Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và mã hoá trong truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn châu âu dvb t

Truyền hình số mặt đất có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như sử dụng một máy phát có khả năng truyền tải được 4 đến 6 chương trình đồng thời; với cùng một vùng phủ s

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Đỗ Hoàng Tiến

Hà N ội – 2005

Lời giới thiệu

Trong nhiều năm trở lại đây, truyền hình số đã trở thành đối tượng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và nhiều tổ chức trên thế giới Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo các vi mạch tổ hợp cao, tốc độ lớn, đáp ứng yêu cầu làm việc với thời gian thực, công nghệ truyền hình số đã có những tiến bộ vượt bậc Truyền hình số mặt đất có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như sử dụng một máy phát có khả năng truyền tải được 4

đến 6 chương trình đồng thời; với cùng một vùng phủ sóng thì công suất phát yêu cầu của máy phát số sẽ nhỏ hơn từ 5 đến 10 lần so với máy phát tương tự,

điều này giúp cho việc tiết kiệm đầu tư và chi phí vận hành; một điều rất đáng

được quan tâm nữa là chất lượng chương trình trung thực, ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng ma thường gặp ở truyền hình tương tự

Tại Việt nam, nhận thức được những ưu điểm của truyền hình số và tính tất yếu của việc truyền hình tương tự sẽ nhường chỗ cho truyền hình số, từ năm 1999 đài truyền hình Việt nam đã có một số đề tài nghiên cứu về truyền hình số và khả năng ứng dụng của nó, năm 2000 đã triển khai nghiên cứu dự

án về lộ trình phát triển truyền hình số tại Việt nam Một điểm đáng quan tâm trong dự án là đã định thời gian cho việc bắt đầu phát thử nghiệm truyền hình

số tại Việt nam vào năm 2001

Trên thế giới hiện đang tồn tại song song ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất của Mỹ, Nhật và Châu Âu Nhiều nước trên thế giới đã tiến hành thử nghiệm để chọn chuẩn cho Quốc gia Do điều kiện kinh tế đất nước còn nhiều khó khăn, chúng ta không có điều kiện để thử nghiệm cả ba chuẩn trên trong thực tế, trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và kết quả thử nghiệm của nhiều nước khác, nhiều nhà khoa học Việt nam đã đưa ra những ý kiến về việc khuyến cáo chọn chuẩn truyền hình số cho Việt nam, mọi ý kiến đều cho rằng nên

chọn chuẩn Châu Âu (DVB-T) Dựa vào đó, Đài truyền hình Việt nam đã đầu tư thử nghiệm hệ thống thu phát truyền hình số theo tiêu chuẩn Châu Âu và

đã đạt được một số kết quả khả quan

Nội dung của luận văn là nghiên cứu về "Kỹ thuật điều chế và mã hoá trong truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T" là một nội dung rất thiết thực, phù hợp với yêu cầu trong quá trình đổi mới công nghệ truyền hình ở Việt nam Để giải quyết vấn đề trên, nội dung của luận văn gồm

3 phần:

Phần I: Trình bày một cách tổng quan về truyền hình số, giới thiệu sơ lược về ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hiện có trên thế giới, trình bày về nén tín hiệu MPEG, kỹ thuật nén tín hiệu video được sử dụng trong cả ba tiêu chuẩn truyền hình số

Phần II: Trình bày tiêu chuẩn Châu âu về truyền hình số mặt đất, các phương pháp điều chế số cơ sở M-PSK và M-QAM và kỹ thuật ghép đa tần trực giao có mã COFDM - một kỹ thuật điều chế mới, có rất nhiều ưu điểm Phần III: Trình bày về thử nghiệm truyền hình số tại Việt Nam theo tiêu chuẩn Châu âu DVB-T Hướng phát triển của truyền hình kỹ thuật số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T trong điều kiện thực tế tại Việt Nam

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo,TS Đỗ Hoàng Tiến, nội dung nghiên cứu của luận văn đã được hoàn thành Tuy nhiên, do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, thêm vào đó đây là vấn đề tương đối mới nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự đóng góp của các Thầy, cô cùng các bạn

Phần I: Tổng quan về truyền hình số

1.1 Ba tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới

1.1.1 Sự cần thiết và ưu điểm của truyền hình số

Nếu tính đến phạm vi ứng dụng kỹ thuật số thì lĩnh vực truyền hình mới trong giai đoạn đang triển khai Còn rất nhiều lợi ích đầy tiềm năng tuy chưa

được sử dụng nhưng có thể thấy được một tương lai đầy hứa hẹn Truyền hình nói chung ra đời không phải là sớm nhưng cũng không thể nói là muộn Và trong thời gian đó thành tựu đạt được là vô cùng to lớn Khởi điểm chỉ là truyền hình đen trắng, kỹ thuật còn thô sơ, rồi xuất hiện truyền hình màu Lúc

đó người xem đã cảm thấy rạng rỡ hơn nhiều rồi Nhưng công nghệ thì không bao giờ dừng lại vì nhu cầu của người xem cũng không bao giờ dừng lại Các chương trình sinh động hơn, linh hoạt hơn, thêm rất nhiều dịch vụ mới ra đời Nếu trước kia việc mong ước được chứng kiến trực tiếp một sự kiện nào đó xảy ra ở bên kia bán cầu chỉ có ở trong mơ thì ngày nay nhu cầu của người xem đã vượt xa hơn nhiều Các chương trình phải có độ nét cực cao, xem đồng thời rất nhiều chương trình dù ở bất cứ nơi nào, bất cứ thời điểm nào Rồi thì không chỉ đơn thuần là xem, họ còn muốn can thiệp trực tiếp vào các chương trình, nghĩa là truyền hình không còn đơn thuần chỉ là thông tin một chiều Còn rất nhiều các nhu cầu của người xem, những nhu cầu mà trước kia tưởng chừng không bao giờ thực hiện nổi thì ngày nay hoàn toàn có thể, đó là nhờ

một công nghệ mới - truyền hình số

Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4 đến 5 chương trình truyền hình trong khi một máy phát analog như ở ta đang sử dụng chỉ phát

được một chương trình duy nhất theo hệ PAL Xét về mặt phổ ta thấy ở tín hiệu tương tự phổ chỉ tập trung năng lượng vào các sóng mang hình, tiếng và burst màu Trong khi tín hiệu số bao gồm hàng ngàn sóng mang tập trung dày

đặc vào trong một dải phổ có độ rộng tương đương Sự tận dụng tối đa hiệu

quả phổ cho phép truyền hình số có thể truyền phát được nhiều chương trình

đồng thời Đây là ưu điểm đáng kể so với truyền hình tương tự (xem hình 1.1)

Hình 1.1: Phổ của tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Công suất phát không cần qúa lớn vì cường độ điện trường cho thu số thấp hơn cho thu analog (độ nhậy máy thu số thấp hơn -30dB đến -20dB so với máy thu analog)

