Nghiên cứu ứng dụng truyền thanh số nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thanh cơ sở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN TÍN TRỌNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRUYỀN THANH SỐ
NHẰM NĂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG
TRUYỀN THANH CƠ SỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Bình Định – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN TÍN TRỌNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRUYỀN THANH SỐ
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG
TRUYỀN THANH CƠ SỞ

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số

: 8520208

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. ĐÀO MINH HƢNG

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng
truyền thanh số nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thanh cơ sở”, là cơng
trình nghiên cứu khoa học của riêng tơi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của
Tiến sĩ Đào Minh Hƣng. Các kết quả khoa học trình bày trong luận văn này, là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài và
chưa từng xuất hiện trong bất cứ công bố của các tác giả khác. Các số liệu được
sử dụng trong luận văn rất trung thực, có trính dẫn từ các nguồn hợp pháp và
đáng tin cậy, các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Tác giả luận văn

Trần Tín Trọng


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. x
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... xi
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ................................................................... 2
2.1. Tình hình trên thế giới ............................................................................ 2
2.2. Tình hình trong nước .............................................................................. 3
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu................................................................ 4

3.1. Mục đích nghiên cứu .............................................................................. 4
3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................. 4
3.3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .............................................................. 4
4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 4
5. Cấu trúc của luận văn.................................................................................... 5
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 5
Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THIẾT XỬ LÝ TÍN HIỆU ÂM THANH................... 6
1.1. Tổng quan hệ thống truyền thanh số.......................................................... 6
1.2. Cơ sở lý thuyết số hóa................................................................................ 6
1.3. Kênh vật lý trong hệ thống DAB ............................................................... 8
1.4. Cách ghép kênh DAB .............................................................................. 11
1.4.1. Chế độ độc lập của đa kênh .............................................................. 11
1.4.2. Chế độ truyền..................................................................................... 12
1.4.3. Chế độ phát trực tuyến ...................................................................... 14
1.4.4. Dữ liệu liên kết chương trình PAD .................................................... 14
1.4.5. Chế độ gói .......................................................................................... 16
1.4.6. Kênh thông tin nhanh ........................................................................ 17


iii

1.5 Mã hóa ...................................................................................................... 18
1.5.1. Mã hóa kênh truyền ........................................................................... 18
1.5.2. Mã hóa âm thanh ............................................................................... 19
1.5.3. Mã hóa âm thanh đa kênh ................................................................. 20
1.5.4. Đặc điểm của hệ thống mã hóa âm thanh đa kênh MPEG-2 ............ 21
1.6. Phương pháp mã hóa âm thanh ................................................................ 22
1.6.1. Phân bổ bit và mã hóa thơng tin phân bổ bit .................................... 23
1.6.2. Định lượng và mã hóa các mẫu băng tần con ................................... 23
1.6.3. Cấu trúc luồng bit lớp II .................................................................... 24

1.6.4. Giải mã âm thanh lớp II .................................................................... 25
1.6.5. Tốc độ lấy mẫu và độ phân giải đầu vào........................................... 26
1.6.6. Tốc độ bit âm thanh ........................................................................... 26
1.7. Kết luận chương 1 .................................................................................... 30
Chƣơng 2. HỆ THỐNG THU - PHÁT TRUYỀN THANH SỐ .................... 31
2.1. Kênh cao tần RF ...................................................................................... 31
2.2. Mô hình lan truyền ................................................................................... 33
2.2.1. Phân bố khu vực nhỏ ......................................................................... 33
2.2.2. Ảnh hưởng của băng thông kênh ....................................................... 34
2.2.3. Mơ hình lan truyền đơn giản hệ thống DAB ..................................... 36
2.3. Giới thiệu về mạng đơn tần SFN ............................................................. 39
2.3.1. SFN được sử dụng trong DAB ........................................................... 39
2.3.2. Ưu điểm của SFN............................................................................... 41
2.3.3. Đặc điểm riêng của SFN ................................................................... 42
2.3.4. Phạm vi tối ưu của SFN ..................................................................... 44
2.4. Máy phát DAB ......................................................................................... 47
2.4.1. Khối xử lý tín hiệu của bộ điều chế COFDM .................................... 48
2.4.2. Chuyển đổi số sang tương tự ............................................................. 49
2.4.3. Chuyển đổi RF ................................................................................... 50
2.4.4. Khuếch đại và lọc .............................................................................. 50
2.5. Máy thu DAB.......................................................................................... 52


iv

2.5.1. Xử lý băng gốc số .............................................................................. 52
2.5.2. Giải điều chế OFDM ......................................................................... 53
2.5.3. Giải điều chế DQPSK ........................................................................ 53
2.5.4. Giải mã Viterbi .................................................................................. 54
2.5.5. Đồng bộ hóa ...................................................................................... 54

2.5.6. Bộ giải mã âm thanh .......................................................................... 55
2.6. Các giao diện ứng dụng trong bộ thu truyền thanh số ............................. 56
2.6.1. Giao diện thẻ USIM ........................................................................... 56
2.6.2. Giao diện USB ................................................................................... 57
2.6.3. Giao diện UART ................................................................................ 58
2.6.4. Giao diện PCM và I2C ...................................................................... 59
2.6.5. Chỉ báo trạng thái mạng .................................................................... 61
2.6.6. Giao diện Ăng-ten .............................................................................. 61
2.7. Kết luận chương 2 .................................................................................... 62
Chƣơng 3. GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN
THANH CƠ SỞ ................................................................................................. 63
3.1. Khái quát hệ thống truyền thanh cơ sở .................................................... 63
3.2. Giải pháp thực hiện (Ưng dụng hệ thống truyền thanh mobifone vào hệ
thống truyền thanh cơ sở) ............................................................................... 64
3.2.1. Hệ thống truyền thanh số................................................................... 64
3.2.2. Giải pháp thực hiện hệ thống truyền thanh số .................................. 65
3.3. Giải pháp kỹ thuật .................................................................................... 65
3.3.1. Công nghệ MQTT .............................................................................. 67
3.3.2. Các thành phần MQTT ...................................................................... 67
3.4. Hệ thống truyền thanh số của giải pháp.................................................. 75
3.4.1. Sơ đồ của máy thu.............................................................................. 77
3.4.2. IC Quectel EC21 ............................................................................... 78
3.4.3. IC Acsip AI7688H ............................................................................. 79
3.5. Thực hiện thí điểm hệ thống truyền thanh số. ......................................... 80
3.5.1. Thiết bị MIRA (Mobile Information Radio Amplifier) ..................... 80


v

3.5.2. Ứng dụng Mobile ............................................................................... 81

3.5.3. Hệ thống quản trị ............................................................................... 82
3.5.4. Hạ tầng điện toán đám mây (Cloud Computing) .............................. 82
3.6. Triển khai hệ thống truyền thanh số tại xã Bình Hịa, huyện Tây Sơn ... 83
3.7. Kết luận chương 3 .................................................................................... 87
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT............................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 89
PHỤ LỤC A
PHỤ LỤC B
PHỤ LỤC C


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analogue to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự sang
số

ADR

Astra Digital Radio

Đài kỹ thuật số Astra

AFC

Automatic Frequency Control

Tự động điều khiển tần số

AGC

Automatic Gain Control

Kiểm sốt độ lợi tự động

AIC

Auxiliary Information Channel

Kênh thơng tin phụ trợ

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ không đồng bộ

BAL

Bit Allocation

Cấp phát bit

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

CAZAC

Constant Amplitude Zero Auto- Tự tương quan biên độ hằng
Correlation
theo giá trị không

CD

Compact Disk

CDF

Cumulative
Function

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia mã

CIF

Common Interleaved Frame

Khung xen kẽ chung

C/N

Carrier-to-Noise ratio

Tỷ số sóng mang trên tạp âm

COFDM

Coded Orthogonal
Division Multiplex

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra độ dư theo chu kỳ

CU

Capacity Unit

Đơn vị dung lượng

Đĩa nén
Distribution

Hàm phân bổ tích lũy

Frequency Ghép kênh phân chia tần số
trực giao được mã hóa


vii

CW

Control Word

Từ điều khiển

DAB

Digital Audio Broadcasting

Truyền âm thanh số

DIQ

Digital In-phase and Quadrature

Đồng pha và vuông pha số

DQPSK

Differential Quadrature
Shift Keying

DRC

Dynamic Range Control

Kiểm sốt dải động

DRM

Digital Radio Mondiale

Vơ tuyến số

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số

DSR

Digital Satellite Radio

Đài vệ tinh kỹ thuật số

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số

DVD

Digital Video (or Versatile) Disk

Đĩa kỹ thuật số

EEP

Equal Error Protection

Bảo vệ lỗi đồng xác suất

e.i.r.p

effective isotropic radiated power

Công suất bức xạ đẳng hướng
hiệu dụng

RP,

e.r.p:

effective radiated power

Công suất bức xạ hiệu dụng

ETI

Ensemble Transport Interface

Giao diện vận chuyển hỗn hợp

FCC

Federal
Commission

Ủy ban truyền thông liên bang

FFT

Fast Fourier Transformation

Chuyển đổi Fourier nhanh

FIB

Fast Information Block

Khối thông tin nhanh

FIC

Fast Information Channel

Kênh thơng tin nhanh

FIG

Fast Information Group

Nhóm thơng tin nhanh

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

Phase Khóa dịch chuyển pha cầu
phương vi sai

Communications


viii

Programme

Associated Dữ liệu kết hợp chương trình

cố định

F- PAD

Fixed
Data

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

HAAT

Height Above Average Terrain

Độ cao trên địa hình trung bình

HF

High Frequency

Tần số cao

I/Q

In-phase and Quadrature

Đồng pha và vuông pha

IF

Intermediate frequency

Trung tần

IFFT

Inverse
Fast
Transformation

IMDCT

Inverse Modified Discrete Cosine Phép biến đổi cosin rời rạc
Transformation
nghịch đảo cải tiến

IP

Internet Protocol

ISO

International
Organisation

MCI

Multiplex
Information

MFN

Multiple Frequency Network

MNSC

Multiplex Network Signalling
Kênh báo hiệu đa mạng
Channel

OFDM

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số
Multiplex
trực giao

PAD

Programme-Associated Data

Dữ liệu liên quan đến chương

trình

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế mã xung

Pps

pulse per second

Xung trên giây

Fourier Biến đổi Fourier nhanh nghịch
đảo

Giao thức Internet
Standards
Configuration

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
Thơng tin cấu hình đa kênh
Mạng đa tần


ix

QAM

Quadrature
Modulation

Amplitude

QPSK

Quaternary Phase shift Keying

RCPC

Rate Compatible
Convolutional codes

RDS

Radio Data System

Hệ thống dữ liệu vô tuyến

UEP

Unequal Error Protection

Bảo vệ lỗi không đồng xác suất

UMTS

Universal
Mobile Hệ thống viễn thông di động đa

Telecommunication System
năng

RF

Radio Frequency

RISC

Reduced
Computer

RMS

Root Mean Square

X-PAD

Extended Programme-associated Dữ liệu liên quan đến chương
Data
trình mở rộng

SCFCRC

Scale Factor CRC

Hệ số thang đo CRC

SCFSI

Scale Factor Select Information

Thông tin lựa chọn hệ số quy
mô

SFN

Single Frequency Network

Mạng đơn tần

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp

TCP

Transfer Control Protocol

Giao thức kiểm sốt chuyển
giao

TFPR

Time-Frequency-PhaseReference

Tham chiếu thời gian-tần sốpha

TII

Transmitter
Information

Thơng tin nhận dạng máy phát

Điều biên vng góc
Khóa dịch chuyển pha bậc bốn

Punctured Mã chập thủng tương thích tỷ
lệ

Tần số vơ tuyến

Instruction

Set

Máy tính tập lệnh giảm
Giá trị hiệu dụng

Identification


x

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

VLSI

Very Large Scale Integration

Tích hợp quy mô rất lớn

XML

Extensible Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số
hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Tần số Doppler

8

1.2

Dịch Doppler đối với các khoảng cách khác nhau

10

1.3

Tốc độ bít của tín hiệu âm thanh với tần số lấy mẫu 48 kHz và 28
24 kHz

3.1

Thông số kỹ thuật của thiết bị Mira

80


xi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Số
hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1

Phương sai thời gian của fading đa đường [29]

9

1.2

Phương sai thời gian mặt phẳng phức [29]

10

1.3

Chọn lọc tần số của fading đa đường [29]

10

1.4

Bộ ghép kênh DAB và tạo OFDM

12

1.5

Các khung xen kẽ chung (CIF) âm thanh:
a) kênh phụ; b) kênh phụ theo dòng dữ liệu chung;
c) kênh phụ chế độ gói

12

1.6

Ví dụ cách phân dung lượng tổng cho các ứng dụng riêng lẻ
[29]

12

1.7

Trường PAD phần cuối cuối của khung âm thanh DAB

15

1.8

Phương pháp ghép hai ứng dụng của chế độ gói

16

1.9

Cấu trúc FIB và FIG

18

1.10

Bộ mã hóa ISO/IEC MPEG-1 Audio Layer II, trong

EU147/DAB

20

1.11

Khung âm thanh đa kênh lớp II ISO/IEC 13818-3 (Âm thanh
MPEG-2) bao gồm phần tương thích MPEG-1 và phần mở
rộng [29]

21

1.12

Cấu trúc khung âm thanh luồng bit mã hóa MPEG-1 Lớp 2
[29]

25

1.13

Sơ đồ khối của bộ giải mã MPEG-1 Audio Layer II

25

1.14

Cấu trúc khung âm thanh DAB

27

1.15

Tương thích nghịch đảo của âm thanh MPEG-2 với MPEG-1

29


xii

2.1

Đáp ứng xung kênh 2 chiều

31

2.2

Biểu đồ phân tán tại trung tâm thành phố lớn [29]

32

2.3

Biểu đồ phân tán tại trung tâm thành phố nhỏ [29]

33

2.4

Sự biến thiên tín hiệu (dB) với hàm phân phối tích lũy [29]

35

2.5

Sự biến thiên tín hiệu (dB) với hàm phân phối tích lũy tương
ứng của tín hiệu 1,47 MHz [29]

36

2.6

Cải thiện biên độ fading đa đường, môi trường đô thị dày đặc
[29]

37

2.7

So sánh dữ liệu đo được với mơ hình ITU-R P.370 và đường
cong suy hao trong không gian tự do(e.i.r.p. = 41,1 dB (W),
HAAT = 235,5 m)[29]

37

2.8

So sánh dữ liệu đo được với các mơ hình Okumura (e.i.r.p. =
41,1 dB (W), HAAT = 235,5 m) [29]

37

2.9

Dung lượng của SFN của DAB [29]

40

2.10

Trải Doppler theo tỷ lệ C/N tại máy thu [29]

40

2.11

Tiết kiệm công suất của DAB SFN so với FM [29]

42

2.12

Ứng dụng điển hình của gap filler DAB [29]

44

2.13

Miền hoạt động gap filler theo khoảng cách, HAAT và e.r.p

[29]

45

2.14

Sơ đồ khối của máy phát DAB

47

2.15

Sơ đồ khối của bộ điều chế COFDM

48

2.16

Sơ đồ khối của máy phát DAB sử dụng IF

51

2.17

Sơ đồ khối của một máy thu DAB

52

2.18

Giải điều chế vi sai: a) sơ đồ khối b) ánh xạ quyết định mềm

53


xiii

2.19

Sơ đồ khối bộ giải mã âm thanh

55

2.20

Mạch tham chiếu của đầu nối USIM 8 chân

56

2.21

Mạch tham chiếu của đầu nối USIM 6 chân

57

2.22

Mạch tham chiếu của ứng dụng USB

58

2.23

Mạch tham chiếu với chip dịch

59

2.24

Mạch tham chiếu với mạch Transistor

59

2.25

Thời gian chế độ chính

60

2.26

Thời gian chế độ phụ trợ

60

2.27

Mạch tham chiếu của ứng dụng PCM với bộ giải mã âm thanh

61

2.28

Mạch tham chiếu của chỉ báo mạng

61

2.29

Mạch tham chiếu của giao diện anten

62

3.1

Hệ thống truyền thanh hữu tuyến

63

3.2

Hệ thống truyền thanh vơ tuyến

64

3.3

Truyền thanh số theo cơng nghệ IP

66

3.4

Mơ hình hệ thống truyền thanh số kiểu mới

66

3.5

Mơ hình cơng nghệ MQTT trong các giải pháp IOT

67

3.6

Các thành phần của MQTT

69

3.7

Giao diện quản lý Broker

70

3.8

Xác thực trạng thái Client

71

3.9

Xác thực ID khách hàng

71

3.10

Xác thức IP Adress thiết bị.

71

3.11

Xác thực người dừng

72

3.12

Kiểm soát truy cập của client

72


xiv

3.12

Thiết lập đẩy bản tin

73

3.14

Đẩy bản tin từ Client sang Client

73

3.15

Kết quả bản tin được gửi đi.

74

3.16

Sơ đồ mơ hình kết nối

75

3.17

Sơ đồ vận hành hệ thống truyền thanh số từ TW đến cơ sở

75

3.18

Mơ hình triển khai phân cấp

76

3.19

Sơ đồ khối của máy thu truyền thanh số

76

3.20

Sơ đồ mạch IC Quectel EC21

77

3.21

Sơ đồ IC Acsip AI7688H

78

3.22

Thiết bị Mira

79

3.23

Ứng dụng mobile

80

3.24

Hệ thống quản trị

81

3.25

Kiểm tra các thông số của bộ thu truyền thanh số

83

3.26

Thực hiện vào hệ thống phát thanh tại xã Bình Hịa

83

3.27

Đang phát chương trình truyền thanh xã Bình Hịa

84

3.28

Lắp đặt hệ thống máy thu và loa tại xã Bình Hịa

84

3.29

Kiểm tra tín hiệu phát của đài truyền thanh xã Bình Hịa tại
Trung tâm VH -TT - TT huyện Tây Sơn

85


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năm 1933, Edwin Howard Armtrong phát minh ra sóng radio biến tần cịn
gọi là sóng FM (Frequency-Modulated). Đến năm 1936, tất cả các thơng tin liên
lạc điện thoại xuyên Đại Tây Dương của nước Mỹ được truyền sang Anh và Pari
đều ứng dụng phương pháp này. Thời điểm đó, mạng lưới thơng tin liên lạc hữu
tuyến và vô tuyến kết nối từ Mỹ với gần 187 điểm khác ở nước ngoài. Năm 1947
các nhà khoa học tại phịng thí nghiệm Bell Labs tại New jersey, Mỹ đã phát
minh ra bóng bán dẫn. Năm 1965, một hệ thống ăng ten phát sóng FM đầu tiên
trên thế giới được xây dựng trên tòa nhà Empire State ở New York. Đây cũng
được chính là mơ hình đài phát thanh được áp dụng rộng rải trên toàn thế giới
cho đến nay.
Ở nước ta, hầu hết các đài truyền thanh cơ sở đều sử dụng hệ thống truyền
thanh FM. Với hệ thống này phải đăng ký sử dụng tần số với Cục quản lý tần số
trước khi sử dụng. Hàng tháng phải đóng lệ phí sử dụng kênh tần cho các đơn vị
quản lý tần sốt, hệ thống không chịu ảnh hưởng rất lớn của thời tiết. Đồng thời

rất nhạy cảm với sét chỉ cần bị nhiễu sét ở một điểm nào đó có thể gây hỏng
hàng loạt các cụm thu và máy phát. Địi hỏi kinh phí đầu tư ban đầu lớn. Khi vận
hành thường gây can nhiễu lớn ảnh hưởng đến việc nghe đài cấp trên và gây
nhiễu đối với một số kênh ti vi khi có tần số trùng với đài phát thanh cơ sở. Các
đài truyền thanh cơ sở đã thay đổi quy trình kỹ thuật số trong thời gian gần đây,
bắt đầu với sự thay đổi từ băng âm thanh tương tự thông thường sang ghi kỹ
thuật số trên băng từ hoặc đĩa cứng, xử lý tín hiệu kỹ thuật số trong trộn bàn và
các liên kết truyền dẫn kỹ thuật số trong quy trình phân phối, hoặc phát trực
tuyến và tải các định dạng để phân phối qua mạng Internet. Do đó, các hệ thống
truyền dẫn quảng bá hiện nay có xu hướng thay đổi từ truyền dẫn tương tự thông
thường sang kỹ thuật số. Bên cạnh đó, hệ thống truyền thanh FM không thể phủ
sống đến các vùng sâu, vùng xa, việc lưa chon các tần số kênh phát hết sức khó
khăn, vẫn còn xảy ra hiện tượng xuyên kênh và di tần.


2

Ngày nay, trước sự bùng nổ và phát triển vượt bật của cuộc cách mạng
cơng nghiệp 4.0, địi hỏi truyền thanh truyền thống cần đổi mới, đảm bảo chất
lượng nội dung và phương thức tiếp cận mới. Qua đó, hàng loạt Chỉ thị và Công
văn được ban hành, trước tiên Chỉ thị 07-CT/TW ngày 5/09/2016 về đẩy mạnh
công tác thông tin cơ sở trong tình hình mới [2]. Tiếp theo Quyết định số
135/QĐ-TTG ngày 20/1/2020 [3] của Chính phủ ban hành về việc phê duyệt đề
án nâng cao hiệu quả hoạt động thông tin cơ sở dựa trên ứng dụng công nghệ
thông tin, Công văn 1879/BTTTT-TTCS ngày 13/06/2019 của Bộ trưởng
BTTTT [1] về việc khuyến nghị danh mục thiết bị cơ bản và yêu cầu kỹ thuật
của đài truyền thanh cơ sở ứng dụng CNTT-VT. Dự thảo của đề án “Nâng cao
hiệu quả hoạt động thông tin cơ sở dựa trên ứng dụng cơng nghệ thơng tin”
Do đó, việc phát triển truyền thanh số thông qua nền tảng internet là một
trong những lựa chọn trong các phương án số hóa truyền thanh ở cơ sở. Công

nghệ này khắc phục được nhiều nhược điểm của truyền thanh FM, như phủ sóng
ở mọi nơi, mọi địa hình trong mơi trường internet, tín hiệu âm thanh giữ nguyên
được chất lượng, không bị nhiễu hay bị chèn sóng, mọi khâu từ sản xuất đến lưu
trữ chương trình đều được số hóa, dễ dàng vận hành, quản trị, giám sát tập trung,
phân cấp. Với công nghệ truyền thanh số, cán bộ kỹ thuật điều khiển phát, tắt mở, lập lịch cho các đài tự động phát dễ dàng bằng máy tính hay thiết bị di động
cầm tay, giám sát và hiệu chỉnh âm lượng của các cụm loa từ xa. Việc quản lý
đài được phân cấp quản lý rõ ràng từ tỉnh xuống tận thôn, xóm. Ngồi ra, giải
pháp truyền thanh số cịn sử dụng trí tuệ nhân tạo, giúp chuyển đổi bản tin giấy
sang giọng nói, dịch tự động tiếng Việt sang các tiếng dân tộc thiểu số.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
2.1. Tình hình trên thế giới
Vào đầu những năm 1980, hệ thống truyền thanh số đầu tiên nâng cao chất
lượng âm thanh được phát triển thông qua hệ thống vệ tinh. Các hệ thống này đã
sử dụng phát các băng tần số từ 10 đến 12 GHz [19], sử dụng rất ít dữ liệu âm
thanh nén và khơng nhằm thu sóng di động. Vì vậy, khơng thể phục vụ phần lớn


3

người nghe, chẳng hạn như những người đi trên ô tơ. Ngồi ra cịn có hệ thống
truyền thanh FM nhưng phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết. Các nghiên cứu
bắt đầu bởi các viện nghiên cứu vô tuyến xem xét tính khả thi của việc áp dụng
các sơ đồ điều chế số trong các băng tần FM. Tuy nhiên, trong hầu hết các máy
thu FM, về mặt phổ rất kém hiệu quả và việc sử dụng đơn giản điều chế xung mã
PCM (Pulse Code Modulation) trong các băng tần FM tạo ra nhiễu không thể
chấp nhận được. Do đó, truyền thanh số mặt đất được coi là một phương thức
thiết yếu để tiếp cận tất cả người nghe. Tại Đức, Bộ Nghiên cứu và Công nghệ
liên bang đưa ra một sáng kiến nghiên cứu để đánh giá tính khả thi của phát sóng
số mặt đất bao gồm các phương pháp nén dữ liệu âm thanh tránh nhiễu hiệu quả
và sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả hơn [5, 28]. Các hệ thống truyền thanh số hoạt

động theo quy chuẩn quốc tế. Vào cuối năm 1986, một tập đoàn gồm 19 tổ chức
từ Pháp, Đức, Hà Lan và Vương quốc Anh đã ký thỏa thuận hợp tác và thực hiện
dự án Eureka [8]. Tại cuộc họp vào tháng 12 năm 1986, các đại diện cấp cao của
đối tác Eureka tuyên bố ở Stockholm tên dự án được gọi là „„Digital Audio
Broadcasting (DAB)”. Đến năm 1988, tổ chức Liên minh truyền thanh truyền
hình Châu Âu EBU (European Broadcasting Union) chuẩn hóa các thơng số cần
thiết cho hệ thống truyền thanh số.
2.2. Tình hình trong nước
Trước sự phát triển của cơng nghệ 4.0, Trung ương có Chỉ thị 07-CT/TW
ngày 5/09/2016 về đẩy mạnh cơng tác thơng tin cơ sở trong tình hình mới. Chính
Phủ ra Quyết định 135/QĐ-TTg 2020 ngày 20/01/20202 về việc phê duyệt đề án
nâng cao hiệu quả hoạt động cơ sở dựa trên ứng dụng công nghệ thông tin. Mục
tiêu của đề án là hiện đại hóa hệ thống thông tin cơ sở nhằm đổi mới phương
thức cung cấp thông tin, nâng cao chất lượng nội dung thông tin để cung cấp,
trao đổi thông tin theo hướng chủ động kịp thời chính xác và hiệu quả. Bộ Thơng
tin-Truyền thơng có cơng văn 1879/BTTTT-TTCS ngày 13/06/2019 của Bộ
trưởng BTTTT về việc khuyến nghị danh mục thiết bị cơ bản và yêu cầu kỹ thuật
của đài truyền thanh cơ sở ứng dụng CNTT-VT. Dự thảo của đề án “Nâng cao
hiệu quả hoạt động thông tin cơ sở dựa trên ứng dụng công nghệ thông


4

tin”…Bên cạnh đó, nhiều hội thảo, hội nghị trong nước liên tục đã được tổ chức
để giới thiệu các công nghệ và đưa ra nhiều giải pháp nhằm nâng cao chất lượng
hệ thống truyền thanh cơ sở. Công ty MobiFone đã có các hoạt động phối hợp
với các tỉnh, thành phố như Đà Nẵng, Thừa Thiên - Huế, Quảng Nam…giới
thiệu cơng nghệ truyền thanh số, qua đó cho thấy hiệu quả hệ thống đóng góp
một và hệ sinh thái của thành phố thông minh, là kênh thông tin kết nối giữa
chính quyền và người dân.

3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
3.1. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn là nghiên cứu lý thuyết, kỹ thuật xử lý tín hiệu âm
thanh, cấu hình hệ thống thu phát của hệ thống truyền thanh số. Đưa ra giải pháp
nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thanh cơ sở.
3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật xử lý tín hiệu âm thanh.
- Nghiên cứu hệ thống truyền thanh số.
- Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống truyền thanh cơ sở.
3.3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết về xử lý tín hiệu âm thanh
trong hệ thống thông tin đơn công (Simple Duplex).
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu, tổng hợp tài liệu về lý thuyết của hệ thống truyền thanh số.
- Lựa chọn giải pháp để nâng cao chất lượng truyền thanh tại cơ sở phù hợp
với công văn 1879/BTTTT-TTCS ngày 13/06/2019 của Bộ trưởng BTTTT về
việc khuyến nghị danh mục thiết bị cơ bản và yêu cầu kỹ thuật của đài truyền
thanh cơ sở ứng dụng CNTT-VT. Thực hiện thí điểm giải pháp tại địa phương.


5

5. Cấu trúc của luận văn
Chƣơng 1: Tổng quát cơ sở lý thuyết xử lý tín hiệu âm thanh.
Nội dung chương này tập trung giới thiệu tổng quan về hệ thống truyền
thanh số, lý thuyết xử lý tín hiệu âm thanh, nén âm thanh, cách ghép kênh,
phương pháp mã hóa âm thanh.
Chƣơng 2: Hệ thống thu phát truyền thanh số
Chương này sẽ giới thiệu về hệ thống thu - phát của hệ thống truyền thanh
số, giới thiệu các ưu điểm của các mơ hình lan truyền sóng, ưu điểm của kỹ thuật

truyền mạng đơn tần SFN, các tính năng đóng gói, sự đồng bộ hóa và giải mã
các tín hiệu âm thanh trong truyền thanh số
Chƣơng 3: Giải pháp nâng cao chất lƣợng truyền thanh số cơ sở.
Lựa chọn giải pháp, nghiên cứu cấu hình thiết bị và triển khai thí điểm
hoạt động hệ thống truyền thanh số tại xã Bình Hịa.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc sử dụng truyền thanh số thông qua mạng internet, sóng 3G/4G sẽ
giúp cho các đài truyền thanh cơ sở tiết kiệm hơn về kinh phí xây dựng, vận
hành, giảm được dung lượng lưu trữ, tăng lượng chương trình, tiết kiệm chi phí
trong cơng tác truyền dẫn tín hiệu. Tín hiệu âm thanh khơng giới hạn khoảng
cách truyền và được giữ nguyên chất lượng. Khắc phục được các lỗi thường xảy
ra với các hệ thống truyền thanh FM như nhiễu, sóng khơng ổn định, chập chờn
do thời tiết. Hệ thống có nhiều tính mới, quản lý tập trung, phân cấp….


6

Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THIẾT XỬ LÝ TÍN HIỆU ÂM THANH
1.1. Tổng quan hệ thống truyền thanh số
Hệ thống truyền thanh số DAB (Digital Audio Broadcasting), ngày nay
thường được gọi là hệ thống truyền thanh số đa phương tiện được nghiên cứu,
triển khai sử dụng rộng rãi thay thế các hệ thống truyền thanh AM (Amplitude
Moducation), FM (Fryquency Moducation) hiện có. Hệ thống được phát triển
vào những năm 1990 bởi dự án Eureka 147/DAB, rất phù hợp cho truyền thanh
số, cung cấp độ bền rất cao chống lại việc thu đa đường, sử dụng mạng đơn tần
SFN (Single Frequency Networks). Hầu hết các thành phần hệ thống truyền
thanh số đều được mã hóa âm thanh, mã hóa kênh, quản lý ghép kênh hoặc giao
thức truyền dữ liệu ứng dụng các giải pháp mới. Mức độ tiêu chuẩn hóa của hệ
thống DAB là khá cao, đa dạng, đạt chuẩn các tiêu chí quốc tế. Các hệ thống
truyền dẫn quảng bá hiện nay được đề nghị chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật

số.
DAB được sử dụng công nghệ truyền thanh số hiện đại, cung cấp chất
lượng dịch vụ tốt, chất lượng âm thanh vượt trội, người dùng DAB nhận âm
thanh khơng bị biến dạng. Các tính năng mới như điều khiển dải động DRC
(Digital Satellite Radio) hoặc âm thanh sử dụng điều khiển riêng lẻ phù hợp với
chất lượng âm thanh theo như yêu cầu, người dùng có thể chọn tất cả các đài có
sẵn. DAB loại bỏ nhiễu, vấn đề đa đường khi ở trong ơ tơ, phủ sóng các khu vực
địa lý rộng với tín hiệu đồng đều, khơng bị gián đoạn. Tín hiệu thu ở dạng đơn
âm hoặc lập thể, có khả năng truyền các chương trình âm thanh đa kênh. Hệ
thống DAB có cấu trúc tiêu chuẩn hóa, cho phép ứng dụng tất cả các phương
tiện truyền dẫn, có thể truy cập các dịch vụ DAB trên nhiều loại thiết bị như
radio cố định, di động, máy thu cầm tay, thậm chí cả máy tính cá nhân.
1.2. Cơ sở lý thuyết số hóa
Q trình số hố tín hiệu tương tự, gồm q trình lọc trước lấy mẫu,
lượng tử và mã hố. Q trình lọc trước nhằm hạn băng loại bỏ các tần số không


7

cần thiết của tín hiệu cũng như nhiễu, bộ lọc này còn gọi là bộ lọc chống nhiễu
xuyên kênh Aliasing. Lấy mẫu tín hiệu tương tự là q trình rời rạc hóa theo thời
gian, các mẫu được lấy cách đều nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu thoả mãn định lý
Nyquist-Shannon. Tín hiệu sau lấy mẫu là tập hữu hạn các giá trị rời rạc gọi là
tập các mẫu:

f s  2. f max

(1.1)

trong đó: fs là tần số lấy mẫu; fmax là tần số cực đại của tín hiệu tương tự sau lọc

hạn băng.
Sau đó biên độ các mẫu tín hiệu được làm trịn về các mức gọi là mức
lượng tử, khoảng cách giữa hai mức kề nhau gọi là bước lượng tử. Các mẫu có
được từ q trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng mức lượng tử gần nhất. Số mức
lượng tử N được biểu diễn: N = 2n, với n là số bit biểu diễn mỗi mẫu. Tín hiệu
lượng tử là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu, do đó xảy ra sai số gọi là sai
số lượng tử hay tạp âm lượng tử. Tạp âm lượng tử là nguồn nhiễu không tránh
khỏi trong bất kỳ hệ thống số nào. Tạp âm lượng tử có thể xác định xấp xỉ bằng
1/2Q, với Q là bước lượng tử.
Việc số hóa âm thanh được gọi là kỹ thuật điều chế xung mã PCM (Code
Pulse Modulation) có độ phân giải lên đến 24-bit. Tốc độ bit thấp hơn là bắt
buộc nếu tín hiệu âm thanh được truyền qua các kênh có dung lượng hạn chế
hoặc được lưu trữ trong phương tiện có dung lượng thấp. Tuy nhiên, sự khác biệt
giữa tín hiệu âm thanh, giọng nói rất đa dạng, vì vậy mã hóa âm thanh để có các
giá trị cao hơn về tốc độ lấy mẫu, độ phân giải biên độ, dải động, các biến thể
lớn hơn trong phổ mật độ công suất, các kỹ thuật mã hóa mới cho tín hiệu âm
thanh chất lượng cao sử dụng các đặc tính cảm nhận âm thanh của con người
bằng cách khai thác các hiệu ứng che phủ thời gian, dải tần cảm nhận của tai.
Chất lượng của âm thanh khôi phục tốt như chất lượng thu được bởi PCM 16-bit
với tốc độ lấy mẫu 44,1 hoặc 48kHz. Đối với bit có tốc độ tối thiểu, độ phức tạp


8

bộ mã hóa hợp lý, khơng có sự khác biệt nhiều giữa âm thanh gốc, và sự tái tạo
của tín hiệu âm thanh bởi bộ giải mã, vẫn đạt được tín hiệu mức tối ưu. Hệ thống
mã hóa nguồn được ISO/IEC tiêu chuẩn hóa gần đây với tên MPEG-1 Audio
[20], MPEG-2 Audio [21], cho phép giảm tốc độ bit từ 768kbit/s xuống khoảng
100kbit/s trên mỗi kênh đơn âm.
1.3. Kênh vật lý trong hệ thống DAB

Bài toán quan tâm đặc biệt truyền sóng là lan truyền đa đường, sóng điện
từ sẽ bị tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ tới ăngten theo nhiều cách khác nhau như một
sự chồng chất của nhiều tín hiệu khác nhau. Điều này dẫn đến một dạng giao
thoa phụ thuộc vào tần số và vị trí của máy thu. Tín hiệu thu chuyển động qua
một thời gian thay đổi trong vài micro giây, thay đổi theo băng thơng truyền. Ta
có cơng thức dịch chuyển tần số Doppler tối đa:
f D max 

f0
v
1
v
f0 
c
1080 MHz km / h

(1.2)

trong đó: f 0 là tần số truyền sóng; c là vận tốc ánh sáng
Sự dịch chuyển Doppler thực tế của một sóng có góc  so với hướng di
chuyển của thiết bị di động được xác định bằng.
f D  f D max cos( )

(1.3)

Bảng 1.1. Tần số Doppler
f D max

v = 48km/h

v = 96km/h

v = 192km/h

f 0 = 225 MHz

10Hz

20Hz

40Hz

f 0 = 900 MHz

40Hz

80Hz

163Hz

f 0 = 1500 MHz

67hz

133Hz

267Hz


9

Tín hiệu nhận được là sự chồng chất của nhiều tín hiệu phân tán, phản xạ
tín hiệu từ các hướng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy một ví dụ về mức tín hiệu
VHF (Very High Freqency) nhận được cho một chiếc ô tô chuyển động nhanh (v
= 192km/h) là hàm của thời gian đối với sóng mang cố định tần số f 0 =
225MHz. Sự chồng chất của các sóng mang được dịch chuyển Doppler dẫn đến
sự biến thiên của biên độ sóng mang và pha. Nghĩa là tín hiệu thu đã được biên
độ và pha do kênh điều chế. Đối với điều chế pha kỹ thuật số, pha nhanh này
biến động gây ra nếu pha sóng mang thay đổi quá nhiều trong thời gian cần thiết
để truyền một tín hiệu được điều chế kỹ thuật số. Biên độ và pha biến thiên ngẫu
nhiên, tần số điển hình của biến thể là theo thứ tự của. Do đó, truyền dẫn số với
thời gian ký hiệu chỉ thực hiện được nếu.
f D maxTs = 1

(1.4)

Độ chọn lọc tần số của kênh được xác định bởi thời gian di chuyển khác
nhau của các tín hiệu được tính bằng tỷ lệ giữa khoảng cách di chuyển với vận
tốc của ánh sáng.

Hình 1.1. Phƣơng sai thời gian của fading đa đƣờng [29]