Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

mã hoá LDPC và BCH. Biểu đồ chòm sao điều chế QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK Hình 3.4: Giản đồ chòm sao điều chế sử dụng trong DVB-S2 3.1.3. Phát HDTV qua vệ tinh sử dụng DVB-S2 Từ tính toán trên ta thấy rằng: dung lượng dành cho chương trình phát trên kênh vệ tinh số theo chuẩn DVB-S là 25.3 Mbps với tỷ lệ mã trong là ½ (đảm bảo chống lỗi tốt) và tối đa là 44.3Mbps với tỷ lệ mã trong là 7/8. Số chương trình có thể truyền trên kênh vệ tinh sẽ phụ thuộc vào: Tỷ lệ mã trong được lựa chọn để đảm bảo BER đủ nhỏ. Cấp nén thực hiện với chương trình. 1 kênh Analog SDTV 8 x SD MPEG 2 1 đến 2 HD MPEG 2 16 x SD H264 4 x HD H264/DVB-S Hình 3.5: So sánh khả năng truyền chương trình truyền hình trên kênh vệ tinh số Với chuẩn nén mới MPEG 4/H.264, và phương thức DVB-S2 khả năng truyền HDTV trên 1 transponder sẽ tương đương với truyền SDTV/MPEG 2/DVB-S Hình 3.6: So sánh chuẩn nén sử dụng trong DVB-S và DVB-S2 Kết luận: Sự ra đời và phát triển của DVB-S2 sẽ tạo ra tác động lớn tới công nghiệp quảng bá và thông tin vệ tinh. Chuẩn mới này là sự kết hợp của hai chuẩn trước đó DVB-S và DVB-DSNG, với sự cải tiến đáng kể hiệu quả mã hoá và điều chế. Tuy nhiên, khi đưa ra DVB-S2, dự án DVB cũng không nhằm thay thế ngay hai chuẩn cũ do hàng triệu đầu thu DVB-S đang hoạt động bình thường mang các dịch vụ thông tin dữ liệu trên toàn thế giới. Với DVB-S2, các ứng dụng mới như HDTV hay các dịch vụ dựa trên nền tảng IP mới có thể thực hiện qua thông tin vệ tinh một cách hiệu quả. Với các dịch vụ tương tác, công cụ DVB-S2 ACM sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông, dẫn đến giảm chi phí vệ tinh. Cùng với công nghệ nén mới MPEG4-Part10 (H.264), chuẩn DVB-S2 sẽ cho phép các nhà cung cấp dịch vụ DTH tăng được các kênh SDTV hay triển khai các dịch vụ mới như HDTV, dịch vụ tương tác trên dải tần vệ tinh hiện có. 3.2.Phát HDTV qua sóng mặt đất -HDTV sử dụng điều chế 8-VSB với hệ thống phát sóng vô tuyến Chuẩn DVB-T Phát sóng HDTV qua kênh số mặt đất 3.2.1. Chuẩn DVB-T HDTV Encoder HDTV Encoder Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T Mã hoá nguồn có thể là MPEG 2 hoặc MPEG 4/H.264, sau đó được thực hiện các công đoạn thích ứng kênh số mặt đất theo chuẩn DVB-T. Dung lượng kênh số sẽ phụ thuộc vào các thông số mã hoá kênh, khoảng bảo vệ, phương thức điều chế. Bảng 3.1: Dung lượng kênh truyền hình số mặt đất Bảng sau cho ta giá trị dung lượng kênh truyền hình số mặt đất với các thông số khác nhau: Như vậy dung lượng 1 kênh số mặt đất sẽ từ 4.98 Mbps đến 31.67 Mbps. 3.2.2. Chuẩn DVB-T2 [4] Tóm tắt: DVB-T2 là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất cho thế hệ thứ 2. DVB-T2 là thành quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học thuộc tổ chức DVB - Digital Video Broadcasting trong suốt 3 năm (2006-2009). DVB-T2 cho phép tăng dung lượng dữ liệu trên kênh truyền (»30%) và độ tin cậy trong môi trường truyền sóng trên mặt đất. DVB-T2 không chỉ chủ yếu dành cho truyền hình số có độ phân giải cao HDTV. 3.2.2.1. DVB-T2 - Những tiêu chí cơ bản Những tiêu chí cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2 có thể tóm tắt như sau: - DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tương quan giữa các chuẩn trong họ DVB. Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi giữa các tiêu chuẩn DVB phải thuận tiện đến mức có thể (ví dụ giữa DVB-S2 (tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2) và DVB-T2. - DVB-T2 phải kế thừa những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn DVB khác. DVB-T2 phải chấp nhận 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốt của DVB-S2, cụ thể: + Cấu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dữ liệu trong khung BB (Base Band Frame). + Sử dụng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check). - Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định và di chuyển được, do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiện đang tồn tại ở mỗi gia đình và sử dụng lại các cơ sở anten phát hiện có. - Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 phải đạt được dung lượng cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%. - DVB-T2 phải đạt được hiệu quả cao hơn DVB-T trong mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network) - DVB-T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ cụ thể. Điều đó có nghĩa là DVB-T2 phải có khả năng đạt được độ tin cậy cao hơn đối với một vài dịch vụ so với các dịch vụ khác. - DVB-T2 phải có tính linh hoạt đối với băng thông và tần số. - Nếu có thể, phải giảm tỷ số công suất đỉnh/ công suất trung bình của tín hiệu để giảm thiểu giá thành truyền sóng. Trên cơ sở những tiêu chí trên, từ tháng 6/2007 đến tháng 3/2008, trên 40 tổ chức đã tập trung nghiên cứu tiêu chuẩn DVB-T2, thông qua nhiều buổi hội thảo, hội nghị qua mạng và Email. Cuối cùng cuối năm 2008, những nội dung cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2 đã được ban hành. Với những công nghệ sử dụng trong DVB-T2, dung lượng dữ liệu đạt được tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB-T, ngoài ra DVB-T2 còn có khả năng chống lại phản xạ nhiều đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn nhiều so với DVB-T. Bảng 3.2: DVB-T2 sử dụng tại UK so với DVB-T DVB-T DVB-T2 Phương thức điều chế 64 - QAM 256 - QAM FFT 2K 32K Khoảng bảo vệ 1/32 1/128 FEC 2/3CC + RS 3/5 LDPC + BCH Pilot phân tán 8.3% 1.0% Pilot liên tục 2.0% 0.53% Mức vượt L1 1.0% 0.53% Phương thức sóng mang Tiêu chuẩn Mở rộng Dung lượng 24.1Mbps 36.1 Mbps DVB-T2 thậm chí còn đạt được dung lượng cao hơn so với DVB-T trong mạng đơn tần (SFN) với cùng giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ (67%). DVB-T2 còn cho phép sử dụng khoảng bảo vệ lớn hơn 20% so với DVB-T, điều này cũng đồng nghĩa với việc mở rộng vùng phủ sóng của các máy phát trong mạng SFN. Bảng 3.3: Dung lượng dữ liệu trong mạng SFN DVB - T DVB - T2 Phương thức điều chế 64 - QAM 256 - QAM FFT 8K 32K Khoảng bảo vệ 1/4 1/16 FEC 2/3CC + RS 3/5 LDPC + BCH Pilot phân tán 8.3% 4.2% Pilot liên tục 2.0% 0.39% Mức vượt L1 1.0% 0.65% Phương thức sóng mang Tiêu chuẩn Mở rộng Dung lượng 19.9Mbps 33.2 Mbps 3.2.2.2. Một số nội dung chính trong tiêu chuẩn DVB-T2 3.2.2.2.1. Mô hình cấu trúc