộ của gói đầu tiên trong chuỗi 8 gói dòng truyền tải được ký hiệu là

SYNC Byte đồng bộ của các gói còn lại (từ gói 2 đến gói 8) được ký hiệu là SYNC.

R

187 bytesSync1 187 bytesR Sync2 Sync8 187 bytesR Sync1 187 bytesR

Độ dài chuỗi PRSB = 1503 byte

Hình 1.6 Cấu trúc dòng truyền tải sau khi được ngẫu nhiên hóa

Quá trình ngẫu nhiên hóa được thực hiện ngay cả khi không có dòng bit đầu

vào, hoặc dòng bit đầu vào không phải là dòng truyền tải MPEG-2 Điều này đểtránh xảy ra tình trạng phát đi sóng mang không được điều chế.

Tại phía thu, chuỗi giả ngẫu nhiên được tạo ra từ một mạch hoàn toàn giốngvới phía phát Để đồng bộ với phần phát, mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên sẽ đượcnạp giá trị”100101010000000”mỗi khi nhận được byte đồng bộ gói bị xáo trộn (

SYNC) và việc tạo chuỗi PRBS sẽ được thực hiện với chu kỳ 8 gói tương tự nhưphía phát

1.2.2 Mã hóa ngoài

Đường truyền vệ tinh chịu ảnh hưởng lớn của nhiễu và tạp âm nên việc ápdụng các phương pháp sửa lỗi là rất cần thiết Thông tin truyền hình là dạngthông tin một chiều do vậy phương pháp sửa lỗi được sử dụng là phương pháp sửalỗi trước FEC Theo phương pháp này, phía thu khi nhận được tín hiệu sẽ có khảnăng phát hiện và tự sửa chữa lỗi bit nếu có

Dòng bit sau khi qua khối thích nghi dòng truyền tải và phân tán năng lượng

sẽ được đưa đến khối mã hóa ngoài Trong tiêu chuẩn DVB, mã ngoài được sửdụng là mã RS (204, 188) Đây là mã Reed-Solomon, thuộc dạng mã khối (blockcoding) Mã khối xử lý các khối mã theo kích thước cố định, đối với mã RS (204,188) kích thước khối mã được xử lý là 188 byte phù hợp với kích thước gói truyềntải MPEG-2 Các gói này được kết hợp với 16 byte gồm các thông tin có chứcnăng phục vụ cho mục đích xác định và sửa lỗi tại phía thu Như vậy kích thước

từ mã sau bộ mã hóa ngoài là 204 byte

187 byte thông tinByte đồng bộ

Hình 1.7 Gói dòng truyền tải TS của MPEG-2

Các byte mã RS(204,188)

187 byteByte đồng bộ

204 byte

Hình 1.8 Gói TS sau khi được mã hóa RS (204,188)

Đa thức tạo mã: g(x) = (x+λ0) (x+λ1) (x+λ15) với λ = 02HEX

Đa thức tạo trường: P(x) = x8 + x4 + x3 + x2 + 1.

Mã RS (204, 188) là mã được rút gọn dựa trên mã gốc RS (255, 239) Trướckhi đưa vào bộ mã hóa RS (255, 239), dòng bit được thêm vào 51 byte mang giá trị

0 Tại đầu ra bộ mã hóa các giá trị này sẽ bị loại bỏ để tạo thành gói 204 byte

Theo lý thuyết về mã khối, mã RS (204, 188) có thể sửa được tối đa 8 bytetrong 1 gói Khả năng sửa lỗi của mã khối đối với lỗi ngẫu nhiên phụ thuộcvào số vị trí nhỏ nhất khác nhau giữa các cặp mã khác nhau, được gọi là khoảngcách Hamming Mã RS (204, 188) có thể sửa được cả lỗi ngẫu nhiên (randomerror) và lỗi chùm (burst error), tuy nhiên nó chỉ hiệu quả đối với các lỗi đơn, nếulỗi chùm ảnh hưởng đến nhiều hơn 8 byte thì mã RS (204, 188) không thể khắcphục được mà phải kết hợp với các phương pháp sửa lỗi khác