- Thu số không còn hiện tượng "bóng ma" do các tia sóng phản xạ từ nhiều hướng đến máy thu Đây là vấn đề mà hệ phát analog đang không khắc phục nổi

- Thu bằng anten cố định trong nhà hay anten di chuyển (của máy thu xách tay) đều thực hiện được

- Thu di động tốt, người xem dù đi trên ôtô, tàu hoả vẫn xem được các chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt được hiện tượng Doppler

Hình Tiếng

Tiếng Hình

Hình 1.2: Phát hình DVB-T

- Cho khả năng thiết lập mạng đơn kênh (đơn tần - Single Frequency Network), nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Điều này cho hiệu quả lớn xét về mặt công suất và tần số

- Phát hình số đem lại cho ta cơ hội xem các chương trình với độ nét cao Vốn dĩ thì tín hiệu số đã có tính chống nhiễu cao cao

- Tín hiệu số dễ xử lý, môi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thân thiện với máy tính

1.1.2 Ba tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới

Chuẩn truyền dẫn truyền hình số sử dụng quá trình nén và xử lý số để có khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều chương trình truyền hình trong một dòng dữ liệu, cung cấp chất lượng ảnh khôi phục tuỳ theo mức độ phức tạp của máy thu

Truyền hình số là một sự thay đổi đáng kể trong nền công nghiệp sản suất và quảng bá các sản phẩm truyền hình Nó mang lại tính mềm dẻo tuyệt vời trong sử dụng do có nhiều dạng thức ảnh khác nhau trong nén số

Distant

transmitter

Nearest transmitter

Đầu năm 1999, các hệ thống ATSC và DVB đã được ITU chấp nhận làm các tiêu chuẩn quốc tế về phát sóng truyền hình số trên mặt đất (DTTB) và phát hành các khuyến cáo ITU-R.Rec của nhóm nghiên cứu SG10&11

Châu Âu, Australia, New Zealand đã chấp nhận DVB-T, còn Nam triều tiên, Đài loan, Canada và Mỹ chọn ATSC, Nhật bản và một số nước khác chọn tiêu chuẩn ISDB

Có thể tham khảo sự lựa chọn các tiêu chuẩn truyền hình số trên thế giới

Đó cũng là yếu tố giúp ta định hướng việc nghiên cứu, việc lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp cho riêng mình

Hình 1.3: Bản đồ phân bố các nước trên thế giới lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T

1.1.2.1 Chuẩn ATSC

Đặc điểm chung

Hệ thống ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình OSI 7 lớp của các mạng dữ liệu Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác cùng lớp ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio và dữ liệu phụ Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với sửa lỗi, ghép dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích với dạng thức ATM

Tốc độ bít truyền tải 20 Mbps cấp cho một kênh đơn HDTV hoặc một kênh truyền hình chuẩn đa chương trình

Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức: truyền hình phân giải cao (HDTV) và truyền hình tiêu chuẩn (SDTV) Đặc tính truyền tải và nén dữ liệu của ATSC là theo MPEG-2

ATSC có một số đặc điểm như sau:

Nén ảnh theo MPEG-2, từ MP @ ML tới MP @ HL

Dữ liệu phụ Cho các dịch vụ mở rộng (ví dụ hướng dẫn chương trình,

thông tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới computer)

truyền tải MPEG-2 Truyền dẫn RF Điều chế 8-VSB cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất

Bảng 1.1: Đặc điểm cơ bản của ATSC

Phương pháp điều chế VSB của tiêu chuẩn ATSC

Phương pháp điều chế VSB bao gồm hai loại chính: Một loại dành cho phát sóng mặt đất (8-VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cáp tốc độ cao (16-VSB) Cả hai đều sử dụng mã Reed - Solomon, tín hiệu pilot và đồng

bộ từng đoạn dữ liệu Tốc độ biểu trưng (Symbol Rate) cho cả hai đều bằng 10,76Mb/s Nó có giới hạn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là 14,9dB và tốc độ dữ liệu bằng 19,3 Mb/s

Dữ liệu được truyền theo từng khung dữ liệu Khung dữ liệu bắt đầu bằng

đoạn dữ liệu đồng bộ mành đầu tiên và nối tiếp bởi 312 đoạn dữ liệu khác Sau

đó đến đoạn dữ liệu đồng bộ mành thứ 2 và 312 đoạn dữ liệu của mành sau Mỗi đoạn dữ liệu bao gồm 4 biểu trưng dành cho đồng bộ đoạn dữ liệu

và 828 biểu trưng dữ liệu

Một gói truyền tải MPEG-2 chứa 188 byte dữ liệu và 20 byte tương suy cho 208 byte Với tỷ lệ mã hoá 2/3, ở đầu ra của mã sửa sai ta có:

208 x 3/2 = 312 bytes

312 bytes x 8 bit = 2496 bit

Tóm lại một đoạn dữ liệu chứa 2496 bit

Các biểu trưng đó sẽ được điều chế theo phương thức nén sóng mang với hầu hết dải biên dưới Tín hiệu pilot được sử dụng để phục hồi sóng mang tại

đầu thu, được cộng thêm tại vị trí 350 KHz phía trên giới hạn dưới dải tần

Đồng bộ mành số 1 Dữ liệu

Đồng bộ mành số 2 Dữ liệu

Bản thông số kỹ thuật ở dưới mô tả chi tiết hệ thống truyền hình số mặt

đất sử dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T) Hệ thống này có thể truyền dẫn các chương trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp

ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền đa chương trình phức tạp với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu di động v.v các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, DQPSK, 16QAM hoặc 64QAM Chuẩn ISDB-T có thể sử dụng cho các kênh truyền có độ rộng 6, 7 hay 8Mhz

Hình 1.4: Khung dữ liệu VSB

KiÓu KiÓu 1 KiÓu 2 KiÓu 3

B¶ng 1.2: C¸c th«ng sè truyÒn dÉn ISDB-T cho kªnh truyÒn 8 Mhz

1.1.2.3 Chuẩn DVB

DVB (Digital Video Broadcasting) là một tổ chức gồm trên 200 thành viên của hơn 30 nước nhằm phát triển kỹ thuật phát số trong toàn Châu Âu và cho các khu vực khác Tổ chức DVB phân ra nhiều phân ban, trong đó có các phân ban chính:

- DVB-S - Phát triển kỹ thuật truyền số qua vệ tinh: Hệ thống DVB -S

sử dụng phương pháp điếu chế QPSK (Quadratue Phase - Shift Keying), mỗi sóng mang cho một bộ phát đáp Tốc độ bit truyền tải tối đa khoảng 38,1Mbps Bề rộng băng thông mỗi bộ phát đáp từ 36

đến 54 Mhz

- DVB-C - Phát triển phát số qua cáp: Sử dụng các kênh cáp có độ rộng

băng thông từ 7 đến 8 MHz và phương pháp điều chế 64QAM (64 Quadratue Amplitude Modulation) DVB-C có mức SNR (tỉ số Signal/Noise) cao và điều biến kí sinh (Intermodulation) thấp Tốc độ bit lớp truyền tải MPEG-2 tối đa là 38,1 Mbps

