Truyền hình số vệ tinh và ứng dụng trong mạng truyền hình cáp nội bộ luận văn tốt nghiệp đại học

Nén và mã hóa tín hiệu truyền hình Trung tâm của một mạng phát sóng video số bao gồm hệ thống nén, nócung cấp chương trình video và audio chất lượng cao cho người xem bằng cáchchỉ sử dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Vinh, 5/ 2011

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình là một hình thức thông tin rất sinh động, được nhiều người,nhiều ngành, quan tâm Truyền hình đen trắng đã bắt đầu tư trước chiến tranh thếgiới lần thứ hai Từ những năm 1953 đã bắt đầu truyền hình mầu các hệ truyềnhình màn NTSC, SECAM, PAL Hiện nay đang trở thành truyền hình cổ điển đểnhường cho thế hệ truyền hình mới có độ phân giải cao

So với truyền hình cổ điển, truyền hình bằng vệ tinh và cáp băng rộng đangtrở thành vấn đề rất thời sự hiện nay trên thế giới.Truyền hình vệ tinh có phần ưuđiểm đối với HDTV và cả truyền hình cổ điển Phạm vi phủ sóng bằng vệ tinhrất rộng, có thể vượt ra ngoài phạm vi của một lãnh thổ Ở Châu Á, truyền hìnhbằng vệ tinh đang rất phát triển, ở Việt Nam hiện nay có thể thu được 25 chươngtrình truyền hình qua vệ tinh của các nước trên thế giới

Muốn thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh, phần máy thu hình vệ tinh (DBS)phải có cấu tạo đặc biệt so với máy thu hình thông dụng Việc thu hình trực tiếp từ

vệ sinh có thể thực hiện tại gia đình hoặc thu tập thể rồi phân phối ddi các hộ giađình, cho một nhà cao tầng, khách sạn, cơ quan hoặc cho một tuyến phố, quận, xã Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này, em tìm hiểu về hệ thống thu truyềnhình trực tiếp từ vệ tinh Do lĩnh vực còn rất mới mẻ, thời gian có hạn, nên cuốn

đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được các thầy cô và các bạnchỉ bảo Qua đồ án nhỏ này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáohướng dẫn đồ án tốt nghiệp “CAO THÀNH NGHĨA” đã hết lòng chỉ bảo giúp

đỡ để đồ án hoàn thành tốt đẹp

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày17 tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện Nguyễn Trung Dương

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Truyền hình là một lĩnh vực không thể thiếu trong đời sống hiện nay, trảiqua nhiều giai đoạn phát triển từ truyền hình tương tự đến truyền hình số Vớiđịa hình nhiều đồi núi và hải đảo như nước ta hiện nay, để có thể số hóa hoàntoàn truyền hình vào năm 2020 thì sẽ có nhiều lựa chọn phương thức truyền dẫn,trong đó truyền hình số vệ tinh là một lựa chọn tối ưu Đây cũng là lý do emchọn đề tài “Truyền hình số vệ tinh và ứng dụng trong mạng truyền hình cápnội bộ” làm đồ án tốt nghiệp đại học của mình

Bố cục đồ án gồm có 3 chương trình bày những vấn đề cơ bản của truyềnhình số nói chung và truyền hình số vệ tinh nói riêng Từ đó đồ án đặt ra bàitoán thiết kế và tính toán hệ thống thu truyền hình số vệ tinh cho tòa nhàchung cư C1 – Đường Nguyễn Thái Học – Tp.Vinh – Nghệ An

SUMMARY BLUEPRINTS

Television is an indispensable field of life today, undergo many stages ofdevelopment from Analog TV to Digital TV With terrain has many mountainsand island as our country are now, to complete digitized the television into 2020year then there will be many choice of transmission modes, in which the DigitalSatellite TV is the optimal choice This is why i chose the subject: ” Satellite –

TV and applications in the internal cable television network” to do graduationblueprints of me

Blueprints’s layouts include there are three chapters, presented the basic ofDigital TV in general and presented separately about Digital – Satellitetelevision From there set a project about design and calculated the receiverssystem Satellite TV for apartments of condominium C1 – Nguyen Thai HocStreet – Vinh City – Nghe An province

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 9

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ 12

1.1 Sơ đồ khối hệ thống phát thanh truyền hình số 12

1.2 Đặc điểm của phát thanh truyền hình số 13

1.3 Vấn đề truyền dẫn truyền hình số 13

1.4 Vấn đề thu tín hiệu truyền hình số 15

1.5 Nén và mã hóa tín hiệu truyền hình 17

1.5.1 Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số 18

1.5.2 Chuẩn nén MPEG 20

1.5.3 Biến đổi ADC và DAC 22

1.6 Điều chế tín hiệu số 23

1.6.1 Điều chế QAM 23

1.6.2 Điều chế Q-PSK 26

1.7 Kết luận chương I 27

Chương 2 TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH 28

2.1 Hệ thống thông tin vệ tinh 28

2.1.1 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 29

2.1.2 Quy mô và phạm vi các vùng được vệ tinh phủ sóng 30

2.1.3 Góc ngẩng của các anten tram mặt đất 31

2.1.4 Thời gian truyền và thời gian trễ 31

2.1.5 Nhiễu trong thông tin vệ tinh 31

2.1.6 Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh 32

2.1.7 Cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh 34

2.2 Truyền hình số vệ tinh 36

2.2.1 Dải tần cho truyền hình vệ tinh 37

2.2.2 Nguyên tắc sử dụng tối ưu các dải tần 38

2.2.3 Loại điều chế cho máy phát hình trên vệ tinh 39

2.2.4 Công suất máy phát hình trên vệ tinh 40

2.2.5 Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh 41

2.2.6 Các chương trình truyền hình vệ tinh thu được ở Việt Nam 45

2.3 Hệ thống Tivi gia đình TVRO 46

2.3.1 Sơ đồ khối tổng quát của TVRO 46

2.3.2 Anten thu, góc ngẩng, góc phương vị và góc phân cực 48

2.3.3 Mạch tiền khuếch đại và dịch tần 51

2.3.4 Khối thu vệ tinh 51

2.3.5 Ảnh hưởng của nhiễu 57

2.3.6 Ảnh hưởng của công suất phát sóng, kích thước an ten thu, mưa 58

2.4 Kết luận chương 2 59

Chương 3 TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU TVRO CHO KHU CHUNG CƯ C1 60