1.2.3 Khối xáo trộn bit

Phương pháp xáo trộn bit được kết hợp với mã ngoài RS (204, 188) để nângcao khả năng sửa lỗi chùm Khi có lỗi chùm xảy ra, chất lượng tín hiệu thu đượcsuy giảm đột ngột Nếu lỗi chùm xảy ra vượt quá 8 byte thì phương pháp mã sửasai RS (204, 188) không thể khắc phục được và dẫn tới sự sai lệch trong quá trìnhgiải mã lại tín hiệu Nguyên lý của việc xáo trộn bit là xáo trộn các byte trong cácgói khác nhau theo một quy luật nhất định, sao cho các byte liền nhau sẽ thuộc cácgói khác nhau Tại phía thu, việc xáo trộn được làm ngược lại với phía phát Khi cólỗi chùm xảy ra trên đường truyền thì các lỗi đó phân đều trên các gói mà khôngtập trung tại một gói, nhờ đó mà khi đường truyền bị lỗi chùm thì vẫn có thể khắcphục được trong một giới hạn nào đó

Việc xáo trộn được thực hiện thông qua đổi chỗ các byte khác nhau qua 12nhánh, các nhánh có cấu trúc là các thanh ghi dịch FIFO (First In First Out-vàotrước ra trước) Mỗi nhánh bao gồm j*M ô (cell) Mỗi ô có kích thước là 1 byte.Trong đó:

j: chỉ số của nhánh Giá trị từ 0 đến 11

N: độ dài của gói sau mã hóa ngoài N = 204 byte

I: tổng số nhánh, còn gọi là độ sâu xáo trộn (interleaving depth) I = 12.M: độ dài thanh ghi dịch nhỏ nhất M = N/I = 204/ 12 = 17 byte

Như vậy mỗi nhánh có kích thước từ 0, 17, 34…187 byte

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của bộ xáo trộn/ giải xáo trộn

Khi nhận được byte đồng bộ gói, bộ xáo trộn sẽ bắt đầu thực hiện việc xáotrộn các byte giữa các gói với nhau Giả sử thời gian chuyển mạch là T, tương ứngvới thời gian truyền đi 1 byte Để mỗi byte có thể dịch đi 1 vị trí trong 1 nhánh cầnthời gian là 12T là khoảng thời gian để chuyển mạch thực hiện một chu kỳ

Trong nhịp đầu tiên, byte đồng bộ không bị trễ được đi qua nhánh”0” Đếnnhịp thứ 2, byte thứ 2 (byte tiếp sau byte đồng bộ) được nạp vào ô đầu tiên củanhánh”1”đồng thời đọc số liệu tại ô cuối cùng của nhánh”1” Như vậy độ trễ củabyte đọc ra (từ lúc vào nhánh đến lúc ra khỏi nhánh) đối với nhánh 1 được xác địnhnhư sau:

T1 = 12T * số cell trong nhánh”1”= 12T * M = 12 * 17 = 204T (1.3) Khi nhịp thứ 3 bắt đầu, byte tiếp theo được nạp vào nhánh” 2”đồng thờiđọc ra byte cuối cùng ở nhánh”2”và cứ như vậy cho đến hết nhánh”11”bộ xáo trộn

sẽ trở về nhánh”0”và tiếp tục chu kỳ mới

Độ trễ của các byte khi đi qua nhánh j được xác định như sau:

Tj = 12T * M * j = 12T * 17 * j = 204T * j (1.4)Tại phía thu, bộ giải xáo trộn cũng có nguyên lý tương tự như bộ xáotrộn Các byte cũng được đưa qua các thanh ghi dịch với chiều dài tương ứng vớichỉ số nhánh là (11-j) ô Như vậy các byte tại phía phát có độ trễ ít sẽ đượclàm trễ nhiều hơn và ngược lại sao cho tổng độ trễ của cả phần thu và phát củatất cả các byte là 12T * M * (j + 11-j) = 2244 T Như vậy thứ tự các byte sau khi rakhỏi bộ xáo trộn sẽ có thứ tự như trước khi vào bộ xáo trộn Sự khác biệt của

dòng bit đầu ra so với đầu vào bộ xáo trộn là số liệu trong mỗi gói ở đầu ra sẽ

là số liệu của nhiều gói khác nhau ở đầu vào Các byte đồng bộ gói không bịthay đổi vị trí (không bị trễ) Khi có lỗi chùm xảy ra trên 1 gói thì lỗi sẽ đượcphân chia trên các gói này trước khi được đưa đến khối giải mã ngoài, do vậylàm tăng khả năng sửa lỗi của mã RS (204, 188)