DVB-T2 Hệ thống DVB-T2 được chia thành 3 khối chính ở phía phát (SS1, SS2, SS3) và 2 khối chính ở phía thu (SS4, SS5) như trình bày trong hình 1: Tín hiệu đầu vào SS1: Mã hoá và ghép kênh Video/Audio SS2: Basic - Gateway SS3: Điều chế T2 SS3: Điều chế T2 SS4: T2 Demod SS3: Điều chế T2 SS5: MPEG Decoder SS3: Điều chế T2 SS3: Điều chế T2 SS3: Điều chế T2 SS4: T2 Demod SS5: MPEG Decoder SS5: MPEG Decoder Tín hiệu ra SS4: T2 Demod SS3: Điều chế T2 SS4: T2 Demod SS3: Điều chế T2 Hình 3.8: Mô hình cấu trúc DVB-T2 SS1: Mã hoá và ghép kênh. Khối SS1 có chức năng mã hoá tín hiệu video/audio cùng các tín hiệu phụ trợ kèm theo như PSI/SI hoặc tín hiệu báo hiệu lớp 2 (L2 Signalling) với công cụ điều khiển chung nhằm đảm bảo tốc độ bit không đổi đối với tất cả các dòng bit. Khối này có chức năng hoàn toàn giống nhau đối với tất cả các tiêu chuẩn của DVB. Đầu ra của khối là dòng truyển tải MPEG-2TS (MPEG - 2 Transport Stream). SS2: Basic T2 - Gateway Đầu vào của SS1 được định nghĩa trong [1], đầu ra là dòng T2 - MI. Mỗi gói T2-MI bao gồm Baseband Frame, IQ Vector hoặc thông tin báo hiệu (LI hoặc SFN). Dòng T2-MI chứa mọi thông tin liên quan đến T2-FRAME. Mỗi dòng T2-MI có thể được cung cấp cho một hoặc một vài bộ điều chế trong hệ thống DVB-T2. Dạng thức giao diện của T2-MI được định nghĩa trong [2]. SS3: Bộ điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Modulator) Bộ điều chế DVB-T2 sử dụng Baseband Frame và T2- Frame mang trong dòng T2-MI đầu vào để tạo ra DVB-T2 Frame. SS4: Giải điều chế DVB-T2 (DVB-T2 Demodulator) Bộ giải điều chế SS4 nhận tín hiệu cao tần (RF Signal) từ một hoặc nhiều máy phát (SFN Network) và cho môt dòng truyền tải (MPEG-TS) duy nhất tại đầu ra. SS5: Giải mã dòng truyền tải (Stream Decoder) Bộ giải mã SS5 nhận dòng truyền tải (MPEG-TS) tại đầu vào và cho tín hiệu video/audio tại đầu ra. 3.2.2.2.2. Lớp vật lý DVB-T2 Mô hình lớp vật lý của DVB-T2 được trình bày trong hình 2. Đầu vào hệ thống có thể bao gồm một hoặc nhiều dòng truyền tải MPEG-TS hoặc dòng GS (Generic Stream). Đầu vào của lớp vật lý là tín hiệu cao tần RF. Tín hiệu đầu ra cũng có thể được chia thành hai đường để cung cấp cho anten thứ 2, thường là 1 máy phát khác Dữ liệu đầu vào Xử lý dòng dữ liệu vào Tráo bit Ánh xạ Frame Điều chế Hình 3.9: Lớp vật lý Việc xử lý dòng dữ liệu vào và FEC phải được lựa chọn sao cho có khả năng tương thích với cơ chế sử dụng trong DVB-S2. Điều đó có nghĩa, DVB-T2 phải có cùng cấu trúc baseband-frame, baseband-header, gói "0' (Null packet) LDPC/BCH FEC và đồng bộ dòng dữ liệu như DVB-S2. Các thông số COFDM của DVB-T cũng được mở rộng so với DVB-T, trong đó bao gồm: - FFT: 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K - Khoảng bảo vệ: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4 - Pilot phân tán: 8 biến thể khác nhau phù hợp với các khoảng bảo vệ khác nhau - Pilot liên tục: tương tự như DVB-T, tuy nhiên tối ưu hơn - Tráo: bao gồm tráo bit, tráo tế bào, tráo thời gian và tráo tần số Việc có một khoảng lựa chọn rộng hơn các thông số COFDM cùng với mã sửa sai mạnh hơn, cho phép DVB-T2 đạt được dung lượng cao hơn DVB-T gần 50% đối với mạng MFN và thậm chí còn lớn hơn đối với mạng SFN. DVB-T2 còn có một số tính chất mới góp phần cải thiện chất lượng hệ thống. - Cấu trúc khung (Frame Structure), trong đó có chứa symbol nhận diện đặc biệt được sử dụng để quét kênh (channel scanning) và nhận biết tín hiệu nhanh hơn. - Chòm sao xoay, nhằm tạo nên tính đa dạng trong điều chế tín hiệu, hỗ trợ việc thu tín hiệu có tỷ lệ mã sửa sai lớn. - Các giải pháp kỹ thuật đặc biệt nhằm giảm tỷ số giữa mức đỉnh và mức trung bình của tín hiệu phát. - Tuỳ chọn đối với khả năng mở rộng khung dữ liệu trong tương lai (future extension frame). 3.2.2.2.3. Những giải pháp kỹ thuật cơ bản 2.3.1. Ống lớp vật lý (Physical Layer Pipes - PLPs) Đòi hỏi của thị trường đối với độ tin cậy của các dịch vụ và sự cần thiết phải có các loại dòng dữ liệu khác nhau đã dẫn tới khái niệm "ống" lớp vật lý hoàn toàn trong suốt có khả năng truyền tải dữ liệu độc lập với cấu trúc và các thông số PLP khác nhau. Cả dung lượng và độ tin cậy đều có khả năng điều chỉnh cho phù hợp với từng nhà cung cấp nội dung/dịch vụ, tuỳ thuộc vào loại đầu thu, môi trường. DVB-T2 còn cho phép "gán" các giá trị: đồ thị chòm sao, tỷ lệ mã và tráo thời gian cho từng PLP, ngoài ra còn "dạng thức hoá" nội dung theo cùng một cấu trúc khung "baseband frame" như được áp dụng trong DVB-S2. Hình3.10: Các PLP khác nhau với các lát thời gian khác nhau Đặc biệt, một nhóm dịch vụ có thể cùng chia sẻ một thông tin chung, ví dụ bảng PSI/SI hoặc CA. Để tránh phải truyền "đúp" các thông tin này đối với từng PLP, DVB-T2 có chứa "PLP chung" được chia sẻ bởi một nhóm PLP. Như vậy, máy thu phải giải mã 2 PLP tại cùng 1 thời điểm khi thu một dịch vụ: PLP dữ liệu và PLP chung đi kèm. Hai mode đầu vào, do đó được định nghĩa: đầu vào mode A sử dụng duy nhất một PLP và đầu vào mode B sử dụng nhiều PLP. 2.3.1.1. Đầu vào mode A Đầu vào mode A là mode đơn giản nhất. Ở đây chỉ có duy nhất một PLP được sử dụng, truyền tải duy nhất một dòng dữ liệu. Hệ quả độ tin cậy của các nội dung thông tin giống nhau như đối với DVB-T. 2.3.1.2. Đầu vào mode B Đầu vào mode B là mode tiên tiến được sử dụng cho nhiều PLP (hình 4). Ngoài độ tin cậy cao đối với các dịch vụ nhất định, mode B còn cho phép khoảng tráo thời gian dài hơn và tiết kiệm năng lượng hơn đối với đầu thu. Hình 3.11: T-2 Frame với kênh RF đơn và nhiều PLP mode 2.3.2. Băng tần phụ (1.7 Mhz và 10 Mhz) Để đáp ứng các dịch vụ chuyên dụng, ví dụ truyền tín hiệu từ camera về một studio lưu động, DVB-T2 còn bao gồm tuỳ chọn băng tần 10Mhz. Các máy thu dân dụng không hỗ trợ băng tần này. DVB-T2 còn sử dụng cả băng tần 1.712 Mhz cho các dịch vụ thu di động (trong băng III và băng L) 2.3.3. Các mode sóng mang mở rộng (đối với 8K, 16K, 32K) Do phần đỉnh xung vuông trong đồ thị phổ công suất suy giảm nhanh hơn đối với kích thước FFT lớn. Điểm ngoài cùng của phổ tín hiệu OFDM có thể trải rộng hơn, điều này cũng đồng nghĩa với việc nhiều sóng mang phụ trên một symbol được sử dụng để truyền tải dữ liệu. Độ lợi (gain) đạt được ở giữa 1.4% (8Kmode) và 2.1% (32Kmode). Hình 5 so sánh phổ của 2K so với 32K ở điều kiện bình thường và 32K trong mode sóng mang mở rộng. Sóng