- DVB-T - Phát triển mạng phát hình số mặt đất: Với việc phát minh ra

điều chế ghép đa tần trực giao (COFDM) sử dụng cho phát thanh số (DAB) và phát hình số mặt đất (DVB), rất nhiều nước đã sử dụng phương thức này Tốc độ bit tối đa 27,14 Mbps (ứng với dải thông cao tần 8Mhz)

 Một số vấn đề chung về DVB

Từ nhiều năm nay kỹ thuật số đã được sử dụng trong sản xuất, truyền dẫn, lưu trữ chương trình và phát sóng quảng bá số (qua vệ tinh, qua mạng phát mặt đất) cũng như các máy thu hình

Chuẩn DVB-T có một số đặc điểm như sau:

- Khi phát các chương trình số chuẩn (không phải là các chương trình

có độ nét cao), tín hiệu nén video số được lựa chọn là MPEG-2 Main

Profile @ Main Level (4 : 2 : 0) với tốc độ một chương trình từ 2 đến

4 Mbit/s Mỗi chương trình cần một bộ MPEG-2 encoder riêng, phát

bao nhiêu chương trình cần bấy nhiêu bộ

- Nhiều chương trình sau khi nén ghép lại thành một dòng truyền tải

MPEG-2 với tốc độ có thể lên đến 27,14 Mbps Dữ liệu của dòng

truyền tải này được phân phát cho nhiều sóng mang trực giao nhau

Vận tốc của dòng truyền tải cao hay thấp, yếu tố thứ nhất quyết định

là dải thông cao tần của máy phát Và tất nhiên nó còn phụ thuộc vào

các tham số lựa chọn khác nữa (phương thức điều chế, mã bảo vệ )

- Độ phân giải ảnh tối đa 720 x 576 điểm ảnh

- Dự án DVB không tiêu chuẩn hoá dạng thức HDTV nhưng hệ thống

truyền tải chương trình có khả năng vận dụng với dữ liệu HDTV

- Hệ thống truyền hình có thể cung cấp các cỡ ảnh 4:3 ; 16: 9 và 20: 9

tại tốc độ khung 50 MHz

- Về cơ bản, hệ thống DVB-T giống với các hệ thống DVB-S và DVB-C

- Sử dụng kỹ thuật COFDM dựa trên kỹ thuật điều chế QPSK và QAM,

có khả năng chống lại hiện tượng fading nhiều đường

- DVB-T có hai sự lựa chọn 2K (1705 sóng mang) và 8K (6817 sóng

mang)

- Có thể dùng phương thức điều chế, mã hóa phân cấp

- Có khả năng với các mạng tần số vùng và quốc gia

 Vấn đề chuyển đổi sang phát hình số ở nước ta

ứng dụng phát hình số ở Việt Nam là nhằm các mục đích:

- Tiến kịp các nước tiên tiến và các nước xung quanh trên lĩnh vực thông tin đại chúng nói chung và truyền hình nói riêng

- Phát đồng thời nhiều chương trình truyền hình: Truyền hình Việt Nam lấy nhu cầu xem nhiều chương trình với chất lượng đồng đều là mục tiêu số một để tiến tới phát số Có lẽ truyền hình số với độ nét cao vượt qua khả năng kinh tế của người dân chúng ta hiện nay

- Khắc phục được tình trạng can nhiễu

- Vùng tần số VHF (174-230Mhz) hiện nay giành cho phát PAL analog

đã thực sự chiếm hết Nhiều tỉnh và khu vực phát chương trình Quốc gia phải phát PAL analog trên kênh UHF Nhưng công suất máy phát PAL analog trên kênh UHF phải lớn hơn trên kênh VHF hàng 20 lần, khi phủ sóng cùng một vùng Hơn nữa sự chèn kênh, nhiễu kênh PAL analog đang xảy ra ở một số vùng Đồng thời nhu cầu phát nhiều chương trình đang đặt ra khá gay gắt Nên vấn đề phát số là mục tiêu cấp thiết để giải quyết những yêu cầu trên

- Sớm lựa chọn vùng tần số cho các mạng phát hình số trên cơ sở cân

đối nhu cầu phát triển của nhiều ngành Ví dụ xét về tổng thể lợi ích của toàn xã hội, phát hình số mặt đất có thể lên băng UHF để sau này dành băng tần VHF cho các dịch vụ khác

- Tiết kiệm năng lượng điện cho toàn bộ máy phát hình, kích thích thị trường tiêu dùng của người dân có thu nhập khá (mua TV số, SETTOP box)

Khả năng thực tế để ứng dụng DVB-T:

Một điều dễ thấy là nước ta đang hoàn thiện hệ thống phát hình analog trên toàn quốc Rất nhiều các cơ sở hạ tầng đã được tạo ra và rất nhiều trong

số đó có thể sử dụng lại được cho hệ thống mạng phát hình số:

- Các vị trí đặt đài phát cũng như cơ sở vật chất đã hình thành tại tất cả các tỉnh, thành phố trong cả nước

- Tận dụng hệ thống anten UHF dải rộng đang phát PAL analog

- Sẽ có dòng tín hiệu số MPEG-2 TS cấp cho các máy phát hình số

- Việc triển khai trạm phát lên vệ tinh băng tần Ku tại Vĩnh Yên cũng

có nghĩa là chuẩn DVB-S hoàn toàn được công nhận ở Việt Nam

- Chu kỳ sử dụng của các máy phát trên toàn nước ta sẽ hết vào khoảng các năm từ 2005 đến 2012 Đây là điều thuận lợi cho quá trình chuyển lên phát hình số vốn được xem là sẽ lâu dài

- Tuy chậm hơn về mặt triển khai truyền hình cáp so với nhiều nước nhưng đây lại là một yếu tố thuận lợi để ta triển khai truyền hình số mặt đất vì khi đó ta không phải băn khoăn về hệ thống thiết bị tương

- Khả năng mua sắm trang thiết bị số của các hộ gia đình : tuy chưa thể nói rằng truyền hình số sẽ có thể đến với mọi hộ gia đình nhưng cho

đến thời điểm hiện nay thì giá các thiết bị thu số (TV số, SETTOPBOX ) không còn quá cao như trước nữa

1.2 Một số vấn đề về tiêu chuẩn nén MPEG

Một số tiêu chuẩn nén với ứng dụng của chúng được khái quát trong bảng sau đây:

cảm nhận từ xa Bảng 1.3: Khái quát một số tiêu chuẩn nén Trong số đó, được sử dụng phổ biến và có phạm vi ứng dụng rộng rãi là tiêu chuẩn MPEG với MPEG-1, MPEG-2 và MPEG- 4 Trong đó MPEG-1 là cơ bản, MPEG-2 và MPEG- 4 là sự phát triển và mở rộng từ MPEG-1

- MPEG-1 còn được gọi là tiêu chuẩn ISO/IEC 11172 là chuẩn nén audio và video với tốc độ khoảng 1,5 Mb/s

- MPEG-2 nén tín hiệu video và audio với một dải tốc độ bít từ 1,5 tới 60Mb/s

Tiêu chuẩn này còn được gọi là chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818, là chuẩn nén ảnh động và âm thanh Nó cung cấp một dải các ứng dụng như: lưu trữ dữ liệu số, truyền hình quảng bá và truyền thông

MPEG- 4 là sự hợp nhất cung cấp cho rất nhiều ứng dụng truyền thông, truy cập, điều khiển dữ liêụ âm thanh số như: Điện thoại hình, thiết bị đầu cuối đa phương tiện (multimedia), thư điện tử và cảm nhận từ xa MPEG- 4 cho khả năng truy cập rộng rãi và hiệu suất nén rất cao

1.2.1 Tiêu chuẩn MPEG-1

Tiêu chuẩn MPEG-1 gồm 4 phần:

• Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 11172-1)

• Phần 2: Nén video (ISO/IEC 11172-2)

• Phần 3: Nén Audio (ISO/IEC 11172-3)

• Phần 4: Kiểm tra (ISO/IEC 11172- 4)

MPEG-1 nghiên cứu cách thức ghép nối một hoặc vài dòng dữ liệu chứa thông tin thời gian để hình thành nên một dòng dữ liệu Nó cung cấp qui tắc

cú pháp đồng bộ hoá quá trình phát lại cho một dải ứng dụng Video rộng MPEG-1 coi ảnh chuyển động như dạng thức dữ liệu máy tính (gồm các

điểm ảnh) Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản), ảnh video chuyển

động có khả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyền thông Chúng cũng có thể được lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu số như đĩa CD, đĩa Winchester và ổ quang

MPEG-1 cung cấp cả các ứng dụng đối xứng và không đối xứng:

- Trong ứng dụng không đối xứng, ảnh động được nén một lần, sau đó giải nén nhiều lần để truy cập thông tin, ví dụ trò chơi games

- Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén phải cân bằng nhau VD: điện thoại hình, thư điện tử

Để đạt được hiệu suất nén cao mà vẫn giữ tốt chất lượng ảnh phục hồi, chuẩn MPEG-1 sử dụng cả công nghệ nén trong ảnh và liên ảnh để loại bỏ

được cả sự dư thừa không gian và thời gian

Do MPEG-1 được phát triển cho lưu trữ dữ liệu số nên đòi hỏi có sự truy cập ngẫu nhiên Cách thức mã hoá tốt nhất cho truy cập ngẫu nhiên là mã hoá Intraframe đơn thuần Song do sự dư thừa thông tin về thời gian chưa được loại

bỏ nên hiệu suất nén rất thấp Do vậy trong tiêu chuẩn nén MPEG-1, có sự cân bằng giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh bằng cách sử dụng các công nghệ sau

- Mã hoá độ dài thay đổi (VLC)

Tức là có sự kết kết hợp hai công nghệ nén DPCM và Trasform Coding Thuật toán nén MPEG-1 sử dụng bù chuyển động khối để giảm sự dư thừa thời gian với vecto chuyển động cho mỗi khối kích thước 16 x16 điểm ảnh

- Bù chuyển động được sử dụng cho cả dự báo nhân quả và không nhân quả

- Dự báo nhân quả tạo dự báo ảnh hiện hành từ ảnh trước đó

Dự báo không nhân quả tạo dự báo cho ảnh hiện hành dựa trên ảnh trong quá khứ và cả tương lai

Vòng lặp DPCM được sử dụng để tạo khung sai số dự báo Sau đó,công nghệ mã hoá chuyển đổi chuyển khung sai số này sang miền tần số để nén các

hệ số nhờ lượng tử hoá và mã hoá Huffman trước khi truyền tải hay lưu trữ

 Sự phân loại ảnh MPEG

Tiêu chuẩn nén video MPEG định nghĩa 3 loại ảnh: ảnh I, ảnh B và ảnh P

- ảnh I: (Intra - Coded Picture)

Các ảnh I được mã hoá theo mode Intra để có thể giải mã mà không cần

sử dụng dữ liệu từ bất cứ một ảnh nào khác Đặc điểm của phương pháp mã hoá này như sau:

- Chỉ loại bỏ được sự dư thừa không gian

- Dùng các điểm trong cùng một khung để tạo dự báo

- ảnh P (Predictive Code Picture)

ảnh P được mã hoá liên ảnh một chiều (Interframe một chiều):

- Dự báo Inter một chiều

- ảnh dự báo được tạo ảnh tham chiếu trước đó (dự báo nhân quả)

- ảnh tham chiếu này có thể là ảnh I hoặc ảnh P gần nhất

- Có sử dụng bù chuyển động Thông tin ước lượng chuyển động của

các khối nằm trong vecto chuyển động (motion vecto) Vecto này xác

định Macroblock nào được sử dụng từ ảnh trước

Do vậy ảnh P bao gồm cả những MB mã hoá Inter (I - MB) là những

macroblock chứa thông tin lấy từ ảnh tham chiếu và những MB mã hoá Intra

là những MB chưá thông tin không thể mượn từ ảnh trước

ảnh P có thể được sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự báo cho ảnh sau

- ảnh B (Bidirectionally Predicted Pictures)

ảnh B là ảnh mã hoá liên ảnh hai chiều Tức là:

Khung dự báo (P) = Khung trước - Khung hiện hành + Vecto chuyển động

Khung kề trước (n) Khung hiện hành (n+1)

Khung kề sau (n+1)

Đường di chuyển của vật thể

Vị trí nội suy

Khung dự báo (B) = Khung trước - Khung sau + Vecto chuyển động hai chiều

Dự báo bù chuyển động ảnh B

Hình 1.5 : Nội suy bù chuyển động

ảnh sau

 Thứ tự truyền dẫn và thứ tự hiển thị ảnh

Chuỗi ảnh MPEG thường có cấu trúc IBBPBBPBBI nhưng thứ tự truyền dẫn và thứ tự hiển thị ảnh là khác nhau do khi tạo ảnh B cần thông tin từ cả khung quá khứ và tương lai Như vậy có nghĩa, ảnh trong tương lai cần phải

được truyền dẫn trước Trong khi đó, lúc hiển thị phải theo đúng thứ tự nguồn

Để thực hiện điều này, lớp ảnh (Picture layer) của dòng dữ liệu MPEG có thông tin về số thứ tự ảnh để trợ giúp hiển thị Xem hình vẽ 1.6 sau đây:

[[[[[

Thứ tự truyền dẫn

 Tiêu chuẩn MPEG-1

MPEG-1 có phạm vi ứng dụng rộng rãi cho dạng thức CSIF CSIF là một

định dạng nguồn dữ liệu đầu vào của các bộ nén và giải nén do CCITT qui

định phù hợp với hai dạng quét TV 525/60 và 625/500 Dạng thức này gắn với cấu trúc lấy mẫu 4:2:0

Như vậy đối với MPEG-1, dòng dữ liệu truyền hình chuẩn theo CCIR-

601 phải được biến đổi sang dạng CSIF bằng một bộ chuyển đổi (converter)

Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc dòng (horizontal decimation filter) cho tín hiêụ chói mành lẻ và bộ lọc dòng và mành cho tín

mành lẻ nội suy

CCIR - 601

525

CSIF- 525 4:2:0

CCIR - 601

625

CSIF - 625 4:2:0

Để giảm mức độ phức tạp và giá thành bộ giải mã, trong MPEG-1 một

Sử dụng cả hai dạng thức nén:

- Nén Intra: biến đổi DCT, lượng tử hoá, mã hoá VLC cho ảnh I

- Nén Inter: ước lượng chuyển động, tạo dự báo có bù chuyển động cho

ảnh B và ảnh P

MPEG 1 có một số tiêu chuẩn cơ bản như sau:

- Chỉ có một cấu trúc lấy mẫu 4:2:0

- Kích cỡ ảnh tối đa 720 pixel với 576 dòng sử dụng các tham số mặc

định và cỡ 4095ì4095 dùng tham số đầy đủ

- Độ chính xác mẫu đầu vào 8 bit

- Độ chính xác lượng tử hoá và DCT: 9 bit

- Sử dụng lượng tử hoá DPCM tuyến tính cho hệ số DC

- Lượng tử thích nghi cho lớp macroblock (16ì16 điểm)

Bảng 1.5 : Các tham số mặc định trong chuẩn MPEG-1

- Độ chính xác cực đại của hệ số DC là 8 bit

- Ma trận lượng tử chỉ có thể thay đổi ở lớp chuỗi

- Sử dụng khung P và B

- Độ chính xác dự báo chuyển động là nửa điểm

- Tốc độ bit tối đa là 1,85 Mbps khi dùng tham số mặc định cho ảnh 720x576 và 100 Mbps khi dùng tham số đầy đủ cho ảnh 4095ì4095 MPEG-1 cho phép có sự truy cập ngẫu nhiên các khung video, tìm kiếm nhanh thuận ngược theo dòng bit đã nén, phát lại ngược dòng video và khả năng dời bỏ dòng bit nén

1.2.2 Tiêu chuẩn MPEG-2

• Tiêu chuẩn nén video MPEG-2

Tiêu chuẩn MPEG-2 còn được gọi là ISO/IEC 13818 là sự phát triển tiếp theo của MPEG-1 ứng dụng cho độ phân giải tiêu chuẩn của truyền hình do CCIR- 601 qui định

MPEG 2 gồm 4 phần:

- Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 13818-1) xác định cấu trúc ghép kênh audio, video và cung cấp đồng bộ thời gian thực

- Phần 2: Video (ISO/IEC 13828-2) xác định những thành phần mã hóa

đại diện cho dữ liệu video và phân loại xử lý giải mã để khôi phục lại khung hình ảnh

- Phần 3: Audio (ISO/IEC 13818-3) mã hóa và giải mã dữ liệu âm thanh

- Phần 4: Biểu diễn (ISO/IEC 13818-3) định nghĩa quá trình kiểm tra các yêu cầu của MPEG-2

So với MPEG-1, MPEG-2 có nhiều cải thiện, ví dụ về kích thước ảnh và

độ phân giải ảnh, tốc độ bit tối đa, tính phục hồi lỗi, khả năng co giãn dòng bit Khả năng co giãn dòng bit của MPEG-2 cho phép khả năng giải mã một phần dòng bit mã hóa để nhận được ảnh khôi phục có chất lượng tuỳ thuộc mức độ yêu cầu

Sau đây là một số đặc điểm chủ yếu của tiêu chuẩn này:

- Hỗ trợ nhiều dạng thức video, đặc biệt là các dạng thức video độ phân giải không gian cao, dạng thức video xen kẽ của truyền hình

- Cú pháp dòng bit MPEG-2 là sự mở rộng của dòng bit MPEG-1

- Nén video MPEG-2 tương hợp với nén video MPEG-1 Được thể hiện qua 4 hình thức tương hợp

bit (hoặc một phần dòng bit MPEG-1)

một phần dòng bit MPEG-2

được dòng bit của bộ mã hoá có độ phân giải thấp

 Tương hợp xuống: bộ giải mã độ phân giải thấp có thể giải mã

được một phần dòng bit của bộ mã hóa độ phân giải cao

- MPEG-2 hỗ trợ khả năng co giãn (scalability): co giãn không gian, co giãn SNR, co giãn phân chia số liệu

- Ngoài ra còn có nhiều cải tiến khác trong MPEG-2 bao gồm:

 Bảng lượng tử riêng biệt cho các thành phần chói và màu nên lợi dụng được đặc điểm của mắt người ít nhạy cảm hơn với tín hiệu màu

- Cú pháp đầy đủ của MPEG-2 được thể hiện qua các tập con gọi là profile, phù hợp với các lĩnh vực áp dụng Mỗi profile lại bao gồm từ 1

đến 4 mức độ hạn chế về độ phân giải không gian, tốc độ bit

• Cấu trúc dòng bit video MPEG-2

Dòng bit MPEG-2 về cơ bản tương hợp với MPEG-1, tức là cũng gồm cấu trúc 6 lớp như đã trình bày ở trên

Tên gọi và chức năng các lớp được liệt kê trong bảng 1.6

- Lớp chuỗi là đại diện mã hóa cho một chuỗi ảnh (Video Sequence)

dòng video mã hóa

Bảng 1 6: Dạng lớp của cú pháp dòng bit MPEG-2

- Lớp nhóm ảnh cung cấp điểm truy cập ngẫu nhiên ảnh bắt đầu của chuỗi bao giờ cũng là một ảnh I ảnh I này cung cấp điểm truy cập vào dòng bit mã hóa

- Lớp lát có chức năng hồi phục đồng bộ Khi dòng bit có lỗi, bộ giải mã

có thể bỏ qua slice có lỗi và bắt đầu bằng một slice mới Mỗi lát chứa một hoặc một số MB

- Mỗi macro block (MB) là một đơn vị được ước lượng chuyển động và

có vecto chuyển động riêng trong phần header của nó

- Lớp khối là lớp thấp nhất Mỗi khối là một đơn vị DCT gồm 64 hệ số (một hệ số DC và 63 hệ số AC) của khối ảnh I hoặc khối sai số dự báo (ảnh P, B)

So với MPEG-1, cú pháp dòng bit MPEG-2 có thêm một số chức năng

mở rộng Do đó có 2 hướng đi trong dòng bit MPEG-2 như hình vẽ dưới: hoặc theo quy trình MPEG-1 hoặc theo các chức năng mở rộng riêng của MPEG-2

• Khả năng co giãn của MPEG-2

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của MPEG-2 là sự phù hợp với nhiều ứng dụng video Có thể sử dụng MPEG-2 cho phân phối truyền hình tiêu chuẩn (SDTV), truyền hình phân giải cao (HDTV) hoặc cho truyền dẫn tín hiệu truyền hình thông qua các mạng truyền thông

Sequence header

(đầu đề chuỗi)

Extended Sequence (chuỗi mở rộng)

MPEG-1 ISO/IEC 11172-2

Dòng bit

Hình 1.7: Cú pháp dòng bit MPEG-2

Tính co giãn của dòng bít MPEG-2 là khả năng giải mã được một phần dòng bít MPEG-2 độc lập với phần còn lại của dòng bít đó nhằm khôi phục video với chất lượng hạn chế (hạn chế độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian hoặc hạn chế về SNR ) Dựa theo tính co giãn, dòng bít được phân thành hai hay nhiều lớp Tập con nhỏ nhất của cú pháp dòng bít có thể giải mã một cách độc lập được gọi là lớp cơ bản Các lớp còn lại được gọi là các lớp nâng cao Có nhiều loại co giãn khác nhau như:

- Co giãn không gian: Dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có độ phân giải không gian khác nhau

- Co giãn SNR: dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có cùng độ phân giải không gian nhưng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR là khác nhau

- Co giãn thời gian: dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có cùng độ phân giải không gian nhưng có độ phân giải thời gian khác nhau

- Co giãn phân chia số liệu: dòng bít video được chia làm hai phần: phần

ưu tiên cao (lớp cơ bản) gồm các hệ số DCT tần số thấp, phần ưu tiên thấp (lớp nâng cao) gồm các hệ số DCT tần số cao

- Co giãn phân chia số liệu chính là một dạng cơ bản của co giãn tần số Tiêu chuẩn MPEG-2 đã qui định chính thức hai loại co giãn: co giãn không gian và co giãn SNR Các loại co giãn khác chỉ mới ở dạng dự thảo

• MPEG-2: Profile và Level

Phạm vi ứng dụng của MPEG-2 rất rộng Mỗi ứng dụng đòi hỏi mức độ phức tạp khác nhau Bởi vậy, MPEG-2 định nghĩa các mức (level) và các tập con (profile) phù hợp cho từng lĩnh vực áp dụng Profile xác định cú pháp dòng bit và level xác định các tham số hạn chế độ phân giải không gian, tốc

độ bit

Có 5 profile là: Simple (đơn giản), Main (chính), SNR scalable (co giãn SNR), Spatial scalable (có khả năng co giãn không gian) và High profile Tổng cộng có 12 tổ hợp profile, level Trong đó:

Có 4 mức: low (thấp), main (chính), high-1440 (cao-1440) và high (cao) Kích cỡ ảnh quy định bởi 4 mức tương ứng sau:

ứng dụng vào việc số hóa truyền hình tiêu chuẩn (SDTV)

- MP @ HL (Main profile @ High level):

Lấy mẫu 4:2:0

Độ phân giải: 1920ì1152

Tốc độ bit: 80Mbps

Dạng ảnh sử dụng: I, P, B

ứng dụng vào truyền hình số có độ phân giải cao (HDTV)

Sau này có bổ sung 4:2:2 P @ ML (4:2:2 profile @ Main level) áp dụng vào lĩnh vực sản xuất chương trình truyền hình (studio) vì các lý do sau:

- Chất lượng cao: độ phân giải màu tốt hơn so với MP @ ML (lấy mẫu 4:2:0), chất lượng tổng quát cao hơn do sử dụng tốc độ bit lớn hơn

- Có khả năng sao chép nhiều lần mà vẫn đảm bảo chất lượng y như video gốc

- Tính linh hoạt: nhóm ảnh (GOP) ngắn hơn nên thuận tiện cho việc dàn dựng, biên tập chương trình truyền hình

- Tính kinh tế: giá thành lưu trữ và truyền dẫn giảm, có khả năng tương hợp giữa các thiết bị của nhiều hãng sản xuất khác nhau

Các tham số cơ bản của 4:2:2P và ML:

- Cấu trúc lấy mẫu: 4:2:2

- Độ phân giải ảnh: 720x576

- Tốc độ dòng bit: 20Mbps

Phần II

Kỹ thuật điều chế và mã hoá trong truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn CHÂU ÂU DVB-T

2.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSI EN 300744

Tiêu chuẩn phát thanh truyền hình số mặt đất ETSI EN 300 744 được Uỷ ban kỹ thuật phát thanh truyền hình Châu âu JTC nghiên cứu và đề xuất Tiêu chuẩn này đã được Dự án truyền hình số Châu Âu (DVB project) thông qua ngày 11 tháng 6 năm 1999, công bố và ngày 30 tháng 9 năm 1999 Thành lập tháng 9 năm 1993, đến nay DVB đã có hơn 200 thành viên thuộc 30 nước trên thế giới, nhiệm vụ của nó là thiết lập môi trường dịch vụ truyền hình số sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-2

JTC được thành lập năm 1990, là một tổ chức kết hợp của Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu Âu (EBU), Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử Châu

Âu (CENELEC) và Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI)

2.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn này mô tả hệ thống truyền dẫn cho truyền hình số mặt đất

Nó xác định hệ thống điều chế, mã hoá kênh dùng cho các dịch vụ truyền hình

số mặt đất nhiều chương trình như: LDTV/SDTV/EDTV/HDTV

- Tiêu chuẩn mô tả chung hệ thống cơ bản của truyền hình số mặt đất

- Tiêu chuẩn xác định các yêu cầu chỉ tiêu chung, và các đặc điểm của

hệ thống cơ bản, mục đích để đạt được chất lượng dịch vụ

- Tiêu chuẩn xác định tín hiệu được điều chế số để cho phép việc tương thích giữa các phần thiết bị được sản xuất bởi các nhà sản xuất khác nhau Đạt được điều này bằng cách mô tả chi tiết tín hiệu

xử lý ở phía các module, trong khi đó thì việc xử lý ở các máy thu là

để mở cho các giải pháp thực hiện khác nhau

2.1.2 Nội dung chính của tiêu chuẩn

Hệ thống được định nghĩa là một thiết bị gồm những khối chức năng, tín hiệu đầu vào là dòng truyền tải MPEG-2 nhận được tại đầu ra của bộ ghép kênh (Multiplexer), đầu ra là tín hiệu RF đi tới anten

Hệ thống tương thích trực tiếp với chuẩn nén tín hiệu video MPEG-2 ISO/IEC 13818

Do hệ thống được thiết kế cho truyền hình số mặt đất hoạt động trong băng tần UHF hiện có, nên đòi hỏi hệ thống phải có khả năng chống nhiễu tốt

từ các máy phát tương tự hoạt động cùng kênh hoặc kênh liền kề, đòi hỏi hệ thống phải có hiệu suất sử dụng phổ tần cao băng tần UHF, điều này có thể

đảm bảo bằng việc sử dụng mạng đơn tần (SFN)

Hình2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất

Đây là sơ đồ khối của một hệ thống phát hình số mặt đất đầy đủ Các tín hiệu hình ảnh, âm thanh sẽ qua một loạt quá trình xử lý để cuối cùng tại đầu

ra anten cũng vẫn là tín hiệu cao tần phát đi nhưng những tính năng ưu việt của truyền hình số mặt đất lại hoàn toàn được thể hiện trong các quá trình xử

lý này Các khối nét đứt trên hình sẽ có khi cấu hình hệ thống dùng cho điều

mức ưu tiên khác nhau, tốc độ bit và tỷ lệ mã hóa khác nhau, có nghĩa là khả năng chóng lỗi của từng dòng bit là khác nhau Sơ đồ chung ta thấy một hệ thống máy phát chủ yếu sẽ gồm phần điều chế OFDM và phần mã hoá sửa lỗi

Cụ thể chức năng của các khối như sau:

• Phần ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2

Các tín hiệu đầu vào gồm hình ảnh, âm thanh và các dữ liệu phụ sẽ được

số hóa nhờ khối ghép kênh và mã hóa nén MPEG-2 Đầu ra của khối này sẽ là dòng truyền truyền tải MPEG-2 (dòng dữ liệu số) với một tốc độ bit nhất định

đưa vào máy phát Đây là quá trình số hóa tín hiệu

• Khối mã hóa phân tán năng lượng và phối hợp ghép kênh

Để đảm bảo cho việc truyền dẫn không có lỗi, dòng dữ liệu TS đến từ khối nén sẽ được ngẫu nhiên hoá Các gói dữ liệu này đầu tiên được nhận dạng bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS Mục đích của quá trình này là phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài “0” và “1”), đồng thời đây cũng được xem là quá trình phối hợp để ghép kênh truyền tải

• Khối mã ngoại và ghép xen ngoại (Outer encoder and interleaver)

Dòng dữ liệu sau khi đã được ngẫu nhiên hóa sẽ tiếp tục được xử lý tại khối mã ngoại và ghép xen ngoại Sở dĩ gọi là "ngoại" vì việc xử lý ở đây là theo byte, còn mã nội và ghép xen nội là xử lý theo "bit" Bộ mã ngoại sử dụng mã Reed-Solomon RS (204, 188, t=8) để mã hoá dữ liệu đã được ngẫu nhiên hoá nhằm tạo ra các gói dữ liệu đã được bảo vệ lỗi Do được mã hoá

theo mã RS (204,188, t=8) nên mỗi gói dữ liệu sẽ được thêm 16 bytes sửa lỗi

và nó có khả năng sửa tới 8 lỗi trong một gói

Việc ghép ngoại chính là ghép các byte với một chu kỳ ghép qui định trước, thường độ sâu ghép là l=12 Đây cũng là việc nhằm giảm tính thống kê của lỗi

• Khối mã nội (inner encoder)

Đây là quá trình mã hoá tiếp theo nhưng việc mã sẽ chi tiết đến từng bit Thông số mã hóa ở đây chính là tỷ lệ mã hóa n/m (1/2, 2/3, 3/4 ) Nghĩa là cứ

m bít truyền đi thì chỉ có n bit mang thông tin, các bit còn lại là để sửa lỗi

• Khối ghép xen nội (inner interleaver)

Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bit, thông tin sẽ rất khác so với ban đầu Quá trình này để giảm thiểu lỗi đến mức tối đa

• Các khối điều chế tín hiệu (Mapper, Frame Adaptation, OFDM )

Đây là quá trình xử lý phức tạp nhất, nhưng về nguyên lý ta có thể hiểu như sau: dữ liệu sau khi đã hoàn thành mã sửa lỗi sẽ được ánh xạ lên chòm sao

điều chế (khối mapper), và sau khi thêm các pilot đồng bộ, các dữ liệu sẽ được

đưa lên các sóng mang Và tất nhiên là có rất nhiều sóng mang Việc chèn thêm các khoảng bảo vệ cũng sẽ được thực hiện nhằm tối ưu hoá tính ưu việt của truyền hình số

• Khối D/A:

Thực ra đây không phải là biến đổi Digital/Analog thuần tuý thông thường Mà đó là quá trình hoàn chỉnh hàng ngàn sóng mang để đảm bảo việc phát tín hiệu lên anten

Hệ thống có thể hoạt động trong băng tần 8Mhz, 7Mhz và 6Mhz, chủ yếu chỉ khác nhau ở tần số clock của hệ thống và một số thông số liên quan

đến tần số clock sẽ phải tính lại Sơ đồ cấu trúc, các nguyên tắc mã, sự xắp xếp, ghép xen được giữ nguyên, chỉ có tốc độ thông tin của hệ thống sẽ giảm theo hệ số 7/8 hoặc 6/8

Truyền hình số mặt đất sử dụng nguyên lý ghép đa tần trực giao có mã (COFDM) Ghép đa tần trực giao (OFDM) được thực hiện tiếp nối theo sau quá trình mã hoá kênh (Channel Coding)

Ghép kênh phân chia tần số (FDM) là cơ sở của ghép đa tần trực giao OFDM Dòng truyền tải nối tiếp MPEG-2 đầu vào được chuyển đổi thành n dòng bít song song, với n phù hợp với số lượng sóng mang Những dòng bít song song này sẽ được ánh xạ ánh xạ lên những sóng mang riêng rẽ, những sóng mang riêng rẽ được ghép trực giao, kỹ thuật này cho phép truyền đồng thời đa sóng mang trên kênh truyền mà các sóng mang kế cận không gây can nhiễu sang nhau Những sóng mang riêng rẽ được điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM

Mã hoá kênh cần thiết cho việc truyền tải dữ liệu nhằm chống lỗi sai trên

đường truyền do tác động của nhiễu Mã hoá kênh gồm hai phần chính: khối mã ngoài (Outer Coder) nhằm kiểm soát sửa loạt lỗi sai xảy ra có chiều dài xác định, khối mã hoá trong (Inner Coder) nhằm kiểm soát sửa và báo lỗi cho một loạt lỗi sai có chiều dài lớn hơn chiều dài lỗi quy định

Mã ngoài sử dụng mã Reed-Solomon RS(188,204), ghép xen ngoài (Outer Interleave) có chiều sâu l=12 bytes, giống như truyền hình vệ tinh và truyền hình cáp Mã trong sử dụng mã vòng xoắn giống như truyền hình vệ tinh với các tỷ lệ mã hoá khác nhau

Khoảng bảo vệ mềm dẻo cho phép thiết kế hệ thống với nhiều cấu hình khác nhau như: mạng đơn tần diện rộng hoặc máy phát đơn lẻ, đảm bảo việc

sử dụng tối đa băng tần

Để thích ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau, kỹ thuật OFDM có hai chọn lựa về số lượng sóng mang, ba sơ đồ điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM và khoảng bảo vệ khác nhau cho phép làm việc với mạng đơn tần nhỏ

và lớn

Trong một điều kiện xác định, việc thu chương trình truyền hình từ một

số máy phát hoạt động trên cùng một tần số là rất có lợi, tất nhiên, các máy phát này đều truyền tải một chương trình truyền hình được đồng bộ chặt chẽ tạo nên mạng đơn tần

Hệ thống cũng cho phép hai mức mã kênh và điều chế phân cấp Trong trường hợp này sơ đồ khối của hệ thống có thêm phần các khối vẽ đứt nét như trên hình vẽ 2.1 Bộ chia chia dòng tín hiệu đầu vào thành hai dòng tín hiệu MPEG độc lập: dòng tín hiệu có độ ưu tiên cao và dòng tín hiệu có độ ưu tiên thấp Hai dòng bít này được phân bố trên biểu đồ chòm sao bởi khối Mapper Để đảm bảo có thể dùng máy thu đơn giản thu được tín hiệu phân cấp này, hệ thống chỉ sử dụng mã kênh và điều chế phân cấp mà không dùng mã nguồn phân cấp Theo phương thức này, một chương trình truyền hình được truyền đồng thời dưới hai dạng: tốc độ bít thấp với độ phân giải thấp và dạng thứ hai là tốc độ bít cao với độ phân giải cao hơn Trong cả hai trường hợp, máy thu chỉ cần một bộ bao gồm các khối với chức năng ngược lại với máy phát: khối giải ghép xen trong, giải mã hoá trong, giải ghép xen ngoài, giải mã hoá ngoài và giải ghép kênh Máy thu chỉ cần có thêm chức năng phân tách dòng bít được chọn từ sự phân bố trong biểu đồ sao

Điều chế phân cấp cho phép truyền song song các chương trình khác nhau với mức độ sửa lỗi khác nhau và vùng phủ sóng khác nhau

Để tránh nhiễu do sóng phản xạ hoặc do các máy phát liền kề trong mạng đơn tần, khoảng bảo vệ được đưa xen vào giữa các symbol liên tiếp của OFDM Nếu không, sóng phản xạ sẽ gây nhiễu lên các symbol nằm phía sau

và làm tăng tỷ số lỗi Như vậy, độ dài khoảng bảo vệ sẽ phụ thuộc vào độ lớn của vùng phủ sóng Hay nói cách khác, khoảng cách giữa các đài phát kế cận

sẽ quyết định độ dài của khoảng bảo vệ Ví dụ, với mạng đơn tần lớn, khoảng bảo vệ phải ít nhất là 200às

Có 2 phương án về số lượng sóng mang Khoảng cách tốt nhất là 896às

đối với 8k-mode và 224às đối với 2k-mode Tương ứng với 2 phương án về số lượng sóng mang, khoảng cách giữa các sóng mang sẽ là 1116 Hz và 4464 Hz

Đối với hệ thống DVB-T sử dụng độ rộng băng tần 8MHz, điều này quyết định số lượng cụ thể của sóng mang: 6817 sóng mang cho OFDM symbol đối với 8k-mode (6048 sóng mang dùng để truyền thông tin, còn lại dùng để truyền đồng bộ và tín hiệu khác) và 1705 sóng mang cho OFDM symbol đối với 2k-mode (1512 sóng mang dùng để truyền thông tin) Các OFDM symbols được tính toán bằng phương pháp biến đổi Fourier ngược (IDFT)

2.2 Các kỹ thuật điều chế số cơ sở

Đối với truyền dẫn số, các tín hiệu băng gốc số phải được biến đổi thành các tín hiệu băng tần vô tuyến Quá trình này được gọi là điều chế Ngược lại, quá trình tái tạo các tín hiệu số từ các tín hiệu trong băng tần vô tuyến được gọi là giải điều chế

Hình 2.2: Hệ thống truyền dẫn số

Bộ điều chế Máy phát

Sóng mang

Bộ giải

điều chế Máy thu

Tín hiệu băng vô tuyến

Tín hiệu

băng gốc

Băng tần gốc

Để thực hiện điều chế, ta phải thay đổi biên độ, tần số và pha của tín hiệu của sóng mang hình sin Trong điều chế số, sơ đồ điều chế ứng với 3 thành phần này được gọi là khoá dịch biên (ASK), khoá dịch tần (FSK) và khoá dịch pha (PSK)

Về cơ bản, mặc dầu có nhiều kỹ thuật điều chế khác nhau, song chúng

đều là kết hợp của ba loại sơ đồ này hoặc các ứng dụng của chúng

2.2.1 Khoá dịch biên (ASK)

Sóng điều biên được thiết kế để thay đổi biên độ sóng mang tỷ lệ với băng gốc và thường được tạo ra bằng cách nhân sóng mang hình sin với tín hiệu băng gốc Hình 2.3a là sơ đồ nguyên lý điều biên

Sóng điều biên A(t)có thể được viết bằng biểu thức sau:

A(t) = S(t) cos(ω0t + θ)

Trong đó S(t) là tín hiệu băng gốc, và sóng mang là cos(ω0t + θ)

Bộ nhân

Sóng đã điều chế A(t) = S(t) cos(ω0t + θ) Tín hiệu gốc S(t)

Sóng mang cos(ω0t + θ) Hình 2.3a: Sơ đồ nguyên lý điều biên

1

0

1 -1

0

S(t)

A(t)

Hình 2.3b: Khoá ASK tắt-bật

Ta xét một xung đơn cực là tín hiệu băng gốc như chỉ ra ở hình 2.3b Khi xung là 1, sóng mang được đưa ra, khi xung là 0, sóng mang không được đưa

ra Điều biên theo kiểu này được gọi là ASK tắt-bật hoặc khoá tắt-bật (Ook) Xét một xung lưỡng cực là tín hiệu băng gốc Khi xung là 1, chiều biên

độ sóng mang ngược với khi xung là -1 Nói cách khác, pha được đảo Điều biên theo kiểu này được gọi là ASK đảo pha hay khóa đảo pha (PRK)

2.2.2 Khoá dịch pha (PSK)

Sóng điều pha có thể nhận được bằng cách thay đổi pha sóng mang tỷ lệ với tín hiệu băng gốc và có thể được diễn tả bằng:

P(t) = cos{ω0t + θ + (S(t).∆Φ)/2}

ở đây S(t) là tín hiệu băng gốc nhiều mức, nhận các mức là ±1, ±2, ±3,

±n Nếu n=2, ∆Φ=π thì sóng mang điều chế có dạng:

2PSK hoặc PSK nhị phân (BPSK) Hình 2.5a cho thấy một sơ đồ pha của tín hiệu 2PSK

Nếu n=2, ∆Φ=π và tín hiệu băng gốc là một xung NRZ lưỡng cực nhận 4 giá trị, thì một dạng sóng đã điều chế như ở hình 2.5c Sơ đồ điều chế này sử

(QPSK)

Hình 2.5 biểu diễn sơ đồ pha tín hiệu 4PSK Giống như 2PSK, nếu tín hiệu băng gốc không bị hạn băng, thì tín hiệu 4PSK cũng dịch chuyển tức thời trên vòng tròn đơn vị

3

-3