Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai DVB T2

ĐỖ ĐỨC DŨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------------

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

ĐỖ ĐỨC DŨNG

NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ THỜI GIAN
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
THẾ HỆ THỨ HAI – DVB-T2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG

KHĨA 2012B

Hà Nội -Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

ĐỖ ĐỨC DŨNG

NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ THỜI GIAN
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
THẾ HỆ THỨ HAI – DVB-T2

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 4
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................. 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................... 9
LỜI NĨI ĐẦU .............................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1: TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ........................................................ 13
TỔNG QUAN: ............................................................................................................. 13
1.1. Truyền hình số mặt đất tiêu chuẩn châu Âu DVB-T. ..................................... 14
1.1.1. Đặc tính kỹ thuật của DVB-T. ......................................................................... 15
1.1.2. Mã hóa kênh ( FEC – mã sửa sai trước). ......................................................... 16
1.1.3. Bộ điều chế DVB-T. ........................................................................................ 20
1.1.4. Mã hóa COFDM trong DVB-T....................................................................... 22
1.1.5. Khoảng thời gian bảo vệ. ................................................................................. 25
1.2. Truyền hình số theo tiêu chuẩn châu Âu DVB-T2. ......................................... 26
1.2.1. Những tiêu chí cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2............................................... 26
1.2.2. Đặc tính kỹ thuật của tiêu chuẩn DVB-T2....................................................... 27
1.2.2.1. Lớp ống vật lý: .......................................................................................... 28
1.2.2.2. Cấu hình mạng:.......................................................................................... 29
1.2.2.3. Các mode sóng mang mở rộng (đối với 8K, 16K, 32K): .......................... 30
1.2.2.4. MISO dựa trên Alamouti (trên trục tần số): .............................................. 31
1.2.2.5. Mẫu hình tín hiệu Pilot (Pilot Pattern): ..................................................... 31
1.2.2.6. Phương thức điều chế 256 QAM:.............................................................. 32

1.2.2.7. Chòm sao xoay (Rotated Constellation). ................................................... 33
1.2.2.8. Kích thước FFT và Khoảng bảo vệ. .......................................................... 34
1.2.2.9. Mã hóa FEC ............................................................................................... 34
a) Mã ngồi (BCH). ....................................................................................... 35
b) Mã trong (LDPC). .................................................................................... 37
c) Hiệu quả của mã sửa sai LDPC và BCH trong DVB-T2. ......................... 38
1


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

d) Tráo bit, tế bào, thời gian và tần số ........................................................... 39
e) Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số cơng suất đỉnh/cơng suất trung bình ................ 39
f) Cấu trúc khung tín hiệu DVB-T2 ............................................................... 39
1.3. Đánh giá hai tiêu chuẩn DVB-T & DVB-T2 .................................................... 41
1.3.1. Ưu điểm của DVB-T2 ...................................................................................... 41
1.3.2. Sự khác nhau giữa DVB-T2 & DVB-T: .......................................................... 42
CHƯƠNG 2: MẠNG ĐƠN TẦN VÀ ĐỒNG BỘ CÁC MÁY PHÁT TRONG
MẠNG ĐƠN TẦN .............................................................................................. 43
2.1. Khái niệm: ........................................................................................................... 43
2.1.1. Mạng đơn tần tự nhiên: .................................................................................... 43
2.1.2. Ưu điểm của mạng đơn tần: ............................................................................. 44
2.1.3. Điều kiện để thu tốt trong mơi trường có phản xạ ........................................... 45
2.1.4. Mạng đơn tần (Single Frequency Network - SFN) .......................................... 46
2.2. Sự cần thiết phải đồng bộ các máy phát sóng thuộc mạng đơn tần .............. 48
2.2.1. Bù thời gian trễ tĩnh để đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần ................... 50
2.2.2. Bù thời gian trễ động để đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần ................. 51
2.2.2.1. Cài thêm các gói tin vào dịng TS để phục vụ việc đồng bộ: ........................ 51
2.2.2.2. Định nghĩa gói T2-MI: ................................................................................... 52
2.2.2.3. Phương thức truyền tải gói T2-MI: ................................................................ 54

2.2.3. Nhiệm vụ của khối đồng bộ hệ thống (Sync system): ..................................... 56
2.2.3.1. Tính thời gian bù trễ động ............................................................................. 57
2.2.3.2. Bù thời gian trễ (thời gian lưu giữ) động trong mạng đơn tần gồm nhiều
máy phát: .......................................................................................................... 58
2.3. Kết luận: .............................................................................................................. 59
2.3.1. Về bù thời gian trễ để đồng bộ các máy phát của mạng đơn tần ..................... 59
2.3.2. Khoảng cách giữa các máy phát thuộc mạng đơn tần ...................................... 60
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠNG ĐƠN TẦN DVB –T2
TẠI NAM BỘ .............................................................................................................. 61
3.1. Vị trí địa lý, địa hình khu vực đồng bằng Nam Bộ: ............................................. 61
2


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

3.2. Mơ hình mạng và các phương án lựa chọn: ......................................................... 62
3.2.1. Các tiêu chí thiết lập mạng SFN DVB-T2 khu vực Nam Bộ........................... 62
3.2.2. Các phương án triển khai SFN cho khu vực Nam Bộ: .................................... 62
3.3. Mơ hình mạng đơn tần khu vực Nam Bộ: ............................................................ 64
3.4. Lựa chọn tham số phát: ........................................................................................ 66
3.4.1. Các điểm can nhiễu SFN:................................................................................. 68
3.4.1.1. Kịch bản 1: Mạng SFN có 2 trạm phát sóng ............................................. 68
3.4.1.2. Kịch bản 2: Mạng SFN có 3 trạm phát ...................................................... 69
3.4.2. Lựa chọn thông số phát: ................................................................................... 70
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 75

3

Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này được hồn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các
nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành, các tiêu chuẩn được các tổ chức quốc tế công
bố và phát hành cùng các thông tin trên mạng internet mà theo tôi là đáng tin cậy.
Đề tài nghiên cứu của luận văn được tổng hợp từ nguồn các tài liệu nói trên
cộng với các kết quả nghiên cứu của bản thân. Tôi xin cam đoan luận văn này
khơng hồn tồn giống với các cơng trình nghiên cứu cũng như các luận văn trước
đây.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2014.
Người thực hiện

Đỗ Đức Dũng

4


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

ASI

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Asynchronous Serial Interface
Giao diện nối tiếp bất đồng bộ
IntergratedServicesDigital
Broadcasting Terrestrial.

Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất
của Nhật

Advanced Television Systems
committee
Digital Video
Broadcasting project

Tiêu chuẩn phát sóng của Mỹ

DVB-T

DVB system for
Terrestrial broadcasting

Hệ thống truyền hình số
mặt đất thế hệ thứ nhất.

DVB-T2

DVB-T2 system for
Terrestrial second generation
broadcasting

Hệ thống truyền hình số
mặt đất thế hệ thứ 2.

HDTV

High Definition Television

Truyền hình độ phân giải cao

MPEG

Moving Picture Experts Group

Tiêu chuẩn nén ảnh động

MFN

Multiple Frequency Network

Mạng đa tần MFN

MIP

Modulation Information Packet
Mega-Frame Initialization Packet

Gói thơng tin điều chế
Gói khởi tạo Mega-frame

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực
giao

PCM

Pulse Code Modulation

Điều xung mã

PLP

Physical Layer Pipes

Lớp ống vật lý

PRBS

Pseudo Random Binary Sequency

Chuỗi giả ngẫu nhiên

PES

Packetized Elementary Streams

Dịng cơ sở đóng gói

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế cơ sở QAM

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha

RS

Reed-Solomon Codes

Mã Reed-Solomon

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến – kênh cao tần

RLC

Run length coding

Mã hóa với độ dài từ mã động

SDTV

Standard Definition Television

Truyền hình độ nét tiêu chuẩn

SNR

Signal-to-noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

VCM

Variable Coding and Modulation

Mã hóa và điều chế thay đổi

VLC

Variable Length Coding

Mã hóa với độ dài từ mã thay

ISDB-T
ATSC
DVB

5

Dự án truyền hình số


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

đổi
SFN

Single Frequency Network

Mạng đơn tần

TSPS

Transport Stream Partial Stream

Dòng TSPS

TSPSC

Transport Stream Partial Stream
Common

Dòng TSPSC phổ biến

VHF

Very high frequency

Tần số rất cao

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

JPEG

Joint Photographic Experts Group

Tiêu chuẩn nén ảnh tĩnh

T2-MI

DVB-T2 Modulator Interface

Giao diện điều chế gói tin T2

16-QAM

16-ary Quadrature
Amplitude Modulation

Phương thức điều chế 16QAM

256-QAM 256-ary Quadrature
Amplitude Modulation

Phương thức điều chế 256QAM

64-QAM

64-ary Quadrature
Amplitude Modulation

Phương thức điều chế

64-QAM

ACM

Adaptive Coding and
Modulation

Mã hóa và điều chế
thích ứng

BB

BaseBand

Băng cơ sở

BCH

Bose-ChaudhuriHocquenghem multiple error
correction binary block code

Bose-ChaudhuriHocquenghem sửa lỗi
nhiều mã khối nhị phân.

BICM

Bit Interleaved Coding and
Modulation

Điều chế và mã hóa bit đan

xen

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra sự dư thừa tuần
hoàn

ETSI

European Telecommunication
Standars Institute

Tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi chuyển tiếp

FEF

Future Extension Frame

Khung hình mở rộng
cho tương lai

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi nhanh Fourier

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

GS

Generic Stream

Dòng chung
6


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

IFFT

Inverse Fast Fourier
Transform

Biến đổi nhanh Fourier
ngược

ISI

Input Stream Identifier

Nhận dạng dòng vào

ISSY

Input Stream SYnchronizer

Đồng bộ dòng vào

ISSYI

Input Stream SYnchronizer
Indicator

Chỉ thị đồng bộ dòng vào

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

LDPC

Low Density Parity Check
(codes)

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ

thấp

MISO

Multiple Input, Single
Output

Nhiều ngõ vào, một ngõ ra

COFDM

Coded Orthogonal Frequency
Division Multiplex

Mã ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

SISO

Single Input Single Output

Một ngõ vào, một ngõ ra

PRBS

Pseudo Random Binary
Sequence

Chuỗi nhị phân ngẫu nhiên
Pseudo

TF

Time/Frequency

Thời gian/tần số.

TS

Transport Stream

Dịng truyền tải

UP

User Packet

Gói người sử dụng

MUX
UPL

Multiplexing program
User Packet Length

Ghép kênh
Chiều dài gói dữ liệu người
dùng

7

Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thơng số mã hóa FEC đối với FEC frame thường (nldpc = 64800 bits).
Bảng 1.2: Thơng số mã hóa FEC đối với FEC frame ngắn (nldpc = 16200 bits).
Bảng 1.3: Đa thức BCH (đối với FEC frame bình thường nldpc = 64800).
Bảng 1.4: Đa thức BCH (đối với FEC frame ngắn nldpc = 16200).
Bảng 1.5: Hiệu quả của mã sửa sai LDPC và BCH
Bảng 1.6: Bảng so sánh các tham số giữa DVB-T với DVB-T2 tại UK
Bảng 1.7: Dung lượng dữ liệu DVB-T2 so với DVB-T trong mạng SFN.
Bảng 2.1: Bảng thơng tin khoảng bảo vệ Tbv
Bảng 2.2: Loại gói T2-MI
Bảng 3.1. Thơng tin vị trí địa lý của các Đài dùng làm cơ sở tính tốn:
Bảng 3.2: Khoảng bảo vệ trong DVB-T2
Bảng 3.3: Khoảng bảo vệ DVB-T2 tương ứng độ rộng băng thông 8MHz
Bảng 3.4: Dung lượng kênh, extended carrie mode, FFT modes: 16k – 32k

8


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình hệ thống truyền hình số mặt đất.
Hình 1.2: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất DVB-T
Hình 1.3. Sơ đồ khối mã hóa kênh trong DVB-T
Hình 1.4: Phân bố năng lượng theo nguyên lý xáo trộn và giải xáo trộn.
Hình 1.5a: Gói truyền tải MPEG2

Hình 1.5b: Gói truyền tải ngẫu nhiên hóa: byte đồng bộ và các dữ liệu ngẫu nhiên
Hình 1.5c: Gói chống lỗi với mã Reed- Solomon RS (204/188,8).
Hình 1.5d: Cấu trúc dữ liệu sau outer interleaving.
Hình 1.6: Phân bố sóng mang trong OFDM
Hình 1.7: Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế.
Hình 1.8: Chịm sao của điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM.
Hình 1.9: Chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với  = 4.
Hình 1.10: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số theo chuẩn DVB-T2.
Hình 1.11: Lớp vật lý DVB-T2
Hình 1.12: Lớp ống vật lý
Hình 1.13: Mật độ phổ cơng suất đối với 2K, 32K
Hình 1.14: Mơ Hình MISO
Hình 1.15: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T (trái) và DVB-T2 (phải)
Hình 1.16: Điều chế 256-QAM
Hình 1.17: Chịm sao 16-QAM "xoay".
Hình 1.18: Hiệu quả sử dụng chòm sao “xoay” so với khơng xoay.
Hình 1.19: Định dạng của dữ liệu trước khi đan xen bit.
Hình 1.20: Ma trận H và các điểm kiểm tra.
Hình 1.21: Cấu trúc khung DVB-T2
Hình 1.22:Cấu trúc siêu khung T2 có FEF
Hình 2.1: Thu trong mơi trường thực tế
Hình 2.2. Cấu hình cơ bản của một mạng đơn tần DVB-T2
Hình 2.3. Mơ tả máy phát trong mạng đơn tần SFN
9


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Hình 2.4.a, 2.4b và 2.4c: Mơ tả sự nhanh chậm của các chùm sóng đến đầu thu.
Hình 2.5: Luồng truyền tải trong DVB-T2

Hình 2.6: Định dạng gói T2-MI
Hình 2.7: Phương thức chèn gói T2-MI
Hình 2.8: Mạng phân phối DVB-T2 đã được đồng bộ
Hình 2.9: Mơ tả xung 1pps, MIP và Cờ thời gian đồng bộ (STS)
Hinh 2.10: Độ trễ lớn nhất
Hình 2.11: Mơ tả biểu đồ thời gian của T2-MIP
Hình 3.12: Chu kỳ tính tốn bù thời gian trễ động
Hình 3.11: Bù trễ động trong mạng đơn tần gồm ba máy phát
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát kết nối từ các Đài PT-TH địa phương khu vực đồng bằng
Nam Bộ về trung tâm
Hình 3.2: Sơ đồ tổng quát mạng đơn tần khu vực Nam Bộ
Hình 3.3: Tín hiệu DVB-T2 từ các trạm phát đếm máy thu
Hình 3.4a: ∆S được tính theo (1)
Hình 3.4b: ∆S được tính theo (2)
Hình 3.5: Vùng phủ sóng dự kiến cho khu vực Nam Bộ

10


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

LỜI NĨI ĐẦU
Triển khai truyền hình kỹ thuật số mặt đất tại Việt Nam là một yêu cầu cần
thiết và tất yếu, góp phần nâng cao năng lực tuyên truyền phục vụ đời sống chính trị
xã hội, thúc đẩy q trình số hóa cơng nghệ truyền dẫn và phát sóng truyền hình tại
nước ta, vấn đề này được cụ thể hóa theo tinh thần quyết định số 2451/QĐ-TTg
ngày 27 tháng 12 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủvề việc phê duyệt “Đề án số
hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020”.
Trong điều kiện khan hiếm tần số tại Việt Nam hiện nay, để triển khai truyền
hình số mặt đất việc chọn lựa mạng đơn tần (SFN: Single Frequency Network) là

hết sức cần thiết vì giúp giải được bài tốn khan hiếm tần số, tạo cơ hội phát triển
cho ngành viễn thông băng rộng.
Khi thiết lập mạng đơn tần, tất cả các máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát
cùng kênh tần số, thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số. Mạng đơn
tần cần tuân thủ 3 điều kiện: một là, các máy phát cùng một dòng truyền tải TS
(Transport Stream); hai là, phát cùng tần số; ba là, phát “cùng thời điểm”. Vì vậy,
để mạng đơn tần hoạt động hiệu quả cần thực hiện tốt việc thiết lập và hiệu chỉnh
đồng bộ giữa các máy phát hay còn gọi cách khác là đồng bộ thời gian trong mạng
đơn tần (SFN)
Sau thời gian nghiên cứu các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất và trên cơ sở
đánh giá kết quả thử nghiệm, ngày 26 tháng 3 năm 2001, Đài truyền hình Việt Nam
đã chính thức lựa chọn tiêu chuẩn châu Âu DVB-T làm tiêu chuẩn phát sóng truyền
hình số mặt đất áp dụng tại Việt Nam. Điều này cũng được khẳng định tại quyết
định 2451 ngày 27/11/2011 của Thủ tướng Chính phủ chính thức chọn tiêu chuẩn
DVB-T2 (là thế hệ tiếp theo của tiêu chuẩn DVB-T) là tiêu chuẩn phát sóng truyền
hình số mặt đất tại Việt Nam.
DVB-T2 là phiên bản tiếp theo của tiêu chuẩn DVB-T. DVB-T2 được giới
thiệu lần đầu tiên vào 6/2008 và được Viện tiêu chuẩn viễn thơng Châu Âu - ETSI
chuẩn hóa từ tháng 9/2009. So với DVB-T, DVB-T2 cung cấp sự gia tăng dung
lượng thấp nhất 30% trong cùng điều kiện thu sóng và dùng các anten thu hiện có.
11


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Điều này tạo thuận lợi cho việc triển khai các dịch vụ quảng bá mới đòi hỏi dung
lượng cao như HDTV, U-HDTV....
Căn cứ vào những yếu tố trên, em chọn đề tài cho luận văn tốt nghiệp của
mình là: “Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất
thế hệ thứ hai’’ với mục tiêu nghiên cứu cách hiệu chỉnh và đồng bộ thời gian giữa

các máy phát trong mạng đơn tần theo tiêu chuẩn DVB-T2 nhằm áp dụng vào thực
tế triển khai tại khu vực Nam Bộ.
Luận văn sẽ phân tích và đánh giá các kết quả mới nhất được công bố và kết
quả đo kiểm thực tế từ các đơn vị đã và đang triển khai DVB-T2 tại Việt Nam nhằm
mục đích tối ưu hóa mạng đơn tần SFN. Nội dung bao gồm:
Chương 1:
- Tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật, tiêu chuẩn về truyền hình số mặt đất thế hệ đầu
tiên – DVB-T
- Tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật, tiêu chuẩn về truyền hình số mặt đất thế hệ thứ
hai – DVB-T2
Chương 2:
- Tìm hiểu về các mơ hình mạng truyền hình số mặt đất đơn tần (SFN) và các
vấn đề có liên quan
- Tìm hiểu về ngun tắc đồng bộ về thời gian trễ giữa các máy phát trong mạng
đơn tần (SFN)
Chương 3:
- Tính tốn, thiết kế mạng đơn tần (SFN) ứng dụng công nghệ DVB-T2 cho khu

vực Tây Nam Bộ
Trong q trình hồn thành luận văn, em đã cố gắng rất nhiều nhưng do hạn
chế về kiến thức nên khơng tránh được những sai sót. Rất mong nhận được sự thơng
cảm, những phê bình góp ý cùng sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của Thầy Cô
trong Viện Điện tử - Viễn thông Đại học Bách khoa Hà Nội.
Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ tận tình của Cơ Phạm Nguyễn Thanh Loan
và các Thầy Cô Viện Điện tử - Viễn thông đã giúp em hoàn thành luận văn.
12


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

CHƯƠNG 1: TRÙN HÌNH SỚ MẶT ĐẤT
TỔNG QUAN:
Cơng nghệ truyền hình ngay từ khi ra đời đã có ảnh hưởng to lớn đến mọi mặt
đời sống chính trị, kinh tế xã hội và khơng ngừng phát triển: từ truyền hình đen
trắng đến truyền hình màu, từ truyền hình tương tự đến truyền hình số, từ truyền
hình độ phân giải tiêu chuẩn SD-Tv đến truyền hình độ phân giải cao HD-Tv…
Thế giới hiện nay phát triển 04 nhóm tiêu chuẩn phát sóng cho truyền hình kỹ
thuật số gồm: truyền hình số vệ tinh, truyền hình số qua cáp hữu tuyến, truyền hình
số di động và truyền hình số mặt đất. Trong các phương thức nêu trên, truyền hình
kỹ thuật số mặt đất đã chứng minh được những ưu điểm so với các phương thức
khác như công nghệ hiện đại, dễ nâng cấp, dễ sử dụng với người tiêu dùng, chi phí
đầu cuối thấp… Truyền hình kỹ thuật số mặt đất có nhiều ưu điểm vượt trội so với
cơng nghệ truyền hình tương tự như:
-

Khả năng chống can nhiễu, loại bỏ hồn tồn hiện tượng bóng thường xuất

hiện trong truyền hình tương tự.
- Tiết kiệm tần số - nhờ phát được nhiều chương trình truyền hình trên một kênh
sóng và có khả năng thiết lập mạng đơn tần mặt đất, có thể phát sóng ở kênh lân
cận.
- Dễ dàng cung cấp truyền hình độ phân giải cao HDTV đến người dân.
Hiện nay, trên thế giới, truyền hình kỹ thuật số mặt đất có các chuẩn sau:
- ATSC do Mỹ đề xuất và được một nhóm các quốc gia sử dụng gồm Mỹ,
Cacada, Mexico, Hàn Quốc, Honduras và Puerto Rico.
- ISDB-T do Nhật Bản đề xuất. Trên thế giới chỉ có Nhật Bản và Brazil đang sử
dụng chuẩn này.
- DVB-T do Châu Âu đề xuất và được đại đa số các quốc gia trên thế giới sử
dụng.
- DMB-T/H do Trung Quốc phát triển. Nội dung về cơ bản hoàn toàn tương tự

DVB-T và chỉ được phát triển ở Trung Quốc.

13


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Sau hàng loạt các thử nghiệm thành công của các cơ sở nghiên cứu khoa học
tại châu Âu, tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T chính thức được tổ chức
ETSI cơng nhận vào tháng 2 năm 1997.
Việt Nam chính thức chọn tiêu chuẩn DVB-T và các phiên bản tiếp theo cho
truyền hình số mặt đất.
1.1. Truyền hình số mặt đất tiêu chuẩn châu Âu DVB-T.
RX

Dữ liệu
số

Thu
sóng

Giải đa hợp/
sửa lỗi

Mã hóa
nguồn
Đa hợp/sửa
lỗi

Giải điều

chế

Giải mã
nguồn

TX

Điều chế

D/A

Hình 1.1: Mơ hình hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T.
Các thành phần chính của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T bao gồm:
- Nguồn tín hiệu: Biến đổi tín hiệu video và audio thành các dữ liệu số. (ADC)
- Mã hóa nguồn (Source Coding): Thực hiện nén tín hiệu số bằng bộ mã hóa
nén MPEG-2 ở các tỉ số nén khác nhau.
- Đa hợp và sữa lỗi: phụ thuộc vào một dòng dữ liệu, ở đây là dòng truyền tải
MPEG-2. (MPEG-2 TS)
Điều chế: điều chế tín hiệu phát sóng bằng dịng dữ liệu bao gồm cả mã hóa
truyền dẫn, mã hóa kênh và các kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi chống lại các suy giảm
chất lượng do phađing, tạp nhiễu…
Phía thu: thực hiện các bước ngược lại mở gói, giải mã, hiển thị hình ảnh và
âm thanh.

14


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

1.1.1. Đặc tính kỹ thuật của DVB-T.

Hệ thống DVB-T được định nghĩa là một thiết bị gồm những khối chức năng,
tín hiệu đầu vào là dịng truyền tải MPEG-2 (nhận được tại đầu ra của bộ ghép
kênh), đầu ra là tín hiệu cao tần đi tới anten. Hệ thống tương thích trực tiếp với
chuẩn nén tín hiệu MPEG-2 ISO/IEC 13818.
Video Coder
Audio Coder

Program
MUX
Transport
MUX
1

2

Data Coder
MPEG-2
Source coding & multiplexing

Splitter

n

To Aerial
MUX
Adaptation
Energy
Dispersal

Outer

Coder

Outer
Interleaver

Inner
Coder

MUX
Adaptation
Energy
Dispersal

Outer
Coder

Outer
Interleaver

Inner
Coder

Inner
Interleaver

Mapper

Frame
Adaptation

OFDM

Guard
Interval
Insertion

D/A

Front
end

Pilot & TPS
Signal
Terrestrial Chanel Adaptor

Hình 1.2[6]: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất DVB-T
Trên hình các tín hiệu hình ảnh, âm thanh sẽ qua một loạt quá trình xử lý để
cuối cùng tại đầu ra anten cũng vẫn là tín hiệu cao tần phát đi. Các khối nét đứt trên
hình được sử dụng cho cấu hình điều chế phân cấp.
Khối Splitter phân chia dịng dữ liệu thành 2 dòng với những mức ưu tiên khác
nhau, tốc độ dịng dữ liệu và tỷ lệ mã hóa khác nhau, có nghĩa là khả năng chống lỗi
của dịng dữ liệu là khác nhau.
Ta thấy một hệ thống máy phát chủ yếu sẽ gồm phần mã hoá sửa lỗi và điều
chế OFDM. Đây cũng chính là hai phần chủ yếu được các nhà nghiên cứu tập trung
khai thác để tối ưu về tốc độ bit cũng như băng thông truyền tải.
Ghép kênh và mã hóa nguồn dữ liệu MPEG-2
Các tín hiệu đầu vào gồm hình ảnh, âm thanh và các dữ liệu phụ sẽ được số
hóa nhờ khối ghép kênh, mã hóa và nén MPEG-2. Đầu ra của khối này sẽ là dòng
truyền truyền tải MPEG-2 với một tốc độ bit nhất định đưa vào máy phát. Đây là
quá trình số hóa tín hiệu.

15


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Khối ghép kênh truyền tải và ngẫu nhiên hóa số liệu
Để hạn chế tối đa các lỗi trong truyền dẫn, dòng dữ liệu TS đến từ khối nén sẽ
được ngẫu nhiên hố. Các gói dữ liệu này đầu tiên được nhận dạng bởi chuỗi giả
ngẫu nhiên PRBS. Mục đích của q trình này là 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”), đồng
thời đây cũng được xem là quá trình phối hợp để ghép kênh truyền tải.
Khối mã ngoại và ghép xen ngoại (Outer coder & interleaver)
Dòng dữ liệu sau khi đã được ngẫu nhiên hóa sẽ tiếp tục được xử lý tại khốimã
ngoại và ghép xen ngoại. Sở dĩ gọi là “ngoại” vì việc xử lý ở đây là theo byte, còn
mã nội và ghép xen nội là xử lý theo “bit”. Bộ mã ngoại sử dụng mã ReedSolomon RS (204, 188, t=8) để mã hoá dữ liệu đã được ngẫu nhiên hố nhằm tạo ra
các gói dữ liệu đã được bảo vệ lỗi.
Do được mã hoá theo mã RS (204,188, t=8) nên mỗi gói dữ liệu sẽ được thêm
16 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa tới 8 lỗi trong một gói.
Việc ghép ngoại chính là ghép các byte với một chu kỳ ghép qui định trước,
thường độ sâu ghép là l=12. Đây cũng là việc nhằm giảm tính thống kê của lỗi.
Khối mã nội (inner coder)
Đây là q trình mã hố tiếp theo nhưng việc mã sẽ chi tiết đến từng bit.
Thơng số mã hóa ở đây chính là tỷ lệ mã hóa n/m (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8).
Nghĩa là: cứ m bit truyền đi thì chỉ có n bit mang thơng tin, các bit còn lại là để sửa
lỗi.
Khối ghép xen nội (inner interleaver)
Dữ liệu đến đây sẽ được tráo hoàn toàn theo từng bit, thông tin sẽ rất khác so
với ban đầu.
1.1.2. Mã hóa kênh ( FEC – mã sửa sai trước).
Mơi trường truyền dẫn mặt đất chịu tác động mạnh bởi can nhiễu, mã hoá

kênh cần thiết cho việc truyền tải dữ liệu nhằm chống lỗi sai trên đường truyền.
DVB-T sử dụng mã cuốn CC và mã khối RS. Mã sửa sai trước có 5 giá trị để lựa
chọn: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 và 7/8 tỉ lệ mã sửa sai càng lớn khả năng kháng sửa lỗi càng
16


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

tốt nhưng tốc độ tín hiệu hữu ích càng thấp, dung lượng dành cho chương trình cần
phát đi càng thấp.
Mã hóa kênh trong truyền dẫn phát sóng mặt đất DVB-T với các kênh thuộc
dải tần số siêu cao UHF và tần số rất cao VHF có băng thơng 8MHz là q trình xử
lý tín hiệu phức tạp.
Dữ liệu

Luồn

Máy phát FEC

Đường truyền

Dữ liệu

Máy thu FEC

g TS

Phân tán
năng lượng

Mã hóa ngồi
Reed-Solomon

Chèn ngồi

Mã hóa trong

Hình 1.3. Sơ đồ khối mã hóa kênh trong DVB-T
Mã hóa kênh trong DVB-T được mơ tả như sau:
Dữ liệu đầu vào bộ mã hóa kênh là dịng truyền tải MPEG-2 gồm các gói nối
tiếp với độ dài xác định mỗi gói là 188byte, (1 byte đồng bộ,187 byte dữ liệu) .
SYNC 1 byte

MPEG-2 Transport MUX data (187 byte)

Hình 1.5a: Gói truyền tải MPEG2
Khối phân tán năng lượng (Energy Dispersal): Cung cấp các tín hiệu ngẫu
nhiên và một mức cơ bản cho việc chống lỗi. Dữ liệu được kết hợp với chuỗi giả
ngẫu nhiên PRBS (Pseudo Random Binary Sequency) nhằm phân bố năng lượng
đồng đều trong dòng truyền tải, tránh những chuỗi 0 hoặc 1 liên tiếp gọi là q trình
ngẫu nhiên hóa luồng dữ liệu. Đa thức sinh cho quá trình ngẫu nhiên này là: 1+
X14+ X15 . Kết hợp giữa thanh ghi dịch và các cổng EX - OR để xáo trộn và giải xáo
trộn (Scrambled/ Descrambled) dữ liệu trong quá trình xử lý tín hiệu:

17


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

1

1

0 0 1 0 1 0 1 0 0
2 3 4 5 6 7 8 9 10

0
0
11 12

0
13

0
14

0
15

PRPS
Data output
Enable

Enable
Scramble
De- scramble
scramble
Hình 1.4: Phân bố năng lượng theo nguyên lý xáo trộn và giải xáo trộn.
Data input

8 transport MUX packet

PRBS period = 1503 bytes
SYNC Randomized SYNC
1
Data
2

SYNC Randomized SYNC Randomized
8
Data
1
Data

Hình 1.5b: Gói truyền tải ngẫu nhiên hóa: byte đồng bộ và các dữ liệu
ngẫu nhiên hóa.
204 bytes
SYNC 1 or
SYNC n

MPEG- 2 transport MUX
data (187 byte)

Reed- Solomon
16 bytes

Hình 1.5c: Gói chống lỗi với mã Reed- Solomon RS (204/188,8).
SYNC 1 or
SYNC n

203 bytes

SYNC n

203 bytes

SYNC 1 or
SYNC n

Hình 1.5d: Cấu trúc dữ liệu sau outer interleaving.
Hình 1.5.(a,b,c,d): Các bước của quá trình phân tán năng lượng, mã hóa ngồi và
tráo dữ liệu.
Ví dụ: Chuỗi ban đầu là “100101010000000” được nạp vào thanh ghi sau mỗi
nhóm 8 gói dữ liệu. Để thơng báo cho bộ giả ngẫu nhiên của chuỗi này, byte đồng
bộ thuộc gói truyền tải đầu tiên của nhóm 8 được đảo ngược từ 47HEX thành
B8HEX. Chu kỳ của chuỗi PRBS là 8x188 byte trừ đi byte đồng bộ (B8HEX) bằng
1503 byte.
Mã ngồi (Outer Coder): Nhằm kiểm sốt sửa loạt lỗi sai hay xảy ra có chiều
dài xác định. DVB-T sử dụng mã khối RS (Reed Solomon) bằng cách cộng 16 bytes

18


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

vào các gói 188 bytes của dịng truyền tải TS để tạo ra gói 204 bytes. Thuật tốn sửa
lỗi này đặc trưng bằng 3 thơng số:
n = 204: Độ dài gói truyền cuối
k = 188: Độ dài gói truyền gốc
t=8

: Số bytes có thể sửa

Mã RS được dùng cho mỗi gói truyền tải đã được ngẫu nhiên hóa để tạo thành
các gói được bảo vệ lỗi (Hình 1.5.c).
Khối ghép xen ngồi (Outer Interleaver): Khối này được thực hiện ghép xen kẽ
với độ sâu I = 12 các gói dữ liệu trong khối ghép xen ngồi đã được bảo vệ lỗi RS.
Các gói được bảo vệ khỏi lỗi R-S có chiều dài là 204byte được chia thành 17 khối với
12byte mỗi khối. Mỗi phần tử ghi dịch FIFO (First In First Out) được cấu trúc thành
byte. Các byte đồng bộ của MPEG-2 luôn chạy không trễ qua nhánh “0” của bộ ghép
xen. Quá trình ghép xen kẽ sẽ phân bố các lỗi cụm (Burst Error) qua một số các khối
làm cho việc sửa sai có thể thực hiện một cách hiệu quả. Quá trình sửa lỗi được chia
thành hai phần mã ngoài (Outer Coder) và mã trong (Inner Coder).
Khối mã trong ( Inner coder): Nhằm kiểm soát sửa và báo lỗi cho một loạt lỗi
sai có chiều dài lớn hơn chiều dài lỗi qui định.
Khối ghép xen trong (Inner Interleaving): bao gồm khối ghép xen bit và ghép
xen symbol.
Bộ ghép xen bit: dữ liệu đầu vào được tách thành V Sub-tream, trong đó V= 2
đối với điều chế pha QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), V = 4 với 16-QAM và
V = 6 với 64-QAM. Trong chế độ truyền khơng phân cấp, dịng dữ liệu đầu vào
được tách thành V- 2 Sub - Stream.
Bộ ghép xen symbol (symbol Interleaver): mục đích của bộ xáo trộn symbol là
thực hiện ánh xạ các từ mã (có độ dài V bit) lên 1512 (mode 2k) hoặc 6048 (mode
8k) sóng mang tích cực trong một symbol điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

19


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

1.1.3. Bộ điều chế DVB-T.

Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM.
Do bên phát cần phải mã hóa để bên thu có thể khơi phục lại được những dữ liệu bị
mất trong quá trình truyền. Vì vậy, phương pháp điều chế này cịn có tên gọi là
ghép kênh đa sóng mang trực giao có mã hóa COFDM (Code Orthogonal
Frequency Division Multiplexing).
Bộ điều chế DVB-Tcó khả năng điều khiển hồn chỉnh cho việc phát các tín
hiệu cao tần. Đầu vào Bộ điều chế DVB-T là dịng tín hiệu truyền tải MPEG-2 đầu
vào và phát ra tín hiệu UHF hoặc VHF.
Kỹ thuật OFDM dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu đầu vào thành
nhiều dịng dữ liệu song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều lần. Sau đó, truyền chúng
trên những sóng mang con như là những kênh con. Các sóng mang con được ghép
kênh tần số trực giao nhau để tránh gây can nhiễu lẫn nhau.
Mỗi sóng mang được xử lý tại một thời điểm thích hợp và được gọi là một
“OFDM Symbol”. Trong ghép kênh FDM truyền thống, những sóng mang được lọc
ra riêng biệt để đảm bảo rằng khơng có chồng phổ. Bởi vậy, khơng có hiện tượng
giao thoa giữa những sóng mang nhưng phổ chưa được sử dụng với hiệu quả cao
nhất. Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách các sóng mang được chọn sao cho
những sóng mang trực giao trong một chu kỳ symbol thì ta có thể khơi phục lại mà
khơng có giao thoa hay chồng phổ.

20


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Hình 1.6[16]: Phân bố sóng mang trong OFDM
Ưu điểm sử dụng phương pháp điều chế COFDM có thể khắc phục được hiện
tượng phát nhiều đường, thậm chí cả khi có độ trễ lớn giữa các tín hiệu thu được.
Chính điều này đã dẫn đến khái niệm mạng đơn tần SFN, nơi có nhiều máy phát
cùng gửi tín hiệu giống nhau trên cùng một tần số. OFDM cũng giải quyết được vấn

đề nhiễu đồng kênh dải hẹp. Đây là hiện tượng thường thấy trong truyền hình tương
tự do các sóng mang gây ra.
OFDM có các đặc điểm phù hợp cho truyền hình số mặt đất, đó là :
- Các sóng mang vng góc - Orthogonality.
- Chèn thêm các khoảng bảo vệ - Guard Interval.
- Sử dụng mã sửa lỗi, xen bit - Symbol và thông tin trạng thái kênh CSI.
Bộ điều chế DVB-T có các chức năng cơ bản sau:
- Mã hóa COFDM.
- Tạo xung đồng hồ và đồng bộ.
- Điều chế I/Q.
- Nâng tần lên dải UHF hoặc VHF.
21


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

- Bộ khuếch đại hoạt động với hiệu suất cực đại.
- Tín hiệu đầu ra có chất lượng cao
- Chi phí thấp.
Ngồi ra bộ điều chế DVB-T cịn có khả năng cho phép thực hiện các chức
năng với các yêu cầu cao hơn như: môđun đầu vào mạng SFN, bộ thích nghi tốc độ
bit, khả năng điều khiển xa, khả năng sửa méo phi tuyến.
1.1.4. Mã hóa COFDM trong DVB-T.
Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa tần số trực giao có mã
COFDM điều chế dữ liệu. Tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã
kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Tín
hiệu trên mỗi sóng mang sẽ được điều chế với các mức khác nhau. Kỹ thuật OFDM
phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, ảnh hưởng của sự phân
tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống
truyền dẫn đơn sóng mang.

a) Tính trực giao của các sóng mang:
Khi sử dụng một số lượng lớn các sóng mang sẽ cần nhiều bộ điều chế, giải
điều chế và các bộ lọc kèm theo, do đó sẽ cần đến một dải thơng lớn hơn để có thể
chứa các sóng mang này. Để khắc phục vấn đề này người ta thực hiện sắp xếp các
sóng mang bảo đảm một khoảng cách đều đặn fU=1/TU, với TU là khoảng symbol
hữu ích. Đây chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép
kênh phân chia tần số trực giao. Phổ của tín hiệu OFDM với 16 sóng mang có dải
thơng 8MHz .

22


Nghiên cứu vấn đề đồng bộ thời gian trong truyền hình số mặt đất DVB-T2

Hình 1.7: Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế.
Các thành phần phổ của máy phát số DVB-T gồm hàng ngàn sóng mang
chiếm hết dải thơng 8MHz. Số lượng các sóng mang cao tần trong máy phát số
DVB-T là 1705 sóng mang (chế độ 2K) và 6817 sóng mang (chế độ 8K). Để tránh
khỏi can nhiễu giữa các sóng mang phải chọn các sóng mang trực giao với nhau.
Về mặt tốn học, việc trực giao của sóng mang thứ k được biễu diễn.
ψk(t) = ejkωutvới ωu = 2  /Tu
Điều kiện trực giao mà sóng mang phải thỏa mản là:
 Tu




K



(t )



dt  0, k  L

L

Về ý nghĩa vật lý: khi giải điều chế tín hiệu cao tần này bộ giải điều chế khơng
nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cao tần khác gây
nhiễu.
Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi
vào điểm bằng khơng của sóng mang khác. Vì các sóng mang được đặt rất gần nhau
nên tổng cộng dải phổ cũng như ở điều chế sóng mang đơn nếu chúng được điều
chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng.
Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu:
Sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Transform) để thay
thế cho việc sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và các bộ lọc để thực hiện
điều chế đa sóng mang OFDM.
Các chuỗi bit tín hiệu đầu vào được biến đổi thành các sóng mang đã được
điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục. Tùy thuộc vào kiểu
23