mang mở rộng là 1 đặc tính tuỳ chọn, bởi lẽ với đặc tính này khó có có thể đạt được mặt nạ phổ (spectrum mask) cũng như tỷ số bảo vệ. Hình 3.12: Mật độ phổ công suất đối với 2K và 32K 2.3.4. MISO dựa trên Alamouti (trên trục tần số) Do DVB-T hỗ trợ mạng đơn tần (SFN), sự hiện diện của tín hiệu có cường độ mạnh tương tự nhau từ 2 máy phát có thể tạo nên điểm "lõm" (deep notches). Để khắc phục hiện tượng này, máy phát đòi hỏi phải có công suất cao hơn. DVB-T2 có tuỳ chọn sử dụng kỹ thuật Alamouti: với một cặp máy phát . Alamouti là một ví dụ của MISO (Multiple Input, Single Output), trong đó mỗi điểm của đồ thị chòm sao được truyền bởi một máy, còn máy phát thứ 2 truyền phiên bản có chỉnh sửa một chút của từng cặp của chòm sao với thứ tự ngược lại trên trục tần số. Kỹ thuật Alamouti cho kết quả tương đương với phương thức thu phân tập trên phương diện đạt được sự kết hợp tối ưu giữa hai tín hiệu, tỷ số tín/tạp cuối cùng, do đó là công suất tổng hợp của hai tín hiệu trong không gian. Hình 3.13: Mô hình MISO 2.3.5. Symbol khởi đầu (P1 và P2) Những symbol đầu tiên của khung DVB-T2 ở lớp vật lý là các symbol khởi đầu (preamble symbols). Các symbol này truyền một số lượng hạn chế các thông tin báo hiệu bằng phương thức truyền có độ tin cậy. Khung đầu tiên được bắt đầu bằng symbol P1, điều chế BPSK với độ tin cậy cao. Với khoảng bảo vệ ở cả hai đầu, symbol P1 mang 7 bit thông tin (bao gồm kích thước FFT của symbol dữ liệu). Các symbol P2, số lượng được cố định cho mỗi kích thước FFT, cung cấp thông tin báo hiệu lớp 1 kể cả tĩnh, động và khả năng cấu trúc. Các bit đầu tiên của thông tin báo hiệu (L1 - Pre-signalling) có phương thức điều chế và mã hoá cố định, các bit còn lại (L1 - Post-signalling) tỷ lệ mã được xác định là 1/2 nhưng phương thức điều chế có thể được lựa chọn giữa QPSK, 16-QAM và 64-QAM. Symbol P2, nói chung còn chứa dữ liệu PLP chung và/hoặc PLP dữ liệu. 2.3.6. Mẫu hình tín hiệu Pilot (Pilot Pattern) Pilot phân tán ((Scattered Pilots) được xác định từ trước cả về biên độ và pha, và được "cấy" vào tín hiệu với khoảng cách đều nhau trên cả hai trục thời gian và tần số. Pilot phân tán được sử dụng để đánh giá sự thay đổi trên đường truyền. Trong khi DVB-T áp dụng mẫu hình tĩnh (static pattern) độc lập với kích thước FFT và khoảng bảo vệ, DVB-T2 tiếp cận một cách linh hoạt hơn, bằng cách định nghĩa 8 mẫu hình khác nhau để có thể lựa chọn, tuỳ thuộc vào kích thước FFT và khoảng bảo vệ đối với mỗi đường truyền riêng biệt. Hình 3.14: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T (trái) và DVB-T2 (phải) Pilot phân tán cho phép giảm thiểu độ "vượt mức" (overhead) từ 4 ¸ 8% khi sử dụng mẫu hình PP3 và khoảng bảo vệ 1/8. Đối với Pilot liên tục, tỷ lệ phần trăm của DVB-T2 phụ thuộc vào kích thước FFT và đạt khoảng từ 0.7 ¸ 2.5% đối với 8K, 16K và 32K. 2.3.7. Phương thức điều chế 256-QAM Trong hệ thống DVB-T, phương thức điều chế cao nhất là 64-QAM cho phép truyền tải 6bit/symbol/sóng mang (có nghĩa là 6bit/tế bào OFDM). Ở DVB-T2, phương thức điều chế 256QAM (hình 8) cho phép tăng lên 8bit/tế bào OFDM, tăng 33% hiệu xuất sử dụng phổ và dung lượng dữ liệu đối với một tỷ lệ mã cho trước. Thông thường, tăng dung lượng dữ liệu thường đòi hỏi một tỷ số công suất sóng mang trên tạp nhiễu cao hơn (4 hoặc 5dB, tuỳ thuộc vào kênh truyền và tỷ lệ mã sửa sai), bởi lẽ khoảng cách Euclide giữa hai điểm cạnh nhau trên đồ thị chòm sao chỉ bằng khoảng 1/2 so với 64-QAM và do vậy đầu thu sẽ nhậy cảm hơn đối với tạp nhiễu. Tuy nhiên, mã LDPC tốt hơn nhiều so với mã cuốn (Convolution code) và nếu chọn tỷ lệ mã mạnh hơn một chút cho 256QAM so với tỷ lệ mã sử dụng trong 64-QAM của DVB-T, tỷ số công suất song mang trên tạp nhiễu C/N sẽ không thay đổi trong khi vẫn đạt được một độ tăng trưởng tốc độ bit đáng kể. 256-QAM do vậy sẽ là 1 sự lựa chọn đầy hứa hẹn trên thực tế. Hình 3.15: Đồ thị chòm sao 256-QAM 2.3.8. Chòm sao xoay (Rotated Constellation) Một trong số các kỹ thuật mới được sử dụng trong DVB-T2 là chòm sao xoay (Rotated Constellation) và trễ Q (Q-delay). Sau khi đã định vị, chòm sao được "xoay" một góc trên mặt phẳng I-Q như mô tả trên hình 9. Hình 3.16: Chòm sao 16-QAM "xoay" Các thành phần I và Q được tách bởi quá trình tráo sao cho chúng được truyền trên miền tấn số và thời gian khác nhau. Nếu có một thành phần bị huỷ hoại trên kênh truyền, thành phần còn lại có thể được sử dụng để tái tạo lại thông tin. Kỹ thuật này tránh được mất mát trên kênh Gauss và tạo được độ lợi 0.7dB trên kênh có phađing. Độ lợi này còn lớn hơn trên kênh 0dB phản xạ (SFN) và kênh xoá (nhiễu đột biến, phađing có chọn lọc) (Hình 10). Điều này cũng đồng nghĩa với việc có thể sử dụng tỷ lệ mã, tốc độ bit cao hơn. Hình 3.17: Thành tích của chòm sao xoay so với không xoay 2.3.9. 16K, 32K FFT và tỷ lệ khoảng bảo vệ 1/128 Tăng kích thước FFT đồng nghĩa với việc làm hẹp khoảng cách giữa các sóng mang và làm tăng chu kỳ symbol. Việc này, một mặt làm tăng can nhiễu giữa các symbol và làm giảm giới hạn tần số cho phép đối với hiệu ứng Doppler. Mặt khác, chu kỳ symbol dài hơn, cũng có nghĩa là tỷ lệ khoảng bảo vệ nhỏ hơn đối với cùng giá trị tuyệt đối của khoảng bảo vệ trên trục thời gian. Tỷ lệ khoảng bảo vệ bằng 1/128 trong DVB-T2, cho phép 32K sử dụng khoảng bảo vệ có cùng giá trị tuyệt đối như 8K 1/32 như hình 11. GI 8K 1/32 GI 32K 1/128 Hình 3.18: Khoảng bảo vệ đối (GI) với 8K 1/32 và 32K 1/128 2.3.10. Mã sửa sai LDPC/BCH Trong khi DVB-T sử dụng mã sửa sai trong và ngoài là mã cuốn và mã R-S (Convolutional and Reed-Solomon Codes), DVB-T2 và DVB-S2 sử dụng LDPC/BCH. Các mã này cho phép khả năng bảo vệ tốt hơn, truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng một kênh thông tin. Hình 3.19: So sánh mã sửa sai sử dụng trong DVB-T và DVB-T2 2.3.11. Tráo bit, tế bào, thời gian và tần số Mục đích của tráo là trải nội dung thông tin trên miền thời gian và/hoặc tần số sao cho kể cả nhiễu đột biến lẫn phađing đều không có khả năng xoá đi một chuỗi bit dài của dòng dữ liệu gốc. Tráo còn được thiết kế sao cho các bit thông tin được truyền tải bởi một điểm xác định trên đồ thị chòm sao không tương ứng với chuỗi bit liên tục trong dòng dữ liệu gốc. 2.3.12. Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình (Peak - to - average Power Ratio - PAPR) PAPR trong hệ thống OFDM cao có thể làm giảm hiệu xuất bộ khuếch đại công suất RF. Cả hai kỹ thuật làm giảm PAPR được sử dụng trong hệ thống DVB-T2: mở rộng chòm sao tích cực (Active Constellation Extension - ACE) và hạn chế âm sắc (Tone Reservation - TR). Kỹ thuật ACE làm giảm PAPR bằng cách mở rộng các điểm ngoài của đồ thị chòm sao trên miền tần số, còn TR làm giảm PAPR bằng cách trực tiếp loại bỏ các giá trị đỉnh của tín hiệu trên miền thời gian. Hai kỹ thuật bổ sung cho nhau, ACE hiệu quả hơn TR ở mức điều chế thấp còn TR hiệu quả hơn ACE ở mức điều chế cao. Hai kỹ thuật không loại trừ nhau và có khả năng sử dụng đồng thời. Tuy nhiên ACE không được sử dụng với chuẩn xoay. Kết luận: Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 (DVB-T2) được công bố tháng 2-2009 (sau DVB-S2 và DVB-C2 cho truyền hình số trên vệ tinh và truyền hình cáp). DVB-T2 sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật mới như: ống vật lý, băng tần phụ, các mode sóng mang mở rộng, MISO dựa trên Alamouti, symbol khởi đầu (P1,P2), mẫu hình tín hiệu Pilot, chòm sao xoay,… mục đích là làm tăng độ tin cậy của kênh truyền và tăng dung lượng bit. Trên thực tế, DVB-T2 có khả năng truyền tải dung lượng bit lớn hơn DVB-T gần 50% đối với mạng MFN và thậm chí cao hơn đối với SFN. DVB-T2 là hệ thống truyền hình số mặt đất lý tưởng cho truyền hình có độ phân giải cao HDTV (High Defination Televition). Với chuẩn nén MPEG 2, một kênh số mặt đất sẽ chỉ truyền được 1 chương trình HD. Với chuẩn nén MPEG 4/H.264, một kênh số mặt đất sẽ có thể truyền được 2 đến 3 chương trình HDTV, tuỳ theo cấu hình lựa chọn. Với MPEG 4/H.264, một chương trình HDTV có thể nén được xuống từ 8 đến 10Mbps, các chương trình nhiều chuyển động có thể đạt tới 16Mbps. Để đảm bảo chất lượng hình ảnh, các thông số kênh truyền cho sóng mặt đất thường được lựa chọn là: 64-QAM/mode 8K, tỷ lệ mã trong: 2/3, khoảng bảo vệ 1/8, khi đó dung lượng kênh là: 22.12Mbps có thể truyền được 2 kênh HDTV. 3.3.Phát HDTV qua mạng cáp 3.3.1. Phát HDTV qua chuẩn DVB-C So với kênh vệ tinh thì các kênh cáp hầu như tuyến tính hơn và có tỷ số S/N cao, nhưng băng tần bị hạn chế (7 đến 8 MHZ cho mỗi kênh) và có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu và sự dội lại của tín hiệu (echo). Do đó để tăng hiệu quả phổ trong DVB-C cần điều chế ở mức cao16-32-64QAM nhưng không sử dụng mã vòng xoắn Viterbi, do đó tốc độ vào khoảng 38Mbps. Video Subsystem Video Source Coding and Compression Audio Subsystem Audio Source Coding and Compression Video Audio Service Multiplex and Transport Service Multiplex Transport RF / Transmission System Modulation Channel Coding Ancillary Data Control Data Hình 3.20: Sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số qua mạng cáp RF Physical Interface To Cable Channel Video: Tín hiệu Video. Audio: Tín hiệu Audio. Subsystem Video: hệ thống xử lý tín hiệu Video. Subsystem Audio: hệ thống xử lý tín hiệu Audio. Video source coding and compressed: Khối mã hoá nguồn và nén tín hiệu Video. Audio source coding and compressed: Khối mã hoá nguồn và nén tín hiệu Audio. Ancillary data: Dữ liệu phụ. Control data: Dữ liệu điều khiển. Service Multiplexing and Transport : Khối ghép kênh dịch vụ và truyền tải. RF/Transmission System : Hệ thống Phát tín hiệu RF. Channel coding : mã hoá kênh truyền. Modulation : Điều chế. RF physical Interface: ghép kênh vật lý Cable Channel: cáp dẫn Tín hiệu Video và Audio cũng được đưa qua các khối xử lý số hoá, nén, ghép kênh dịch vụ, định dạng dòng truyền tải, mã hoá kênh truyền chống lỗi và biến đổi thành tín hiệu RF, khuyếch đại và đưa tới giao diện ghép kênh vật lý với kênh cáp. Cũng giống như trong hệ thống truyền hình số qua vệ tinh, tín hiệu Video được số hoá và nén thành dòng truyền tải MPEG-2, dòng truyền tải MPEG-2 gồm các gói dữ liệu chứa 188 Bytes, trong đó có một Byte đồng bộ, ba Bytes đầu chứa các thông tin về dịch vụ, thông tin điều khiển và ngẫu nhiên hoá, tiếp theo là 184 Bytes dữ liệu. 1.2.1/ Cấu trúc khung Dòng truyền tải: Sync 1 Byte 187 Bytes Hình 3.21a: Gói dòng truyền tải MPEG-2 SYNC1 R 187 Bytes SYNC2 R 187 Bytes SYNC8 R 187 Bytes SYNC1 R 187 Bytes Hình 3.21b: Các gói dòng truyền tải: Các Bytes đồng bộ và Bytes dữ liệu được ngẫu nhiên hoá R. SYNC1 OR SYNCn 203 Bytes SYNC1 OR SYNCn 203 Bytes SYNC1 OR SYNCn Hình 3.21c: Các khung dữ liệu đã được Interleaved ; Độ sâu Interleaving I=12 Bytes Hình 3.21: Cấu trúc khung dòng truyền tải SYNC1 : Byte đồng bộ không bị ngẫu nhiên hoàn toàn. SYNCn : Byte đồng bộ không bị ngẫu nhiên hoá, trong đó n= 2..8. 1.2.2/ Mã hoá kênh truyền . Tín hiệu video sau khi được biến đổi sang dạng số được mã hoá bằng mã sơ cấp. Tín hiệu mã này chưa thể truyền được trong một khoảng cách xa, việc sử dụng mã kênh truyền sẽ khắc phục được những nhược điểm của mã sơ cấp, đó là: - Hạn chế thành phần một chiều và thành phần tần số thấp để có thể đấu nối tín hiệu từ mạch này sang mạch khác bằng biến áp hoặc qua tụ. - Thuận lợi cho việc tái tạo lại xung nhịp ở đầu thu. - Phát hiện sai nhầm. Các mã đường truyền thường được sử dụng như: AMI, Manchester, HDB3... Để đạt được khả năng chống lỗi cao cho đường truyền dữ liệu số bằng cáp, người ta sử dụng mã chống lỗi (FEC) là mã Reed-Solomon. Hệ thống truyền hình số qua Cáp không sử dụng bộ mã hoá Convolution Code, để tránh lỗi cụm người ta sử dụng Kỹ thuật Interleaving Byte dữ liệu. Người ta sử dụng bộ mã hoá Visai thay cho bộ mã hoá Convolution Code. 1.2.3. Ngẫu nhiên hoá trải phổ dữ liệu. Dòng dữ liệu đầu vào sẽ được sắp xếp lại thành các gói dữ liệu có độ dài cố định, tiếp theo là quá trình ghép kênh dòng truyền tải MPEG-2. Tổng độ dài gói của một gói dòng truyền tải MPEG-2 đã được ghép kênh là 188 Bytes, kể cả một Byte đồng bộ. Quá trình xử lý của bộ mã hoá trong hệ thống phát luôn bắt đầu từ Bit có nghĩa nhất của từ mã đồng bộ. Đa thức sinh chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS: 1+ X14+ X15. Quá trình ngẫu nhiên hoá sẽ vẫn được tiếp tục ngay cả khi đầu vào không có dòng dữ liệu, hay dữ liệu không tương thích với dòng MPEG-2. Mục đích nhằm tránh tình trạng tạo ra các sóng mang không được điều chế từ bộ điều chế. Mã hoá Reed - Solomon Tiếp sau quá trình ngẫu nhiên hoá dữ liệu là quá trình mã hoá sửa lỗi dựa trên kiểu mã hoá RS cho từng gói dòng truyền tải MPEG-2 đã bị ngẫu nhiên hoá, với T=8, điều đó có nghĩa là có thể sửa được 8 Bytes lỗi trong một gói dòng truyền tải. Quá trình này được thực hiện bằng cách thêm 16 Bytes Parity vào một gói dòng truyền tải để tạo ra một từ mã (204,188). Chú ý : Quá trình mã hoá được thực hiện đối với cả byte đồng bộ không chuyển đổi hay chuyển đổi. Đa thức sinh mã : g(x) = (x+l0)(x+l1)(x+l2)...