TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH
THEO TIÊU CHUẨN DVB-S2
VÀ THỰC TRẠNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN
:
Phạm Đức Tuấn
HÀ NỘI - 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
********
LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH
THEO TIÊU CHUẨN DVB-S2
VÀ THỰC TRẠNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN
:
Phạm Đức Tuấn
3
1.1.1. Khái niệm chung 3
l.1.2. Một số vấn đề trong biến đổi tín hiệu truyền hình 4
1.1.3. Quá trình chuyển đổi công nghệ tương tự - số 6
1.1.4. Đặc điểm của truyền hình số 6
1.2. Thông tin vệ tinh
8
1.2.1. Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh 8
1.2.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 9
1.2.3. Hệ thống thông tin địa tĩnh 11
1.2.4. Trạm mặt đất 13
1.3. Truyền hình số qua vệ tinh
14
1.3.1. Khái quát hệ thống truyền hình số qua vệ tinh. 14
1 .3.2. Các tiêu chuẩn trong truyền hình vệ tinh 18
1 4. Kết luận chương 1
22
Chương 2
MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA TIÊU CHUẨN DVB-S2
2.1. Kiến trúc hệ thống
23
2.1.1. Mode thích nghi kiểu truyền dẫn 24
2.1.2. Thích nghi luồng truyền tải 30
2.1.3. Mã hoá sửa lỗi trước FEC 31
2.1.4. Ánh xạ bit vào các giản đồ chòm sao 38
2.1.5. Điều chế tín hiệu 41
2.1.6. Khung lớp vật lý (PL) 42
KẾT LUẬN 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
8PSK 8-ary Phase Shift Keying Khóa dịch pha 8 mức
16APSK 16-ary Amplitude Phase Shift Keying Khóa dịch biên độ và pha 16
mức
32APSK 32-ary Amplitude Phase Shift Keying Khóa dịch biên độ và pha 32
mức
ACI Adjacent Chanel Interference Nhiễu kênh cận kênh
AGC Automatic Gam control Tự động điều chỉnh độ
khuếch đại
ACM Adaptive Coding and Modulation Mã hóa và điều chế thích nghiASI Adjacent Satellite lnterference Nhiễu do vệ tinh cận kênh
AVC Advanced Vi deo Coding Mã hóa vi deo tiến tiên
AWGN Additive white Gaussian noise Tạp âm Gaussian tính cộng
trắng
BC Backwards Compatible Tương thích ngược
LP Low priority Dòng dữ liệu độ ưu tiên thấp
MCPC Multi Chanel Pa Carrier Nhiều kênh trên một sóng
mang
MPE Multi-protocol Encapsulation Đóng gói đa thủ tục
MUX Multiplexer Ghép kênh
NP Null Packets Các gói trống
NA Not Applicable Không ứng dụng
PL Physical Layer Lớp vật lý
PLS Physical Layer Signalling Báo hiệu lớp vật lý
PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha
QoS Quality òf Service Chất lượng dịch vụ
QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điêu chế pha vuông góc
RF Radio Frequency Tần số radio (cao tần)
RS Reed - Solomon error correction code Mã sửa sai Reed - Solomon
SCPC Single-channel-per- Carrier Đơn kênh trên một sóng
mang
SDTV Standard Definition Televition Truyền hình phân giải tiêu
chuẩn
SOF Start Of Frame Bắt đầu khung
SSPA Song State Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất bán
dẫn
SYNC Synchronization Đồng bộ
TS Transport Stream Dòng truyền tải
Tx Transmitter Máy phát tín hiệu
TWTA Traveling Wave Tube Amplifier Bộ khuếch đại dùng đèn sóng
chạy
Bảng 2.3. Bbheader cho dịch vụ quảng bá đơn luồng truyền tải 30
Bảng 2.4. Thông số mã hóa (cho khung FEC thường) 32
Bảng 2.5. Thông số mã hóa (khung ngắn) 32
Bảng 2.6. Đa thức sinh BCH (khung thường) 33
Bảng 2.7. Đa thức sinh BCH (khung ngắn) 34
Bảng 2.8. Các giá trị q với khung thường 36
Bảng 2.9. Các giá trị của q với khung ngắn 36
Bảng 2.10. Cấu trúc khối chèn bit 38
Bảng 2.11. Tỷ lệ bán kính
γ
tối ưu (kênh tuyến tính) cho 16APSK. 40
Bảng 2.12. Tỷ lệ bán kính
γ
1
và
γ
2
tối ưu (kênh tuyến tính) cho 32APSK 41
Bảng 2.13. S = số khe (M = 90 biểu tượng) mỗi XFECFRAME 44
Bảng 2.14. Khối biểu đồ khả dĩ cho xáo trộn tạo chuỗi PL với n = 0 47
Bảng 2.15. So sánh DVB-S2 với DVB-S 54
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống truyền hình số 3
Hình 1.2. Các quỹ đạo của vệ tinh 9
Hình 1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh 11
Hình 1.7. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống DVB – DSNG (301 210)
tinh theo tiêu chuẩn DVB-S2 và thực trạng ứng dụng tại việt nam ” này, tôi xin chân
thành cảm ơn Cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Việt Hương là người đã trực tiếp hướng
dẫn, nhận xét, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Viện Đại học Mở Hà Nội đã giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới tất cả các Thầy Cô giáo và bạn bè đồng nghiệp đã
hỗ trợ, giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình thực hiện luận văn này.