3.1 Khảo sát các đặc điểm cần để thiết lập nơi thu 60

3.2 Mô hình tổng quan thiết kế lắp đặt 61

3.3 Khối thu thường gồm các thiết bị sau 62

3.4 Tính toán các thông số cần thiết khi lắp đặt máy thu hình qua vệ tinh 63

3.4.1 Tính khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm cho trước trên mặt đất d 64

3.4.2 Tính góc ngẩng của anten, khoảng cách giữa điểm thu trên mặt đất với vệ tinh 65

3.4.3 Tính góc nửa công suất sóng 1, 2 66

3.5 Khối phân phối 70

3.6 Lựa chọn thiết bị lắp đặt 71

3.6.1 Chọn và lắp đặt Anten 71

3.6.2 Chọn bộ LNA và LNB 72

3.6.3 Chọn máy thu TVRO 72

3.6.4 Chọn bộ Booter 72

3.6.5 Chọn Cable 72

3.6.6 Các loại Tap 73

3.7 Thiết kế lắp đặt cụ thể 74

3.7.1 Khối thu tín hiệu 75

3.7.2 Khối phân phối 77

3.7.3 Tính toán suy hao cho các tầng 81

3.7.4 Bảng thống kê các thiết bị sử dụng 85

3.8 Kết luận chương 3 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số 12

Hình 1.2 Sơ đồ khối hộp SET-TOP-BOX 16

Hình 1.3 Sơ đồ khối mạch biến đổi ADC 22

Hình 1.4 Sơ đồ khối mạch biến đổi DAC 23

Hình 1.5 Sơ đồ chòm sao của 16-QAM 24

Hình 1.6 Cấu hình bộ điều chế Q-PSK 26

Hình 1.7 Cấu hình bộ giải điều chế Q-PSK 27

Hình 1.8 Biểu đồ sao tín hiệu 27

Hình 2.1 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 30

Hình 2.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 35

Hình 2.3 Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 35

Hình 2.4 Trạm mặt đất 36

Hình 2.5 Sơ đồ khối phần phát hệ thống truyền hình vệ tinh 42

Hình 2.6 Sơ đồ khối bên thu phần xử lý tín hiệu (đầu thu) 44

Hình 2.7 Khối thu siêu cao tần và máy thu cá nhân 47

Hình 2.8 Máy thu truyền hình vệ tinh 47

Hình 2.9 Góc ngẩng và góc nghiêng 49

Hình 2.10 Các loại phân cực 51

Hình 2.11 Hai lần dịch tần 53

Hình 2.12 Sơ đồ khối mạch dịch tần 56

Hình 2.13 Máy thu hình vệ tinh 56

Hình 2.14 Cách bố trí chảo phản xạ 58

Hình 2.15 Tâm chùm sáng C/N 58

Hình 3.1 Mô hình tổng quát một hệ thống thu phát truyền hình qua vệ tinh 62

Hình 3.2 Bộ chia 4 và chia 8 62

Hình 3.3 Vị trí của vệ tinh và điểm thu trên mặt đất 63

Hình 3.4 Góc phương vị và khoảng cách 64

Hình 3.5 Tính khoảng cách và góc ngẩng của Anten tại điểm thu 65

Hình 3.6 Biểu diễn vị trí Elip theo mặt phẳng cắt chùm sóng 66

Hình 3.7 Vị trí hình học tại điểm S 67

Hình 3.8 Đường thẳng song song với mặt bình đồ 67

Hình 3.9 Chung cư cao cấp C1 – Đường Nguyễn Thái Học – Tp.Vinh 75

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý khối thu 75

Hình 3.11 Sơ đồ khối thiết kế khối thu TVRO 76

Hình 3.12 Cấu trúc phân phối cáp hình xương cá 77

Hình 3.13 Cấu trúc phân phối cáp hình cây 78

Hình 3.14 Cấu trúc phân phối cho tầng 1 79

Hình 3.15 Cấu trúc phân phối cho tầng 2 đến tầng 5 80

Hình 3.16 Sơ đồ phân phối cáp tông quát của cả chung cư 81

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Quy tắc quay bít có trọng số thấp LSB 24

Bảng 2.1 Băng tần và ký hiệu của chúng 33

Bảng 2.2 Phân chia băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh 34

Bảng 2.3 Dải tần cho truyền hình vệ tinh 37

Bảng 2.4 Các chương trình truyền hình vệ tinh thu được ở Việt Nam 45

Bảng 2.5 Giá trị góc lệch và góc nghiêng 49

Bảng 2.6 Các thông số Anten thu và mạch tiền khuyếch đại 54

Bảng 2.7 Tỷ số C/N 55

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Điều chế xung mã vi sai

Power

Công suất bức xạ đẳng hướng

hiệu dụng

thấp

nhiễu thấp

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

TVRO Television Receive Only Truyền hình vệ tinh dành cho cá

nhân và tập thể

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ

Trong chương này nội dung của chính sẽ trình bày về truyền hình số.Là xuhướng phát triển truyền hình của các nước trên thế giới hiện nay đang hướng đếnvới nhiều ưu điểm về chất lượng và dịch vụ phục vụ khách hàng vượt trội so vớitruyền hình tương tự cổ điển

1.1 Sơ đồ khối hệ thống phát thanh truyền hình số

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số

Tín hiệu Video, Audio tương tự được biến đổi thành tín hiệu số Tín hiệunày có tốc độ bít rất lớn nên cần phải qua bộ nén để giảm tốc độ bit của chúng.Các luồng tín hiệu này được đưa tới bộ ghép kênh (MUX) rồi đưa tới bộ điều chế

1.2 Đặc điểm của phát thanh truyền hình số

- Ít bị tác động của nhiễu so với truyền hình tương tự

- Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu truyền hình âm thanh và hình ảnh

- Có khả năng áp dụng kỹ thuật sửa lỗi

- Do chỉ truyền đi các giá trị 0 và 1 nên các tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tínhiệu điều khiển đều được xử lý giống nhau

- Có thể khóa mã dễ dàng

- Đòi hỏi công suất truyền dẫn thấp hơn

- Các kênh có thể định vị tương đối dễ dàng

- Các hệ thống điều chế được phát triển sao cho có khả năng chống đượchiện tượng bóng hình và sai pha

- Chất lượng dịch vụ giảm nhanh khi không nằm trong vùng phục vụ

- Đòi hỏi tần số mới cho việc phát thanh, truyền hình quảng bá

- Người xem phải mua máy mới hoặc sử dụng bộ chuyển đổi

- Những sự đầu tư mới được yêu cầu vè các phương tiện tại các tram phát [2],[3] 1.3 Vấn đề truyền dẫn truyền hình số

Việc sử dụng kỹ thuật số để truyền tín hiệu Video đòi hỏi phải xác định tiêuchuẩn số của tín hiệu truyền hình, phương pháp truyền hình để có chất lượnghình ảnh thu không kém hơn chất lượng hình ảnh trong truyền hình tương tự

Có thể sử dụng các phương thức truyền dẫn sau cho tín hiệu truyền hình số:

- Truyền qua cáp đồng trục: Để truyền tín hiệu Video có thể sử dụng cápđồng trục cao tần Kênh có thể nhiễu làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền và sai

số truyền Ví dụ nhiễu nhiệt

Ngược lại, nhiễu tuyến tính của kênh sẽ không xảy ra trong trường hợptruyền số với các thông số tới hạn

Để đạt được chất lượng truyền hình cao, cáp có chiều dài 2500km cần đảm

Độ rộng kênh dùng cho tín hiệu Video bằng khoảng 3/5 tốc độ bit của tínhiệu Độ rộng kênh phụ thuộc vào phương pháp mã hóa và phương pháp ghépkênh theo thời gian cho các tín hiệu cần truyền và rộng hơn nhiều so với độ rộngkênh truyền tín hiệu tương tự

- Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang: Cáp quang có nhiều ưuđiểm trong việc truyền dẫn tín hiệu số hơn so với cáp đồng trục:

+ Băng tần rộng cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ cao

+ Độ suy hao thấp trên một đơn vị chiều dài

+ Suy giảm giữa các sợi quang dẫn cao (80dB)

+ Thời gian trễ qua cáp quang thấp

Muốn truyền tín hiệu Video bằng cáp quang phải sử dụng mã truyền thíchhợp Để phát hiện được lỗi truyền người ta sử dụng thêm các bit chẵn Mã sửasai thực tế không sử dụng trong cáp quang vì độ suy giảm đường truyền <20dB,lỗi xuất hiện nhỏ và có thể bỏ qua được

- Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh: Kênh vệ tinh khác với kênhcáp và kênh phát sóng mặt đất là có băng tần tần rộng và sự hạn chế công suấtphát Khuyếch đại công suất của các Transponder làm việc gần như bão hòatrong các điều kiện phi tuyến Do đó sử dụng điều chế QPSK là tối ưu

Các hệ thống truyền qua vệ tinh thường công tác ở dải tần số cỡ Ghz

Ví dụ: Băng Ku: Đường lên: 14GHz15Ghz

Đường xuống: 11,7GHz12,5GHz

- Phát sóng truyền hình số mặt đất: Hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất sửdụng phương pháp điều chế COFDM (ghép kênh theo tần số mã trực giao) COFDM

là hệ thống có khả năng chống nhiễu cao và có thể thu được nhiều đường, cho phépbảo vệ phát sóng số trước ảnh hưởng của can nhiễu và các kênh lân cận

Hệ thống COFDM hoạt động theo nguyên tắc điều chế dòng dữ liệu bằngnhiều tải trực giao với nhau Do đó mỗi tải điều chế với một dòng số liệu, baonhiêu lần điều chế thì bấy nhiêu tải.

