›
›

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

pdf 110 trang Gia Huy 21/05/2022 1180
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn học Kỹ thuật phát thanh và truyền hình - Chương 3: Truyền hình số - Vũ Thị Thúy Hà", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_mon_hoc_ky_thuat_phat_thanh_va_truyen_hinh_chuong.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn học Kỹ thuật phát thanh và truyền hình - Chương 3: Truyền hình số - Vũ Thị Thúy Hà

  1. CHƯƠNG 3 Truyền hỡnh số
  2. Nội dung chương 3/2/2017 3.1 Số húa tớn hiệu truyền hỡnh VũTh ị 3.2 Nộn tớn hiệu truyền hỡnh Hà Thỳy 3.3 Cỏc chuẩn truyền hỡnh số 3.4 Truyền hỡnh số mặt đất 3.5. Truyền hỡnh số cỏp 3.6. Truyền hỡnh số vệ tinh 127
  3. 3/2/2017 Vũ Thị Thỳy Hà 128 từ 2020 từ năm đến nay Việt nam Việt Lộ trỡnh của chuyển trỡnh đổi Lộ
  4. 3.1 Đặc điểm của truyền hỡnh số 1. Yờu cầu về băng tần: 2. Tỷ lệ tớn hiệu/tạp õm (S/N): 3. Mộo phi tuyến: 4. Giỏ thành và độ phức tạp 5. Xử lý tớn hiệu: 6. Khoảng cỏch giữa cỏc trạm truyền hỡnh và đồng kờnh 129
  5. ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HèNH SỐ . Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai. . Tính phân cấp (HDTV + SDTV). . Thu di động tốt. Ngường xem dù đi trên ôtô, tàu hoả vẫn xem được các chương trình truyền hình. Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện t- ượng Doppler. . truyền tải đợc nhiều loại hình thông tin. . ít nhạy với nhiễu và các dạng méo xảy ra trên đường truyền. bảo toàn chất lượng hình ảnh. 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.
  6. ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HèNH SỐ . phát nhiều chương trình trên một kênh truyền hình: Tiết kiệm tài nguyên tần số * Một trong những lợi điểm của truyền hình số là tiết kiệm phổ tần số * 1 transponder 36 MHz truyền đợc 2 chương trình truyền hình t- ơng tự song có thể truyền được 10  12 chơng trình truyền hình số (gấp 5  6 lần) * Một kênh 8 MHz (trên mặt đất) chỉ truyền được 01 chương trình truyền hình tương tự song có thể truyền đợc 4  5 chương trình truyền hình số đối với hệ thống ATSC, 4  8 chương trình đối với DVB-T (tuỳ thuộc M-QAM, khoảng bảo vệ và FEC)
  7. ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HèNH SỐ . Bảo toàn chất lượng : Chất lợng tín hiệu số tín hiệu tơng tự Khoảng cách giữa máy phát và máy thu
  8. ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HèNH SỐ . Tiết kiệm năng lợng, chi phí khai thác thấp: Công suất phát không cần qúa lớn vì cờng độ điện trờng cho thu số thấp hơn cho thu analog (độ nhậy máy thu số thấp hơn -30 đến -20dB so với máy thu analog). . Mạng đơn tần (Sfn): Cho khả năng thiết lập mạng đơn kênh (đơn tần - Single Frequency Network ), nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng. Đây là sự hiệu quả lớn xét về mặt công suất và tần số. . Tín hiệu số dễ xử lý, môi trờng quản lý điều khiển và xử lý rất thân thiện với máy tính. . v.v
  9. 3.2 Sơ đồ hệ thống truyền hỡnh số Tớn hiệu truyền hỡnh Biến đổi Nộn: ghộp Mó húa Điều chế AD kờnh kờnh analog Phần phỏt Kờnh thụng tin Tớn hiệu Phần thu truyền hỡnh Biến đổi Tỏch kờnh: Giải mó Giải điều analog DA giải nộn húa chế 134
  10. HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐỂ PHÁT THỬ NGHIỆM Nguồn tớn hiệu Hệ thống nộn ghộp Hệ thống mỏy phỏt số mặt đất Anten thu vệ tinh Đầu thu Mỏy phỏt số kờnh 26 Anten phỏt vệ tinh Điều chế số KĐ kớch COFDM KĐ cụng suất A/V Bộ Nộn MPEG-2 ghộp Bộ cộng (MUX) 2 mỏy phỏt Anten thu mặt đất Điều chế số KĐ kớch Anten thu Đầu thu COFDM KĐ cụng suất mặt đất mặt đất Nộn MPEG-2 analog Mỏy phỏt số kờnh 34 Cỏc hệ thống đo lường và kiểm chuẩn Đầu thu số mặt đất www.vtc.com.vn 11
  11. a. Cỏc phương phỏp biến đổi tớn hiệu video Phương phỏp 1: Biến đổi trực tiếp tớn hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM ra tớn hiệu số Phương phỏp 2: Biến đổi riờng từng tớn hiệu thành phần (tớn hiệu chúi Y, tớn hiệu sai màu R-Y và B-Y hoặc cỏc tớn hiệu màu cơ bản R, G, B) ra tớn hiệu số và truyền đồng thời theo thời gian hoặc ghộp kờnh.
  12. a. Cỏc phương phỏp biến đổi tớn hiệu video Lọc thụng Lượng tử Mó Lấy mẫu thấp húa húa Tớn hiệu video Tớn hiệu video tổng hợp màu tổng hợp màu analog Digital Đồng bộ Sơ đồ biến đổi tớn hiệu video tổng hợp Đối với tớn hiệu truyền hỡnh mầu hệ PAL cú tần số lấy mẫu được lựa chọn là 4fC= 17,734475 MHz. Đối với tớn hiệu hệ mầu NTSC cú tần số lấy mẫu là 4fC= 14,32818 MHz. Đối với tớn hiệu video tổng hợp, cỏc pixel được lượng tử hoỏ 8 hay 10 bit. Do chất lượng của tớn hiệu Composite thấp vỡ vậy tớn hiệu này ớt được sử dụng. Thay vào đú là việc chuyển đổi tương tự - số theo khuyến cỏo CCIR 601 đối với cỏc tớn hiệu mầu thành phần.
  13. a. Cỏc phương phỏp biến đổi tớn hiệu video T/h video thành Lọc thụng Lượng tử Mó phần số ER-Y Lấy mẫu thấp húa húa F E Lọc thụng Lượng tử Mó G-Y G-Y Lấy mẫu E thấp húa húa E Lượng tử Mó F B-Y B-Y Lọc thụng Lấy mẫu thấp húa húa Đồng bộ Sơ đồ biến đổi tớn hiệu video số thành phần Tớn hiệu Video cú đặc trưng riờng, nờn ngoài việc thỏa món định lý lấy mẫu Nyquist, qúa trỡnh lấy mẫu cũn phải tuõn theo cấu trỳc lấy mẫu, tớnh tương thớch giữa cỏc hệ thống
  14. b. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI ADC VÀ DAC Cỏc phương phỏp chuyển đổi ADC Lọc thụng Lượng tử Mó Lấy mẫu thấp húa húa Vào ra Tạo xung đồng hồ và xung lấy mẫu Sơ đồ mạch chuyển đổi ADC Cỏc phương phỏp chuyển đổi DAC Mạch Lọc thụng DAC Lấy mẫu > Video logic thấp Video số tương tự Xung lấy mẫu 139 Sơ đồ mạch chuyển đổi DAC
  15. Cấu trỳc lấy mẫu 3/2/2017 VũTh ị Thỳy Hà Hà Thỳy 140
  16. Cấu trỳc lấy mẫu trực giao 3/2/2017 VũTh ị Thỳy Hà Hà Thỳy 141
  17. 3/2/2017 Vũ Thị Thỳy Hà 142
  18. 3/2/2017 Vũ Thị Thỳy Hà 143
  19. 2. Số húa tớn hiệu video màu tổng hợp Để tiến tới xu hướng chuẩn hoỏ cho cỏc thiết bị Video số, người ta đó đưa ra hai tiờu chuẩn về tần số lấy mẫu là fSA = 4fSC NTSC và 4fSCPAL tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số súng mang màu và sử dụng 8 bit hoặc 10 bit để biểu diễn cỏc mẫu. a. Tớn hiệu video số tổng hợp tiờu chuẩn 4fSC NTSC  Cỏc tham số cơ bản: Tín hiệu vào NTSC + Tồng số mẫu trên một dòng video 910 + Số mẫu trên một dòng video tích 768 cực 4fsc - 14,32818 MHZ + Tần số lấy mẫu Trực giao + Cấu trúc lấy mẫu +330, +1320, +2310, + Các mẫu +3030 + 10 bit/mẫu Số bít lợng tử
  20.  Cấu trỳc lấy mẫu: Khoảng cỏch lấy mẫu trựng với đỉnh biờn độ cỏc tớn hiệu EI & EQ. Số mẫu trờn 1 dũng: NSA=FSA/FH=4FSC/FH= 4x3.58MHz/15750Hz=910. Trong đú: 768 mẫu cho dũng video tớch cực; 142 mẫu cho đồng bộ dũng.
  21.  Thang lượng tử: Quan hệ giữa mức video tương tự và thang lượng tử ứng với mó húa 10 bit.
  22.  Cấu trỳc dũng số: Quan hệ giữa dũng tương tự và dũng số.
  23.  Cấu trỳc mành số: Quan hệ giữa mành tương tự và mành số.
  24. b. Tớn hiệu video số tổng hợp tiờu chuẩn 4fSC PAL  Cỏc tham số cơ bản: Tín hiệu vào PAL + Tống số mẫu cho một dũng 1135 + Số mẫu trờn một dũng tớch cực 948 + Tần số lấy mẫu 4fsc - 17,734475 MHz + Cỏc mẫu +450; +1350; +2250; +3150 + Cấu trỳc lấy mẫu Cấu trúc trực giao + Số bớt lượng tử hoỏ 8 hoặc 10 bit cho một mẫu
  25.  Cấu trỳc lấy mẫu: Khoảng cỏch lấy mẫu tại 45, 135, 225, 315 độ, khụng phải đỉnh lớn nhất. VD: sọc màu vàng cú biờn độ lớn nhất 0.934V nhưng mẫu lớn nhất chỉ 0,886V.
  26.  Thang lượng tử: Quan hệ giữa mức video tương tự và thang lượng tử ứng với mó húa 10 bit.
  27.  Cấu trỳc dũng số: Quan hệ giữa dũng tương tự và dũng số.
  28.  Cấu trỳc mành số: Khoảng xúa mành số mành 1: dũng 623 đến dũng 5. Khoảng xúa mành số mành 2: dũng 310 đến dũng 317.
  29. 3. Số húa tớn hiệu video thành phần a. Tớn hiệu thành phần số húa và tần số lấy mẫu:  Theo chuẩn CCIR 601: cỏc tớn hiệu thành phần được số húa gồm tớn hiệu chúi EY, 2 hiệu hiệu màu ER-Y và EB-Y  Tần số lấy mẫu tớn hiệu chúi là 13,5 MHz được chọn sao cho là một số nguyờn lần tần số dũng fH cho cả hai tiờu chuẩn 525 và 625 dũng: FSA=13,5 MHz = 864 x fH đối với tiờu chuẩn 625 (fH = 15625 Hz). FSA=13,5 MHz = 858 x fH đối với tiờu chuẩn 525 (fH = 15750 Hz). Phổ tớn hiệu chúi lấy mẫu tần số 13,5 MHz và phổ tớn hiệu mầu lấy mẫu tần số 6.75 MHz.
  30. b. Cỏc chuẩn lấy mẫu: Cú nhiều chuẩn lấy mẫu tớn hiệu video thành phần, điểm khỏc nhau chủ yếu là tỉ lệ lấy mẫu và phương phỏp lấy mẫu tớn hiệu chúi và cỏc tớn hiệu màu.  Tiờu chuẩn 4:4:4 Tớn hiệu chúi EY, 2 hiệu màu ER-Y và EB-Y được lấy mẫu trờn tất cả cỏc dũng tớch cực của tớn hiệu video. VD hệ PAL: 625 dũng (576 dũng tớch cực) x 720 cột, lấy mẫu 10 bit theo chuẩn 4:4:4, tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+720 (ER-Y )+ 720 (EB-Y)) mẫu x 576 dũng x 10 bit/mẫu x 25ảnh/s = 311 Mbps
  31.  Tiờu chuẩn 4:2:2 Cứ 4 lần lấy mẫu chúi EY, cú hai lần lấy mẫu cỏc hiệu màu ER-Y và EB-Y . Khi giải mó màu điểm ảnh chỉ lấy mẫu chúi sẽ lấy mẫu hai tớn hiệu mầu của điểm ảnh trước đú. VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:2:2, 10 bit/mẫu thỡ tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+360 (ER-Y )+ 360 (EB-Y)) mẫu x 576 dũng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 207 Mbps. -> Tốc độ bit giảm
  32.  Tiờu chuẩn 4:2:0 Lấy mẫu chúi EY trờn tất cả cỏc dũng, cứ cỏch một điểm ảnh lại lấy mẫu cho chỉ một tớn hiệu màu. Tớn hiệu màu được lấy xen kẽ theo từng dũng VD: dũng n lấy mẫu ER-Y thỡ dũng n+1 lấy mẫu EB-Y. VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:2:0, 10 bit/mẫu thỡ tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+360 (ER-Y )+ 0 (EB-Y)) mẫu x 576 dũng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 155,5 Mbps. -> Tốc độ bit giảm
  33.  Tiờu chuẩn 4:1:1 Lấy mẫu chúi EY trờn tất cả cỏc dũng, cứ 4 mẫu EY lại lấy mẫu hai tớn hiệu màu ER-Y và EB-Y một lần. Khi giải mó màu 3 điểm ảnh sau được suy ra từ điểm ảnh đầu. VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:1:1, 10 bit/mẫu thỡ tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (EY )+180 (ER-Y )+ 180 (EB-Y)) mẫu x 576 dũng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 155,5 Mbps. -> Tốc độ bit bằng với chuẩn 4:2:0.
  34. c. Thang lượng tử Quan hệ tớn hiệu chúi tương tự EY và cỏc mức lượng tử.
  35. Quan hệ tớn hiệu hiệu màu tương tự ER-Y và cỏc mức lượng tử.
  36. Quan hệ tớn hiệu hiệu màu tương tự EB-Y và cỏc mức lượng tử.
  37. d. Cấu trỳc lấy mẫu  Lấy mẫu thời gian xúa dũng hệ 625/50
  38.  Lấy mẫu xúa mành hệ 625/50
  39. 3.3 Nộn tớn hiệu video (Digital video compression) 1. Mục đớch nộn  Giảm tốc độ bit đầu ra nhằm giảm độ rộng băng tần cần thiết để truyền tải (bandwidth reduction) Application Data Rate Uncompressed Compressed Video Conference 352 x 240 @ 15 fps 30.4 Mbps 64 - 768 kbps CD-ROM Digital Video 352 x 240 @ 30 fps 60.8 Mbps 1.5 - 4 Mbps Broadcast Video 720 x 480 @ 30 fps 248.8 Mbps 3 - 8 Mbps HDTV 1280 x 720 @ 60 fps 1.33 Gbps 20 Mbps
  40.  Vớ dụ với tớn hiệu HDTV: High-Definition Television (HDTV) - 1920x1080 - 30 frames per second (full motion) - 8 bits for each three primary colors (RGB) Total 1.5 Gb/sec! Cable TV: each cable channel is 6 MHz - Max data rate of 19.2 Mb/sec - Reduced to 18 Mb/sec w/audio + control Compression rate must be ~ 80:1!  Bản chất của nộn Video là một quỏ trỡnh trong đú dữ liệu biểu diễn lượng thụng tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cỏch loại bỏ những số liệu dư thừa trong tớn hiệu Video.  Độ dư thừa dữ liệu (data redundancy):là trung tõm trong nộn ảnh số. Độ dư thừa dữ liệu khụng phải là một khỏi niệm trừu tượng mà là một thực tế cú thể định lượng được bằng toỏn học.  Dư thừa về khụng gian (spatial redundancy).  Dư thừa về thời gian (temporal redundancy).
  41. 2. Nộn dựa trờn giảm dư thừa về khụng gian (Spatial Redundancy):  Cỏc điểm ảnh lõn cận nhau trong một ảnh hoặc cỏc ảnh liờn tiếp nhau thỡ tương tự nhau hoặc khỏc nhau rất ớt, ta chỉ cần thụng tin về sự khỏc nhau này.
  42.  Giảm dư thừa khụng gian (Spatial Redundancy Reduction).  Chuyển thành phần lấy mẫu video từ ER, EG, EB sang EY, ER-Y, EB-Y : Mắt người kộm nhạy cảm với cỏc tớn hiệu màu.  Chia bức ảnh làm cỏc Macro Blocks (16x16 pixels) gồm 4 Blocks, mụ̃i Block gồm 8x8 pixels.  Biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosine Transformation). • Nộn khụng gian được thực hiện bởi phộp biến đổi DCT trờn Block 8x8 pixels dựa trờn phõn tớch Fourier, trong đú tớn hiệu được biểu diễn dạng sin và cos, biến đổi dữ liệu dưới dạng biờn độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. • Sau biến đổi DCT, cỏc giỏ trị của block được sắp xếp theo thứ tự từ trỏi qua phải và từ trờn xuống dưới với cỏc thành phần tần số tăng dần: từ 1 chiều DC đến thành phần xoay chiều cao nhất AC. Sự biến đổi giỏ trị biờn độ (chờnh lệch) theo hướng nào càng lớn thỡ giỏ trị AC theo hướng đú càng cao.  Lượng tử húa • Bản thõn phộp biến đổi DCT khụng nộn dữ liệu • Quỏ trỡnh lượng tử húa và mó húa sau DCT thực hiện nộn data.
  43. “Intra-Frame Encoded” Quantization Zig-Zag Scan, • major reduction Run-length • controls ‘quality’ coding
  44.  Mó húa chuyển đổi khối (Block Transform Encoding) DCT Zig-zag Quantize 011010001011101 Run-length Huffman Code Code
  45.  Quỏ trỡnh nộn DC component 139 144 149 153 1260 -1 -12 -5 144 151 153 156 -23 -17 -6 -3 150 155 160 163 DCT -11 -9 -2 2 Quantize 159 161 162 160 -7 -2 0 1 original image AC components 79 0 -1 0 -2 -1 0 0 79 0 -2 -1 -1 -1 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 zigzag -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 79 1 -2 0 -1 run-length 0 -1 Huffman 0 -1 10011011100011 code 2 -1 code 0 0  So sỏnh với quỏ trỡnh giải nộn -5 -2 0 1 144 146 149 152 -4 1 1 2 156 150 152 154 -5 -1 3 5 155 156 157 158 -1 0 1 -2 160 161 161 162 original block errors reconstructed block
  46.  Một số vấn đề:  Khi nào thỡ việc giảm dư thừa về khụng gian giảm hiệu quả?  Trả lời: Khi bức ảnh cú độ phõn giải cao hoặc phim cú hỡnh ảnh và màu sắc biến đổi nhanh. Nếu nộn sẽ làm giảm chất lượng ảnh. Original (63 kb) Low (7kb) Very Low (4 kb)  Vớ dụ :
  47. 3. Nộn dựa trờn giảm dư thừa về thời gian (Temporal Redundancy):  Cỏc ảnh liờn tiếp nhau cú hỡnh ảnh màu sắc tương tự nhau. Cú dư thừa thụng tin. 950 951 952
  48.  Cử động theo thời gian
  49.  Giảm sự dư thừa về thời gian:  Dự đoỏn bự chuyển động (Motion Compensated Prediction): Dự đoỏn ảnh hiện tại dựa trờn cỏc ảnh được mó húa trước đú.
  50.  Vector chuyển động (Motion Vector):
  51.  Nhúm ảnh GOP (Group Of Pictures)  Cỏc loại ảnh: Ảnh loại I ( Intra-picture): Là ảnh được mó hoỏ độc lập, ảnh I cú chứa đựng dữ liệu để tỏi tạo lại toàn bộ hỡnh ảnh vỡ chỳng được tạo thành bằng thụng tin của chỉ một ảnh, ảnh I cho phộp truy cập ngẫu nhiờn, tuy nhiờn đạt được tỷ lện nộn thấp nhất. Ảnh loại P (Predicted - Picture): Là ảnh mó hoỏ cú bự chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phớa trước (ảnh dự đoỏn trước), ảnh P cung cấp cỏc hệ số nộn cao hơn ảnh I. Ảnh loại B (Bidiretional Predcited-picture): Là ảnh được mó hoỏ sử dụng bự chuyển động từ ảnh I và ảnh P phớa trước và phớa sau (ảnh dự đoỏn hai chiều), ảnh B cú tỷ lệ nộn cao nhất.
  52.  Cấu trỳc của GOP: GOP mở luụn bắt đầu bằng một ảnh I và kết thỳc ở một ảnh trước ảnh I tiếp theo. Type Size Compression - I 18 KB 7:1 P 6 KB 20:1 B 2.5 KB 50:1 Avg 4.8 KB 27:1 Tỉ lệ nộn phụ thuộc vào tỉ lệ số lượng ảnh B, P trong mụ̃i GOP
  53.  Một số vấn đề:  Khi nào độ dư thừa về thời gian giảm hiệu quả?  Trả lời: - Khi nhiều cảnh thay đổi trong ảnh. - Di chuyển tốc độ cao
  54. 4. Cỏc chuẩn nộn video hiện tại STANDARD APPLICATION BIT RATE JPEG Continuous-tone still-image Variable compression H.261 (1990) Video telephony and p x 64 kb/s teleconferencing over ISDN MPEG-1 (1991) Video on digital storage media 1.5 Mb/s (CD-ROM) MPEG-2 (1993) Digital Television > 2 Mb/s H.263 (1995) Video telephony over PSTN < 33.6 kb/s MPEG-4 (1993) Object-based coding, Variable synthetic content, interactivity H.264 (2003) From Low bitrate coding to HD Variable Advanced Video encoding, HD-DVD, Coding Standard Surveillance, Video conferencing.
  55.  Chuẩn nộn H261 (1990):  Truyền video hai chiều thời gian thực, ứng dụng trong thoại video và hội nghị video.  Chuẩn lấy mẫu 4:2:0. H.261 hụ̃ trợ tốc độ bit p*64 kbps (p=1 30).  CIF: Common Intermediate Format QCIF: Quarter CIF.  Sử dụng ảnh I và P (chưa cú ảnh B).
  56. 3.4 Digital Video Broadcast /Điều chế tớn hiệu truyền hỡnh số DVB: Digital Video Broadcast DVB-S: Satellite DVB-C: Cable DVB-T: Terrestrial
  57. CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN HèNH SỐ . Truyền hình số truyền qua Vệ tinh: Kênh vệ tinh (khác với kênh cáp và kênh phát sóng trên mặt đất) đặc trng bởi băng tần rộng và sự hạn chế công suất phát. Khuyếch đại công suất của Transponder làm việc gần nh bão hoà trong các điều kiện phi tuyến. . Truyền hình số truyền qua Cáp: Điều kiện truyền các tín hiệu số trong mạng cáp tơng đối dễ hơn, vì các kênh là tuyến tính với tỷ số công suất sóng mang trên tạp (C/N) tơng đối lớn. Tuy nhiên độ rộng băng tần kênh bị hạn chế (8 Mhz), đòi hỏi phải dùng các phơng pháp điều chế số có hiệu qủa cao hơn so với truyền hình theo qua vệ tinh.
  58. CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN HèNH SỐ . Truyền hình số truyền qua sóng Mặt đất: Diện phủ sóng hẹp hơn so với truyền qua vệ tinh song dễ thực hiện hơn so với mạng cáp. cũng bị hạn chế bởi băng thông nên sử dụng phơng pháp điều chế ofdm nhằm tăng dung lợng truyền dẫn qua 1 kênh sóng và khắc phục các hiện tợng nhiễu ở truyền hình mặt đất tơng tự. . Truyền hình số trong cả ba môi trờng có sự bổ sung, hỗ trợ cho nhau. Nếu truyền hình qua vệ tinh có thể phủ sóng một khu vực rất lớn với số lợng chơng trình lên đến hàng trăm thì tín hiệu số trên mặt đất sẽ đợc dùng để chuyển các chơng trình khu vực, nhằm vào một số lợng không lớn ngời thu.
  59. CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN TRUYỀN HèNH SỐ . Đồng thời, ngoài việc thu bằng Anten cố định trên mái nhà, truyền hình mặt đất còn cho phép thu bằng Anten nhỏ của máy thu xách tay, thu di động (trên ô tô, máy bay ). Truyền hình số truyền qua mạng cáp phục vụ thuận lợi cho đối tợng là c dân ở các khu đông đúc, không có điều kiện lắp Anten thu vệ tinh hay anten mặt đất.
  60. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG TRUYỀN HèNH SỐ DVB 3/2/2017 VũTh ị Thỳy Hà Hà Thỳy 185
  61. 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hỡnh số DVB (Digital Video Broadcast) Sơ đồ tổng quỏt phớa phỏt/thu của DVB
  62. 3/2/2017 Bước 1: Cỏc dũng chương trỡnh truyền hỡnh số sau khi nộn VũTh MPEG2 (video & audio) sẽ được phõn chia thành cỏc ị dũng đúng gúi cơ sở PES (Packetized Elementary Hà Thỳy Stream) đi đến bộ ghộp kờnh. Dũng dữ liệu đầu ra là cỏc gúi cú độ dài 188 byte (1byte đồng bộ+187byte dữ liệu). 187
  63. GH ẫ P KấNH DÒNG TRUYỀN TẢI MPEG 3/2/2017 Program Multiplexer Video Coder Packetizer VũTh Transport Audio Coder Packetizer ị Multiplexer Hà Thỳy 1 Data Coder Packetizer 2 n Transport Stream Packetized Elementary Streams 188
  64. XƯ ̉ LÝ LUỒ NG MPEG 2- STB 3/2/2017 VũTh ị Thỳy Hà Hà Thỳy 189
  65. THE MPEG TRANSPORT STREAM 3/2/2017 VũTh ị Thỳy Hà Hà Thỳy 190
  66. DVB-S TRANSMISSION SYSTEM KU BAND
  67. TRANSPORT PACKET 192 IT 481, Fall 2006 08/28/2006
  68. TRANSPORT STREAM MULTIPLEXER
  69. 3/2/2017 Ngẫu nhiờn húa bởi chuụ̃i giả ngẫu nhiờn PRBS: phõn tỏn năng lượng trong phổ tớn hiệu số và xỏc định số nhị VũTh phõn thớch hợp (loại bỏ cỏc chuụ̃i dài “0” và “1”). ị Thỳy Hà Hà Thỳy Mó húa sửa lụ̃i Reed Solomon. FEC: Forward Error Correction Mó xoắn, mó chập: loại bỏ tớnh thống kờ của nhiễu. 194
  70. NG Â ̃U NHIấN 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)
  71. RANDOMIZED TRANSPORT PACKETS
  72. 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.
  73. MÃ H ể A REED SOLOMON RS(204,188,T=8) ERROR PROTECTED PACKET.
  74. HIấ ̣U NĂNG R-S (PERFORMANCE) The DVB code  Chia bản tin thành cỏc blocks cú kớch thước 188 symbols .  Chốn 16 symbols sửa lụ̃i (2t = 204-188 = 16) .  Cú thờ̉ sửa được lụ̃i 8 (t = 16/2) symbol
  75. FRAMING STRUCTURE
  76. ĐAN XEN XOẮN VỚI Đệ̃ SÂU I=12 INTERLEAVED FRAMES (INTERLEAVING DEPTH I=12).
  77. CONVOLUTIONAL INTERLEAVER
  78. INTERLEAVER
  79. CONVOLUTIONAL CODE DEFINITION 08/28/2006 204 Punctured Code Definition IT 481, Fall 2006
  80. CONVOLUTIONAL ENCODER To I Channel Input Bit Stream To Q Channel IT 481, Fall 2006
  81. 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
  82. PUNCTURED CODE 08/28/2006 207 IT 481, Fall 2006
  83. PUNCTURED CONVOLUTIONAL CODE BLOCK DIAGRAM
  84.  Phớa thu:  Tớn hiệu RF từ mụi 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 kờnh 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 khụi phụ hai tớn hiệu I, Q.  Biến đổi ADC, Lọc, định dạng lại dữ liệu (sysbol remapping), thực hiện quỏ trỡnh sửa lụ̃i, khụi phục lại cỏc gúi truyền tải PES 188 byte.  Giải ngẫu nhiờn húa, và tỏch kờnh theo yờu cầu người sử dụng.  Giải nộn MPEG2 video và audio của chương trỡnh mong muốn.
  85. 2. Đặc điểm của điều chế truyền hỡnh số  DVB-S:  Khoảng cỏch truyền lớn 36 000 Km, suy hao và nhiễu đường truyền lớn.  Cụng xuất phỏt nhỏ, tớn hiệu đến anten thu ở mặt đất rất yếu, C/N nhỏ Chọn phương phỏp điều chế QPSK cho tỉ số C/N lớn, với băng tần rộng 27 – 36 MHz (analog FM đang tồn tại).  DVB-C:  Khoảng cỏch truyền nhỏ, nhiễu nhỏ, tỉ số C/N lớn >30dB.  Chịu ảnh hưởng của hiện tượng vọng (echoes) tớn hiệu do phản xạ tại cỏc node trong mạng, tuy nhiờn ảnh hưởng này nhỏ. -> Chọn phương phỏp điều chế 16 - 256 QAM, băng tần hẹp 6 – 8 MHz (analog AM)  DVB-T:  Khoảng cỏch truyền nhỏ, cụng suất phỏt lớn.  Ảnh hưởng nghiờm trọng bởi hiện tượng đa đường. -> Chọn phương phỏp điều chế COFDM, băng tần hẹp 6 – 8 MHz.
  86.  Điều chế biờn độ trực giao QAM (Quadarture Amplitude Modulation):  Cỏc phương phỏp điều chế số ASK, FSK: hiệu suất băng thụng kộm, yờu cầu nõng cao tốc độ bit trờn băng tần cho trước.  Phương phỏp điều chế QAM: ban đầu ứng dụng cho điều chế tớn hiệu màu trong hệ NTSC 1954. Sau ứng dụng cho điều chế số nõng cao hiệu suất băng thụng.  Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế QAM:
  87.  Đầu vào n bit, n/2 bit cho mụ̃i kờnh I, Q.  Ta cú thể biểu diễn số trạng thỏi (symbol) tương ứng trờn mặt phẳng I & Q gọi là chũm sao (Constellation). Mụ̃i điểm là một ngụi sao (star) tương ứng với 1 symbol biểu diễn cỏc bit. Chũm sao QPSK (4-QAM) 2 bits/symbol.
  88.  Sau khi thực hiện biến đổi DA, hai tớn hiệu analog I & Q đưa vào điều biờn riờng biệt với hai súng mang trực giao. Chũm sao 64-QAM, 6 bits/symbol
  89. 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 cựng BER, QPSK cho SNR lớn hơn 12dB so với 64 – QAM.
  90.  Dựa vào đặc điểm về mụi trường truyền cũng như hiệu suất băng thụng tối đa cú thể đạt được, đồng thời qua thử nghiệm thực tế ta đưa ra lựa chọn phương phỏp điều chế: • DVB-S: QPSK với 2 bits/symbol. • DVB-C: 64-QAM với 6 bits/symbol. • Với DVB-T: Do ảnh hưởng nghiờm trọng bởi đa đường, biờn độ đến bộ thu biến đổi, BER lớn hơn mức cho phộp. Nờn khụng sử dụng QAM cho DVB-T.
  91.  Ảnh hưởng của nhiễu đến việc giải điều chế QAM:  Chũm sao ở đầu ra của bộ giải điều chế QPSK trong đầu thu vệ tinh: Chũm sao QPSK với nhiễu trong DVB-S
  92.  Chũm sao ở đầu ra của bộ giải điều chế 64-QAM trong đầu thu cỏp: Chũm sao 64-QAM với nhiễu S/N=23dB  Nếu S/N lớn hơn mức cho phộp, bộ giải điều chế sẽ khụng phõn biệt được điểm trong chũm sao với cỏc điểm lõn cận nú -> sai lụ̃i symbol.
  93.  Với TH cỏp, ngoài ảnh hưởng nhiễu trờn đường truyền cũn cú ảnh hưởng của hiện tượng vọng tớn hiệu trong mạng. ISI (Inter-Symbol Interference) rất lớn nờn khụng thể phõn biệt cỏc điểm lõn 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 húa vọng tương thớch để khụi phục lại chũm sao tương đối chớnh xỏc.
  94. 4. Điều chế trong DVB-T  Sử dụng điều chế phõn chia theo tần số trực giao mó húa COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Modulation):  Phõn chia băng tần số sử dụng thành nhiều băng hẹp, mụ̃i băng hẹp là một súng mang con điều hũa và cỏc súng mang này là trực giao với nhau (hàng nghỡn súng mang).  Dũng bớt dữ liệu tốc độ cao sẽ phõn chia thành cỏc luồng tốc độ bớt thấp hơn, mụ̃i luồng sẽ được điều chế bởi cỏc súng mang trực giao.  Tớnh trực giao: đỉnh phổ của súng mang này tương ứng với giỏ trị khụng trong phổ của cỏc súng mang khỏc. Phổ OFDM với số súng mang N=5
  95.  Chu kỡ biểu tượng Ts: thời gian để truyền đi 1 symbol. 1/Ts: là khoảng cỏch tần số giữa hai súng mang con liờn tiếp. Phổ OFDM với số súng mang N=32
  96.  Sử dụng COFDM để triệt tiờu ảnh hưởng của đa đường:  Đối với hệ thống đơn súng mang (QAM): mỏy thu sẽ cố gắng giải điều chế dữ liệu bằng cỏch kiểm tra tất cả thụng tin nhận được liờn quan đến symbol thứ n kể cả thụng tin thu trực tiếp lẫn thụng tin thu được do trễ. T >>T delay symbol Tdelay giảm tốc độ bit -> khắc phục bằng sử dụng nhiều súng mang OFDM.
  97.  Sử dụng nhiều súng mang trực giao: Khi đú chu kỡ sử dụng lại của một súng mang con là rất lớn. Chu kỡ này lớn hơn rất nhiều so với thời gian trễ lớn nhất của symbol. Do đú thời gian xử lý cho cựng một súng mang với cỏc trễ của nú sẽ tăng lờn -> giảm ISI.  Chốn thờm khoảng bảo vệ GI (Guard Interval): Nếu khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thỡ khụng chỉ cú nhiễu của cựng súng mang (ISI) mà cũn cả nhiễu xuyờn súng mang (ICI). Để trỏnh điều này chỳng ta chốn thờm khoảng bảo vệ để giỳp đảm bảo cỏc thụng tin tổng hợp là đến từ cựng một symbol và xuất hiện cố định. • GI được chốn 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.
  98.  Tỏc dụng của COFDM + GI: triệt tiờu đa đường Analogue television and multipath Perfcect TV CAM picture Direct path Reflection no. 2 Reflection no. 1 Analogue TV TRX PerfcectPerfcectPerfcect picturepicturepicture
  99. Digital television (COFDM) and multipath Perfcect TV CAM picture Direct path Reflection no. 2 Reflection no. 1 DVB-T TRX Perfcect picture
  100.  Mụ hỡnh nguyờn lý điều chế COFDM:  Hai chế độ 2K và 8K tương ứng với số lượng súng mang 1705 và 6817 trờn 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
  101.  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
  102.  Điều chế COFDM dựng 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
  103.  Cỏc mode trong DVB-T Tham số Mode 2K Mode 8K Số lượng súng mang con 1705 6817 Độ rộng symbol cú ớch(TU) 224us 869us Khoảng cỏch súng mang (1/TU) 4464hz 1116Hz Băng thụng 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 mó 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
  104.  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: 1512ì6ì4464.286 = 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: 40500ì31/32ì2/3ì188/204 = 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!
  105.  Phõn chia kờnh truyền: time Channel Bandwidth frequency sub-band y c n e time u q segment e r f
  106.  Tổ chức súng mang: OFDM symbol time Channel Bandwidth y c n e sub-carriers u OFDM symbol q e r f
  107.  Khoảng bảo vệ: Guard Used Interval part duration duration time Channel Bandwidth y c n e u OFDM q e symbol r f duration
  108.  Đồng bộ: Hệ thống DVB-T sử dụng cỏc súng mang "pilot", trải đều đặn trong kờnh truyền dẫn, đúng vai trũ làm cỏc điểm đỏnh dấu đồng bộ. DVB-T Transmission Frame Boosted pilot time Channel Bandwidth y c n e u q e r f  Khỏc với súng mang cỏc chương trỡnh, cỏc pilot khụng điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức cụng suất lớn hơn 2,5 dB so với cỏc súng mang khỏc. Hỡnh biểu diễn phõn bố súng mang pilot rời rạc và liờn tục với mỳc cụng suất lớn hơn cỏc súng mang dữ liệu 2,5 dB.
  109.  Cỏc pilot (súng mang) liờn tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Cỏc pilot này cú vị trớ cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chũm sao để đầu thu sửa lụ̃i tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lụ̃i pha.  Cỏc pilot (súng mang) rời rạc (phõn tỏn): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131 pilot với 2K cú vị trớ cố định trong biểu đồ chũm sao. Chỳng khụng cú vị trớ cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thụng 8MHz. Bờn mỏy thu khi nhận được cỏc thụng tin từ cỏc pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đỏp ứng kờnh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần).
  110.  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