∑
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2
Đề tài: Ứng dụng công nghệ OFDM trong Truyền Hình Số Mặt Đất, và thực trạng sử
dụng tại Việt Nam.
GVHD: TRẦN VĂN THỌ
SVTH: NGUYỄN THỂ TÍCH
Lớp: DV11
MSSV: 1151040060
TP.HCM, ngày 25 tháng 12 năm 2014
11
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, kĩ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước phát triển
vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet,
điện thoại di động có mặt khắp mọi nơi cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương
tiện trên di động đang ngày một tăng cao. Và truyền hình số với những ưu điểm vượt trội
hơn so với truyền hình tương tự cũng đã ra đời như một tất yếu.
Truyền hình sốmặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB - T hiện đang được sử dụng
phổ biến ở nhiều nước trên thế giới. Với nhiều ưu điểm về kĩ thuật cũng như phù hợp với
điều kiện tự nhiên - xã hội, hệ truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn này đang được triển
khai và sử dụng tại Việt Nam.
Em nhận thấy truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Ầu DVB - T là công
nghệ có nhiều tiềm tiềm năng hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài. Đề
tài cho đồ án môn học 2 của em là “Công Nghệ OFDM và ứng dụng trong Truyền Hình
Số Mặt Đất, thực trạng sử dụng tại Việt Nam”.
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do lượng kiến thức vẫn
đang con hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự
thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy.
EDTV Enhanced Definition Television
Truyền hình độ phân giải mở
rộng
FEC Forward Error Correction
Sửa lỗi tiến (thuận)
HDTV High Definitiom Televisiom Truyền hình độ phân giải cao
ISDB Integrated Services Digital
Broadcasing
Truyền hình số các dịch vụ tích
hợp
33
LDTV Low Definitiom Television Truyền hình độ phân giải thấp
MPEG Moving Pictures Experts Group
Nhóm chuyên gia nghiên cứu về
ảnh động
M-PSK M-ary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha M trạng thái
M-QAM
M-ary Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ vuông góc M
trạng thái
NTSC
National Television System
Committee
Hội đồng hệ thống truyền hình
quốc gia Mỹ
OFDM
Othogonality Fequency Dvision
Mltiplexing
trên thế giới.
- Truyền hình màu ra đời khi hệ thống truyền hình đen trắng đã hoàn thiện.
Vì vậy khi xây dựng hệ thống truyền hình màu cần phải giải quyết sao cho máy
thu hình, đen trắng có thể thu được với hình ảnh đen trắng. Mặt khác phải giải quyết
được ngược lại đó là dùng máy thu hình màu có thể thu được chương trình truyền hình
đen trắng với ảnh nhận được cũng là đen trắng. Đó là tính kết hợp của hệ truyền hình
màu.
Phương pháp tạo tín hiệu hình màu hoàn chỉnh (bao gồm tín hiệu chói và tín
hiệu màu) được thực hiện đầu tiên ở Mỹ. Tín hiệu hình màu hoàn chỉnh mang tin tức
về màu sắc và độ bão hoà màu của ảnh màu. Năng lượng phổ tín hiệu chói phân bố
không đều trong cả băng tần tín hiệu truyền hình. Tín hiệu màu có phổ nằm trong giải
tần hẹp hơn và bố trí ở miền tần số cao của băng tần tín hiệu chói . Từ đặc điểm trên có
thể thực hiện các điều kiện kết hợp truyền hình màu và truyền hình đen trắng.
Tín hiệu hình màu và tín hiệu chói nằm trong cùng 1 băng tần cơ bản được thực
hiện trong hệ truyền hình màu NTSC năm 1950 ở Mỹ do FCC (Feđeal Communcation
Commíion - Ủy ban thông tin liên bang).
Những năm sau hệ truyền hình màu phát triển nhanh chóng, chất lượng ảnh hệ
NTSC hứa phải là tốt vì tín hiệu hệ NTSC rất nhạy với méo pha và méo biên độ.
Người ta chuyển sang nghiên cứu tìm ra các hệ thống mã hoá tín hiệu màu
khác, sao cho méo pha và méo biên độ xuất hiện trong kênh truyền hình là ảnh hưởng
nhỏ nhất.