Giải xáo trộn tại phía thu

Hình 1.10 Lỗi chùm được phân tán thành nhiều lỗi đơn

1.2.4 Mã hóa trong-mã chập

Mã hóa trong là lớp mã thứ 2 được sử dụng trong truyền hình số vệ tinh vàtruyền hình số mặt đất để nâng cao hơn nữa khả năng sửa lỗi đường truyền Mã hóatrong theo tiêu chuẩn DVB-S là loại mã chập (convolutional code) Mã chậpkhông xử lý các khối bit cố định như mã khối Dòng bit đầu vào bộ mã hóa làliên tục và được đưa vào một thanh ghi dịch có kích thước K (tầng), được gọi làchiều dài ràng buộc của bộ mã hóa (constraint length) Tín hiệu đầu vào sẽ đượccộng modul 2 với nội dung chứa trong thanh ghi dịch Sở dĩ gọi là mã chập vì tínhiệu vào được mã hóa bằng cách cộng với chính nó đã được làm trễ về thời gian

Để đơn giản, xét một bộ mã chập sau:

[A]: trạng thái ban đầu của thanh ghi dịch.

[B]: trạng thái sau của thanh ghi dịch

Đa thức sinh tại đầu ra 1: G1 = 1 + X + X2

Đa thức sinh tại đầu ra 2: G2 = 1 + X2

Số các tầng trong thanh ghi dịch của bộ tạo mã trong hình có độ dàibằng 2, như vậy số các trạng thái có thể có là 22 = 4 trạng thái (00, 01, 10, 11).Tùy thuộc vào từ mã đầu vào và trạng thái của bộ tạo mã mà từ mã đầu ra có thểnhận các giá trị như sau:

Hình 1.12 Các trạng thái và đầu ra của bộ tạo mã chập được xét

Hoạt động của bộ tạo mã chập có thể được biểu diễn bằng sơ đồ trạng thái.Các trạng thái được thể hiện tại các nút, biểu diễn giá trị của thanh ghi dịch theochiều từ phải sang trái Mỗi trạng thái có thể chuyển đến 2 trạng thái khác tươngứng với bit đầu vào là 0 hoặc 1

11

10 01

0/00

Hình 1.13 Sơ đồ trạng thái của bộ tạo mã chập được xétMột cách khác để biểu diễn mã chập là sử dụng sơ đồ lưới (trellis) Sơ đồ

lưới có ưu điểm là có thể biểu diễn các trạng thái theo trục thời gian.

0/10 1/00

1/01

0/00

0/11 1/11

01/11

0/00 0/00

Các trạng thái

Hình 1.14 Sơ đồ lưới của bộ tạo mã chập được xét

Mã chập được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-S có nguyên lý tương tự nhưtrên với số tầng của thanh ghi dịch là 6 Như vậy số trạng thái có thể có là 26 = 64trạng thái

G1= 133cct

1 1

1 0

1 1

0 0

1 1

1 1

0 1

Hình 1.15 Sơ đồ bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-SBảng 1.2 Các thông số cơ bản của bộ tạo mã chập trong tiêu chuẩn DVB-S

Đa thức sinh của nhánh thứ 1 G1 1+ X2 + X3+ X5+X6

Đa thức sinh của nhánh thứ 2 G2 1+ X + X2 + X3+X6

Tỷ lệ mã 1/2 tương ứng với dòng bit đầu ra gấp đôi dòng bit đầu vào.Điều này đem đến khả năng sửa lỗi cao cho tín hiệu nhưng đồng thờicũng gây lãng phí vì thông tin có ích chỉ chiếm 1/2 trong dòng bit truyền đi Tuy

nhiên, các bit phục vụ cho việc sửa lỗi có thể được loại bỏ (puncturing) để tănghiệu suất sử dụng Nhờ biện pháp loại bỏ, mã trong của tiêu chuẩn DVB- S có thểđạt được các tỷ lệ mã sau: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Đây là tỷ lệ giữa thông tin cóích và thông tin được truyền Tỷ lệ 1/2 phản ánh không sử dụng loại bỏ bit nhằmtối đa khả năng sửa lỗi, trong khi đó tỷ lệ 7/8 đạt được hiệu suất các bit thông tinlớn nhất Tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể đòi hỏi khả năng sửa lỗi haytốc độ bit để có thể lựa chọn tỷ lệ mã phù hợp.