Các tín hiệu số liệu được điều chế M-QAM, có thể dùng 16-QAM Phổ cáctải điều chế có dang sinx/x trực giao Có nghĩa các tải kề nhau có giá trị cực đạitại các điểm 0 của tải trước đó

Điều chế và giải điều chế các tải thực hiện nhờ bộ biến đổi Fourier nhanhFFT dưới dạng FFT 2K và FFT 8K Với loại vi mạch trên có thể thiết kế chohoạt động của 6785 tải Các hãng RACE có thiết bị phát sóng truyền hình cho

896 tải, hãng NTL cho 2000 tải [2], [3]

1.4 Vấn đề thu tín hiệu truyền hình số

Quá trình thu là quá trình ngược lại của công việc phát hình Máy thu hình

số và máy thu hình tương tự về mặt nguyên lý chỉ khác nhau ở phần trung tần(IF), còn phần cao tần (RF) là hoàn toàn giống nhau Sự khác chủ yếu là từ phầntrung tần đến phần giải điều chế và xử lý tín hiệu đầu ra Nếu máy thu tương tự

sử dụng bộ điều chế và giải điều chế tương tự (AM, FM) thì máy thu số sử dụng

bộ điều chế số(PSK, QAM, OFDM hoặc VSB) Phần xử lý tín hiệu của hai loạimáy thu là hoàn toàn khác nhau do bản chất của hai loại tín hiệu số và tương tự.Việc phát chương trình truyền hình số không ảnh hưởng đến việc thu truyềnhình tương tự bình thường Truyền hình số bao gồm cả hình ảnh có độ phân giảicao (HDTV) lẫn độ phân giải tiêu chuẩn (SDTV) và máy thu hình có thể thuđược chương trình truyền hình theo định dạng của hình Ví dụ khi phát mộtchương trình có chất lượng HDTV thì người xem có máy thu hình HDTV sẽ thuđược hình ảnh có chất lượng cao HDTV, trong khi đó người xem chỉ có máy thubình thường vẫn xem được chương trình nhưng hình ảnh có chất lượng SDTV

Để có thể đáp ứng được viêc thu chương trình truyền hình số bằng máy thutương tự, nhiều hãng đã sản xuất thiết bị đêm SET-TOP-BOX trước khi đi đến

Sau đây là sơ đồ khối của một hộp SET-TOP-BOX:

Hình 1.2 Sơ đồ khối hộp SET-TOP-BOX

Tín hiệu trung tần từ sau bộ trộn tần được đưa đến các bộ giải điều chếtương ứng (COFDM, VSB đối với mặt đất; QPSK đối với truyền hình vệ tinh;QAM đối với truyền hình cáp) Sau đó chúng được đưa tới bộ tách tín hiệu(Demultiplexer) MPEG-2 để tách riêng tín hiệu hình, tín hiệu tiếng và các tínhiệu bổ sung Trong một kênh truyền hình thông thường có thể truyền 4 đến 5kênh truyền hình SDTV theo tiêu chuẩn MPEG-2 Tiếp theo, tín hiệu được biếnđổi trong các bộ xử lý đặc biệt (bộ giải mã MPEG, bộ biến đổi DAC ) Các tínhiệu đầu ra được đưa đến các thiết bị tương ứng

Một phần tử quan trọng của SET-TOP-BOX là khối điều khiển Cùng vớiviệc sử dụng kỹ thuật số, số lượng các chương trình truy nhập có thể lên đến vàitrăm Việc tìm các chương trình mà người xem quan tâm không phải là đơn giản

Vì thế trong tín hiệu MPEG-2 có cả thông tin bổ sung môt tả các chương trìnhtruyền hình Nhiệm vụ của khối điều khiển là hình ảnh hóa các thông tin này cho

biết các hộ thuê bao có quyền thu chương trình mà họ muốn không ( các chươngtrình đều được gài mã để thu tiền).

Máy thu hình được nối với trung tâm phát hình qua đường dây điện thoại.Qua đó người xem có thể yêu cầu chương trình cần xem (Video-on-Demand)hoặc mua bán qua truyền hình, đăng ký vé máy bay, tư vấn về một vấn đề gì đó

Đó là truyền hình tương tác, có sự tham gia tích cực của người xem truyền hình

Sơ đồ khối máy thu hình có thể có ba loại điều chế cho môi trường truyềnlan tương ứng (vệ tinh, cáp, mặt đất), do các môi trường lan truyền khác nhaunên có định dạng khác nhau

- Đường truyền cáp sử dụng điều chế QAM nhiều trạng thái (16, 32, 64 và

có thể 128, 256 trạng thái) Việc tăng số trạng thái sẽ làm tăng dung lượng kênhthông tin nhưng đồng thời làm giảm tính chống nhiễu của tín hiệu Bằng cáchđiều chế này, dung lượng một kênh cáp có dải rộng 8MHz với khả năng truyềndòng dữ liệ 3840Mb/s, có thể truyền được 6 chương trình truyền hình thôngthường hoặc hai chương trình HDTV

- Đường truyền vệ tinh có đặc tính phi tuyến do cấu tạo của các bộ khuyếchđại trên các Transponder vệ tinh có độ bão hòa sâu Đó là lý do các đường truyền

vệ tinh sử dụng điều pha PSK Dải thông của mỗi kênh truyền hình vệ tinh ítnhất 24MHz đủ rộng để có thể truyền hai chương trình truyền hình chất lượngstudio hoặc 5 đến 6 chương trình có chất lượng thấp hệ (PAL)

- Việc xác định tiêu chuẩn truyền dẫn phát sóng mặt đất có khó khăn vì phảiđảm bảo tính chống nhiễu trong trường hợp phản xạ sóng điện từ từ các vật cản khác

nhau, và trong chương này chúng ta cũng không đề cập đến vấn đề này [2],[3]

1.5 Nén và mã hóa tín hiệu truyền hình

Trung tâm của một mạng phát sóng video số bao gồm hệ thống nén, nócung cấp chương trình video và audio chất lượng cao cho người xem bằng cáchchỉ sử dụng một phần nhỏ độ rộng băng tần mạng Mục đích chính của nén là tốithiểu hóa khả năng lưu trữ và truyền dẫn phát sóng thông tin (ghép nhiều tín hiệu

chương trình truyền hình vào một dòng truyền) Hệ thống nén tín hiệu gồm các

bộ mã hóa số (digital encodes) và các bộ ghép kênh (multiplexers), Các bộencodes có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự (video/audio) sang dạng số(digitizing), nén (compressing) và xáo trộn (scrambling) thành một dòng audio,video và dữ liệu (data) khác dưới dạng số có nén Mã hóa số cho phép truyềndẫn, phát sóng nhiều chương trình video/audio chất lượng cao qua cùng độ rộngbăng tần như một kênh sóng video/audio tương tự (ví dụ 8Mhz ở Việt Nam) Tín hiệu đã được mã hóa và nén thành một dòng tín hiệu MPEG-2 (MovingPictures Experts Group: Chuẩn nén tín hiệu video/audio của Châu Âu, sử dụngcho Việt Nam) sẽ được đưa đến bộ ghép kênh, nhóm chuyên gia MPEG đã địnhnghĩa các tiêu chuẩn nén và định dạng file, bao gồm cả hệ thống đồ họa videoMPEG-2 Tiêu chuẩn nén tín hiệu video số MPEG-2 được chấp nhận ở 190nước Có nhiều tiêu chuẩn nén video/audio: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3,MPEG-4, MPEG-5, MPEG-6, MPEG-7, MPEG-J(JAVA),…Tuy nhiên, truyềnhình số quảng bá chỉ sử dụng tiêu chuẩn MPEG-2, Chuẩn nén MPEG-1 vàMPEG-3 được hợp nhất vào tiêu chuẩn MPEG-2 (máy VCD sử dụng chuẩn nénMPEG-1 còn DVD sử dụng chuẩn nén MPEG-2, do đó DVD đọc được cả đĩaVCD (MPEG-1) va đĩa DVD (MPEG-2) [1], [2]