(x+l15)., trong đó l =02HEX. Đa thức sinh trường ( Field Generator Polynomial) : p(x) = x8+x4 +x3 + x2+ 1. Mã hoá RS ngắn được thực hiện bằng cách thêm vào 51 Bytes "rỗng" trước các Bytes thông tin tại đầu vào bộ mã hoá (255, 239), Sau quá trình mã hoá các Bytes này sẽ bị loại bỏ. Quá trình Interleaving Convolution Khung dữ liệu đã được Interleaved sẽ chứa cả các gói dữ liệu lặp đã được mã hoá chống lỗi, các gói này được phân định bằng các Bytes đồng bộ dòng MPEG-2. Bộ Interleaver có thể chứa I=12 nhánh, được kết nối vòng với dòng bít đầu vào nhờ chuyển mạch đầu vào. Mỗi nhánh là một thanh ghi dịch FIFO ; gồm Mj phần tử (Trong đó M=17 = N/I, N=204 = Độ dài khung đã được mã hoá chống lỗi, I=12 = độ sâu Interleaver, j = Chỉ số thứ tự nhánh). Các phần tử của một thanh ghi dịch FIFO chứa một Byte, các chuyển mạch đầu vào ra sẽ được đồng bộ. Nhằm mục đích đồng bộ, Các Bytes đồng bộ và các Bytes đồng bộ đã bị đảo sẽ được định tuyến qua nhánh "0" của bộ Interleaver (Tương ứng không trễ). Định vị Byte vào Symbol Sau khi thực hiện Interleaving Convolutional, quá trình Định vị byte lên các Symbol được thực hiện. Trong từng trường hợp, Bit có nghĩa nhất MSB của Symbol Z sẽ được lấy từ MSB của byte V. Tương ứng như vậy , bit có nghĩa tiếp theo của Symbol sẽ được lấy từ bit có nghĩa tiếp theo trong Byte. Trong trường hợp kiểu điều chế 2m - QAM, quá trình này sẽ định vị k Bytes vào n Symbols, như sau: 8k = n x m. Ví dụ như đối với kiểu điều chế 64-QAM ( Trong đó m=6, k=3 và n=4) b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 Byte V Byte V+1 Byte V+2 b5b4 b3 b2 b1 b0 b5b4 b3 b2 b1 b0 b5b4 b3 b2 b1 b0 b5b4 b3 b2 b1 b0 Symbol Z Symbol Z+1 Symbol Z+2 Symbol Z+3 Từ đầu ra bộ Interleaver (Bytes) Tới bộ mã hoá Visai (6-bit Symbols) Hình 3.22: Định vị các Bytes lên các Symbols cho kiểu điều chế 64-QAM Chú thích 1: b0 là bit ít nghĩa nhất (LSB) trong mỗi Byte. Chú thích 2 : Trong quá trình chuyển đổi này , các bít của mỗi Byte có mặt trong hai Symbol, Các Symbol được đánh dấu Z, Z+1....Các Symbol Z sẽ được phát đi trước các Symbol Z+1. Hai bit có nghĩa nhất (MSB) của mỗi Symbol sẽ được mã hoá Visai để đạt được trạng thái xoay pha một góc p/2 trong đồ thị định vị điểm thông tin. Quá trình mã hoá visai hai bít có nghĩa nhất (MSB) được cho trong phương trình Boolean Hình dưới đây sẽ minh họa quá trình thực hiện chuyển đổi Byte dữ liệu. Byte to m-Tupe Conversion Mapping Differential encoding 8 From convolutional Interleaver Bk=bq Ak=MSB q bits ( bq-1,...,b0) Qk Ik I Q 2 For 16 QAM q= 3 For 32 QAM 4 For 64 QAM Hinh 3.23: Phối hợp định tuyến các Byte với mã hoá Visai hai bit MSB trong điều chế QAM 3.3.2. Giới thiệu DVB-C2[4] DVB-C là tiêu chuẩn Châu Âu xây dựng cho hệ thống phát tín hiệu truyền hinh số quảng bá qua hệ thống mạng cáp. Hệ thống đó sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG 2 hoặc MPEG4, điều chế QAM và mã hoá kênh. DVB-C2 được phát triển từ năm 2008 là thế hệ tiêu chuẩn thứ hai cho việc truyền tín hiệu qua mạng cáp. Mục đích ban đầu của DVB-C2 là phát triển cho các dịch vụ mạng mới như HDTV, VOD và truyền IP tốc độ cao. DVB-C2 sử dụng các kỹ thuật mới trong điều chế và mã hoá kênh làm tăng hiệu suất sử dụng phổ lên hơn 30% và dung lượng đường truyền về (downstream) của mạng HFC tăng hơn 60%. Hình 3.24: So sánh điều chế sử dụng trong DVB-C và DVB-C2 Dưới đây là bảng so sách một số các đặc trưng khác nhau giữa DVB-C và DVB-C2 Đặc tính DVB-C DVB-C2 Giao diện vào Dòng TS đơn Single Transport Stream (TS) Sử dụng nhiều dòng TS và dòng đóng gói chung (Generic Stream Encapsulation GSE) Multiple Transport Stream and Generic Stream Encapsulation (GSE) Phương thức mã hoá kênh và điều chế Điều chế và mã hoá cố định Điều chế và mã hoá thay đổi theo biến Mã sửa sai FEC Reed Solomon (RS) LDPC + BCH Chèn Interleaving Theo Bit Theo thời gian và theo tần số Điều chế Sóng mang QAM COFDM Khoảng bảo vệ Không hỗ trợ 1/64 or 1/128 Các hệ thống điều chế 16- to 256-QAM 16- to 4096-QAM Bảng 3.4: So sánh đặc trưng của DVB-C và DVB-C2 3.3.3. Kiến trúc hệ thống DVB-C2. 3.3.3.1.Tổng quan hệ thống. Một hệ thống C2 có cấu trúc chung như hình 2.1. Trong mô hình OSI DVB – C2 chỉ tác động đến lớp vật lý của quá trình truyền dữ liệu. Tín hiệu đầu vào có thể một hoặc nhiều dòng truyển tải Mpeg2, các quá trình xử lý tín hiệu trước đầu vào như nén tín hiệu không thuộc hệ thống C2. Đầu vào hệ thống là một hoặc nhiều trùm dữ liệu logic. Sau đó tín hiệu đó sẽ đi qua một các đường dẫn vật lý PLPs (Physical Layer Pipes ). Đầu ra hệ thống là đơn tín hiệu và được phát trên một kênh RF. Hình 3.25: Cấu trúc hệ thống DVB-C2 Dòng tín hiệu đầu vào sẽ được chứa trong một chu kỳ của một khung lớp vật lý (C2 Frame), tổng số dung lượng đầu vào không được vượt quá dung lượng khả dụng của một khung C2. Một hoặc nhiều đường dẫn vật lý PLP được sắp xếp thành một nhóm và một hay nhiều nhóm đó sẽ tạo thành một Data Slice. Một hệ thống C2 gồm một hay nhiều Data Slice. Khi có nhiều dòng TS MPEG -2 (MPEG 4) được phát qua một nhóm ống dẫn vật lý PLP quá trình chia dòng TS thành Dòng TSTP và TSPSC sẽ được thực hiện trước khi đến khối xử lý tín hiệu đầu vào. Quá tình xử lý đó là một phần không thể thiếu của hệ thống DVB –C2 3.3.3.2 Cấu trúc hệ thống Quá trình xử lý tín hiệu của hệ thống C2 được thể hiện trong hình 3.26a. Gồm bốn công đoạn như sau: Tín hiệu vào được chia thành các phần song song nhờ bộ (Input Processing) hình 3.26b. Sau đó thực hiện chèn bít và mã nén trên modul BICM( Bit Interleaved Coding and Modulation) như hình 3.26c. Tiếp theo tín hiệu sẽ được xây dựng khung như hình 3.26d và cuối cùng đưa đến bộ phát tín hiệu ghép kênh trực giao OFDM như hình 3.26e. Hình 3.26a: Quá trình xử lý tín hiệu của hệ thống DVB-C2 Hình 3.26b: Cấu trúc xử lý tín hiệu đầu vào Hình 3.26c: Chèn bít và mã nén trên modul Hình 3.26d: Quá trình xây dựng khung tín hiệu Hình 3.26e:Bộ phát tín hiệu ghép kênh trực giao OFDM 