- Năm 1957 ở Pháp xuất hiện hệ truyền hình màu SECAM do Henry De France
nghiên cứu và thực hiện.
- Năm 1962 giáo sư Walter Bruce ở Tây Đức công bố Hệ truyền hình PAL.
Cả hai hệ SECAM và PAL về nguyên lý chung thống nhất với hệ NTSC.
- Năm 1966 ở Ôslô (Na Uy) đã tiến hành hội nghị CCIR để chọn hệ truyền hình
màu thống nhất cho cả Châu Âu, để tiện cho việc trao đổi chương trình truyền hình
màu giữa các nước.
Kết quả một số nước chọn hệ SECAM còn một số nước dùng hệ PAL, Mỹ và
Nhật sử dụng hệ NTSC.
Trong nhưng năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bước
ngoặt mới. Quá trình chuyển đổi từ công nghệ tương tự sang công nghệ số. Sử dụng
phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên
kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình.
Trong một số ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì
nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể
làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ.
So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà
không làm giảm đi chất lượng ảnh. Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường
hợp, tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự. Mặc dù vậy
xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt
được một sự thống nhất chung, là một hệ thống hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng
cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Hệ thống truyền hình số đã và đang
được phát triển trên toàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong công
nghiệp truyền hình.
Đối với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên môi trường số sẽ
làm giảm việc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp các ứng dụng
Internet cho thuê bao và mở ra một lĩnh vực mới, các cơ hội mới về thương mại.
Nhiều dịch vụ mới trên cơ sở truyền hình số sẽ được hình thành:
• Truy cập Internet tốc độ cao
• Chơi Game và giải trí trên mạng
• Video theo yêu cầu VOD (video - on - demand)
• Cung cấp các dòng video và audio
• Dịch vụ thanh toán tiền tại nhà (home banking)
• Các dịch vụ thương mại điện tử
1.3 Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống truyền hình số
Audio
CT n
CT 1
Video
+ Truyền hình số mặt đất ( COFDM).
- Phía thu sau khi nhận được tín hiệu sẽ tiến hành giải điều chế phù hợp với
phương pháp điều chế, sau đó tách kênh rồi giải nén MPEG-2, biến đổi ngược lại số
sang tương tự, gồm 2 đường hình và tiếng rồi đến máy thu hình.
1.4 Ảnh số và Đặc điểm của truyền hình số
1.41 Ảnh số
- Về góc độ kỹ thuật thì ảnh được nhận biết thông qua hệ thống thị giác hai
chiều. Ảnh động là tập hợp của nhiều ảnh tĩnh liên tiếp. Khi một ảnh được số hóa thì
nó trở thành ảnh số và ảnh số này là một của các phần tử ảnh nhỏ được gọi là điểm
ảnh “ pixel”. Mỗi điểm ảnh được biểu diễn dưới dạng một số hữu hạn các bit, dựa vào
đó ta có thể chia ra làm các loại ảnh khác nhau:
-Ảnh đen trắng: Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một bit, các ảnh này còn
được gọi là Bi- level hay Bi- Tonal images.
-Ảnh Gray-scale: Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chói khác nhau,
thường thì ảnh này biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗi điểm ảnh.
-Ảnh màu: Mỗi ảnh tín hiệu màu được chia ra gồm 1 tín hiệu chói và một tín
hiệu màu.
1.42 Đặc điểm
+ Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai.
+ Thu di động tốt. Người xem dù đi trên ôtô, tàu hỏa vẫn xem được các chương
trình truyền hình. Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng Doppler (tần số và bước
sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn
phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát.).
+ Truyền tải được nhiều loại thông tin.
+ Ít nhạy với nhiễu với 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 analog đang không khắc phục nổi.
+ Phát nhiều chương trình trên một kênh truyền hình: Tiết kiệm tài nguyên tần
số:
+ Một trong những ưu điểm của truyền hình số là tiết kiệm phổ tần số
+ Có khả năng xử lý nhiều lần đồng thời một số tín hiệu (nhờ ghép kênh phân
chia theo thời gian).
+ Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ nén có thể
lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất lượng.
Từ đó có thể truyền được nhiều chương trình trên một kênh sóng, trong khi truyền hình
tương tự mỗi chương trình phải dùng một kênh sóng riêng.
+ Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin 2 chiều,
dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm. Do sự phát triển của công
nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác ngày càng phong phú đa dạng và ngày càng
mở rộng.
Nhược điểm đáng quan tâm:
+ Dải thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ thống
truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự.
+ Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thường phức
tạp hơn (phải dùng mạch chuyển đổi số - tương tự).
+ Chất lượng phục vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùng phục vụ.
+ Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống đo
kiểm tra tương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểm tra tín
hiệu chuẩn.
1.5 Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình
1.5.1 Biến đổi tín hiệu Video
Biến đổi tín hiệu Video tương tự thành Video số là biến đổi thuận, còn biến đổi
tín hiệu Video số thành tương tự là biến đổi ngược. Trong hệ thống truyền hình số có
rất nhiều bộ biến đổi thuận và ngược.
Khi biến đổi tín hiệu Video màu tương tự thành tín hiệu Video màu số ta có thể dùng 2
phương pháp sau:
Phương pháp 1:
Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM ra tín hiệu số
Phương pháp 2:
Biến đổi riêng từng tín hiệu thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu số R-Y và B-Y hoặc
Trường hợp ƒ
sa
< 2ƒ
max
sẽ xảy ra hiện thượng chồng phổ làm xuất hiện các thành
phần phụ (alias components) và xuất hiện méo, ví dụ như hiệu ứng lưới trên màn hình
(do các tín hiệu vô ích nằm trong băng tần video), méo sườn xung tín hiệu, làm nhoè
biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), các điểm sáng tối nhấp nháy trên màn hình.
Trị số ƒ
sa
tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói (trắng đen), tín
hiệu màu cơ bản (R, G, B). các tín hiệu số màu, tín hiệu Video màu tổng hợp. Cuối
cùng việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu.
Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp phải chú ý đến tần số sóng
mang phụ ƒ
sc
, khi chọn ƒ
sa
có thể xuất hiện các trường hợp sau đây:
+ ƒ
sa
gấp nhiều lần ƒ
sc
, ví dụ ƒ
sa
= 3ƒ
sc
hoặc 4ƒ
sc
(hệ PAL, NTSC chỉ dùng một
Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được chia thành 4 nhóm như sau:
+ Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình
+ Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin
+ Các mã thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ ở bên thu
+ Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền
hình số
Mã sơ cấp để tạo tín hiệu số ở trung tâm truyền hình, có dạng tín hiệu nhị phân liên
tục, các bit 0 và 1 có thể được biểu diễn bằng các phương pháp khác nhau, được phân
biệt bằng thời gian tồn tại, cực tính, mức pha… chẳng hạn NRZ, RZ, Biphase (hai
pha)…
1.6 Các hệ thống truyền hình số quảng bá
Truyền hình quảng bá là truyền hình số kết hợp với công nghệ nén số cho ưu
điểm nổi bật là tiết kiệm được bộ nhớ và tiết kiệm kênh truyền. Một kênh truyền hình
quảng bá truyền thống khi truyền tín hiệu truyền hình số có thể truyền trên 6 chương
trình và mỗi chương trình có thể kèm theo 2 đến 4 đường tiếng. Ứng dụng kỹ thuật
truyền hình số có nén có thể truyền một chương trình truyền hình độ phân giải cao
HDTV trên một kênh thông thường có băng thông (6-8)MHz, điều mà kỹ thuật tương tự
không thể giải quyết được.
Truyền hình số có nén được sử dụng rộng rãi cho nhiều cấp chất lượng khác
nhau. Từ SDTV có chất lượng tiêu chuẩn đến HDTV có chất lượng cao với tốc độ bít
từ 5-24Mb/s, được truyền dẫn và phát sóng qua cáp, qua vệ tinh và trên mặt đất. Có rất
nhiều tiêu chuẩn nén dùng cho truyền hình số: MPEG-1, 2, 3, 4, 7…(Moving Picture
Experts Group).