Do việc loại bỏ là không đối xứng nên trước khi được đưa vào khốiđiều chế, các từ mã tại 2 nhánh đầu ra bộ mã trong được sắp xếp lại để có sự cânbằng giữa dòng bit từ 2 nhánh

X1 X2 X3 X4

Y3 Y4 Y1 Y2

X1

Y1

X1 X2 X3

Y3 Y1 Y2

X1 X2 X3 X4 X5

Y3 Y4 Y5 Y1 Y2

X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7

Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y1 Y2

X1 Y1 X1 Y2 Y3

Y4 Y1 X3 X1 Y2 Y1 X3 X1 Y2 Y4

Y5 Y1 X3 X1 Y1

Y2 X3

Y4 X5

Y6 X7

Hình 1.16 Vị trí các bit được loại bỏ trong các tỷ lệ mã tương ứng

1.2.5 Lọc băng gốc và điều chế tín hiệu

Trong các thiết bị điều chế tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh, tín hiệu được

xử lý bằng DSP ở khâu điều chế cũng như các bộ lọc số trung tần Điều nàygiúp cho tín hiệu truyền hình có được độ linh động cao và tốc độ ổn định Việcđiều chế tín hiệu sử dụng DSP cho phép thay đổi kiểu điều chế (QPSK, 8PSK) dễdàng trong những trường hợp đặc biệt (ví dụ như truyền hình lưu động DSNG)

Tín hiệu vào bộ điều chế là tín hiệu số với các xung biểu diễn”0”và”1”.Phổ tần số của các tín hiệu này theo lý thuyết là vô hạn và đòi hỏi kênh truyềncũng phải có băng thông vô hạn để truyền dẫn Điều này không thể thực hiệnđược trong thực tế do vậy cần phải có các bộ lọc để hạn chế dải thông của tín

hiệu Sử dụng các bộ lọc dẫn đến can nhiễu giữa các symbol liền nhau, được gọi lànhiễu liên symbol ISI Để khắc phục điều này, các bộ lọc phải thỏa mãn tiêuchuẩn Nyquist Loại bộ lọc được sử dụng trong trong tiêu chuẩn DVB-S là bộ lọccos nâng, được đặc trưng bởi hệ số roll-off α.

Hàm truyền đạt H(f) của bộ lọc cos nâng:

H(f) = 1 với |f| < fN(1- α) (1.5)

2 / 1

|

| 2

sin 2

1 2

1 ) (

S N

R T

f   là tần số Nyquist và α là hệ số roll-off được lựa

chọn tùy theo kiểu điều chế được sử dụng Khi sử dụng điều chế BPSK và QPSK

hệ số α = 0,35 Đối với điều chế 8PSK hay 16QAM hệ số α = 0,35 hoặc 0,25tùy thuộc vào cấu hình thiết bị hay lựa chọn của người sử dụng hệ thống

Hình 1.17 Đáp ứng tần số của bộ lọc với các giá trị α khác nhau

Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu được đưa tới khối điều chế Phương pháp điềuchế được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-S là điều chế pha vuông góc QPSK

Sở dĩ được gọi là điều chế vuông góc vì tín hiệu sau điều chế gồm 2 thành phần I(Inphase) và Q (Quadrature) lệch nhau 900 Trong DVB-S, 2 thành phần I, Q nàychính là 2 đầu ra của bộ tạo mã chập

LO LO

x x

Kênh truyền S(t) S A (t)

I R (t) I(t)

Cos(ωt)

Sin(ωt) Sin(ωt)

Cos(ωt)

Hình 1.18 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QPSK trong DVB-S

Tín hiệu sau khi qua bộ lọc băng gốc gồm 2 thành phần I(t) và Q(t)được đưa vào 2 bộ trộn (Mixer) Bộ trộn điều chế 2 tín hiệu thành phần I, Q vớitín hiệu được lấy từ bộ dao động nội (Local Oscillator), tuy nhiên đối với thànhphần Q (Quadrature) thì tín hiệu từ bộ dao động nội được đảo pha 90o Đầu ra của

2 bộ trộn kết hợp lại tạo thành sóng mang với các góc pha là π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4.Mỗi trạng thái pha này biểu diễn một symbol tương ứng trong biểu đồ chòmsao Phương pháp điều chế QPSK có 4 trạng thái symbol do vậy mỗi symbol baogồm log24 = 2 bit, tương ứng với tốc độ dữ liệu tăng gấp 2 lần so với điều chếBPSK thông thường

I=0 Q=0

I=1 Q=0

I=1

I Q

Hình 1.19 Giản đồ chòm sao định vị các bit điều chế QPSK

Tín hiệu sau điều chế sẽ được đưa đến khối cao tần nhằm biến đổi tín hiều trungtần thành cao tần trước khi khuếch đại công suất để đưa đến anten phát lên vệ tinh

1.3 Các thông số kỹ thuật đường truyền của tiêu chuẩn DVB-S

Bảng sau cho thấy so sánh giữa băng thông tín hiệu truyền, tỷ lệ mãchập với lượng thông tin hữu ích thu được sau giải mã chống nhiễu Thông tinhữu ích tăng theo tỷ lệ mã chập được sử dụng và băng thông được cấp phát

cho kênh truyền.