3.3.3.2.1 Hệ thống xử lý tín hiệu đầu vào. Hệ thống C2 chấp nhận một hay nhiều dòng dữ liệu logic đầu vào. Mỗi một dòng dữ liệu được mang bởi một đường dẫn vật lý PLP. Các đường dẫn này hoạt động độc lập và chuyển các dòng dữ liệu thành các trường dữ liệu - là một phần của khung BBFrame (Baseband Frame). Quá trình xử lý tín hiệu của mudul đầu vào hệ thống C2 bao gồm : đồng bộ tín hiệu đầu vào, loại bỏ các gói rỗng, và thực hiện mã hoá CR8. Sau đó dòng dữ liệu được phân thành các trường chèn vào BBheader . a. Các định dạng đầu vào. PLP đầu vào hỗ trợ một trong các định dạng dữ liệu sau: • Dòng TS. • Dòng GES (Generic Encapsulated Stream ) • Dòng GCS (Generic Continuous Stream) (một dòng tín hiệu có kich thước gói thay đổi và các bộ điều chế không quan tâm kích thước gói) • Dòng GFPS (Generic Fixed-length Packetized Stream) dạng tín hiệu này tương thích với hệ thống DVB –S2. b.Giao diện đầu vào. 3.1.3. Đồng bộ tín hiệu Quá trình xử lý dữ liệu trong các bộ điều chế DVB-C2 có thể tạo ra độ trễ khác nhau. Hệ thống đồng bộ sẽ đảm bảo cố định tốc độ bit và đỗ trễ trong quá trình truyền dữ liệu với bất kỳ định dạng dữ liều đầu vào nào. DVB-C2 sử dụng một trường SSY field (Input Stream Synchronization) có dung lượng hai hoặc ba byte mang khoá bộ đếm. Phía thu dựa vào thông tin này để khôi phục lại tín hiệu. c. Loại bỏ các gói rỗng. Do trong hệ thống nén MPEG quy định tốc độ ra bộ xáo trộn phía phát và vào bộ xáo trộn lại phía thu là cố định và có độ trễ không đổi. Do đó để đảm bảo quy định đó thì cần phải chèn thêm các bít vào khung dữ liệu. Các gói rỗng có PID=8191 và DVB-C2 căn cứ thông tin này để loại bỏ các gói thừa. Hình 3.27: Sơ đồ xoá gói dư thừa d. Mã hoá CRC-8 CRC-8 được áp dụng để dò lỗi trong gói gói tin UP (User Packet). e.Baseband header (BBHeader). Một BBHeader bao gồm cố định 10 byte và có hai dạng. Dạng thứ nhất áp dụng cho chế độ bình thường NM (Normal Mode) và dạng thứ hai sử dụng trong chế độ cao HEM (High Efficiency Mode). Hình 3.28: Định dạng của BBHeader f. Định dạng đầu ra modul xử lý tín hiệu đầu vào Tín hiệu đầu ra có 4 định dạng : - Định dạng cho chế độ Normal Mode, dòng dữ liệu vào dạng GFPS và TS. Hình 3.29: Cấu trúc modul xử lý tín hiệu đầu vào - Định dạng cho chế độ High Efficiency Mode, dòng dữ liệu vào dạng TS Hình 3.30: Định dạng cho chế độ High Efficiency Mode - Định dạng cho chế độ Normal Mode, dòng dữ liệu vào dạng GCS và GSE. Hình 3.31: Định dạng cho chế độ Normail Mode 3.3.3.2.2. Các phương thức chèn dòng dữ liệu Việc chèn dữ liệu cung cấp ba chức năng : Hình 3.32: Cấu trúc BBFrame a.Lập lịch trình (Scheduler ) Lập lịch trình sẽ quyết định việc xây dựng các Data Slice với nhau và trong hệ thống C2 nó sẽ mang dữ liệu đi trong những đường truyền vật lý PLP b.Chèn bit Việc chèn thêm thực hiện trong các chi tiết khi dữ liệu người dùng sẵn sàng cho việc truyền. Kết quả là khung BBFrame có độ dài bít Kbch cố định . c. Xáo trộn dữ liệu Để đảm bảo an toàn dữ liệu các khung BBF cần phải được ngẫu nhiên hoá. DVB-C2 sử dụng mã hoá giả ngẫu nhiên PRBS(Pseudo Random Binary Sequence) để xáo trộn dữ liệu bằng cách tạo ra máy phát với công thức sau : 1 + X14 + X15 Hình 3.33: Xáo trộn dữ liệu 3.3.3.3. Hệ thống phát OFDM Hình 3.34: Cấu trúc hệ thống OFDM Ghép phân chia theo tần số trực giao là một công nghệ trong lĩnh vực truyền dẫn. Băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số không chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ riêng và N kênh được ghép phân chia theo tần số. 3.3.3.3.1. Điều chế IFFT – OFDM. IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) là quá trình chuyển đổi Fourier ngược. Tín hiệu phát được xậy dựng thành các khung. Mỗi khung có chu kỳ là TF và bao gồm LF Symbols. Mỗi một Symbol được cấu thành bởi một tập hợp Ktotal sóng mang được phát với chu kỳ TS. Nó bao gồm hai phần : Phần chu kỳ hữu dụng TU và khoảng bảo vệ với chu kỳ Δ. Khoảng bảo vệ bao gồm một phần và đứng trước của chu kỳ TU. Sự kết hợp giữa khoảng bảo vệ và FTT được thể hiện trong bảng “các thông số OFDM “sau : Bảng 3.5: Các thông số OFDM Các Symbol trong khung C2 là từ 0 đến LF-1. Tất cả các symbol đều chứa dữ liệu và thông tin liên quan. Vì tín hiệu OFDM bao gồm các sóng mang được điều chế độc lập, mỗi symbol có thể lần lượt được chia vào các cell tương ứng với điều chế được mang trên một sóng mang trong suốt một symbol. Các sóng mang được được xác đinh bằng khoảng k Є [ Kmin ; Kmax ]. Khoảng cách giữa hai sóng mang liên kề là 1/TU và khoảng cách giữa hai song mang Kmin và Kmax là Ktotal/TU. Tín hiệu phát được miêu tả trong biểu thức sau : Trong đó : Với - k : Số lượng sóng mang. - l : Số lượng symbol OFDM bắt đầu từ 0 tới Preamble Symbol frame của khung - m : Số khung C2. - Ktotal : Là số lượng sóng mang được phát. Ktotal = Kmin - Kmax - LF : Là tổng số symbol OFDM trong một khung. - TS : Tổng số chu kỳ của tất symbol, và TS = TU + Δ; - TU : Là các kỳ của symbol có ích đưwcj định nghĩa ở bản trên. - Δ : Chu kỳ của khoảng bảo vệ. - Cm,l,k : là giá trị điều chế phức hợp cho sóng mang k của symbol OFDM thứ l trong khung C2 thứ m. - TF là chu kỳ của khung, TF = LF . TS. - Kmin là chỉ số của sóng mang có tần số thấp nhất. - KMax là chỉ số của sóng mang có tần số cao nhất. Mối liên quan giữa chu kỳ và băng thông của như sau : 3.3.3.3.2. Đặc tính cấu trúc Các symbol OFDM được cấu thành bởi hai sóng mang giống nhau kề nhau. Biên độ và pha của các sóng mang Data Cell thay đổi theo sự sắp xếp đã được miêu tả trước. Mật độ phổ công suất Pk(f) của sóng mang tại tần số : fk = k/TU (với Kmin < k < Kmax ). Được định nghĩa theo biểu thức sau : Toàn bộ mật độ công suất phổ của các sóng mang Cell Data đã được điều chế là tổng các mật độ công suất của tất cả các sóng mang. Một phổ tín hiệu phát DVB theo lý thuyết có dạng như hình sau : Hình 3.35: Phổ tín hiệu phát DVB-C2 Phổ tín hiệu biểu diễn bằng đường cong màu xanh dương có độ rộng 7.61 MHz. Đường cong màu đỏ là minh hoạ viền tần số thấp của tín hiệu phổ rộng tần số 455 MHz. Bởi vì chu kỳ Symbol OFDM rộng hơn khoảng chống sóng mang biển đổi nguợc. Do vậy mật độ phổ không là hằng số trong một băng thông danh định. Kết luận: Một kênh truyền hình trên mạng cáp có độ rộng băng thông là 8MHz. Hệ số roll off là 0.15, phương thức điều chế 64QAM, dung lượng tối đa một kênh