1.5.1 Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự ra đời của Internet thìviệc tìm một phương pháp nén ảnh để giảm bớt không gian lưu trữ thông tin vàtruyền thông tin trên mạng nhanh chóng đang là một yêu cầu cần thiết

Trong những năm gần đây, có rất nhiều các phương pháp đã và đang đượcnghiên cứu rộng rãi để thực hiện nén ảnh, Tất cả đều với một mục đích chung làlàm thế nào để biểu diễn một ảnh với ít bit nhất để có thể tối thiểu hóa dunglượng kênh truyền và không gian lưu trữ trong khi vẫn giữ được tính trung thựccủa ảnh, Điều này tương đương với việc biểu diễn ảnh có độ tin cậy cao nhất vớitốc độ bit nhỏ nhất Tốc độ bit được đo bằng số bit trên một điểm ảnh (pixel)

Tốc độ bit đối với ảnh đen trắng khi chưa được nén là 8bit/pixel và đối với ảnhmàu là 24bit/pixel, Các kỹ thuật nén hiện nay cho phép dung lượng ảnh đượcnén giảm 30 đến 50 lần so với ảnh gốc mà ảnh vẫn giữ được độ trung thực cao,

Độ trung thực của ảnh được đánh giá dựa trên tiêu chí như lỗi trung bình bìnhphương (MSE: Mean Square Error) hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal-to-Noise rotio) giữa ảnh gốc và ảnh nén

Một tính chất chung nhất của tất cả các ảnh số đó là tương quan giữa cácpixel ở cạnh nhau lớn, điều này dẫn đến dư thừa thông tin để biểu diễn ảnh, Dưthừa thông tin sẽ làm cho việc mã hóa không tối ưu, Do đó công việc cần làm đểnén ảnh là phải tìm được các biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ nhất để giảmthiểu độ dư thừa thông tin của ảnh, Thực tế, có hai kiểu dư thừa thông tin đượcphân lọai như sau:

- Dư thừa trong miền không gian: Tương quan giữa các giá trị pixel củaảnh, điều này có nghĩa rằng các pixel lân cận của ảnh có giá trị gần giống nhau(trừ những pixel ở giáp đường biên ảnh)

- Dư thừa trong miền tần số: Tương quan giữa các mặt phẳng màu hoặc dảiphổ khác nhau

Trọng tâm của việc nghiên cứu về nén ảnh là tìm cách giảm số bit cần đểbiểu diễn ảnh bằng việc lọai bỏ dư thừa trong miền không gian và miền tần sốcàng nhiều càng tốt

- Nén ảnh không mất thông tin: Với phương pháp này sau khi giải nén takhôi phục được chính xác ảnh gốc, các phương pháp nén này bao gồm mã hóaHuffman, mã hóa thuật toán …

- Nén ảnh có mất thông tin: Ảnh giải nén có một sự sai khác nhỏ so với ảnhgốc Các phương pháp này bao gồm:

+ Lượng tử hóa vô hướng: PCM và DPCM

+Lượng tử hóa vector.

+ Mã hóa biến đổi: Biến đổi cosin rời rạc (DTC), biến đổi Fourier nhanh

+Mã hóa băng con [2]

1.5.2 Chuẩn nén MPEG

MPEG (Motion Picture Expert Group, tức nhóm Lão - làng về hình động).Nhóm này do viện định chuẩn Quốc Tế (ISO = International StandardOrganization) thành lập cuối năm 1988 nhằm định ra các dạng thức video số tối

ưu, dùng được cho nhiều lãnh vực

Khởi đầu từ dạng thức DVI (Digital Video Interactive, 1988) ghi hình trênCD-ROM của viện đại học Sarhoff Princeton, đến năm 1990 nhóm đã soạn xongdạng thức MPEG-1, chỉ áp dụng cho video số SIF (352x288x25 hoặc352x240x30 không xen kẽ), với bit rate trung bình cỡ 1.5MHz Có thể tạm xemMPEG-1 là phép nén nội hình JPEG (Intra Frame) + phép nén liên hình (InterFrame), bằng cách suy ra một hình ở giữa, từ dịch chuyển của cả hình sau lẫntrước nó (B = Bi-Directional Frame) Ứng dụng nổi bật của MPEG-1 là việc ghihình cùng lúc với hai đường âm thanh nổi trên đĩa CD, đạt chất lượng tươngđương băng từ VHS, gọi là VCD, vẫn còn tồn tại đến nay

Tỷ lệ nén của MPEG1 đạt khoảng 20:1 là một thành tựu lớn, mở ra triểnvọng dựa vào MPEG1 để phát triển ứng dụng cho truyền hình đại chúng(Broadcast TV, tức PAL, NTSC, SECAM) Năm 1991, nhóm soạn xong MPEG-

2 vẫn trên nền cú pháp của MPEG-1 nhưng thêm vào bộ công cụ xen kẽ(Interlace Tool) Bộ công cụ chọn tầm (Scalable Mode), chẳng hạn chọn tỷ lệkhuôn hình 4x3 hay 16x9, chọn nhóm hình (GOP) nhiều hay ít, chọn tầm dự báochuyển động (macro block) rộng hay hẹp Bộ công cụ phẩm cấp (Profiles-Levels), tùy chọn nhiều phẩm cấp chất lượng khác nhau, thành công của MPEG-

2 mỹ mãn đến độ ý định ban đầu chọn MPEG-3 dành riêng cho HDTV khôngcần làm nữa vì chính MPEG-2 đã đáp ứng được tất cả

Cuối năm 1992, MPEG-4 được soạn xong, đây là một phép nén hiệu quảcực cao nhưng chỉ dành cho các hình có cảnh nền cố định đã biết trước Chẳnghạn toàn cảnh sân banh trong một trận bóng đá, toàn cảnh văn phòng của mộtđiện thọai có hình …

Năm 1995 MPEG-1 và MPEG-2 và năm 1999 MPEG4 được công nhận làchuẩn quốc tế Các đặc điểm cần lưu ý:

MPEG không phải tín hiệu mà chỉ là cú pháp nén và giải nén luồng bit.MPEG-2 không định nghĩa cố định các thuật tóan, mà mở rộng khả năngcho từng phát kiến riêng, từng ứng dụng riêng Chẳng hạn thông số đánh giáchuyển dịch của hình (Motion Estimation), thông số GOP (Group Of Picture:nhóm hình) , tỷ lệ nén (Rate Control), … đều có thể tùy chọn

MPEG-2 mở rộng khả năng phát triển trong tương lai, tương thích được vớitất cả các bộ giải nén

MPEG-2 không đối xứng, nén MPEG-2 rất phức tạp, trong quá trình nén cókèm sẵn thông số giải nén cho đầu thu, đòi hỏi tính tóan rất nhiều, giải nénMPEG-2 đơn giản, cần ít tính tóan hơn tức rẻ tiền hơn

Nhóm hình _ GOP (Group Of Picture):

MPEG đạt hiệu quả nén cao, chủ yếu nhờ lọai bỏ dư thừa thời gian tức nénliên hình (inter frame), bằng cách không truyền lặp lại phần giống nhau của hìnhsau so với hình trước, nói cách khác là chỉ truyền những chổ đã khác đi (các chổ đãdịch chuyển) của hình sau so với hình trước Có 3 lọai hình được MPEG truyền đi:

- Hình I (Intra frame): Cứ sau một thời gian nhất định, lại truyền đi một hìnhđầy đủ gọi là hình I Nói cách khác, I là hình được nén nội hình và truyền đi đây đủ

- Hình P (Prediction frame): Được suy ra từ hình I trước đó, tức suy ra từchiều thời gian phía trước Nói rõ hơn, trong thời gian của hình P, chỉ truyềnthông tin khác nhau của nó so với hình I trước nó mà thôi

- Hình B (B- Directional frame): Được suy ra từ cả hình I (hoặc P) trước vàsau nó, tức là suy ra từ cả hai chiều thời gian Nói rõ hơn, trong thời gian của

hình B, truyền đi các chỗ khác nhau giữa nó với hình I (hoặc P) trước nó, hoặchình P (hay I) sau nó, hoặc cả hai, tùy theo kết quả dò tìm dịch chuyển.

Số hình có trong khoảng từ một hình I đến hình I kế tiếp gọi là một nhómhình, hay một GOP Tính chất của GOP ký hiệu bởi NM, N là số hình tổng cộngcủa nhóm, M là số hình có từ một hình P đến hình P kế tiếp, MPEG cho phép tùychọn nhóm hình, GOP nhỏ hay N nhỏ, số hình I có nhiều, hay sẽ không nén đượcnhiều Như vậy, với đường truyền có bit rate cho trước không đổi, với sốhình/giây đã cố định theo chuẩn, GOP nhỏ có nghĩa là hình truyền đi sẽ kém chấtlượng Ngược lại, GOP lớn hay N lớn, nén được nhiều hơn giúp hình truyền đichất lượng hơn, nhưng lại gây khó khăn cho các bộ dựng (phải giải nén ra từnghình đầy đủ rồi mới nối, chèn vào các chổ cần nối), M lớn còn đòi hỏi mạchMPEG tính tóan nhiều hơn và làm chậm (delay) video nhiều hơn

1.5.3 Biến đổi ADC và DAC

Nhiệm vụ của bộ biến đổi ADC là biến tín hiệu Video tương tự thành tínhiệu Video số tương ứng Quá trình này bao gồm khâu lấy mẫu, lượng tử hóa và

mã hóa Để thực hiện các khâu nói trên 1 cách đúng đắn, cần hạn chế băng tầntín hiệu vào đến tần số giới hạn (fgh<<fsa) và đồng bộ tất cả 3 khâu trên Sơ đồcủa mạch ADC như sau:

Xung lấy mẫu và xung

nhịp

Ra Vào

Hình 1.3 Sơ đồ khối mạch biến đổi ADC

Nhiệm vụ của bộ biến đổi DAC là biến đổi các tín hiệu Video dưới dạng mã

số thành các tín hiệu tương tự

Sơ đồ khối mạch DAC như sau:

Hình 1.4 Sơ đồ khối mạch biến đổi DAC 1.6 Điều chế tín hiệu số

Dòng tín hiệu số video/audio sau bộ ghép kênh chỉ có 2 trạng thái giá trị là

0 và 1.Tín hiệu số sẽ đi qua khối điều chế trước khi phát sóng Khi tín hiệu điqua quá trình điều chế, thì một số trạng thái sẽ được cộng lại, làm tăng tốc độtruyền dữ liệu Có 3 lọai điều chế số chính dùng cho truyền hình là: QAM(Quadrature Amplitude Modulation), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying),COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Trong truyềnhình cáp số ta sử dụng hai dạng điều chế là QAM và QPSK

1.6.1 Điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế QAM cho phép truyền tín hiệu số với tốc độ cao trongmột băng tần hẹp, nó có thể đạt tốc độ truyền đến 40Mbit/s và có tính miễn nhiễutốt đối với các kênh khác nhau cùng truyền chung trên một đường truyền Thôngthường ta có các Mode điều chế: 16, 32, 64, 128 hoặc 256 - QAM, được biểudiễn trong sơ đồ chòm sao (sơ đồ chòm sao tượng trưng cho tín hiệu truyền trong

hệ thống cáp) Mode điều chế thấp có tính miễn nhiễu rất cao (thông thườngdùng mode 16-QAM) Ngược lại, mode điều chế cao (mode 256-QAM) rất dễ bịnhiễu nên việc giải mã tín hiệu bên thu không ổn định.

Sơ đồ chòm sao của mode điều chế 16-QAM được biểu diễn trong hình sau.Các điểm trên chòm sao thuộc góc phần tư thứ nhất sẽ được chuyển sang góc phần tưthứ hai, thứ ba, thứ tư bằng cách thay đổi 2 bit có trọng số cao nhất MSB (có nghĩa là

Ik và Qk) và quay bit có trọng số thấp nhất LSB theo quy tắc cho bởi bảng sau:

Hình 1.5 Sơ đồ chòm sao của 16-QAM

Việc xác định mode QAM nào được sử dụng được căn cứ vào tình hình cụthể và tùy mỗi quốc gia Ví dụ nơi cần truyền nhiều chương trình thì dùng QAMmode cao (64-QAM, 256-QAM), nhưng lúc đó đòi hỏi thiết bị phải có chất

lượng cao và độ dài đường truyền thích hợp Nơi không cần truyền nhiều chươngtrình thì dùng QAM mode thấp để có độ tin cậy cao và tiết kiệm giá thành.

Vậy việc điều chế QAM cho truyền hình số qua cáp có nhiều ưu điểm:Với mode điều chế QAM thấp, đường truyền số qua cáp có tính khángnhiễu cao Nhiễu đường truyền hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng tínhiệu khi giải mã (mode điều chế có thể dùng là 16-QAM)

Tín hiệu giải mã ở phía thu chỉ có hai mức: Giải mã được (chất lượng hìnhảnh tốt) và không giải mã được (hình ảnh lúc giải mã lúc được lúc không, dừnghình) Hay nói cách khác: Hoặc thu được rất rõ hoặc không thu được

Việc khuếch đại tín hiệu số điều chế QAM cần được quan tâm, vì đây là tácnhân chính gây nên lỗi đường truyền, Tín hiệu số điều chế QAM sau khi khuếchđại phải được xử lý sao cho triệt được nhiễu xảy ra, Phải lọai bỏ nhiễu sinh ratrong quá trình khuếch đại, nếu không máy thu sẽ không giải mã được tín hiệu.Các kênh số có thể ghép kề nhau (mà không tác động lẫn nhau) Đối vớikênh tương tự khi ghép với kênh số điều chế QAM cần chú ý đến chồng phổtrong sóng mang hình và sóng mang tiếng

Tín hiệu điều chế số QAM truyền đi trên hệ thống phân phối bị suy hao Tuynhiên, nếu mức khuếch đại vừa đủ thì tín hiệu điều chế QAM vẫn được giải mã tốt

Có thể sử dụng hệ thống phân phối cáp cho truyền hình tương tự để phânphối kênh truyền số điều chế QAM

Đối với một hệ thống truyền hình cáp thực tế, mạng phân phối thường dùng

là mạng HFC Các kênh tương tự và kênh số truyền chung trên một hệ thốngphân phối, để không xảy ra sự chồng phổ của các kênh kề nhau (dù là kênhtương tự hay kênh số), các tín hiệu sau khi được khuếch đại ở máy phát cần chútrọng đến việc xử lý nhiễu Sau đó, có thể ghép các kênh tương tự và kênh số rồitruyền đi trên cáp quang Khi ghép nên thực hiện như sau:

+ Nên ghép theo từng nhóm các kênh tương tự và nhóm các kênh số

+ Các kênh số ghép ở băng tầng cao, các kênh tương tự ghép ở băng tầngthấp hơn do kênh số có tính kháng nhiễu tốt.

1.6.2 Điều chế Q-PSK

Q-PSK là kỹ thuật điều chế số có khả năng chống nhiễu điện từ trường tốthơn QAM, thường được sử dụng trong môi trường vệ tinh hoặc kênh phản hồi(kênh ngược) của mạng truyền hình cáp, Q-PSK làm việc dựa trên nguyên lýdịch tín hiệu số để không có pha trong tín hiệu ra, Q-PSK làm tăng độ mạnh củamạng Tuy nhiên sơ đồ điều chế Q-PSK có thể truyền dữ liệu tại 10Mbit/s

Q-PSK sử dụng 4 trạng thái pha để đạt hiệu quả sử dụng tần số cao hơn so với

hệ thống B-PSK Tín hiệu truyền đi được biến đổi từ nối tiếp sang song song, haisóng mang khác pha nhau π/2 được điều chế hai tín hiệu nhị phân trên và chúngđược kết hợp lại với nhau thành tín hiệu ra Tốc độ tín hiệu trong đường truyền dẫnbằng tốc độ chuỗi đầu vào Quá trình giải điều chế Q-PSK được coi là hai quá trìnhgiải điều chế B-PSK độc lập Hai tín hiệu băng gốc I(t) và Q(t) là kết quả so pha tín

hiệu thu được với hai sóng mang chuẩn lệch pha với nhau một góc π/2 [2], [3]

π/2

Hình 1.6 Cấu hình bộ điều chế Q-PSK

I(t)

Q(t)

TS

Khôi phục đồng hồ

Khôi phục sóng mang

Chương 2 TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH

Hiện nay truyền hình tương tự cổ điển đã dần bị thay thế bởi truyền hình sốvới chất lượng và các dịch vụ tốt hơn, với địa hình nhiều đồi núi của Việt Namthì hướng phát triển truyền hình số vệ tinh là hướng được các nhà phát hành vàlàm chương trình truyền hình lựa chọn Với tiền đề là các nội dung tổng quan đãtrình bày về Truyền hình số ở chương I, trong chương II em sẽ trình bày nộidung về Truyền hình số vệ tinh Nội dung cụ thể của chương này như sau:

- Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

- Một số điểm quan trọng trong truyền hình số vệ tinh

- Trọng điểm của chương là nội dung về Truyền hình số vệ tinh TVRO

2.1 Hệ thống thông tin vệ tinh

Ngày nay thì các hệ thống thông tin vệ tinh có thể truyền trực tiếp đếnngười sử dụng Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanhchóng bởi vì nó có nhiề lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác đó là:

tương đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệthống truyền dẫn

viễn thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mụctiêu, nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh, v.v …

trong lúc các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất thôngtin vệ tinh hoạt động

 Các thiết bị lắp đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời đểcung cấp điện hầu như cả ngày và đêm.

Tuy vậy, thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là:

nghệ phóng cũng như sản xuất thiết bị không phải quốc gia nào cũng làm được

môi trường truyền song, đặc biệt là ở những vùng có nhiều mưa hoặc mây mù.Nếu muốn dùng anten bé, trọng lượng thiết bị nhẹ thì tổn hao sóng truyền sẽ lớn

và giá thành thiết bị cũng sẽ gia tăng

cường độ trường tại điểm thu phụ thuộc vào búp sóng của anten vệ tinh phủsóng Điều đó cũng có nghĩa là phụ thuộc vào vị trí tọa độ của vệ tinh trên quỹđạo mà vị trí đó thì lại tập trung vào một số giới hạn các vị trí có những thuậnlợi Tín hiệu truyền qua tuyến lên và xuống của hệ thống thông tin vệ tinh phải

chịu một thời gian trễ đáng kể (khoảng 0,25s với vệ tinh địa tĩnh) [5]

2.1.1 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong đó

vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau Hai lực đó là lực hấp dẫn của TráiĐất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh Quỹ đạocủa vệ tinh nằm trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elip Nếu quỹđạo là tròn thì tâm của quỹ đạo tròn trùng với tâm của Trái Đất Nếu quỹ đạo làelip thì có một đầu elip nằm xa Trái Đất nhất và một đầu kia nằm gần Trái Đấtnhất Điểm xa nhất của vệ tinh trên quỹ đạo so với Trái Đất được gọi là viễnđiểm (apogee) và điểm gần nhất được gọi là cận điểm (perigee) Vệ tinh trongquỹ đạo elip sẽ di chuyển trên quỹ đạo chậm hơn khi khoảng cách giữa vệ tinh

và Trái Đất tăng lên (theo định luất Kepler) [5]

Tuỳ thuộc vào độ cao so với mặt đất các quỹ đạo của vệ tinh trong hệthống thông tin vệ tinh được phân chia như hình dưới

Hình 2.1 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Đa số vệ tinh thường được mô tả đặc điểm dựa theo quỹ đạo của chúng.Các loại quỹ đạo đó là:

- Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp LEO: 200 đến 1200 km bên trên bề mặt Trái Đất

- Quỹ đạo Trái Đất tầm trung ICO hay MEO: 1200 đến 35286 km

- Quỹ đạo địa tĩnh GSO

- Quỹ đạo Trái Đất tầm cao HEO: trên 35786 km

Ngoài ra còn có các dạng quỹ đạo đặc biệt như: Quỹ đạo Molniya, quỹ đạođồng bộ mặt trời, quỹ đạo cực, quỹ đạo di chuyển mặt trăng, quỹ đạo di chuyển

Hohmann, quỹ đạo siêu đồng bộ, quỹ đạo dưới đồng bộ [2]

2.1.2 Quy mô và phạm vi các vùng được vệ tinh phủ sóng

Trong thực tế với nhiều lý do đã xác nhận rằng, độ cao của vệ tinh khôngphải là nhân tố quyết định trong liên lạc đối với vùng phủ sóng cụ thể Lý thuyếttruyền sóng vô tuyến đã chứng minh rằng, sự suy giảm của sóng trên đườngtruyền trong khônng gian tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và điều nàyphù hợp với các vệ tinh có quỹ đạo thấp vì chúng có độ cao bé hơn Tuy nhiêntrong trường hợp này vệ tinh nhìn vùng phủ sóng dưới 1 góc khối lớn hơn Kếtquả là, tuy có lợi thế về độ cao nhưng lại giảm độ tăng ích của anten Các vệ tinh

quỹ đạo thấp chỉ phục vụ một phạm vi phủ sóng giới hạn theo thời gian và địađiểm xác định Nếu như độ tăng ích của anten vệ tinh có giá trị thấp (cỡ vài dB)với độ hướng tính kém thì bức xạ đa phương được hình thành và trong trườnghợp này thì các tram mặt đất phải trang bị các thiết bị bám vệ tinh Điều này dẫnđến chi phí cao, thế nên các vệ tinh địa tĩnh có lợi thế về việc phủ sóng các vùng

có diện tích rộng với thời gian liên tục ngày đêm Tuy nhiên các vệ tinh địa tĩnhkhông thể phủ sóng được các vùng cực mà các vùng này chỉ được phủ sóng bởicác vệ tinh có quỹ đạo elip nghiêng hoặc quỹ đạo cực

2.1.3 Góc ngẩng của các anten tram mặt đất

Một vệ tinh có quỹ đạo nghiêng hay quỹ đạo cực xuất hiện trên bầu trờitương ứng với vùng phủ sóng của mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định

và có thể cho thiết lập liên lạc tại các vùng thành thị có các tòa nhà cao tầng gâycản trở sóng truyền với một góc ngẩng cho phép trong khoang từ 0 đến 700 Đốivới các vệ tinh địa tĩnh thì góc ngẩng đó sẽ giảm khi sự chênh lệch về kinh tuyến

và vĩ tuyến giữa trạm mặt đất và vệ tinh gia tăng

2.1.4 Thời gian truyền và thời gian trễ

Vệ tinh địa tĩnh cung cấp một sự chuyển tiếp liên lạc liên tục cho các trạmtrong khoảng tầm nhìn của vệ tinh và trong trường hợp tổng quát, tín hiệu từtrạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác bị trễ một thời gian khoảng 0,25s Điềunày dẫn đến các việc cần phải có thiết bị điều khiển tiếng vọng (echo controldevices) cho các kênh thoại hoặc cần phải có các giao thức đặc biệt để truyềndẫn tín hiệu số Nếu như vệ tinh di chuyển ở quỹ đạo thấp thì thời gian truyềndẫn đó sẽ giảm Thời gian truyền dẫn cũng có thể lâu hơn (ví dụ một vài giờ) nếunhư phương thức truyền dẫn “lưu trữ-chuyển tiếp” được sử dụng

2.1.5 Nhiễu trong thông tin vệ tinh

Mỗi một vệ tinh địa tĩnh chiếm 1 vị trí có tọa độ tương ứng với các trạmmặt đất trong vùng phủ sóng của chúng Hiện nay số lượng vệ tinh địa tĩnh hoạt

động trên quỹ đạo là rất lớn và chúng có thể gây nhiễu cho nhau Các hệ thốngviba mặt đất cũng có thể gây nhiễu cho thông tin vệ tinh và ngược lại Do đó đểchống nhiễu hay nói đúng hơn là hạn chế nhiễu giữa các hệ thống người ta phải

có những quy định về phân phối vị trí quỹ đạo và băng tần sử dụng Khoảngkhông gian nhỏ giữa các vệ tinh trên quỹ đạo của các vệ tinh gần kề nhau tạicùng một băng tần sẽ làm gia tăng độ nhiễu và cản trở thiết lập các vệ tinh mới.Các hệ thống khác nhau có thể sử dụng các tần số hoặc các băng tần khác nhaunhưng điều này bị hạn chế bởi số lượng và giới hạn băng tần được phân bổ củaHiệp hội viễn thông Quốc tế ITU (International Telecommunication Union) chocác vùng địa lý trên Trái Đất và các loại hình dịch vụ khác nhau Trong trườnghợp này, một băng tần có thể bị giới hạn bởi phổ tần của quỹ đạo Mặt khác cácthông số hình học của vệ tinh so với hệ thống khác cũng sẽ biến đổi và việc đồng

bộ sẽ được đặt ra

2.1.6 Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh

Phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn vìvậy phải sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hợp lý, kinh tế và có hiệu quả.Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự cộngtác quốc tế và có quy hoạch Phân bố tần số được thực hiện dưới sự bảo trợ củaLiên đoàn viễn thông quốc tế ITU

Toàn thế giới được chia thành 3 vùng:

Vùng 1: gồm Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ

- Các dịch vụ vệ tinh cố định FSS: cung cấp các đường truyền cho các mạngđiện thoại hiện có cũng như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp đểphân phối trên các hệ thống cáp.

- Các dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS: Có mục đích chủ yếu phát quảng bátrực tiếp đến gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS

- Các dịch vụ vệ tinh di động: bao gồm di động mặt đất, di động trên biển

và di động trên không

- Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng: gồm các hệ thống định vị toàn cầu

- Các dịch vụ vệ tinh khí tượng

Các ký hiệu băng tần sử dụng chung cho các dịch vụ vệ tinh:

Bảng 2.1 Băng tần và ký hiệu của chúng

Dải tần (GHz) Ký hiệu băng tần

sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định Băng C được sử dụng cho các dịch

vụ vệ tinh cố định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp không được sử dụng băngnày Băng VHF được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và đểtruyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di

động và đạo hàng Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần băngđược sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng (4 – 6)GHz Hầu như các tần số caohơn được sử dụng cho đường lên Do đó băng C được ký hiệu là 6/4 GHz trong

đó số viết trước là tần số đường lên Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp trongbăng Ku, dải tần được sử dụng rộng rãi là (12 – 14)GHz và được ký hiệu là14/12 GHz ( các giá trị tần số có thể bị sai lệch ví dụ tần số băng Ku có thể là14.04 GHz và 11.763 GHz )

Ta có bảng phân chia băng tần như sau:

Bảng 2.2 Phân chia băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh

Ký hiệu Dải tần

quảng bá, vô tuyến định vị

tinh hàng hải

quảng bá

quảng bá, liên lạc giữa các vệ tinh

2.1.7 Cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh

Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm 2 phần: Phần không gian(Space segment) và phần mặt đất (Ground segment)

Trạm mặt đất 1

Trạm mặt đất 2 Phần mặt đất

Phần không gian

Vệ tinh

Đường lên (Uplink) Trạm điều Đường xuống (Downlink)

Hình 2.3 Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh

Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh đóng vai trò là một trạm chuyểntiếp, làm chức năng của một trạm lặp (repeater) Thu tín hiệu từ các trạm mặtđất, khuếch đại, biến đổi sang một tần số khác và khuếch đại lên một công suấtyêu cầu rồi phát trở lại mặt đất

b Phần mặt đất

Phần mặt đất bao gồm toàn bộ hệ thống trạm thu-phát mặt đất Khi muốnthiết lập đường liên lạc giữa hai điểm với nhau trên Trái đất thông qua trạmchuyển tiếp vệ tinh thông tin người ta phải thiết lập hai trạm trên mặt đất, do đóngười ta gọi là trạm mặt đất SES (Satellite Earth Station)

cao

Xử lý tín hiệu Tạo sóng mang Điều chế Chuyển đổi tăng dần

Dẫn sóng

Anten Video

Audio

Hình 2.4 Trạm mặt đất

Trạm mặt đất tiếp nhận các luồng tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từcác thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý nó và phát lên vệ tinh ở tần số vàmức công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh

Đối với trạm mặt đất thu thì nó sẽ thu các sóng mang trên đường xuống của

vệ tinh ở những tần số chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thànhcác tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới cácthiết bị đầu cuối của người sử dụng Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu vàphát lưu lượng một cách đồng thời hoặc chỉ phát hay thu

2.2 Truyền hình số vệ tinh

Hiện nay có hai kiểu truyền hình từ vệ tinh được phân loại theo các tổ hợptruyền hình vệ tinh đó là :

này sẽ đưa thẳng tín hiệu từ vệ tinh trực tiếp đến máy thu hình (TV) của từng hộgia đình Để đạt được yêu cầu này thì tín hiệu hình phát đi từ vệ tinh phải đượcđiều biên với tần số mang hình để cho TV có thể nhận được Ngoài ra, để giảmcan nhiễu của sóng viba ở mặt đất và giảm nhỏ đường kính anten parabol nên

phải phát trên băng Ku Thêm nữa, là băng Ku tuy có tính định hướng cao nhưng

quy chế của mỗi quốc gia cho phép dân chúng bắt trực tiếp hay không

Vì thế tổ hợp DBS sớm bị thất bại và nhường chỗ cho truyền hình cápCATV, phát trên băng C

thu tín hiệu cực nhỏ từ vệ tinh, khuyếch đại dịch tần nhiễu thấp và xử lý cho phùhợp với TV

Các chương trình truyền hình trên thế giới hiện nay phần nhiều phát trênbăng tần C để phục vụ từng khu vực như Asiasat, Palapa, …Các vệ tinh quốc tếnhư Intelsat, vài khu vực Âu-Mỹ thường phát song song hai băng tần C và Kutrên một vệ tinh Kỹ thuật truyền hình được dùng nhiều nhất là hệ Pal, phổ biến ởcác nước Châu Âu và các nước sử dụng lưới điện 50Hz Hệ NTSC chủ yếu dùng

ở Mỹ và các nước phụ thuộc, dùng lưới điện 60Hz Hệ SECAM chủ yếu dùng ởcác nước Liên Xô cũ, Pháp và một số nước phụ thuộc khác

2.2.1 Dải tần cho truyền hình vệ tinh

Hội nghị quốc tế về vệ sinh năm 1971 đã có quy định của dài tần cho truyềnhình vệ tinh sau:

Bảng 2.3 Dải tần cho truyền hình vệ tinh Chiều vệ tinh  mặt đất

(GHz)

Chiều mặt đất  vệ tinh

(GHz)

0,606 – 0,792,5 – 2,693,7 – 4,2; 10,95 – 11,711,7 – 12,5

41 – 43; 84 – 86 (tương lai)

10,95 – 11,212,5 – 12,75

14 – 14,5

Dải tần 0,7 GHz nằm trong hãng UHF truyền hình trên mặt đất Dải tần 2,5 –4,2 GHz được sử dụng nhiều cho thông tin mặt đất, đặc biệt là các tuyến viba.

Dải tần 3,7 – 4,2 (GHz) dùng cho truyền hình trực tiếp từ vệ tinh Trên thực tế hiệnnay có nhiều nước đã sử dụng dải tần này Bằng chứng là hiện nay tại hai miền Bắc –Nam Việt Nam đều có thể thu trực tiếp được các chương trình truyền hình vệ tinh củaMalaisia, Thái Lan, Philipin, Srilanca… qua các vệ tinh palapa 1 và 2, Asiasa 1…

Nhiều nước trên thế giới quan tâm nhiều đến dải tần 12GHz Các nguyênnhân dẫn đến sự quan tâm có thể là:

Dải tần 12GHz hiện nay được sử dụng trong các tuyến viba trên mặt đất còn ít

và do đó nhiễu ít bị ảnh hưởng nếu như sử dụng dải tần này cho truyền hình vệ tinh.Với độ rộng kênh 27MHz, dải tần này có thể cho phép phát khoảng 40chương trình truyền hình cùng một lúc

Với dải tần 12GHz, cho phép đạt chùm sóng rất hẹp từ anten phát (trên vệtinh) và anten thu (ở mặt đất) có kích thước nhỏ

Tuy nhiên cũng có một số ảnh hưởng khi dùng dải tần 12 GHz cho truyềnhình vệ tinh vì điều kiện truyền lan sáng ở dải tần này có ảnh hưởng đến chấtlượng truyền hình ảnh hưởng do khúc xạ ở tầng đối lưu tăng theo chiều tăng củatần số (Trong dải 0,1 – 10GHz sự chênh lệch có thể đạt khoảng 5dB) Trongtrường hợp có mưa, sự suy giảm của sóng sẽ làm cho việc thu hình khó khăn.Mưa to (cường độ 10mm/h) sẽ làm cho sáng ở dải tần này suy giảm thêm1dB/km Các thí nghiệm cho thấy rằng ở một số nước với góc ngẩng anten thu

2.2.2 Nguyên tắc sử dụng tối ưu các dải tần

Độ rộng kênh truyền hình vệ tinh được sử dụng là 36MHz trong dải tần12GHz (11,7  12,5GHz), cho phép thực hiện phát đồng thời 20 chương trìnhtruyền hình Trên quan điểm kỹ thuật, phương pháp cơ bản là sử dụng nhiều lầntần số của các kênh giống nhau để truyền tín hiệu cho nhiều nước khác nhau,

phải chú ý đến vấn đề nhiễu Để phắc phục trước tiên cần phải hạn chế số búpsóng phụ của anten phát và thu đồng thời sử dụng phân cực trực giao tuyến tínhhoặc trân trọng các trường hợp tới hạn.

2.2.3 Loại điều chế cho máy phát hình trên vệ tinh

Để truyền tín truyền hình từ vệ tinh cho mục đích thu trực tiếp, ta có thểphân tích ba dạng điều chế cụ thể :

- Điều biên (AM) với liên quan cụ thể

- Điều tần (FM) băng rộng

- Điều chế số (đặc biệt là điều xung mã việc đảo pha tải tần PCM-PSK).Với quan điểm sử dụng điều chế đơn giản và tận dụng thiết bị thu thì dùngđiều biên (AM) là hợp lý, vì ở phần máy thu hình không còn có thêm mạch biếnđổi loại điều chế

Đối với loại FM và PEM-PSK thì ngoài việc biến đổi tần số cần có thêmmạch biến đổi loại điều chế

Yếu tố thứ hai là công suất cần thiết của máy phát hình trên vệ tinh, giảthiết là để phủ sóng cho toàn bộ lãnh thổ một quốc gia, máy phát AM cần cócông suất là 10KW Điều này về mặt kỹ thuật hiện nay chưa thể thực hiện được,Ngược lại, để đạt công suất, chất lượng ảnh khi thu, công suất máy phát dùng

FM băng rộng có thể giảm đi ít nhất 10 lần

Ngay cả khi trong tương lai có thể đạt công suất máy phát AM trên vệ tinh

là 10KW, thì có lẽ phương án này cũng khó sử dụng, bởi vì khả năng ảnh hưởngcủa nhiễu từ các tuyến thông tin trên mặt đất là lớn

Trong trường hợp dùng FM băng rộng, nhiễu sẽ ít ảnh hưởng hơn, do đóphương pháp này tỏ ra thuận lợi hơn Nếu độ di tần là  12MHz thì tỷ số tínhiệu trên nhiễu cần thiết chỉ cần khoảng 25dB

Tín hiệu truyền hình bao gồm tín hiệu hình và tiếng Cả hai tín hiệu đượcphát cùng với nhau theo nguyên tắc điều chế FM Trong trường hợp truyền hình

- Như trong hệ truyền hình mặt đất

- Theo nguyên tắc điều chế xung với việc phân thời gian các tín hiệu hình

và tiếng Vì thế có thể truyền đồng thời tín hiệu truyền hình cùng với nhiều tínhiệu tiếng

2.2.4 Công suất máy phát hình trên vệ tinh

Việc xác định công suất máy phát trên vệ tinh bao gồm các vấn đề sau :Công suất phát, độ tăng ích của anten, hiệu suất của tầng điều chế, tiêu haonăng lượng của các linh kiện cả hệ thống, độ suy hao trong quá trình truyền sóng…Trong hệ thống truyền hình vệ tinh, điều quan tâm đầu tiên là công suấtmáy phát trên vệ tinh quan hệ giữa công suất thu được tại đầu vào của máy thu

vệ tinh và thông số khác của hệ thống có thể biểu diễn bằng công thức sau :

 L f S

C G G P

P N N

2 2

2 0 0

4

.



Trong đó :

L : Khoảng cách giữa anten phát và thu (Km)

C: Tốc độ ánh sáng (Km/s)

f: Tần số (Hz)

S: Hệ số tổn hảo

Tại đầu vào máy thu, ngoài tín hiệu có ích còn có nhiễu, nhiễu được biểudiễn bằng nhiệt độ T Công suất nhiễu được tính theo công thức sau:

Pn = KTB (2.2)

T: Nhiệt độ nhiễu của máy thu