Bảng 1.3 Sự phụ thuộc của tốc độ bit vào băng thông và tỷ lệ mã trong DVB-SBW

(MHz)

RS(Mbaud)

BW (Bandwidth): Băng thông tín hiệu

RS: Tốc độ symbol Coi kênh truyền có hiệu suất sử dụng băng thôngBW/RS = 1,28

RU: Tốc độ dòng bit sau giải mã FEC

Ví dụ đối với kênh có băng thông 36 MHz: Tốc độ symbol: RS = 36:1,28 = 28,125 Mbaud Sử dụng điều chế QPSK, mỗi symbol gồm 2 bit thôngtin Như vậy tốc độ bit sau bộ mã hóa chập là: R1 = 28,125 * 2 = 56,25 Mbit/s.Với tỷ lệ mã chập 3/4, tốc độ bit trước khi vào bộ mã chập là: R2 = 56,25 * 3/4 =42,1875 Mbit/s Sử dụng mã Reed-Solomon (204, 188) nên tốc độ bit hữu íchtrước khi thêm các bit sửa lỗi là: RU = 42,1875 * 188/204 = 38, 8786 Mbit/s

Tuy các tỷ lệ mã cao có hiệu suất dòng bit lớn hơn nhưng khả năngchống nhiễu thấp, không phù hợp với đường truyền kém Bảng sau cho thấy mốiquan hệ giữa tỷ lệ mã và tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất tạp âm(Eb/ No) Tỷ số Eb/ No được chọn để thỏa mãn tiêu chí QEF sau khi qua bộ giải mãReed-Solomon Như vậy, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và chất lượng đường truyền

mà tỷ lệ mã được lựa chọn phù hợp.

Bảng 1.4 Tỷ lệ mã trong và Eb/ No yêu cầu tại phía thu

Tỷ lệ mã trong Eb/N0 yêu cầu (dB) (*)

QEF được định nghĩa là có xấp xỉ nhỏ hơn 1 lỗi trong 1 giờ ở đầu vào của

bộ giải nén MPEG-2 tương ứng với BER 10-10 đến 10-11

1.4 Tiêu chuẩn truyền hình vệ tinh lưu động DVB-DSNG (EN 301 210) [5]

Hiện nay, một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật truyềnhình là chức năng truyền hình lưu động Các chương hình trực tiếp như thểthao, ca nhạc, phỏng vấn, cầu truyền hình… luôn có sức hấp dẫn với khán giả Đểthực hiện điều này, phương pháp thường được sử dụng là các xe truyền hìnhlưu động SNG mặt trực tiếp tại nơi diễn ra sự kiện, truyền tín hiệu về cho studio xử

lý thông qua vệ tinh Truyền hình lưu động analog (PAL, SECAM, NTSC) sửdụng điều chế FM hoạt động ở băng tần C và Ku có thiết bị phát cồng kềnh và

đã trở nên lỗi thời Hiện nay, phổ biến là các hệ thống SNG kỹ thuật số DSNG vớinhững ưu điểm như:

- Giảm bớt kích thước của trạm phát lên (anten, bộ khuếch đại )

- Yêu cầu EIRP vệ tinh thấp hơn

- Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ

Vào năm 1997, tiêu chuẩn DVB-DSNG ra đời trên cơ sở kế thừa tiêuchuẩn DVB-S Bên cạnh kiểu điều chế QPSK trong DVB-S, tiêu chuẩn DSNG bổsung kỹ thuật điều chế lưới 8PSK và 16QAM Điều này tạo cho hệ thống khả nănglinh hoạt điều chỉnh phương pháp mã hóa kênh và điều chế trong những điềukiện cụ thể để tối đa chất lượng

1.4.1 Sơ lược về điều chế mã lưới

Điều chế mã lưới TCM được Ungerboeck phát minh vào năm 1971 Thôngthường trong xử lý tín hiệu, mã hóa và điều chế là 2 quá trình riêng biệt Tuynhiên với phương pháp TCM, điều chế và mã hóa được kết hợp với nhau để nângcao hiệu suất của hệ thống Hệ thống TCM gồm 2 thành phần chính: Bộ mã hóalưới (mã chập) và bộ ánh xạ bit lên chòm sao điều chế

Bộmã hóa chập

Tỷ lệ k/(k+1)

Bộ điều chế M mức

M = 2k+1

Symbol sau điều chế

Ánh xạ bit (k+1)bit

Điều chế

k bit

.

.

Hình 1.20 Nguyên lý điều chế TCMViệc sử dụng điều chế mã lưới TCM nhằm làm tăng hiệu suất sử dụng phổtín hiệu Băng thông cần thiết không thay đổi vì tốc độ symbol và độ rộng xungkhông đổi Điều khác biệt là số bit trên một symbol nhiều hơn khiến tốc độ bit tănglên Điều này phải trả giá bằng việc khoảng cách giữa các symbol trên chòm saođiều chế giảm đi Số mức M trong kỹ thuật điều chế M mức càng lớn thìkhoảng cách này càng giảm, gây khó khăn trong quá trình giải điều chế do yêucầu tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N phải đủ lớn Kỹ thuật TCM khắc phục điều nàybằng cách sử dụng mã chập trước khi các bit được đưa vào điều chế để tăng khảnăng chống lỗi Do vậy hiệu suất tăng lên trong khi băng thông và công suất phát làkhông thay đổi

Điều chế mã lưới được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-DSNG là phươngpháp”pragmatic”TCM do Viterbi đề xuất Phương pháp này không hiệu quả bằngphương pháp TCM tối ưu, tuy nhiên nó sử dụng bộ mã chập tỷ lệ 1/2, 64 trạngthái tiêu chuẩn công nghiệp Nguyên lý chung của”pragmatic”TCM trong DVB-DSNG là chỉ mã hóa một số các bit đầu vào Các bit còn lại không được thêm

mã sửa lỗi do vậy sẽ được ánh xạ lên các symbol cách xa nhau trên biểu đồ

chòm sao điều chế Nhờ vậy, tốc độ bit truyền qua hệ thống tăng lên so vớiDVB-S nhưng vẫn đảm bảo giải mã chống lỗi được ở phía thu

Ánh xạ bit lên chòm sao điều chế

Mã chập P/P

P/P : Song song – song song

P/S : Song song – nối tiếp

.

.

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý điều chế TCM”pragmatic”dùng trong DVB

1.4.2 Tiêu chuẩn DVB-DSNG (EN 301 210)

Trong DVB–DSNG, quá trình xử lý dòng dữ liệu tương tự như tiêu chuẩnDVB-S, với một số khác biệt:

 Thích nghi ghép kênh dòng truyền tải và phân tán năng lượng (theo DVB-S)

 Mã hóa ngoài Reed-Solomon (204, 188) (theo DVB-S)

 Xáo trộn bit (theo DVB-S)

 Mã hóa trong:

▪ Mã chập có loại bỏ bit (theo DVB-S)

▪ Mã lưới”pragmatic”liên kết với 8PSK và 16QAM

 Ánh xạ bit lên chòm sao điều chế:

▪ QPSK (theo DVB-S)

▪ 8PSK (khác DVB-S)

▪ 16QAM (khác DVB-S)

 Lọc băng gốc dùng bộ lọc cos nâng:

▪ Hệ số cuốn α = 0,35 cho QPSK, 8PSK, 16QAM

▪ Tùy chọn α = 0,25 cho 8PSK, 16QAM

 Điều chế cầu phương (quadrature modulation) (theo DVB-S):

Khi sử dụng điều chế QPSK, tiêu chuẩn DVB-DSNG hoàn toàn tương tự vớiDVB-S Trong 2 trường hợp còn lại, 2 tiêu chuẩn khác biệt nhau từ phần mã hóatrong và điều chế Ví dụ, với trường hợp 8PSK 2/3:

Với mã sửa sai 2/3, cứ 2 bit vào thì có 3 bit tại đầu ra Khối chuyển đổi song

song ra song song sẽ biến đổi 8 tín hiệu vào thành 2 tín hiệu ra song song Hailuồng bit này sẽ được đưa qua khối mã chập với tỷ lệ 1/2 trên đường E1 đểtạo ra 2 bit trên 1 nhịp cùng với 1 bit trên đường NE để tạo ra 3 bit trên 1 nhịpcho phù hợp với 1 symbol điều chế 8PSK Sau đó 3 bit này sẽ được đưa đến khốiđiều chế 8PSK.

Tạo symbol 8PSK

Mã chập

tỷ lệ 1/2 P/P

P0

P7

NE 1 Nhánh không mã hóa

Y X

U1

E1

Q

I C2

C1Nhánh được mã hóa 2 bit mã trong symbol

Hình 1.22 Sơ đồ khối điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB-DSNG

Khối mã chập tương tự như trong điều chế QPSK Giản đồ định vị bitđiều chế 8PSK, TCM với tỷ lệ trên 2/3 như trong hình vẽ sau:

I Q

U1=1 C2=1 C1=1

U1=1 C2=0 C1=1

U1=1 C2=0 C1=0

U1=0 C2=1 C1=0

U1=0 C21=1 C1=1

U1=0 C2=0 C1=1

U1=1 C2=1 C1=0

U1=0 C2=0 C1=0 1

1

Hình 1.23 Giản đồ định vị bit điều chế 8PSK tỷ lệ 2/3 trong DVB –DSNGCác phương pháp điều chế và mã hóa khác trong DVB-DSNG cũng cónguyên lý tương tự 8PSK 2/3 Sử dụng nhiều tỷ lệ mã khác nhau giúp cho hệthống DVB –DSNG có khả năng lựa chọn phương án tối ưu tùy theo điều kiện

cụ thể

Bảng 1.5 Các lựa chọn điều chế và mã hóa trong DVB –DSNG

Kiểu điều chế Tỷ lệ

mã trong

Hiệu suất phổ(số bit/symbol)

Eb/ No yêu cầu(dB) (*)

QEF được định nghĩa là có xấp xỉ nhỏ hơn 1 lỗi trong 1 giờ ở đầu vào của

bộ giải nén MPEG-2 tương ứng với BER 10-10 đến 10-11

1.5 Kết luận chương 1

Tiêu chuẩn DVB-S và DVB-DSNG thiết kế trên cơ sở gia tăng khảnăng chống nhiễu cho dòng truyền tải MPEG-2 và hiện đang được sử dụngrộng rãi trong truyền hình có các đặc điểm nổi bật là:

1 Tín hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 TS

2 Kiểu điều chế là QPSK đối với DVB-S và QPSK, 8PSK, 16QAM đốivới DVB-DSNG

3 Mã hóa chống nhiễu: Mã ngoài là mã RS(204,188) và mã trong là mã chập

4 Hiện chỉ sử dụng hai hệ số rool-off là 0,35 và 0,25

5 Mã hóa và điều chế là cố định không thay đổi được khi đang trong quátrình truyền tin

Chương 2 TIÊU CHUẨN DVB-S2 VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

Chuẩn truyền hình số qua vệ tinh DVB-S hiện đang được sử dụng rộng rãitrên thế giới, tuy nhiên nhu cầu tăng hiệu quả sử dụng băng tần và tốc độ truyềndẫn tín hiệu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các dịch vụ như dịch vụHDTV, dịch vụ internet tốc độ cao qua vệ tinh….Chuẩn DVB-S2 (Digital SatelliteBroadcasting 2nd Generation) ra đời để đáp ứng các nhu cầu đó

2.1 Giới thiệu về tiêu chuẩn DVB -S2 (EN 302 307) [6]

DVB-S2 là thế hệ thứ 2 của truyền hình số phát qua vệ tinh, được phát triển từnăm 2003, phiên bản mới nhất là V1.2.1 tháng 8 năm 2009 DVB-S2 kết hợp chứcnăng của truyền hình quảng bá DVB-S và các ứng dụng chuyên nghiệp DVB-DSNGtrong một tiêu chuẩn duy nhất Trong tương lai, DVB-S2 sẽ dần thay thế cả hai tiêuchuẩn này nhờ sự vượt trội về hiệu quả sử dụng băng tần và độ linh hoạt

Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2 như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống DVB-S2

2.1.1 Khối thích nghi kiểu truyền dẫn

Khối thích nghi kiểu truyền dẫn thực hiện việc thích nghi giao diện đầu vào,

mã hóa CRC-8 để phát hiện lỗi, đồng bộ và kết hợp dòng bit (trong trường hợp đầuvào đa chương trình), chia nhỏ dòng bit thành các DATA FIELD Cuối cùng,một tín hiệu báo hiệu được thêm vào để thông báo cho phía thu biết những thôngtin cơ bản về dữ liệu và cấu trúc khung Định dạng của chuỗi bit đầu ra của khốithích nghi kiểu truyền dẫn sẽ bao gồm trường BBHEADER (80 bit) và trường dữliệu DATA FIELD có kích thước không cố định.

2.1.1.1 Khối giao diện đầu vào

Theo định nghĩa, đầu vào của hệ thống DVB-S2 có thể là:

- Một hoặc nhiều dòng truyền tải (TS) MPEG

- Một hoặc nhiều dòng dữ liệu chung, có thể là dòng bit liên tục hoặc dạng gói

Do DVB-S2 chấp nhận nhiều dạng đầu vào khác nhau nên các dạng đầu vàonày cần phải được nhận biết và chuyển về một dạng chung DVB-S2 phân loại đầuvào dựa trên độ dài của dòng bit và gán các giá trị độ dài gói UPL (UserPackets Length) tương ứng như sau:

- Dòng truyền tải TS: Giá trị UPL cố định và bằng (188 x 8) bit (độ dài

một gói MPEG) Byte đầu tiên luôn là byte đồng bộ (47HEX)

- Dòng dữ liệu chung: Có thể là dòng bit liên tục (được gán UPL = 0D),

hoặc dạng gói dữ liệu Trong trường hợp gói, nếu độ dài gói không đổi và nhỏ hơn64K thì UPL được gán bằng độ dài của gói, nếu không thỏa mãn 2 điều kiệntrên thì đầu vào được xem như liên tục (UPL = 0D)

Đối với các gói dữ liệu không phải dòng truyền tải, nếu byte đồng bộ là byteđầu tiên của gói thì byte này sẽ không bị thay đổi Nếu không, byte đồng bộ bằng 0D

sẽ được thêm vào phía trước của gói đồng thời giá trị UPL tăng thêm 8 bit

- Tín hiệu điều khiển ACM (ACM Command): Nếu hệ thống làm việc

trong chế độ mã hóa điều chế thích nghi ACM, tín hiệu điều khiển có thể được sửdụng để điều chỉnh tỷ lệ đầu vào cho phù hợp với điều kiện truyền dẫn

đồng bộ được hệ thống gán bằng 0 nếu không có).

Nếu như vậy, phần mang thông tin có ích của gói UP (ngoại trừ byteđồng bộ) sẽ được đưa vào bộ mã hóa CRC, với đa thức sinh: g(X) = (X5 + X4 +X3 + X2 + 1)(X2 + X + 1)(X + 1) = X8 + X7 + X6 + X4 + X2 + 1

Đầu ra bộ mã hóa CRC là phần dư của phép tính: [ X8u(X): g(X) ], trong

đó u(X) là gói đầu vào sau khi trừ đi 8 bit của byte đồng bộ Giá trị này sẽ thay thếcho byte đồng bộ của gói UP tiếp theo, còn byte đồng bộ bị thay thế sẽ đượccopy vào trường SYNC của BBHEADER

(Kbch-80) ≥ DFL ≥ 0Trong đó KBCH là độ dài khối bit trước khi mã hóa BCH (nhận các giá trịkhác nhau, tùy theo tỷ lệ mã được áp dụng), 80 bit là kích thước của trườngBBHEADER

 Merger:

Liên kết các khối DATA FIELD của cùng một dòng đầu vào Trong trườnghợp chỉ có một dòng dữ liệu đầu vào thì khối khối Merger trở nên không cầnthiết và được bỏ qua

Tùy thuộc vào ứng dụng, việc phân chia các bit vào trường DATAFIELD có thể được thực hiện theo 2 cách:

- Lấp đầy kích thước tối đa của DATA FIELD, tương ứng với độ dài bit yêucầu trước khi mã hóa BCH trừ đi 80 bit BBHEADER (Kbch-80) Như vậy, một gói

UP có thể bị chia vào nhiều DATA FIELD khác nhau

- Ngược lại, có thể phân chia sao cho mỗi DATA FIELD chỉ chứa một sốnguyên các UP

Do các gói UP có thể bị chia vào các DATA FIELD khác nhau và cácbyte đồng bộ được thay thế bằng trường sửa lỗi CRC-8, nên để thực hiện đồng bộ ởphía phát cần chỉ ra số các bit tính từ đầu một DATA FIELD cho đến bit bắt đầucủa trường CRC-8 đầu tiên Khoảng cách này sẽ được chứa trong trườngSYNCD trong BBHEADER

1) MATYPE (2 byte): mô tả định dạng dòng dữ liệu đầu vào, phương pháp thích

nghi kiểu truyền dẫn, chế độ làm việc CCM hay ACM, hệ số roll-off α

Trong đó:

Byte đầu tiên (MATYPE-1) gồm các thành phần: