Bài giảng Kỹ thuật phát thanh và truyền hình - Chương 3: Truyền hình số - Vũ Thị Thúy Hà

n ®Õn hµng tr¨m th× tÝn hiÖu sè trªn
 mÆt ®Êt sÏ ®îc dïng ®Ó chuyÓn c¸c ch¬ng tr×nh khu vùc, nh»m vµo
 mét sè lîng kh«ng lín ngêi thu.
 CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN
 HÌNH SỐ
. §ång thêi, ngoµi viÖc thu b»ng Anten cè ®Þnh trªn m¸i nhµ, truyÒn
 h×nh mÆt ®Êt cßn cho phÐp thu b»ng Anten nhá cña m¸y thu x¸ch
 tay, thu di ®éng (trªn « t«, m¸y bay...). TruyÒn h×nh sè truyÒn qua 
 m¹ng c¸p phôc vô thuËn lîi cho ®èi tîng lµ c d©n ë c¸c khu ®«ng ®óc, 
 kh«ng cã ®iÒu kiÖn l¾p Anten thu vÖ tinh hay anten mÆt ®Êt.
SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ DVB 
 3/2/2017
 VũTh 
 ị
 Thúy Hà Hà Thúy
 185
1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số DVB (Digital Video Broadcast)
 Sơ đồ tổng quát phía phát/thu của DVB
 3/2/2017
 Bước 1:
 Các dòng chương trình truyền hình số sau khi nén VũTh 
 MPEG2 (video & audio) sẽ được phân chia thành các
 ị
 dòng đóng gói cơ sở PES (Packetized Elementary Hà Thúy
 Stream) đi đến bộ ghép kênh. Dòng dữ liệu đầu ra là các
 gói có độ dài 188 byte (1byte đồng bộ+187byte dữ liệu).
 187
GH É P KÊNH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG
 3/2/2017
 Program Multiplexer
 Video Coder Packetizer VũTh 
 Transport 
 Audio Coder Packetizer ị
 Multiplexer Hà Thúy
 1
 Data Coder Packetizer
 2
 n
 Transport 
 Stream
 Packetized 
 Elementary 
 Streams
 188
XƯ ̉ LÝ LUỒ NG MPEG 2- STB
 3/2/2017
 VũTh 
 ị
 Thúy Hà Hà Thúy
 189
THE MPEG TRANSPORT STREAM
 3/2/2017
 VũTh 
 ị
 Thúy Hà Hà Thúy
 190
DVB-S TRANSMISSION SYSTEM KU
BAND
TRANSPORT PACKET
 192
 IT 481, Fall 2006 08/28/2006
TRANSPORT STREAM MULTIPLEXER
 3/2/2017
 Ngẫu nhiên hóa bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS: phân
 tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị
 VũTh 
 phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài “0” và “1”).
 ị
 Thúy Hà Hà Thúy
 Mã hóa sửa lỗi Reed Solomon. FEC: Forward Error
 Correction
 Mã xoắn, mã chập: loại bỏ tính thống kê của nhiễu.
 194
NG Â ̃U NHIÊN HÓA DVB 
SCRAMBLER /DESCRAMBLER
 p(n-14) +p(n-15)
 x(n) y(n)
 y(n) = x(n) + p(n-14) + p(n-15)
 Self descrambling:
 y(n) = x(n) + p(n-14) + p(n-15) + p(n-14) + p(n-15) 
 = y(n)
RANDOMIZED TRANSPORT PACKETS
REED-SOLOMON ENCODING
 An RS code is partially specified as an RS(n,k) 
 with m-bit symbols. 
  E.g. the DVB code is RS(204,188) using 8-bit symbols. 
  n refers to the number of encoded symbols in a block, 
  k refers to the number of original message symbols. 
 The difference n-k (usually called 2t) is the 
 number of parity symbols that have been 
 appended to make the encoded block. 
MÃ H Ó A REED SOLOMON RS(204,188,T=8) ERROR
PROTECTED PACKET. 
HIÊ ̣U NĂNG R-S (PERFORMANCE)
 The DVB code 
  Chia bản tin thành các blocks có kích thước 188 symbols . 
  Chèn 16 symbols sửa lỗi (2t = 204-188 = 16) . 
  Có thể sửa được lỗi 8 (t = 16/2) symbol
FRAMING STRUCTURE
ĐAN XEN XOẮN VỚI ĐỘ SÂU I=12
INTERLEAVED FRAMES (INTERLEAVING DEPTH
I=12).
CONVOLUTIONAL INTERLEAVER
INTERLEAVER
CONVOLUTIONAL CODE
DEFINITION
 08/28/2006
 204
 Punctured Code Definition
 IT 
 481, 
 Fall 
 2006
CONVOLUTIONAL ENCODER
 To I Channel
 Input Bit 
 Stream
 To Q Channel
 IT 
 481, 
 Fall 
 2006
PUNCTURING PATTERN & TRANSMISSION
SEQUENCE
 Transmitted sequence
 Code Rates Puncturing pattern
 (after parallel-to-serial conversion) 
 X: 1
 1/2 X Y
 Y: 1 1 1
 X: 1 0
 2/3 X Y Y
 Y: 1 1 1 1 2
 X: 1 0 1
 3/4 X Y Y X
 Y: 1 1 0 1 1 2 3
 X: 1 0 1 0 1
 5/6 X Y Y X Y X
 Y: 1 1 0 1 0 1 1 2 3 4 5
 X: 1 0 0 0 1 0 1
 7/8 X Y Y Y Y X Y X
 Y: 1 1 1 1 0 1 0 1 1 2 3 4 5 6 7
 206
 IT 481, Fall 2006 08/28/2006
PUNCTURED CODE
 08/28/2006
 207
 IT 
 481, 
 Fall 
 2006
PUNCTURED CONVOLUTIONAL CODE BLOCK DIAGRAM
 Phía thu:
 Tín hiệu RF từ môi trường truyền dẫn đi vào bộ đổi tần xuống IF. VD:
 DVB-S: Ku: 10,7 – 12,75 GHz qua bộ LNC (Low Noise Converter) chuyển
 xuống IF1: 950 – 2175 MHz, sau khi lựa chọn kênh tiếp tục đổi tần xuống
 IF 2: 480 MHz.
 BVB-C và DVB-T: Chuyển từ RF: 47 – 860 MHz xuống trung tần IF 36,15
 MHz.
 Giải điều chế tương ứng: COFDM (T), QAM (C), QPSK (S) để khôi phụ
 hai tín hiệu I, Q.
 Biến đổi ADC, Lọc, định dạng lại dữ liệu (sysbol remapping), thực hiện quá
 trình sửa lỗi, khôi phục lại các gói truyền tải PES 188 byte.
 Giải ngẫu nhiên hóa, và tách kênh theo yêu cầu người sử dụng.
 Giải nén MPEG2 video và audio của chương trình mong muốn.
2. Đặc điểm của điều chế truyền hình số
 DVB-S:
 Khoảng cách truyền lớn 36 000 Km, suy hao và nhiễu đường truyền lớn.
 Công xuất phát nhỏ, tín hiệu đến anten thu ở mặt đất rất yếu, C/N nhỏ <
 10dB.
 Anten nhìn thấy nhau, không chịu ảnh hưởng của đa đường.
 -> Chọn phương pháp điều chế QPSK cho tỉ số C/N lớn, với băng tần rộng
 27 – 36 MHz (analog FM đang tồn tại).
 DVB-C:
 Khoảng cách truyền nhỏ, nhiễu nhỏ, tỉ số C/N lớn >30dB.
 Chịu ảnh hưởng của hiện tượng vọng (echoes) tín hiệu do phản xạ tại các
 node trong mạng, tuy nhiên ảnh hưởng này nhỏ.
 -> Chọn phương pháp điều chế 16 - 256 QAM, băng tần hẹp 6 – 8 MHz
 (analog AM)
 DVB-T:
 Khoảng cách truyền nhỏ, công suất phát lớn.
 Ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiện tượng đa đường.
 -> Chọn phương pháp điều chế COFDM, băng tần hẹp 6 – 8 MHz.
 Điều chế biên độ trực giao QAM (Quadarture Amplitude Modulation):
 Các phương pháp điều chế số ASK, FSK: hiệu suất băng thông kém, yêu
 cầu nâng cao tốc độ bit trên băng tần cho trước.
 Phương pháp điều chế QAM: ban đầu ứng dụng cho điều chế tín hiệu màu
 trong hệ NTSC 1954. Sau ứng dụng cho điều chế số nâng cao hiệu suất
 băng thông.
 Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QAM:
 Đầu vào n bit, n/2 bit cho mỗi kênh I, Q.
 Ta có thể biểu diễn số trạng thái (symbol) tương ứng trên mặt phẳng I & Q
 gọi là chòm sao (Constellation). Mỗi điểm là một ngôi sao (star) tương ứng
 với 1 symbol biểu diễn các bit.
 Chòm sao QPSK (4-QAM)
 2 bits/symbol.
 Sau khi thực hiện biến
đổi DA, hai tín hiệu
analog I & Q đưa vào điều
biên riêng biệt với hai
sóng mang trực giao.
 Chòm sao 64-QAM,
 6 bits/symbol
3. Điều chế trong DVB – S và DVB – C
 Mối quan hệ giữa BER (Bit Error Ratio) và SNR trong điều kiện lý tưởng
 đối với điều chế QAM:
 Nhận thấy rằng với cùng BER, QPSK cho SNR lớn hơn 12dB so với 64 –
 QAM.
 Dựa vào đặc điểm về môi trường truyền cũng như hiệu suất băng thông tối
 đa có thể đạt được, đồng thời qua thử nghiệm thực tế ta đưa ra lựa chọn
 phương pháp điều chế:
 • DVB-S: QPSK với 2 bits/symbol.
 • DVB-C: 64-QAM với 6 bits/symbol.
 • Với DVB-T: Do ảnh hưởng nghiêm trọng bởi đa đường, biên độ đến bộ
 thu biến đổi, BER lớn hơn mức cho phép. Nên không sử dụng QAM cho
 DVB-T.
 Ảnh hưởng của nhiễu đến việc giải điều chế QAM:
 Chòm sao ở đầu ra của bộ giải điều chế QPSK trong đầu thu vệ tinh:
 Chòm sao QPSK với nhiễu trong DVB-S 
 Chòm sao ở đầu ra của bộ giải điều chế 64-QAM trong đầu thu cáp:
 Chòm sao 64-QAM với 
 nhiễu S/N=23dB
 Nếu S/N lớn hơn mức cho phép, bộ giải điều chế sẽ không phân biệt được 
 điểm trong chòm sao với các điểm lân cận nó -> sai lỗi symbol.
 Với TH cáp, ngoài ảnh hưởng nhiễu trên đường truyền còn có ảnh hưởng
 của hiện tượng vọng tín hiệu trong mạng. ISI (Inter-Symbol Interference)
 rất lớn nên không thể phân biệt các điểm lân cận.
 Constellation of 64-QAM with echoes Constellation of 64-QAM with 
 echoes after equalizing
 Trong đầu thu DVB-T sử dụng bộ lượng tử hóa vọng tương thích để khôi
 phục lại chòm sao tương đối chính xác.
4. Điều chế trong DVB-T
 Sử dụng điều chế phân chia theo tần số trực giao mã hóa COFDM (Coded
 Orthogonal Frequency Division Modulation):
 Phân chia băng tần số sử dụng thành nhiều băng hẹp, mỗi băng hẹp là một
 sóng mang con điều hòa và các sóng mang này là trực giao với nhau (hàng
 nghìn sóng mang).
 Dòng bít dữ liệu tốc độ cao sẽ phân chia thành các luồng tốc độ bít thấp
 hơn, mỗi luồng sẽ được điều chế bởi các sóng mang trực giao.
 Tính trực giao: đỉnh phổ của sóng mang này tương ứng với giá trị không
 trong phổ của các sóng mang khác.
 Phổ OFDM với số sóng mang N=5
 Chu kì biểu tượng Ts: thời gian để truyền đi 1 symbol.
 1/Ts: là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp.
 Phổ OFDM với số sóng mang N=32
 Sử dụng COFDM để triệt tiêu ảnh hưởng của đa đường:
 Đối với hệ thống đơn sóng mang (QAM): máy thu sẽ cố gắng giải điều chế
 dữ liệu bằng cách kiểm tra tất cả thông tin nhận được liên quan đến symbol
 thứ n kể cả thông tin thu trực tiếp lẫn thông tin thu được do trễ.
 T >>T
 delay symbol Tdelay<Tsymbol
 Để giảm ISI thì phải giảm tốc độ symbol nghĩa là khoảng cách phát 2
 symbol liên tiếp (Tsymbol) phải lớn hơn rất nhiều so với thời gian trễ lớn nhất
 Tdelay -> giảm tốc độ bit -> khắc phục bằng sử dụng nhiều sóng mang
 OFDM.
 Sử dụng nhiều sóng mang trực giao: Khi đó chu kì sử dụng lại của một sóng
 mang con là rất lớn. Chu kì này lớn hơn rất nhiều so với thời gian trễ lớn
 nhất của symbol. Do đó thời gian xử lý cho cùng một sóng mang với các trễ
 của nó sẽ tăng lên -> giảm ISI.
 Chèn thêm khoảng bảo vệ GI (Guard Interval): Nếu khoảng tổ hợp thu được
 trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu của cùng sóng mang (ISI) mà
 còn cả nhiễu xuyên sóng mang (ICI). Để tránh điều này chúng ta chèn thêm
 khoảng bảo vệ để giúp đảm bảo các thông tin tổng hợp là đến từ cùng một
 symbol và xuất hiện cố định.
 • GI được chèn ở phần đầu của thời gian của 1 symbol.
 • GI là copy của đoạn cuối symbol với 1 khoảng thời gian bằng 1/4, 1/8,
 1/16, 1/32  của 1 symbol.
 Tác dụng của COFDM + GI: triệt tiêu đa đường
 Analogue television and multipath
 Perfcect TV CAM
 picture
 Direct path Reflection no. 2
 Reflection no. 1
 Analogue
 TV
 TRX
 PerfcectPerfcectPerfcect
 picturepicturepicture
 Digital television (COFDM) and multipath
Perfcect TV CAM
 picture
 Direct path Reflection no. 2
 Reflection no. 1
 DVB-T
 TRX
 Perfcect
 picture
 Mô hình nguyên lý điều chế COFDM:
 Hai chế độ 2K và 8K tương ứng với số lượng sóng mang 1705 và 6817 trên 
 băng tần 8 MHz.
 OFDM spectrum
 Number of carriers:
 2K: 1.705
 8K: 6.817
 spacing
 8K: 1.1kHz
 2K: 4.4kHz
 Carrier 1 Carrier 2 Carrier 3 Carrier n-2 Carrier n-1 Carrier n
 +
 Carrier 1 DAC AM
 Carrier
 +
 90 deg OSC
 +
 Mapper
 DAC AM
 (Data, TPS +
 and Pilots)
 1000 1010 0010 0000
 Carrier n
 1001 1011 0011 0001
 + 1101 1111 0111 0101
 1100 1110 0110 0100
 Composite waveform
 equal to the sum off
 all 6817 / 1705 carriers
 COFDM thực tế sử dụng IFFT: chip vi xử lý với DSP
 Biến đổi FFT và IFFT
 Discrete frequency
 components of the
 waveform
 T
 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8
 Re
 S&H f
 FFT 0
 and
 Im
 processor f
 A/D conv. 0
 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
 F = sample freq. / number of samples
 Discrete frequency
 components of the
 waveform
 T
 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8
 Re
 f
 0 IFFT
 Im D/A conv.
 f processor
 0
 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
 For COFDM the input to
 the IFFT is the real and
 imaginary values for each
 of the carriers in the
 COFDM symbol
 Điều chế COFDM dùng IFFT:
 OFDM
 MPEG-2 Outer Inner IF or carrier
 TS TS adaptation & Mapper
 Energy Coder and Coder and IFFT RF
 dispersal Interleaver Interleaver converter
 I
 Re 1,2,3....1.705 (6.817) Baseband
 I+Q
 IFFT +
 Im 1,2,3....1.705 (6.817) Q
 1: The complete set of Re and Im values (one pair per carrier)
 is stored in the IFFT processor.
 2: The frequency components of the spectrum (the individual
 carriers) are then transferred to the time domain (a
 waveform in time) by the IFFT
 Các mode trong DVB-T
 Tham số Mode 2K Mode 8K
 Số lượng sóng mang con 1705 6817 
 Độ rộng symbol có ích(TU) 224us 869us
 Khoảng cách sóng mang (1/TU) 4464hz 1116Hz 
 Băng thông 7.61Mhz 7.61Mhz 
 Khoảng bảo vệ T/4, T/8, T/12 T/4, T/8
 Phương thức điều chế QPSK, 16-64QAM QPSK, 16-64QAM 
 Tỉ lệ mã 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
 Exercise: Calculation of the useful bit-rate in a common DVB-T transmission example (UK
 case):
 • 8MHz channel;
 • 2K mode (8K or 2K is unimportant for the bit-rate);
 • modulation: 64-QAM;
 • guard interval: 1/32;
 • code rate: 2/3.
. We have 1705 useful carriers modulated in 64-QAM (6 bits/symbol) with a symbol frequency
 of 4464.286 Hz, which gives a bitrate of:
 1512×6×4464.286 = 40.500 Mb/s
. The bit-rate calculation must take into account the guard interval (i.e., 32/33 with = 1/32) and
 the channel coding overheads (i.e., 2/3 for puncturing and 188/204 for RS coding), therefore
 the useful bit-rate:
 40500×31/32×2/3×188/204 = 24.128 Mb/s
. This bit-rate, depending on the trade-off between picture quality and number of programs per
 channel chosen by the broadcaster, allows transmission of four to six TV programs.
. Depending on the trade-off between robustness and bit-rate chosen by the broadcaster (or the
 broadcasting regulation authority), the DVB-T system can carry the following minimum and
 maximum bitrates in an 8MHz channel:
 Minimum bit-rate: 4.98 Mb/s (QPSK modulation, guard interval 1/4, code rate 1/2)
 Maximum bit-rate: 31.67 Mb/s (64-QAM, guard interval 1/32, code rate 7/8)
. One can see that the bit-rate can vary in a ratio from 1 to more than 6!
  Phân chia kênh truyền:
 time
 Channel
Bandwidth
 frequency
 sub-band
 y
 c
 n
 e time
 u
 q segment
 e
 r
 f
  Tổ chức sóng mang:
 OFDM symbol
 time
 Channel
Bandwidth
 y
 c
 n
 e sub-carriers
 u OFDM symbol
 q
 e
 r
 f
  Khoảng bảo vệ:
 Guard Used
 Interval part
 duration duration
 time
 Channel
Bandwidth
 y
 c
 n
 e
 u OFDM
 q
 e symbol
 r
 f duration
 Đồng bộ: Hệ thống DVB-T sử dụng các sóng mang "pilot", trải đều đặn trong
 kênh truyền dẫn, đóng vai trò làm các điểm đánh dấu đồng bộ.
 DVB-T Transmission Frame
 Boosted pilot
 time
 Channel
 Bandwidth
 y
 c
 n
 e
 u
 q
 e
 r
 f
 Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ
 điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác.
 Hình biểu diễn phân bố sóng mang pilot rời rạc và liên tục với múc công suất
 lớn hơn các sóng mang dữ liệu 2,5 dB.
 Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với
 2K. Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu
 đồ chòm sao để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa
 lỗi pha.
 Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131
 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. Chúng không có vị trí
 cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8MHz. Bên
 máy thu khi nhận được các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh
 để đạt được "đáp ứng kênh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần).
 Mang dữ liệu:
 USEFUL DATA
 PROTECTED DATA
 GUARD INTERVALL INSERTION
 1 GUARD USED PART
 0 intervall of the symbol
 1
 1
 0 time
 y
 c
 n
 e
 u OFDM
 q
 e SYMBOL
r
f
 (PILOTs NOT REPRESENTED ) DURATION