Việc phát chương trình quảng bá truyền hình số (digital video broadcasting DVB) chủ
yếu sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG – 2, nó có phương thức sửa mã sai; căn cứ vào các
chương trình multimedia, sẽ chọn lựa các phương thức điều chế tương ứng và biên mã
của các đường thông tin.
Hiện nay có ba tiêu chuẩn truyền hình số có nén dùng trong truyền dẫn và phát
sóng là DVB (châu Âu), ATSC (Mỹ), ISDB-T (Nhật), trong đó DVB tỏ ra có nhiều ưu
điểm và có khoảng 84% số nước trên thế giới, trong đó có VN lựa chọn sử dụng.
DVB–S (Satellite); hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến DVB–C (Cable); hệ
thống quảng bá truyền hình số trên trái đất DVB–T (Terrestrial); hệ thống quảng bá
truyền hình số vi ba DVB–M (Microwave); hệ thống quảng bá truyền hình số theo
mạng tương tác DVB–I (Interact); hệ thống truyền hình số hệ thống cộng đồng DVB–
CS (Community System),v.v .
1.7.1 Hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến DVB-C
Đặc điểm chung:
DVB-C: Hệ thống truyền dẫn qua cáp sử dụng độ rộng kênh truyền 7-8MHz,
điều chế QAM với 64 trạng thái (64-QAM), tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền
MPEG-2 là 38,1Mb/s.
Trong mạng truyền hình hữu tuyến do tín hiệu hình ảnh được truyền tải trên đường dây
cáp đồng trục nên nó ít bị can nhiễu bên ngoài. Trong các nguyên tắc DVB đã qui định
sử dụng các phương thức điều chế QAM, căn cứ vào trạng thái môi trường truyền tải
có thể sử dụng các tốc độ điều chế khác nhau như 16-QAM; 128-QAM; 256-QAM .
Máy thu vệ tinh số
Máy thu vệ tinh số
Máy thu vệ tinh số
Bộ giải điều chế số
Bộ giải điều chế số
Bộ giải điều chế số
Bộ trộn
Máy phát
Mạng hữu tuyến
Tín hiệu từ vệ tinh
Tín hiệu từ vệ tinh
Tín hiệu từ vệ tinh
Hình 6.6 sơ đồ khối hệ thống truyền hình số hữu tuyến
Hình 6.6 là sơ đồ của hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến . Nếu tín hiệu truyền
hình lấy nguồn từ vệ tinh thì cần một máy thu vệ tinh số IRD (Integrated Receiver
Coder) để thu các chương trình khác nhau và chuyển đổi thành dòng dữ liệu MPEG-2,
U
, thông qua anten phát tiến hành phát
xạ lên truyền hình vệ tinh.
Sơ đồ khối của hệ thống thu truyền hình số vệ tinh như hình 6.8. Tín hiệu vệ tinh qua
bộ biến tần LNB, máy thu vệ tinh số IRD (integrated receiver coder ) sẽ tiến hành việc
giải điều chế QPSK, giải mã đưa ra tín hiệu âm tần và thị tần, nếu dùng đầu nối thu
CATV ở trước thì mạng truyền hình hữu tuyến có thể được chia thành phương thức
truyền tải tương tự và phương thức truyền tải số.
Bộ biến tần
Máy thu vệ tinh số
Tivi thông thường
A
V
Tín hiệu từ vệ tinh
Hình 6.8 Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số
Trong phương thức truyền tải tương tự thì số đường truyền đạt và số lượng máy thu
bằng nhau, do tín hiệu đầu ra của máy thu vệ tinh số IRD là AV cho nên cần phải dùng
các bộ điều chế tương tự với các kênh tần khác nhau để truyền tải tín hiệu tới hộ dùng.
1.7.3 Hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất DVB –T
Đặc điểm chung:
DVB-T: Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộng kênh 7-
8MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s. Người ta sử dụng
phương pháp điều chế số mã hoá ghép kênh theo tần số trực giao COFDM do sự truyền
tải của hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất tương đối đặc biệt, có hiện tượng
phản xạ tín hiệu nhiều lần, can nhiễu rất nghiêm trọng.
1.8. Nén tín hiệu truyền hình
Giải pháp nén cho phép người sử dụng lựa chọn một trong các phạm vi thay đổi
các thông số lây mẫu và các tỉ số nén, các liên kết thích hơp nhất cho mục đích sử
dụng. Xử lý tín hiệu số hứa hẹn thay thế tất cả các phương pháp tương tự (cũ) về tốc
độ dòng, tốc độ mành, NTSC, PAL, SECAM, HDTV và cuối cùng tập trung vào
Dãy các bít lặp gọi là loạt hay mạch (run). Tiếp theo, thay thế chuỗi đó bởi một chuỗi
mới gồm 2 thông tin: chiều dài chuỗi và bít lặp ký tự lặp. Như vậy, chuỗi thay thế sẽ
có chiều dài ngắn hơn chuỗi cần thay.
+ Phương pháp mã hóa Huffman:
o Dựa vào dữ liệu gốc, người ta tính tần suất xuất hiện của các ký tự. Việc tính tần
suất được thực hiện bởi cách duyệt tuần tự tệp gốc từ đầu đến cuối. Việc xử lý ở
đây tính theo bit. Trong phương pháp này người ta gán cho các ký tự có tần
suất cao một từ mã ngắn, các ký tự có tần suất thấp từ mã dài. Nói một cách
khác, các ký tự có tần suất càng cao được gán mã càng ngắn và ngược lại. Rõ
ràng với cách thức này, ta đã làm giảm chiều dài trung bình của từ mã hóa
bằng cách dùng chiều dài biến đổi. Tuy nhiên, trong một số tình huống khi tần
suất là rất thấp, ta có thể không được lợi một chút nào, thậm chí còn bị thiệt một
ít bit.
+ Các phương pháp nén dựa trên các biến đổi
Mã hóa dùng biến đổi Cosine: Cosine một chiều, Cosine nhanh, Cosine ngược.
o Phép biến đổi Cosine một chiều: được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều
phương pháp mã hóa ảnh khác nhau nhờ hiệu suất gần như tối ưu của nó đối với các
ảnh có độ tương quan cao giữa các điểm ảnh lân cận. Biến đổi Cosine rời rạc được sử
dụng trong định dạng phim MPEG.
o Phép biến đổi Cosin rời rạc một chiều được định nghĩa bởi:
o Khi dãy đầu vào x(n) là thực thì dãy các hệ số X(k) cũng là số thực. Tính toán
trên trường số thực giảm đi một nửa thời gian so với biến đổi Fourier. Để đạt được tốc
độ biến đổi thỏa mãn yêu cầu của các ứng dụng thực tế, người ta đã cải tiến kĩ thuật
tính toán và đưa ra nhiều thuật toán biến đổi nhanh Cosine.
+ Nén video tổn thất DPCM-Đều xung mã vi sai:
- Đây là một phương pháp nén quan trọng và hiệu quả. Nguyên lý cơ bản của nó
là: chỉ truyền tải tín hiệu vi sai giữa mẫu đã cho và trị dự báo (được tạo ra từ các mẫu
trước đó)
- Công nghệ DPCM thực hiện loại bỏ tính có nhớ và các thông tin dư thừa của
nguồn tín hiệu bằng một bộ lọc đặc biệt có đáp ứng đầu ra là tín hiệu số giữa mẫu đầu
giảm dư thừa thời gian giữa các khung ảnh.
Chuẩn MPEG định nghĩa một khái niệm mới là nhóm các khung ảnh (GOP) để
giải quyết dư thừa thời gian và cho phép truy xuất ngẫu nhiên khi mã hóa MPEG dùng
để lưu trữ. Trong chuẩn MPEG, người ta quy định ba loại khung ảnh phụ thuộc vào
phương pháp nén: nén trong khung ảnh, nén ước đoán và nội suy hai chiều theo thời
gian.
Chuẩn nén MPEG bao gồm các tiêu chuẩn nén video có tốc độ luồng bit khác
nhau.
Hình 1.4. Hệ thống các chuẩn MPEG
Copyright: Tài liệu đại học ©