Bài giảng Truyền hình kỹ thuật số

Chương III: TRUYỀN HÌNH KỸ THUẬT SỐ Bài 1: Đặc điểm truyền hình số 1. Giới thiệu chung TH số là hệ thống truyền hình mà tất cả các thiết bị từ tạo nguồn, lưu trữ, xử lý, truyền dẫn, thu tín hiệu truyền hình đều dựa trên công nghệ kỹ thuật số. Trong đó, tín hiệu TH là các dãy xung vuông ứng với các chuỗi bít dữ liệu nhị phân 0, 1. Công nghệ truyền hình số đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệ tương tự . Trong tương lai gần, truyền hình thế giới sẽ tiến tới số hóa hoàn toàn. TH số ra đời có tính kết hợp với truyền hình tương tự: có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối tương tự sẵn có. Ưu điểm của TH số: Tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đường truyền. Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai. Tính đa năng và linh hoạt trong quá trình xử lý tín hiệu. Hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số và có khả năng truyền nhiều chương trình trên một kênh RF. Tính phân cấp : có thể được truyền một chương trình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chương trình có độ phân giải tiêu chuẩn . Khả năng tải nhiều dạng thông tin khác nhau . Tiết kiệm năng lượng, với cùng một công suất phát, diện phủ sóng lớn hơn công nghệ tương tự. Công suất máy phát số chỉ bằng 1/4 công suất máy phát tương tự . Truyền hình số với công nghệ mạng đơn tần (SFN) có thể tiết kiệm được tài nguyên tần số . Dễ dàng thích nghi với các bước phát triển tiếp theo sang truyền hình độ phân giải cao hoặc phát thanh với chất lượng CD trong tương lai . Thị trường đa dạng, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ. Hoàn toàn có khả năng hoà nhập vào xa lộ thông tin. Sơ đồ khối Biến đổi AD, DA. Nén và giải nén. Mã hóa và giải mã hóa kênh Điều chế và giải điều chế số. Kênh thông tin: Vô tuyến và hữu tuyến. BiÕn ®æi A/D BiÕn ®æi D/A NÐn GhÐp kªnh T¸ch kªnh gi¶i nÐn M· hãa kªnh Gi¶i m· hãa kªnh §iÒu chÕ Gi¶i ®iÒu chÕ Kªnh th«ng tin ThiÕt bÞ ph¸t ThiÕt bÞ thu TÝn hiÖu truyÒn h×nh analog TÝn hiÖu truyÒn h×nh analog 2. Đặc điểm của TH số Yêu cầu về băng tần lớn hơn: Ví dụ hệ NTSC tín hiệu tổng hợp có băng tần 4.2 MHz, khi số hóa tần số lấy mẫu 4f SC : 14,4 MHz x 8bit/mẫu = 115,2 Mbit/s, độ rộng bằng tần khoảng 58 MHz. Biện pháp khắc phục nén tín hiệu số . Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm S/N: cao hơn nhiều so với tín hiệu tương tự. Đối với tín hiệu số nhiễu là các bit lỗi được khắc phục bằng mạch s ử a lỗi. Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi, tỷ số S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi . Ý nghĩa: đặc điểm có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình với các chức năng biên tập phức tạp, cần nhiều lần đọc và ghi, việc truyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình. Méo phi tuyến: Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình xử lý và truyền dẫn . Giá thành và độ phức tạp: với sự phát triển của nghành công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính và công nghệ mạch tích hợp. Giá thành rẻ hơn và độ phức tạp giảm dần. Xử lý tín hiệu số: dung lượng lưu trữ lớn, tốc độ chíp xử lý tăng, dựng chương trình truyền hình, nén, mã hóa bảo mật, chuyển đổi chuẩn Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh: Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu. Một phần vì tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, một phần là do khả năng thay thế xung hoá và xung đồng bộ bằng các từ mã, nơi mà hệ thống tương tự gây ra nhiễu lớn nhất. Hiện tượng Ghosts (bóng ma ) : Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình số. Bài 2: Số hóa tín hiệu truyền hình Giới thiệu chung Chuyển đổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu số (gọi là số hóa tín hiệu truyền hình). Có hai phương thức: Số hóa trực tiếp tín hiệu video m àu tổng hợp (Composite Signal): T ốc độ b i t đầu ra thấp . T ín hiệu video số tổng hợp còn mang đầy đủ các nhược điểm của tín hiệu video t ư ơng tự, nhất là hiện tượng can nhiễu chói-màu. Số hóa riêng các tín hiệu video th ành phần (Component Signal): Các tín hiệu video thành phần: tín hiệu chói E Y , 2 hiệu màu E R-Y và E B-Y ; hoặc các tín hiệu m à u cơ bản: E R , E G , E B đ ư ợc đồng thời truyền theo thời gian hoặc ghép kênh theo thời gian. T ốc độ dòng b i t lớn . K hắc phục đ ư ợc các nh ư ợc điểm của tín hiệu số video tổng hợp . Không phụ thuộc v à o dạng hệ truyền hình m à u PAL , NTSC , SECAM nên tạo thuận lợi cho việc trao đổi các ch ư ơng trình truyền hình, tiến tới xây dựng một chuẩn chung về truyền hình số cho toàn thế giới. Quốc tế khuyến cáo sử dụng hình thức biến đổi n à y . 2. Số hóa tín hiệu video màu tổng hợp Để tiến tới xu hướng chuẩn hoá cho các thiết bị Video số, người ta đã đưa ra hai tiêu chuẩn về tần số lấy mẫu là f SA = 4f SC NTSC và 4f SC PAL tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang màu và sử dụng 8 bit hoặc 10 bit để biểu di ễ n các mẫu . Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4f SC NTSC Các tham số cơ bản: TÝn hiÖu vµo NTSC + Tång sè mÉu trªn mét dßng video + Sè mÉu trªn mét dßng video tÝch cùc + TÇn sè lÊy mÉu + CÊu tróc lÊy mÉu + C¸c mÉu + Sè bÝt l­îng tö 910 768 4f sc - 14,32818 MHZ Trùc giao +33 0 , +132 0 , +231 0 , +303 0 10 bit/mÉu Cấu trúc lấy mẫu: Khoảng cách lấy mẫu trùng với đỉnh biên độ các tín hiệu E I & E Q . Số mẫu trên 1 dòng: N SA =F SA /F H =4F SC /F H = 4x3.58MHz/15750Hz=910. Trong đó: 768 mẫu cho dòng video tích cực; 142 mẫu cho đồng bộ dòng. Thang lượng tử: Quan hệ giữa mức video tương tự và thang lượng tử ứng với mã hóa 10 bit. Cấu trúc dòng số: Quan hệ giữa dòng tương tự và dòng số. Cấu trúc mành số: Quan hệ giữa mành tương tự và mành số. b. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4f SC PAL Các tham số cơ bản: TÝn hiÖu vµo PAL + Tống số mẫu cho một dòng + Số mẫu trên một dòng tích cực + Tần số lấy mẫu + Các mẫu + Cấu trúc lấy mẫu + Số bít lượng tử hoá 1135 948 4f sc - 17,734475 MHz +45 0 ; +135 0 ; +225 0 ; +315 0 CÊu tróc trùc giao 8 hoÆc 10 bit cho mét mÉu Cấu trúc lấy mẫu: Khoảng cách lấy mẫu tại 45, 135, 225, 315 độ, không phải đỉnh lớn nhất. VD: sọc màu vàng có biên độ lớn nhất 0.934V nhưng mẫu lớn nhất chỉ 0,886V. Thang lượng tử: Quan hệ giữa mức video tương tự và thang lượng tử ứng với mã hóa 10 bit. Cấu trúc dòng số: Quan hệ giữa dòng tương tự và dòng số. Cấu trúc mành số: Khoảng xóa mành số mành 1: dòng 623 đến dòng 5. Khoảng xóa mành số mành 2: dòng 310 đến dòng 317. 3. Số hóa tín hiệu video thành phần Tín hiệu thành phần số hóa và tần số lấy mẫu: Theo chuẩn CCIR 601: các tín hiệu thành phần được số hóa gồm tín hiệu chói E Y , 2 hiệu hiệu màu E R-Y và E B-Y Tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5 MHz được chọn sao cho là một số nguyên lần tần số dòng f H cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625 dòng: F SA = 13,5 MHz = 864 x f H đối với tiêu chuẩn 625 (f H = 15625 Hz) . F SA = 13,5 MHz = 858 x f H đối với tiêu chuẩn 525 (f H = 15750 Hz) . Phổ tín hiệu chói lấy mẫu tần số 13,5 MHz và phổ tín hiệu mầu lấy mẫu tần số 6.75 MHz. b. Các chuẩn lấy mẫu: Có nhiều chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần, điểm khác nhau chủ yếu là tỉ lệ lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu. Tiêu chuẩn 4:4:4 Tín hiệu chói E Y , 2 hiệu màu E R-Y và E B-Y được lấy mẫu trên tất cả các dòng tích cực của tín hiệu video. VD hệ PAL: 625 dòng (576 dòng tích cực) x 720 cột, lấy mẫu 10 bit theo chuẩn 4:4:4, tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (E Y )+720 (E R-Y )+ 720 (E B-Y )) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25ảnh/s = 311 Mbps Tiêu chuẩn 4:2:2 Cứ 4 lần lấy mẫu chói E Y , có hai lần lấy mẫu các hiệu màu E R-Y và E B-Y . Khi giải mã màu điểm ảnh chỉ lấy mẫu chói sẽ lấy mẫu hai tín hiệu mầu của điểm ảnh trước đó. VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:2:2, 10 bit/mẫu thì tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (E Y )+360 (E R-Y )+ 360 (E B-Y )) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 207 Mbps. -> Tốc độ bit giảm Tiêu chuẩn 4:2:0 Lấy mẫu chói E Y trên tất cả các dòng, cứ cách một điểm ảnh lại lấy mẫu cho chỉ một tín hiệu màu. Tín hiệu màu được lấy xen kẽ theo từng dòng VD: dòng n lấy mẫu E R-Y thì dòng n+1 lấy mẫu E B-Y . VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:2:0, 10 bit/mẫu thì tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (E Y )+360 (E R-Y )+ 0 (E B-Y )) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 155,5 Mbps. -> Tốc độ bit giảm Tiêu chuẩn 4:1:1 Lấy mẫu chói E Y trên tất cả các dòng, cứ 4 mẫu E Y lại lấy mẫu hai tín hiệu màu E R-Y và E B-Y một lần. Khi giải mã màu 3 điểm ảnh sau được suy ra từ điểm ảnh đầu. VD: Hệ PAL lấy mẫu chuẩn 4:1:1, 10 bit/mẫu thì tốc độ bit đầu ra: Tốc độ bit = (720 (E Y )+180 (E R-Y )+ 180 (E B-Y )) mẫu x 576 dòng x 10 bit/mẫu x 25 ảnh/s = 155,5 Mbps. -> Tốc độ bit bằng với chuẩn 4:2:0. c. Thang lượng tử Quan hệ tín hiệu chói tương tự E Y và các mức lượng tử. Quan hệ tín hiệu hiệu màu tương tự E R-Y và các mức lượng tử. Quan hệ tín hiệu hiệu màu tương tự E B-Y và các mức lượng tử. d. Cấu trúc lấy mẫu Lấy mẫu thời gian xóa dòng hệ 625/50 Lấy mẫu xóa mành hệ 625/50 Bài 3: Nén tín hiệu video (Digital video compression) Mục đích nén Giảm tốc độ bit đầu ra nhằm giảm độ rộng băng tần cần thiết để truyền tải (bandwidth reduction) Ví dụ với tín hiệu HDTV: Bản chất của nén Video là một quá trình trong đó dữ liệu biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video . Độ dư thừa dữ liệu (data redundancy): là trung tâm trong nén ảnh số. Độ dư thừa dữ liệu không phải là một khái niệm trừu tượng mà là một thực tế có thể định lượng được bằng toán học. Dư thừa về không gian (spatial redundancy). Dư thừa về thời gian (temporal redundancy). 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! 2. Nén dựa trên giảm dư thừa về không gian (Spatial Redundancy): Các điểm ảnh lân cận nhau trong một ảnh hoặc các ảnh liên tiếp nhau thì tương tự nhau hoặc khác nhau rất ít, ta chỉ cần thông tin về sự khác nhau này. Giảm dư thừa không gian (Spatial Redundancy Reduction). Chuyển thành phần lấy mẫu video từ E R , E G , E B sang E Y , E R-Y , E B-Y : Mắt người kém nhạy cảm với các tín hiệu màu. Chia bức ảnh làm các Macro Blocks (16x16 pixels) gồm 4 Blocks, mỗi Block gồm 8x8 pixels. Biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosine Transformation). Nén không gian được thực hiện bởi phép biến đổi DCT trên Block 8x8 pixels dựa trên phân tích Fourier, trong đó tín hiệu được biểu diễn dạng sin và cos, biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số. Sau biến đổi DCT, các giá trị của block được sắp xếp theo thứ tự từ trái qua phải và từ trên xuống dưới với các thành phần tần số tăng dần: từ 1 chiều DC đến thành phần xoay chiều cao nhất AC. Sự biến đổi giá trị biên độ (chênh lệch) theo hướng nào càng lớn thì giá trị AC theo hướng đó càng cao. Lượng tử hóa Bản thân phép biến đổi DCT không nén dữ liệu Quá trình lượng tử hóa và mã hóa sau DCT thực hiện nén data. Zig-Zag Scan, Run-length coding Quantization major reduction controls ‘quality’ “Intra-Frame Encoded” Mã hóa chuyển đổi khối (Block Transform Encoding) Run-length Code Huffman Code DCT Zig-zag Quantize 011010001011101... Quá trình nén So sánh với quá trình giải nén DC component original image DCT AC components Quantize zigzag run-length code Huffman code 10011011100011... original block reconstructed block errors Một số vấn đề: Khi nào thì việc giảm dư thừa về không gian giảm hiệu quả? Trả lời: Khi bức ảnh có độ phân giải cao hoặc phim có hình ảnh và màu sắc biến đổi nhanh. Nếu nén sẽ làm giảm chất lượng ảnh. Ví dụ : Original (63 kb) Low (7kb) Very Low (4 kb) 3. Nén dựa trên giảm dư thừa về thời gian (Temporal Redundancy): Các ảnh liên tiếp nhau có hình ảnh màu sắc tương tự nhau. Có dư thừa thông tin. 950 951 952 Cử động theo thời gian Giảm sự dư thừa về thời gian: Dự đoán bù chuyển động (Motion Compensated Prediction): Dự đoán ảnh hiện tại dựa trên các ảnh được mã hóa trước đó. Vector chuyển động (Motion Vector): Sơ đồ khối bộ nén video (video compression encoder) Sơ đồ khối bộ giải nén video (video compression decoder) Nhóm ảnh GOP (Group Of Pictures) Các loại ảnh: Ảnh loại I ( Intra-picture): Là ảnh được mã hoá độc lập, ảnh I có chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toàn bộ hình ảnh vì chúng được tạo thành bằng thông tin của chỉ một ảnh , ảnh I cho phép truy cập ngẫu nhiên, tuy nhiên đạt được tỷ lện nén thấp nhất. Ảnh loại P (Predicted - Picture): Là ảnh mã hoá có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trước (ảnh dự đoán trước) , ảnh P cung cấp các hệ số nén cao hơn ảnh I. Ảnh loại B (Bidiretional Predcited-picture): Là ảnh được mã hoá sử dụng bù chuyển động từ ảnh I và ảnh P phía trước và phía sau (ảnh dự đoán hai chiều) , ảnh B có tỷ lệ nén cao nhất. Cấu trúc của GOP: GOP mở luôn bắt đầu bằng một ảnh I và kết thúc 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 nén phụ thuộc vào tỉ lệ số lượng ảnh B, P trong mỗi GOP 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 4. Các chuẩn nén video hiện tại STANDARD APPLICATION BIT RATE JPEG Continuous-tone still-image compression Variable H.261 (1990) Video telephony and teleconferencing over ISDN p x 64 kb/s MPEG-1 (1991) Video on digital storage media (CD-ROM) 1.5 Mb/s 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, synthetic content, interactivity Variable H.264 (2003) Advanced Video Coding Standard From Low bitrate coding to HD encoding, HD-DVD, Surveillance, Video conferencing. Variable Chuẩn nén 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 hỗ trợ tốc độ bit p*64 kbps (p=1..30). CIF: Common Intermediate Format QCIF: Quarter CIF. Sử dụng ảnh I và P (chưa có ảnh B). Bài 4: Điều chế tín hiệu truyền hình số DVB: Digital Video Broadcast DVB-S: Satellite DVB-C: Cable DVB-T: Terrestrial Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số DVB (Digital Video Broadcast) Sơ đồ tổng quát phía phát/thu của DVB Phía phát: Các dòng chương trình truyền hình số sau khi nén MPEG2 (video & audio) sẽ được phân chia thành các dòng đóng gói cơ sở PES (Packetized Elementary 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). Tiếp theo c ác gói dữ liệu sẽ qua một loạt các quá trình xử lý: Ngẫu nhiên hóa bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS : phân tán năng lượng trong phổ tín hiệu số và xác định số nhị phân thích hợp (loại bỏ các chuỗi dài “0” và “1”). Mã hóa sửa lỗi Reed Solomon. FEC: Forward Error Correction Mã xoắn, mã chập: loại bỏ tính thống kê của nhiễu. Định dạng dữ liệu (symbol mapping): Lọc và biến đổi D/A để tạo ra các tín hiệu analog I/Q tương ứng với symbol. Các tín hiệu I/Q được đưa vào bộ điều chế tương ứng: QPSK (satellite) and QAM (cable) or COFDM (terrestrial) với IF carrier. Tín hiệu IF sẽ được đổi tần lên RF phát ra môi trường truyền dẫn. VD: DVB-S tần số downlink băng Ku từ 10,7 – 12,75 GHz. DVB-T: VHF 47-230 MHz &UHF 470 – 860 MHz. 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. Sơ đồ bộ thu DVB-T (set top box) 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. Chòm sao 64-QAM, 6 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. 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 suât 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: 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. Chòm sao 64-QAM với nhiễu S/N=23dB 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. Trong đầu thu DVB-T sử dụng bộ lượng tử hóa vọng tương thích để khôi phục lại chòm sao tương đối chính xác. Constellation of 64-QAM with echoes Constellation of 64-QAM with echoes after equalizing 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): m áy 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. Để giảm ISI thì phải giảm tốc độ symbol nghĩa là khoảng cách phát 2 symbol liên tiếp (T symbol ) phải lớn hơn rất nhiều so với thời gian trễ lớn nhất T delay -> giảm tốc độ bit -> khắc phục bằng sử dụng nhiều sóng mang OFDM. T delay >>T symbol T delay <T symbol 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. Tín hiệu đa đường thu được không có khoảng bảo vệ: Tín hiệu đa đường thu được có khoảng bảo vệ: Tác dụng của COFDM + GI: triệt tiêu đa đường 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. COFDM thực tế sử dụng IFFT: chip vi xử lý với DSP Biến đổi FFT và IFFT Điều chế COFDM dùng IFFT: Các mode trong DVB-T Tham số Mode 2K Mode 8K Số lượng sóng mang con Độ rộng symbol có ích(T U ) Khoảng cách sóng mang (1/T U ) Băng thông Khoảng bảo vệ Phương thức điều chế Tỉ lệ mã 1705 224us 4464hz 7.61Mhz T/4, T/8, T/12 QPSK, 16-64QAM 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 6817 869us 1116Hz 7.61Mhz T /4, T /8 QPSK , 16-64QAM 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: Tổ chức sóng mang: Khoảng bảo vệ: 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 . 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 6 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: Hiện nay trên thế giới tồn tại song song ba tiêu chuẩn truyền hình số. Đó là : ATSC (Advanced Television System Commitee) của Mỹ. Điều biên cụt 8VSB (Vestigal Side Band). Không có khả năng thu di động, không chống được đa đường và không thiết lập mạng đơn tần. DVB-T (Digital Video Broadcasting) của Châu Âu. ISDB-T (Intergrated service Digital Broadcast) của Nhật. Giống nhau: Đều sử dụng điều chế COFDM. Có khả năng thu di động, chống đa đường và thiết lập mạng đơn tần. Khác nhau: ISDB-T sử dụng ghép xen thời gian. Phân đoạn vùng tần số cho các dịch vụ khác nhau: 10 khoảng cho dịch vụ video và 3 khoảng cho dịch vụ audio. Không tương thích với DVB-S và DVB-C.