số sẽ là 38Mbps. So với kênh vệ tinh thì các kênh cáp hầu như tuyến tính hơn và có tỷ số S/N cao, nhưng băng tần bị hạn chế (7 đến 8 MHZ cho mỗi kênh) và có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu và sự dội lại của tín hiệu (echo). Do đó để tăng hiệu quả phổ trong DVB-C cần điều chế ở mức cao16-32-64QAM nhưng không sử dụng mã vòng xoắn Viterbi, do đó tốc độ vào khoảng 38Mbps. 3.4.Phát HDTV qua IP Hiện nay DVB mới chỉ hỗ trợ phát HDTV qua IP với chuẩn nén MPEG 2. Bản thân MPEG 4 cũng định nghĩa phương thức đóng gói dữ liệu MPEG 4 lên dòng truyền tải IP (đuợc xem như MPEG 4/part 8), tuy nhiên hiện nay mới dùng để truyền SDTV và các dịch vụ khác. Hình sau đây mô tả quá trình xử lý từ phía phát đến phía thu có sử dụng mã sửa lỗi FEC cho HDTV. HDTV MPEG2 Transport Consumer Hình 3.36: Qua trình thu phát phát HDTV qua IP Theo chuẩn DVB-IP, các gói TS của MPEG 2 được đóng gói vào các gói dữ liệu IP. Một gói dữ liệu IP sẽ bao gồm IP header, UDP header (User datagram Protocol), RTP header (Real Time Protocol) và tải chứa nội dung gói TS MPEG 2. Một gói IP chứa tối đa 7 payload của gói TS MPEG 2. Hình 3.37: Cấu trúc gói dữ liệu IP Truyền HDTV qua IP có sử dụng mã sửa sai Reed Solomon RFC 2733. CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1.Mô hình mô phỏng Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước. Trong chương này, chúng ta giới thiệu chương trình mô phỏng hệ thống HDTV với các chế độ điều chế, tỷ lệ mã sửa sai, khoảng bảo vệ khác nhau. Việc mô phỏng hệ thống được sử dụng chương trình mô phỏng MATLAB để thực hiện mô phỏng việc phát sóng HDTV với các chuẩn DVB-T,DVB-T2, DVB-C2. Những mô hình cơ bản này được lấy từ Demo-Blocksets- Application Specific Examples, MATLAB & SIMULINK R2009a và được chỉnh sửa và cải tiến để phù hợp với yêu cầu. 4.1.1.Mô hình hệ thống DVB-T Mô hình DVB-T, mode 2k được mô tả như hình 4.1 . Hình 4.1: Mô hình DVB-T, mode 2k Mô hình bao gồm các khối chức năng độc lập, mỗi khối được biểu diễn bởi một hàm m-file. AWGN Channel. Hình 4.2: Khối cộng nhiễu Gauss trắng Tín hiệu lối vào và tín hiệu lối ra có thể là số thực hoặc số phức. Nếu tín hiệu vào là thực thì khối này sẽ cộng nhiễu Gauss thực và tạo ra một tín hiệu thực ở lối ra. Khi tín hiệu lối vào là phức, khối này cộng tín hiệu Gauss phức và tạo ra một lối ra tín hiệu phức. Khi sử dụng sự thay đổi mode với lối vào phức, giá trị thay đổi ngang bằng thành phần thực chia cho thành phần ảo của tín hiệu lối vào. Thông số có thể thay đổi được là Initial seed, Mode, Eb/No (dB), Number of bits per symbol, Input signal power (watts), Symbol period (s). Có thể xác định sự khác nhau của bộ tạo nhiễu bởi kênh AWGN tỷ số tín hiệu trên tạp Eb/N0 và Eb/N0 với tín hiệu lần lượt là bít và là symbol, hay tỷ lệ tín trên tạp SNR. DVB-T sử dụng các khối mã hoá sửa sai RS(204,188) kết hợp với khối mã hoá trong Punctured Convolutional Code ( R), trong đó các giá trị tỉ lệ mã R được sử dụng để mô phỏng là 1/2, 2/3, 3/4. Convolution Encoder Puncture Function Nrs 2Nrs Nrs N= Rcc Hình 4.3: Bộ mã hoá Convolutional Code Khối Mapper của DVB-T sử dụng các điều chế cơ sở QPSK 2K, 16-QAM, 64-QAM. Khối OFDM dùng để mô phỏng ở chế độ 2k, kích thước IFFT 2048 và 1512 sóng mang có dữ liệu có ích. 4.1.2.Mô hình hệ thống DVB-T2 Hình 4.4 :Sơ đồ mô hình hệ thống DVB-T2 mode 32k Ngoài các khối cơ bản như trong DVB-T thì DVB-T2 có thêm các khối BBFRAME, BCH Encoder, LDPC Encoder. Mã LDPC là một mã khối, tức là một khối dữ liệu được mã hoá thành một từ mã. Mã LDPC được xác định bằng một ma trận kiểm tra chẵn lẻ thưa mật độ thấp. LDPC trong DVB-T2 có 2 loại chiều dài từ mã : 64800 bit và 16200 bit. 4.1.3.Mô hình hệ thống DVB-S2 Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống DVB-S2 như hình vẽ 4.5 Hình 4.5: Mô hình DVB-S2 4.2.Đánh giá một số kết quả mô phỏng 4.2.1.Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T Hình 4.6: Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T 4.2.2.Hệ thống DVB-S2 Hình 4.7 : So sánh sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Gaussian sau bộ sửa lỗi LDPC sử dụng QPSK và 8QPSK 4.2.3.Hệ thống DVB-T2 Hình 4.8 : Sự phụ thuộc của BER vào Eb/No trong kênh Gaussian sau bộ sửa lỗi Viterbi sử dụng 4 QAM Hệ mô phỏng cũng đã chạy với các tỷ lệ mã hoá R=2/3, ¾ tương ứng với điều chế 16 QAM, 64 QAM. Kết quả thể hiện khi so sánh hiệu suất giữa các sơ đồ điều chế với cùng một tỉ lệ mã sửa sai ta thấy rằng QPSK tốt hơn so với 16QAM. CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI HDTV TẠI VIỆT NAM Truyền hình Việt Nam đã lựa chọn hệ thống tiêu chuẩn DVB cho truyền hình số tại Việt Nam. Hiện nay có 3 đơn vị phát sóng truyền hình số mặt đất: Công ty VTC: được phép phát sóng qua vệ tinh theo chuẩn DVB-T, nén MPEG2, MPEG4 Đài PTTH Bình Dương: phát truyền hình số mặt đất chuẩn DVB-T khu vực Bình Dương và lân cận Đài TH TP Hồ Chí Minh: phát thử nghiệm tại khu vực thành phố với 2 đơn vị phát qua cáp (DVB-C) là HTVC, SCTV Tuy phát nhiều kênh HD nhưng thực tế mỗi đơn vị chỉ có 1 vài kênh phát FullHD (kênh được thu bằng camera HD, dựng hình, làm hậu kỳ bằng thiết bị HD, lưu trữ trên phương tiện hoặc được thu tín hiệu HDTV từ vệ tinh và phát sóng theo tiêu chuẩn HDTV) còn lại đa phần là sử dụng kênh SDTV sau đó dùng phần mềm hoặc thiết bị phần cứng có tính năng convert để nâng cấp chất lượng chuyển đổi sang HDTV. Tại sao phải phát kênh HDTV chuyển đổi vì chi phí sản xuất chương trình HDTV thật tốn kém hơn rất nhiều so với SDTV, phải thay thế hết các thiết bị hiện có camere, dựng hình, hậu kỳ, lưu trữ... sang chuẩn HD) hoặc phải mua bản quyền chương trình HDTV giá thật cao hơn rất nhiều. Với việc phát HDTV thì việc thu phát và các chuẩn được tuân thủ theo chuẩn HDTV đã giới thiệu trong các phần trên. Với việc chuyển đổi kênh từ SDTV sang HDTV thì phải sử dụng một số kỹ thuật để tăng độ phân giải, nâng cao chất lượng hình ảnh như: kỹ thuật de-interlacing, upconvesion. Chuyển đổi khuôn hình Full Phóng to Full Phóng to Nén hình Chế độ hiển thị 16 x 9 Chế độ hiển thị 4 x 3 Nén hình dãn hình Co hình (j) (d) (b) (a) 4 3 (e) (f) (g) (i) (h) 16 9 (c) Video Transmission Format Hình 5.1a: Mô tả chuyển đổi khuôn hình Việc chuyển đổi dịnh dạng chính là việc cho phép khuôn hình được xuất hiện với tỷ lệ nào. Đối với các màn hình LCD thu tín