Do thời gian thực hiện có hạn, kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế nên
luận văn tôi thực hiện chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy giáo, Cô giáo và các bạn.
1
MỞ ĐẦU
Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin tiên tiến trên thế giới, nó khắc phục
được những nhược điểm của các hệ thống thông tin khác đặc biệt là đối với những
địa hình hiểm trở như miền núi, vùng sâu vùng xa và hải đảo. Vì vậy mà thông tin
vệ tinh ngày càng khẳng định và phát triển cùng với sự phát triển của xã hội. Thông
tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng hữu ích, trong đó truyền hình vệ tinh là một điển
hình về lợi ích của hệ thống thông tin này.
Nhận thức được ưu điểm của thông tin vệ tinh trong lĩnh vực truyền hình vệ
tinh Đài truyền hình Việt Nam đã bắt đầu sử dụng công nghệ này từ những năm
1990 để truyền dẫn tín hiệu các chương trình truyền hình đến các trạm phát lại mặt
đất tại các tỉnh, thành trong cả nước. Giai đoạn đầu sử dụng công nghệ tương tự ở
băng C, sau đó chuyển sang dùng công nghệ số ở cả hai băng tần C và Ku. Đến năm
1998 Đài Truyền Hình Việt Nam đã thực hiện phủ sóng qua vệ tinh chương trình
điểm nổi bật hơn của tiêu chuẩn này so với tiêu chuẩn thuộc thế hệ đầu tiên cùng
những ứng dụng của DVB-S2 để đạt được hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao.
Với các mục tiêu như vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu truyền hình
số vệ tinh theo tiêu chuẩn DVB-S2 và thực trạng ứng dụng tại Việt Nam” để
làm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ.
Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu và chương 1,2,3 cùng phần kết
luận, tài liệu tham khảo.
Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:
Chương 1: Trình bày những kiến thức tổng quan về truyền hình số nói
chung và truyền hình số vệ tinh nói riêng, là cơ sở để trình bày ở chương 2.
Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc hệ thống, một số đặc điểm nổi bật của tiêu
chuẩn DVB-S2, so sánh một số thông số kỹ thuật của DVB-S2 với DVB-S.
Chương 3: Nghiên cứu một số dịch vụ của tiêu chuẩn DVB-S2, thực trạng sử
dụng DVB-S2 tại Việt Nam và một số đề xuất với truyền hình số vệ tinh ở Việt Nam.
3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH
Ngày nay việc sử dụng vệ tinh trong các hệ thống thông tin đang ngày càng
được quan tâm, là một yếu tố trở thành nhu cầu trong cuộc sống. Điều đó được thể
hiện qua nhiều ưu điểm của hệ thống thông tin vệ tinh so với các hệ thống khác, đặc
biệt là đối với những vùng có địa hình hiểm trở, phức tạp như vùng đồi núi hải đảo,
các vùng nông thôn như nước Việt Nam chưa thuận tiện cho việc phát truyền dẫn
các hệ thống viễn thông khác. Trong chương này luận văn tìm hiểu các vấn đề của
truyền hình số nói chung và truyền hình số vệ tinh nói riêng như các tiêu chuẩn nén
của truyền hình số, các tiêu chuẩn của truyền hình châu nhằm làm cơ sở cho việc
nghiên cứu các vấn đề của truyền hình số vệ tinh theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-S2.
1.1. Truyền hình số
analog
Nén: ghép
kênh
Giải
điều chế
Giải
mã hóa
Tách kênh
giải nén
Biến đổi
DA
Tín hiệu
truyền hình
analog
Ph
ần thu Phần phát
4
Tại đầu thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử
lý tại đầu phát, giải mã tín hiệu thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín
hiệu truyền hình tương tự, hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã
hóa và giải mã tín hiệu truyền hình khi truyền qua kênh thông tin.
Tín hiệu truyền hình số đã được mã hóa kênh đảm bảo chống sai sót cho tín
thường
f
sa
= 3 ÷ 4f
sc
Trong đó: f
sa
là tần số lấy mẫu .
f
sc
là tần số sóng mang màu
Nếu không thỏa mãn điều kiện này, sẽ xuất hiện thêm các thành phần các tín
hiệu phụ do tổ hợp của f
sa
và f
sc
hoặc hài của f
sc
trong phổ tín hiệu lấy mẫu, đặc biệt
thành phần tín hiệu lấy mẫu, đặc biệt thành phần tín hiệu (f
sa
- 2f
sc
) sẽ gây méo tín
hiệu video tương tự được khôi phục lại từ tín hiệu số. Loại méo này gọi là méo điều
chế chéo.
Méo điều chế chéo không xuất hiện nếu biến đổi tín hiệu video thành phần.
Do vậy, nếu biến đổi tín hiệu video thành phần, khái niệm tần số lấy mẫu là bội số
nguyên lần tần số sóng mang màu là không cần thiết.
, hiệu màu
E
B
-E
Y
hoặc các tín hiệu màu cơ bản: E
R
, E
G
, R
B
được đồng thời truyền theo thời
gian hoặc ghép kênh theo thời gian.
Phương pháp biến đổi tín hiệu video thành phần tuy cho tốc độ dòng bit lớn
hơn song đã khắc phục được các nhược điểm của tín hiệu số video tổng hợp. Mặt
khác, biến đổi tín hiệu video thành phần không còn phụ thuộc vào dạng hệ truyền
hình màu PAL, SECAM, NTSC nên tạo thuận lợi cho việc trao đổi các chương trình
truyền hình, tiến tới xây dựng một chuẩn chung về truyền hình số cho toàn thế giới.
Bởi vậy, các tổ chức truyền thanh, truyền hình quốc tế đều khuyến cáo sử dụng hình
thức biến đổi này.
1.1.3. Quá trình chuyển đổi công nghệ tương tự số
Người ta đã cố gắng chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tương tự sang
truyền hình số, quá trình chuyển đổi công nghệ dựa theo nguyên tắc từng phần và
xen kẽ.
Khái niệm từng phần và xen kẽ được hiểu là sự xuất hiện dần các camera số
gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số, tiến đến một dây chuyền
sản xuất hoàn toàn số.
Mô hình trên cũng cho thấy rằng: đến một giai đoạn nào đó, sẽ xuất hiện tình
trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ. Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời
máy phát số, đồng thời các máy thu hoàn toàn số và các SETTOP BOX là các hộp
- Giá thành và độ phúc tạp: Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn mạch
tương tự, khi mới xuất hiện, giá thành thiết bị số cao hơn nhiều so với thiết bị tương
tự. Sau này các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI và rất lớn VLSI xuất hiện làm giảm giá
thành trang thiết bị số.
- Xử lý tín hiệu: Truyền hình số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các
chức năng mà hệ thống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn.
Sau khi biến đổi A/D, tín hiệu còn lại là một chuỗi số “0”, “l” có thể thao tác
các công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Khả năng này
được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ
8
nhanh. Các công việc tín hiệu số có thể thực hiện được dễ dàng là: sửa lỗi thời gian
gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần, . . :
- Khoảng cách giữa các trạm truyền hình và đồng kênh: Truyền hình số
DVB cho phép các trạm truyền hình đồng' kênh thực hiện ở một khoảng cách gần
nhau hơn so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu.
Truyền hình số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh đồng thời. Truyền
hình số có khả năng thay thế xung xóa và xung đồng bộ bằng các từ mã – nơi mà
trong hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớn.
Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh, kết hợp việc giảm bang tần
tín hiệu giúp cho nhiều trạm phát hình phát các chương trình với độ phân giải cao
HDTV.
1.2. Thông tin vệ tinh
Ngày nay đang có hàng ngàn vệ tinh đang bay trên bầu trời với những công
nghệ khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích của con người và trở nên không thể
thiếu được trong lĩnh vực thông tin.
Để giải quyết vấn đề lựa chọn được vệ tinh phù hợp cho dịch vụ truyền hình
vệ tinh của Việt Nam thì sự tìm hiểu về hệ thống thông tin vệ tinh là rất cần thiết,
làm cơ sở cho việc lựa chọn và đề xuất các vấn đề cần giải quyết trong luận văn.
tinh có thể bao trùm toàn bộ bề mặt trái đất, trừ vùng cực.
- Dung lượng thông tin lớn: với băng tần công tác rộng, áp dụng các kỹ thuật
tái sử dụng băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt được một dung
lượng thông tin lớn một cách nhanh chóng.
Khả năng thông tin và độ tin cậy thông tin cao vì trên một tuyến thông tin chỉ
gồm 3 trạm, trong đó vệ tinh đóng vai trò một trạm lặp trên quỹ đạo, còn 2 trạm đầu
cuối nằm trên mặt đất vì vậy xác suất hư hỏng trên toàn tuyến là rất thấp. Theo
thống kê và tính toán, khả năng thông tin liên lạc thông suốt có thể đạt từ 99,9% đến
99,99% trên thời gian trong một năm phụ thuộc vào băng tần sử dụng.
10
- Khả năng thiết lập tuyến thông tin nhanh, có tính linh hoạt cao, các trạm
mặt đất có thể ở rất xa nhau về mặt địa lý mà vẫn có thể tăng giảm dung lượng và
thay đổi cấu hình hệ thống dễ dàng theo yêu cầu khai thác. Điều này đặc biệt phù
hợp với các dịch vụ truyền hình trực tiếp tại đất nước có địa hình phức tạp như Việt
Nam.
- Đa dạng về dịch vụ, từ thoại, fax, phát thanh truyền hình quảng bá đến
VSAT, thông tin di động, hàng hải, truy cập intemet tốc độ cao
- Có khả năng sử dụng nhiều băng tần công tác:
+ Băng tần L: 1,5 - 1,6GHZ
+ Băng tần S: 2,0 - 2,7 GHZ
(băng tần S và băng L thường không sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh
địa tĩnh)
+ Băng C: 3,7 - 7,25GHZ
+ Băng X: 7,25 - 8,4 GHZ
+ Băng Ku: 10,7 - 1 8 GHZ
+ Băng Ka: 18 - 3 1 GHZ
Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh hiện nay đã được tổ chức liên minh
viễn thông quốc tế ITU quy định rất cụ thể để đảm bảo tính công bằng và hiệu quả
năng tạo ra vùng phủ sóng tùy ý làm cho các loại hình dịch vụ qua vệ tinh ngày
càng phong phú và đa dạng.
Anten vệ tinh được đặc trưng bằng các thông số chính sau:
- Vùng phủ sóng
12
- Giản đồ bức xạ và độ lớn của búp sóng phụ
- Độ chuẩn xác về phân cực
- Độ tăng ích của anten
- Hệ số phẩm chất thu
Thông thường, vùng phủ sóng của anten vệ tinh có được khi tính toán thiết
kế vệ tinh. Trước đây, do công nghệ chưa phát triển nên vùng phủ sóng chỉ là hình
tròn hoặc hình elipse, gây ra những lãng phí về công suất và chồng lấn vùng phủ
sóng giữa các vệ tinh khác nhau. Đến nay, nhờ tiến bộ của công nghệ, người ta đã
thiết kế được các anten có vùng phủ sóng theo ý muốn, có thể dịch chuyển vùng
phủ sóng bằng cách quay anten, hay tạo ra các spot beam rất thích hợp cho dịch vụ
internet qua vệ tinh.
Giản đồ bức xạ và độ lớn của búp sóng phụ an ten được thiết kế sao cho
anten có độ tăng ích cao nhất, tập trung vào búp sóng chính, có búp sóng phụ càng
nhỏ càng tốt.
Độ tăng ích của anten trên vệ tinh cũng như giới trạm mặt đất phụ thuộc vào
tần số và kích thước của anten. Đối với các loại anten parabol, có thể tính độ tăng
ích G của anten theo công thức:
a
c
fD
G
η
π
≈
3
θ
trong đó tần số f tính theo GHZ (1.1b)
Hệ số k
b
phụ thuộc vào độ lớn của búp sóng phụ, và thông thường người ta
tính gần đúng
Df
dB
×
≈
21
3
θ
(1.1c)
Ngoài ra, người ta còn quan tâm đến hệ số phẩm chất thu của hệ thống anten. 13
1.2.3.3. Các bộ phát đáp (transponder)
Một bộ phát đáp đóng vai trò như một kênh truyền tín hiệu vô tuyến. Trong
phần lớn các vệ tinh địa tĩnh, bộ phát đáp có chức năng thu tín hiệu từ trạm mặt đất
phát lên ở tần số uplink rồi đổi sang tần số downlink, khuếch đại và phát lại xuống
mặt đất. Như vậy chức năng của bộ phát đáp chính là một bộ lặp có chuyển đổi tần
số. Thông thường, tín hiệu do vệ tinh thu được rất yếu và bộ phát đáp phải khuếch
đại lên nhiều lần (cỡ 100dB) trước khi phát lại mặt đất.
Như vậy trong khi khuếch đại, tín hiệu có thể bị biến dạng do đó cần phải lưu
ý để giữ những sai lệch trong giá trị cho phép. Các biến dạng này thường là:
đại lớn, độ ổn định tần số cao. Các loại khuếch đại tạp âm thấp thường dùng là
khuếch đại thông số, khuếch đại dùng GaAsFET hoặc dùng transistor trường cỏ độ
linh động điện tử cao (HEMT - Hình electron mobility transistor).
Tóm lại, thông tin qua vệ tinh là lĩnh vực công nghệ cao, kết hợp nhiều lĩnh
vực kỹ thuật như hàng không vũ trụ, điện, điện tử, cơ điện, nhiệt… Bản thân cấu
trúc của hệ thống vệ tinh cũng rất phức tạp do chúng làm việc trong những điều
kiện vô cùng đặc biệt nên việc tìm hiểu chi tiết về các hệ thống thông tin vệ tinh là
rất phức tạp và phải nghiên cứu chuyên sâu nhiêu lĩnh vực.
1.3. Truyền hình số qua vệ tinh
Truyền hình số qua vệ có ưu việt là đảm bảo phủ sóng có hiệu quả so với các
phương pháp khác. Trong hệ thống truyền hình số mặt đất, để phủ sóng toàn bộ lãnh
thổ sẽ cần rất nhiều trạm phát truyền hình mặt đất với chất lượng tín hiệu không
đồng đều, nhất là với địa hình đồi núi như nước ta. Truyền hình qua vệ tinh có
những ưu điểm mà các hệ thống phát sóng truyền hình khác như truyền hình cáp
hay truyền hình số mặt đất không có được.
Với ưu điểm có vùng phủ sóng rộng, không phụ thuộc vào địa hình đồi núi,
để phủ sóng cả Việt Nam chỉ cần một trạm phát lên vệ tinh là đủ, những trạm mặt
đất đặt trong vùng phủ sóng đều thu được tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh. Một ưu điểm
nữa là chất lượng tín hiệu ổn định, dung lượng đường truyền lớn, cường độ trường
tại điểm thu ổn định, truyền hình qua vệ tinh đã được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu
nhất là khi có sự phát triển về việc chuyển từ tương tự sang số.
1.3.1. Khái quát hệ thống truyền hình số qua vệ tinh
Truyền hình số qua vệ tinh phát triển vào năm 1995 nhưng vào thời điểm đó
chỉ chiếm một thị phần nhỏ. Đến cuối năm 1998 chỉ có 0,3% hộ gia đình thu tín
hiệu truyền hình số và toàn bộ sử dụng công nghệ DTH. Đến nay số hộ gia đình sử
15
dụng truyền hình số qua vệ tinh đã phát triển tại hầu hết các nước trên thế giới. Chỉ
tính đến cuối năm 2004 riêng khu vực Châu Á đã có trên 25 triệu hộ gia đình sử
Copyright: Tài liệu đại học ©