hiệu HD thì có hỗ trợ các giải pháp chuyển đổi khuôn hình từ SD sang tiêu chuẩn HD. - Chuyển đổi sang HD vẫn giữ nguyên hình ảnh trong SD và như vậy hai bên màn hình sẽ có hai dải sọc màu đen. Giải sọc này có thể được tận dụng để chèn các dòng quảng cáo. Kéo dãn hình ảnh lấp đầy khuôn hình 16:9. Giải pháp này sẽ làm méo hình ảnh. - Phóng to hình ảnh : giải pháp này sẽ lấp đầy hình ảnh trên khuôn hình HD tuy nhiên một số hình ảnh ở rìa trong SD sẽ bị mất cảnh. Hình 5.1 b,c,d: Màn hình tivi khi chuyển đổi khuôn hình SD sang HD 5.2.1.Kỹ thuật De-interlacing [6] Là một kĩ thuật quan trọng sử dụng trong miền không gian để tăng số dòng quét trong một mành quét. Hình 5.2: Minh họa quá trình De-Interlacing Để tăng số điểm ảnh người ta sử dụng thuật toán nội suy các điểm ảnh mới bằng các điểm ảnh đã có. Hình 5.3: Nội suy các điểm ảnh mới Điểm ảnh được nội suy sẽ là sự tổng hợp các điểm ảnh lân cận của các trường ảnh (field) kế tiếp nhau. Có thể mô tả băng thuật toán như sau: Định nghĩa: Chuỗi tín hiệu video số được quét liên tục là một mảng dữ liệu 3 chiều bao gồm trục ngang, dọc và trục thời gian. Ta coi là hàm Fp [x; y; n] với x : trục ngang, y: trục đứng và n là số trường. Một điểm ảnh sẽ được biểu diễn bằng công thức sau: Thuật toán cho thấy chỉ có những dòng chẵn được quét trong các mành chẵn và các dòng lẻ được quét trong các dòng lẻ. Để tìm gia phần thiếu cảu các trường ảnh người ta áp dung công thức : là điểm ảnh còn thiếu trong một trường ảnh ( chẵn, hoặc lẻ) mà cần phải tìm. Có hai phương pháp cơ bản được áp dụng để tìm ra phản phù còn thiếu là kĩ thuật interframe và Intraframe - Interframe hay Lọc không gian: là kỹ thuật khôi phục lai chế độ quét liên ục bằng phương pháp nội suy điểm ảnh trong từ các điểm ảnh trong một khung.Công thức dưới đây biểu diễn chế kỹ thuật Interframe : Hình ảnh biểu diễn kỹ thuât Interframe Hoặc có thể nội suy điểm ảnh từ 2 điểm ảnh kế cận Hình ảnh biểu diễn - Intraframe là kỹ thuật lọc trong miền thời gian cho phép nội suy điểm ảnh từ nhiều các trường liên tiếp. Hình ảnh biểu diễn : Như vậy với các giải pháp này cho phép khôi phục lai số dòng quét trong một trường ảnh và như vậy hình ảnh sẽ được quét với chế độ liên tục. Đồng thời cho phép tăng số dòng quét trong một khung ảnh. 5.2.2.Kỹ thuật upconvesion [6] Đây là kỹ thuật cho phép nội suy khung ảnh và loại bỏ một số hiệu ứng xấu để tăng chất lượng hình ảnh. Hinh dưới đây biểu diễn kỹ thuật upconversion Hình 5.4: Kỹ thuật upconversion Để đảm bảo chất lượng hinh ảnh khi tăng tốc độ truyền khung, loại bỏ hiện tượng ảnh nhấp nháy và nhòe ảnh người ta áp dụng kỹ thuật liên khung và bù chuyển động. Dưới đây là hình ảnh biểu diễn kỹ thuật liên khung bù chuyển động. a, b, c, Hình 5.5: Kỹ thuật liên khung bù chuyển động Kết quả của kỹ thuật này cho phép thu được hình ảnh sắc nét KẾT LUẬN: Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, việc phát triển truyền hình số, HDTV đã trở thành một đích đến cho truyền hình của nhiều quốc gia trên thế giới nhờ vào bước đột phá trong kỹ thuật nén file. Khi phát HD, nếu nén MPEG2 thì rất tốn kênh tần số, nhưng khi phát MPE 4 thì các đài nhờ công nghệ này mà có thể phát tín hiệu cả mặt đất, lẫn cáp hay IP và vệ tinh cực kỳ thuận lợi. Các nước tiên tiến đang đẩy mạnh việc quảng bá và triển khai dịch vụ truyền hình có độ phân giải cao HDTV. Hiện tại thế giới vẫn chưa thống nhất một tiêu chuẩn HDTV chung nhất. Các tổ chức truyền hình đành cố đạt vài thông số chung cho HDTV theo cả hai loại tần số mành là 30Hz và 25Hz. Tại Việt Nam tuy dịch vụ HDTV đã được đưa vào nghiên cứu và triển khai thử nghiệm phát sóng. Trên thực tế, nhiều người dùng Việt Nam vẫn chưa được thưởng thức trọn vẹn công nghệ HD mặc dù đã có đầu HD-DVD và màn hình HD. Vì để tạo ra một sản phẩm đạt chuẩn Full HD 1080, tất cả thiết bị từ máy quay phim, hệ thống biên tập, lưu trữ, truyền, phát, dẫn thu hình, phát hình đều phải đạt chuẩn Full HD 1080. Hiện tại mỗi đơn vị phát sóng, truyền dẫn theo cách khác nhau: DVB-T, DVB-S, DVB-C. Và việc áp dụng phát theo chuẩn DVB-T2, DVB-S2, DVB-C2 sử dụng kỹ thuật nén tiên tiến MPEG-4/AVC là tất yếu của việc phát triển khi mà DVB-T2 có dung lưọng kênh truyền tăng lên đến 50% và độ tin cậy cũng như chất lượng dịch vụ được cải thiện rõ rệt; DVB-S2 sử dụng một số kỹ thuật như sự kết hợp mã sửa sai HCB/LDPC, kỹ thuật quay chòm sao, mở rộng chế độ FFT và sơ đồ điều chế QAM; DVB-C2 sử dụng các kỹ thuật mới trong điều chế và mã hoá kênh làm tăng hiệu suất sử dụng phổ lên hơn 30% và dung lượng đường truyền về của mạng HFC tăng hơn 60%. Truyền hình số HDTV là một lĩnh vực đầy hấp dẫn. Tuy nhiên do tính chất luôn mới, phức tạp, đa dạng và tính mở của công nghệ đặc biệt là lĩnh vực phát thanh truyền hình trên thế giới nên chắc chắc sẽ còn cho chúng ta nhiều khám phá và công nghệ mới mẻ. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do nghiên cứu về một công nghệ mới và thời gian cũng như trình độ của người viết còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả mong được sự tham gia đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để bản luận văn được hoàn thiện hơn. Thay lời kết, tôi xin chân thành cảm ơn TS Ngô Thái Trị là cán bộ hướng dẫn trực tiếp, người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức cơ bản cùng sự góp ý nhiệt tình của bạn bè, thầy cô và các đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Công Hùng, Đinh Thế Cường, Nguyễn Quốc Bình (2006), “Nâng cao chất lượng hệ thống OFDM bằng BICM-ID”, Tạp chí “ Bưu chính Viễn thông và Công nghệ thông tin”. [2] Ngô Thái Trị (2001), “Truyền hình số”, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. Tiếng Anh [3] Charles Poynton (2003),“Digital video and HDTV Algorithms and Interfaces”, Copyright 2003 by Elsevier Science (USA), Printed in United States of America [4] European Broadcasting Union (April 2009),“Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital transmission system”, CH-1218 GRAND SACONNEX (Geneva),Switzerland [5] Jim Krause, MA (2006), "HDTV- High Definition Television", Indiana University Department of Telecommunications 1229 East 7th Street, Bloomington [6] K.F.Ibrahim (2007), “Newnes Guide to Television and Video Technology”, Copyright 2007 Elsevier Ltd, Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK