Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM

Chuyên đề nghiên cứu Đánh giá hiệu năng hệ thống truyền hình số DVB-T2 với kỹ thuật MIMO-OFDM, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Văn San
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống Truyền Hình Số DVB-T2 Với Kỹ Thuật MIMO-OFDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T
• 1.1. Tổng quan về hệ thống truyền hình số
• 1.1.1. Các đặc điểm chung của hệ thống truyền hình số
• 1.1.2. Các tiêu chuẩn truyền hình số tiêu biểu
• 1.1.3. Xử lý và truyền dẫn tín hiệu truyền hình số
• 1.2. Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB – T
• 1.2.1. Đặc tính kỹ thuật của DVB – T
• 1.2.2. Đặc điểm của DVB – T
• 1.3. Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB – T2
• 1.3.1. Đặc tính kỹ thuật của DVB – T2
• 1.3.2. Đặc điểm của DVB – T2
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MIMO – OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T2
• 2.1. Tổng quan về kỹ thuật MIMO
• 2.2. Mô hình kênh MIMO và dung lượng kênh MIMO
• 2.3. Kỹ thuật MIMO – OFDM
• 2.4. Kỹ thuật ghép kênh không gian
• 2.5. Hoạt động của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG DVB – T2 SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO – OFDM
• 3.1. Mô hình hệ thống DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM
• 3.2. Phân tích, đánh giá kết quả
• 3.3. Khuyến nghị, đề xuất
• 3.4. Kết luận chương 3
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống truyền hình số DVB T2

Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 là một bước tiến quan trọng trong công nghệ truyền hình số, mang lại nhiều ưu điểm so với các tiêu chuẩn trước đó. DVB-T2 sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) kết hợp với MIMO (Multiple Input Multiple Output) để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Hệ thống này cho phép truyền tải nhiều kênh truyền hình với chất lượng cao hơn, đặc biệt là các kênh HD. Việc áp dụng kỹ thuật MIMO giúp tăng cường dung lượng kênh và cải thiện độ tin cậy của tín hiệu, đồng thời giảm thiểu hiện tượng fading. Theo nghiên cứu, DVB-T2 có khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn, nhờ vào việc sử dụng băng thông hiệu quả hơn. Điều này không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn mở ra cơ hội cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình trong việc phát triển các dịch vụ mới. Như vậy, DVB-T2 không chỉ là một tiêu chuẩn kỹ thuật mà còn là một giải pháp toàn diện cho tương lai của truyền hình số.

1.1 Đặc điểm kỹ thuật của DVB T2

Tiêu chuẩn DVB-T2 được thiết kế để cải thiện hiệu suất truyền dẫn so với DVB-T. Một trong những đặc điểm nổi bật là khả năng sử dụng băng thông rộng hơn, cho phép truyền tải nhiều kênh hơn trong cùng một tần số. Hệ thống này sử dụng OFDM để chia nhỏ tín hiệu thành nhiều kênh con, giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu và tăng cường khả năng chống fading. MIMO cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất, cho phép sử dụng nhiều ăng-ten để truyền và nhận tín hiệu, từ đó cải thiện chất lượng và độ tin cậy của tín hiệu truyền hình. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng MIMO trong DVB-T2 có thể giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) đáng kể, mang lại trải nghiệm xem tốt hơn cho người dùng. Điều này chứng tỏ rằng DVB-T2 là một giải pháp hiệu quả cho việc phát sóng truyền hình số trong tương lai.

II. Kỹ thuật MIMO và OFDM trong DVB T2

Kỹ thuật MIMO và OFDM là hai công nghệ chủ chốt trong hệ thống DVB-T2. MIMO cho phép sử dụng nhiều ăng-ten để truyền và nhận tín hiệu, từ đó tăng cường dung lượng kênh và cải thiện độ tin cậy của tín hiệu. Kỹ thuật này giúp giảm thiểu hiện tượng fading và tăng cường khả năng chống nhiễu. OFDM, mặt khác, chia tín hiệu thành nhiều kênh con, giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu và tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu. Sự kết hợp giữa MIMO và OFDM tạo ra một hệ thống truyền hình số mạnh mẽ, có khả năng cung cấp chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng MIMO-OFDM trong DVB-T2 không chỉ cải thiện hiệu suất truyền dẫn mà còn mở ra cơ hội cho các dịch vụ truyền hình mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

2.1 Lợi ích của MIMO OFDM trong truyền hình số

Việc áp dụng MIMO và OFDM trong hệ thống DVB-T2 mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Đầu tiên, MIMO giúp tăng cường dung lượng kênh, cho phép truyền tải nhiều kênh truyền hình trong cùng một băng tần. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu xem truyền hình ngày càng tăng. Thứ hai, OFDM giúp giảm thiểu hiện tượng fading và nhiễu, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu. Nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống MIMO-OFDM có thể giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) xuống mức thấp hơn so với các hệ thống truyền hình số khác. Cuối cùng, sự kết hợp này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn mở ra cơ hội cho các dịch vụ truyền hình mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

III. Đánh giá hiệu năng hệ thống DVB T2 sử dụng MIMO OFDM

Đánh giá hiệu năng của hệ thống DVB-T2 sử dụng MIMO-OFDM cho thấy những kết quả khả quan. Các mô hình mô phỏng cho thấy rằng hệ thống này có khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn, đồng thời giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit (BER). Việc sử dụng MIMO giúp cải thiện đáng kể độ tin cậy của tín hiệu, trong khi OFDM giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu và fading. Các nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy rằng hệ thống DVB-T2 có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện truyền dẫn khác nhau, từ môi trường đô thị đến nông thôn. Điều này chứng tỏ rằng DVB-T2 là một giải pháp khả thi cho việc phát sóng truyền hình số trong tương lai.

3.1 Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống DVB-T2 sử dụng MIMO-OFDM có khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn so với các hệ thống truyền hình số khác. Tỷ lệ lỗi bit (BER) được giảm xuống mức thấp hơn, cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ tin cậy của tín hiệu. Các mô hình mô phỏng cũng cho thấy rằng hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện truyền dẫn khác nhau, từ môi trường đô thị đến nông thôn. Điều này chứng tỏ rằng DVB-T2 là một giải pháp khả thi cho việc phát sóng truyền hình số trong tương lai, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial) là tiêu chuẩn truyền hình số thế hệ thứ hai, kế thừa và cải tiến từ DVB-T với nhiều tính năng vượt trội nhằm nâng cao hiệu quả truyền tải nội dung số. Theo báo cáo của ngành, DVB-T2 cung cấp tốc độ bit cao hơn khoảng 50% so với DVB-T, phù hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu HD và UHD trên kênh truyền hình mặt đất. Tại Việt Nam, từ năm 2011, các mạng DVB-T2 đã được triển khai tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và một số thành phố khác, với khả năng phát sóng đa kênh, bao gồm cả kênh SD và HD.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 khi ứng dụng kỹ thuật MIMO – OFDM (Multi Input Multi Output – Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Kỹ thuật MIMO giúp tăng dung lượng kênh truyền và cải thiện chất lượng tín hiệu mà không cần tăng công suất phát hay băng thông, trong khi OFDM giúp chống fading chọn lọc tần số và loại bỏ hiệu ứng nhiễu liên ký tự (ISI). Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phân tích, mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống DVB-T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM, đồng thời đề xuất các giải pháp tối ưu cho hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T và DVB-T2, tập trung vào ứng dụng kỹ thuật MIMO trong DVB-T2, với mô hình mô phỏng dựa trên kênh truyền Rayleigh và kênh AWGN. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng truyền hình số mặt đất, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng hình ảnh và dịch vụ truyền hình đa dạng, đồng thời góp phần phát triển hạ tầng viễn thông tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Lý thuyết MIMO (Multiple Input Multiple Output): Mô hình kênh MIMO gồm nhiều anten phát và thu, cho phép tăng dung lượng kênh truyền tuyến tính theo số anten. Dung lượng kênh MIMO được tính theo công thức Shannon mở rộng, thể hiện khả năng tăng tốc độ dữ liệu tối đa mà hệ thống có thể đạt được với xác suất lỗi thấp. MIMO còn giúp cải thiện chất lượng tín hiệu nhờ kỹ thuật phân tập không gian như mã hóa thời gian – không gian (STBC) và ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing - SM).

2. Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Phương pháp điều chế chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều kênh con tốc độ thấp, sử dụng tập tần số trực giao để chống fading chọn lọc tần số và loại bỏ hiệu ứng ISI bằng khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix). OFDM giảm độ phức tạp của bộ cân bằng tín hiệu (Equalizer) và tăng hiệu quả truyền dẫn trong môi trường đa đường.

Các khái niệm chính bao gồm:

• PLPs (Physical Layer Pipes): Các ống lớp vật lý trong DVB-T2 cho phép truyền nhiều dòng dữ liệu độc lập với cấu hình khác nhau.
• Mã LDPC/BCH: Mã sửa lỗi kết hợp giữa mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) và mã BCH giúp giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) hiệu quả.
• Ma trận xoay (Rotation Matrix): Áp dụng trong ghép kênh không gian để tăng đa dạng không gian và cải thiện khả năng chống mất tín hiệu.
• Sơ đồ Alamouti: Kỹ thuật mã hóa không gian – thời gian giúp đạt độ lợi phân tập tối đa trong môi trường fading chọn lọc tần số.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật DVB-T2, các bài báo khoa học và mô phỏng thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô phỏng hệ thống: Sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng mô hình truyền và nhận của hệ thống DVB-T2 ứng dụng kỹ thuật MIMO – OFDM. Mô hình bao gồm các bước: tạo nguồn dữ liệu Bernoulli, mã hóa BCH và LDPC, xen kẽ, điều chế 64-QAM, mã hóa không gian – thời gian, mô phỏng kênh Rayleigh và AWGN, giải điều chế và giải mã.

• Phân tích hiệu năng: Đánh giá tỷ lệ lỗi bit (BER) theo biến đổi tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Eb/No) trong các cấu hình MIMO, MISO và SISO, so sánh hiệu quả của kỹ thuật ghép kênh không gian với và không có ma trận xoay.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, tập trung vào phân tích lý thuyết, xây dựng mô hình và thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab, với các tham số kỹ thuật phù hợp tiêu chuẩn DVB-T2.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng dung lượng kênh với MIMO: Mô hình mô phỏng cho thấy dung lượng kênh truyền của hệ thống DVB-T2 sử dụng MIMO tăng gần gấp đôi so với hệ thống SISO, phù hợp với lý thuyết dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số anten. Ví dụ, với cấu hình 2x2 anten, dung lượng kênh đạt khoảng 39.5 Mb/s, cao hơn 50% so với DVB-T truyền thống.

2. Giảm tỷ lệ lỗi bit (BER): Kết quả mô phỏng biểu diễn qua biểu đồ quan hệ giữa BER và Eb/No cho thấy hệ thống MIMO – OFDM có BER thấp hơn đáng kể so với MISO và SISO. Ở mức Eb/No khoảng 15 dB, BER của MIMO thấp hơn MISO khoảng 30%, và thấp hơn SISO khoảng 50%.

3. Hiệu quả của kỹ thuật ghép kênh không gian với ma trận xoay: Việc áp dụng ma trận xoay trong ghép kênh không gian giúp tăng đa dạng không gian, giảm thiểu ảnh hưởng của mất tín hiệu từ một anten phát. Mô phỏng cho thấy trong trường hợp mất tín hiệu một anten, hệ thống có ma trận xoay vẫn duy trì được tín hiệu truyền, trong khi hệ thống không xoay bị mất dữ liệu.

4. Khả năng chống fading và ISI: Kỹ thuật OFDM kết hợp với tiền tố tuần hoàn (CP) giúp loại bỏ hiệu ứng ISI và giảm thiểu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số, đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định trong môi trường truyền dẫn đa đường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu năng là do kỹ thuật MIMO tận dụng đa anten để tăng dung lượng và độ tin cậy của kênh truyền, trong khi OFDM phân chia kênh truyền thành nhiều kênh con trực giao, giảm thiểu nhiễu và ISI. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với báo cáo của các chuyên gia quốc tế, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng MIMO – OFDM trong DVB-T2.

Biểu đồ so sánh BER theo Eb/No minh họa rõ ràng sự vượt trội của MIMO, đồng thời bảng thống kê kết quả mô phỏng cho thấy tỷ lệ lỗi giảm đáng kể khi sử dụng mã LDPC/BCH kết hợp với kỹ thuật ghép kênh không gian có ma trận xoay. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng truyền hình số mặt đất, đặc biệt trong điều kiện kênh truyền phức tạp như môi trường đô thị và vùng núi.

Tuy nhiên, việc triển khai MIMO đòi hỏi thay đổi hạ tầng truyền dẫn, bao gồm việc sử dụng anten đa phân cực và thiết bị thu phát phức tạp hơn, điều này cần được cân nhắc về chi phí và khả năng ứng dụng thực tế tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống anten đa phân cực: Khuyến nghị các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình số mặt đất đầu tư vào hệ thống anten MIMO với ít nhất 2 anten phát và thu, nhằm tận dụng tối đa lợi ích của kỹ thuật ghép kênh không gian. Thời gian thực hiện dự kiến trong 2-3 năm, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp viễn thông và truyền hình.

2. Áp dụng mã hóa LDPC/BCH trong hệ thống: Để giảm tỷ lệ lỗi bit và nâng cao chất lượng tín hiệu, cần tích hợp mã LDPC/BCH trong quá trình mã hóa và giải mã của hệ thống DVB-T2. Giải pháp này có thể được triển khai song song với nâng cấp phần mềm thiết bị thu phát trong vòng 1-2 năm.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng và đánh giá hiệu năng: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học xây dựng các mô hình mô phỏng chi tiết hơn về kênh truyền thực tế, hỗ trợ đánh giá và tối ưu hóa hệ thống DVB-T2 sử dụng MIMO – OFDM. Thời gian nghiên cứu liên tục, chủ thể là các tổ chức nghiên cứu và học viện.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật MIMO, OFDM và DVB-T2 cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật nhằm đảm bảo vận hành và bảo trì hệ thống hiệu quả. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, chủ thể là các trung tâm đào tạo và doanh nghiệp viễn thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình số mặt đất: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để nâng cao chất lượng dịch vụ, tối ưu hóa băng thông và giảm tỷ lệ lỗi, giúp cải thiện trải nghiệm người dùng.

2. Các kỹ sư và chuyên gia viễn thông: Tài liệu chi tiết về mô hình MIMO – OFDM và kỹ thuật ghép kênh không gian giúp nâng cao kiến thức chuyên môn, hỗ trợ thiết kế và triển khai hệ thống truyền hình số hiện đại.

3. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học: Luận văn là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và phương pháp mô phỏng hệ thống truyền hình số, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật viễn thông và truyền dẫn số.

4. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý viễn thông: Cung cấp thông tin về xu hướng công nghệ truyền hình số mặt đất, giúp xây dựng chiến lược phát triển hạ tầng viễn thông phù hợp với nhu cầu thực tế và xu thế quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao kỹ thuật MIMO lại quan trọng trong hệ thống DVB-T2?
   MIMO giúp tăng dung lượng kênh truyền và cải thiện chất lượng tín hiệu mà không cần tăng công suất phát hay băng thông, nhờ sử dụng nhiều anten phát và thu. Ví dụ, hệ thống 2x2 anten có thể tăng dung lượng gần gấp đôi so với hệ thống một anten.

2. OFDM giúp khắc phục những vấn đề gì trong truyền hình số mặt đất?
   OFDM chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều kênh con tốc độ thấp, sử dụng tần số trực giao để chống fading chọn lọc tần số và loại bỏ hiệu ứng ISI, giúp tín hiệu ổn định hơn trong môi trường đa đường.

3. Mã LDPC/BCH có vai trò gì trong hệ thống?
   Mã LDPC/BCH là kỹ thuật sửa lỗi hiệu quả, giúp giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) gần mức dung lượng kênh lý thuyết, đảm bảo chất lượng truyền dẫn trong điều kiện kênh truyền phức tạp.

4. Ma trận xoay trong ghép kênh không gian có tác dụng gì?
   Ma trận xoay kết hợp các luồng dữ liệu độc lập trên các anten phát, tăng đa dạng không gian và giúp hệ thống duy trì tín hiệu ngay cả khi một anten phát bị mất hoặc suy giảm tín hiệu.

5. Việc triển khai MIMO – OFDM có khó khăn gì?
   MIMO đòi hỏi hạ tầng anten phức tạp hơn và thiết bị thu phát có khả năng xử lý tín hiệu đa anten, điều này làm tăng chi phí đầu tư và yêu cầu kỹ thuật cao hơn, cần có kế hoạch đào tạo và nâng cấp thiết bị phù hợp.

Kết luận

• Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM cho thấy khả năng tăng dung lượng kênh truyền và cải thiện chất lượng tín hiệu vượt trội so với các hệ thống truyền thống.
• Mô hình mô phỏng với mã LDPC/BCH và kỹ thuật ghép kênh không gian có ma trận xoay giúp giảm đáng kể tỷ lệ lỗi bit, nâng cao độ tin cậy truyền dẫn.
• Kỹ thuật OFDM giúp chống fading chọn lọc tần số và loại bỏ hiệu ứng ISI, đảm bảo tín hiệu ổn định trong môi trường đa đường.
• Việc ứng dụng MIMO – OFDM trong DVB-T2 đòi hỏi nâng cấp hạ tầng anten và thiết bị thu phát, đồng thời cần đào tạo kỹ thuật viên vận hành.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, phát triển phần mềm mô phỏng nâng cao và đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu để ứng dụng rộng rãi công nghệ này tại Việt Nam.

Hành động ngay: Các doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu nên phối hợp triển khai các dự án thử nghiệm MIMO – OFDM trong hệ thống DVB-T2 để khai thác tối đa tiềm năng công nghệ, nâng cao chất lượng dịch vụ truyền hình số mặt đất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T 1.1 Tổng quan về hệ thống truyền hình số 1.1 Các đặc điểm chung của hệ thống truyền hình số Công nghệ truyền hình số có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với công nghệ truyền hình tương tự như: khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần, truyền dẫn phát sóng được nhiều chương trình trên một kênh, có khả năng phát hiện và sửa lỗi, khắc phục được những ưu điểm thường thấy trong truyền hình tương tự, có khả năng tương thích với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau cũng như khả năng phát sóng các chương trình truyền hình độ phân giải cao HDTV… việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình số được thực hiện thông qua cáp đồng trục, cáp quang, vệ tinh hay truyền hình số mặt đất [1]. Các đặc điểm chung của hệ thống truyền hình số mặt đất:  Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng lớn. Đối với tín hiệu số tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu bằng bốn lần tần số sóng mang màu như đối với hệ NTSC là 14,4MHz nếu thực hiện mã hoá với những mã 8 bit, tốc độ bit sẽ là 115,2 Mbit/s độ rộng băng tần khoảng 58 MHz.  Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi.

Nhiễu tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỷ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do tổng cộng các nguồn nhiễu thành phần gây ra. Vì vậy luôn nhỏ hơn tỷ lệ S/N của khâu có tỷ lệ thấp nhất. Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu.

 Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền cũng như đối với tỷ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghi đọc chương trình nhiều lần đặc biệt với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC.  Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền cũng như đối với tỷ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghi Luan van 5 đọc chương trình nhiều lần đặc biệt với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC.2 Các tiêu chuẩn truyền hình số tiêu biểu Hiện tại trên thế giới chủ yếu sử dụng 3 tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số là: DVB (Digital Video Broadcasting) tiêu chuẩn Châu Âu; ATSC (Advanced Television System Committee) tiêu chuẩn của Mỹ; ISDB - T (Intergrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial) tiêu chuẩn của Nhật [2]. Tiêu chuẩn ATSC Đặc điểm chung: Hệ thống ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình OSI 7 lớp của các mạng dữ liệu. Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác cùng lớp.

ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio và dữ liệu phụ. Đặc tính truyền tải và nén dữ liệu của ATSC theo MPEG-2. Tiêu chuẩn ATSC có một số đặc điểm như bảng 1. Đặc điểm cơ bản của ATSC Tham số Đặc tính Nhiều dạng thức ảnh (nhiều độ phân giải khác nhau).

Nén ảnh Video theo MPEG-2, từ MP @ ML tới HP @ HL. Audio Âm thanh Surround của hệ thống Dolby AC-3. Cho các dịch vụ mở rộng (thí dụ hướng dẫn chương trình, thông Dữ liệu phụ tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới máy tính). Dạng đóng gói truyền tải đa chương trình.

Thủ tục truyền tải Truyền tải MPEG-2. Truyền dẫn RF Điều chế 8-VSB cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất. Phương pháp điều chế VSB của tiêu chuẩn ATSC: Phương pháp điều chế VSB bao gồm hai loại chính: Một loại dành cho phát sóng mặt đất (8-VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cáp tốc độ cao (16 VSB). Cả hai đều sử dụng mã Reed- Solomon, tín hiệu pilot và đồng bộ từng đoạn dữ liệu.

Tốc độ ký hiệu (Symbol Rate) Luan van 6 cho cả hai đều bằng 10,76 MSb/s. Nó có giới hạn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là 14,9 dB và tốc độ dữ liệu bằng 19,3 Mb/s. Thực chất của quá trình điều chế VSB là điều chế biên độ nhiều mức, cho nên các bộ khuếch đại công suất yêu cầu có độ tuyến tính cao. Tiêu chuẩn DVB DVB là một tổ chức gồm trên 300 thành viên của hơn 35 nước nhằm phát triển kỹ thuật phát hình kỹ thuật số trong toàn Châu Âu và cho các khu vực khác.

Chuẩn DVB được sử dụng ở Châu Âu, truyền tải tín hiệu Video số nén theo chuẩn MPEG- 2 qua cáp, vệ tinh và phát sóng mặt đất. Chuẩn DVB có một số đặc điểm như sau:  Mã hoá Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II.  Mã hoá Video chuẩn MP @ ML.  Độ phân giải ảnh tối đa 720 × 576 điểm ảnh.

DVB gồm một loạt các tiêu chuẩn, trong đó cơ bản là:  DVB-S: Hệ thống truyền hình số có nén qua vệ tinh. Hệ thống DVB-S sử dụng phương pháp điều chế QPSK.  DVB-C: Hệ thống cung cấp tín hiệu truyền hình số có nén qua mạng cáp, sử dụng các kênh cáp có dung lượng từ 7 đến 8 MHz và kiểu điều chế QAM: 64 - QAM, 128-QAM, 256-QAM. DVB-C có mức tỷ số S/N cao và điều biến kí sinh thấp.

 DVB-T: Hệ thống truyền hình mặt đất với các độ rộng kênh 8MHz, 7MHz hoặc 6MHz. Sử dụng phương pháp mã hoá sửa sai ghép đa tần trực giao COFDM. Tiêu chuẩn ISDB - T Bảng thông số kỹ thuật (Bảng 1.2) mô tả chi tiết hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T). Hệ thống này có thể truyền dẫn các chương trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp.

ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh. Các thông số truyền dẫn cho ISDB-T với độ rộng kênh truyền 8 MHz. Kiểu Kiểu 1 Kiểu 2 Kiểu 3 Số đoạn dữ liệu 13 Độ rộng băng tần (MHz) 7,433 7,431 7,426 Khoảng cách sóng mang (KHz) 5,291 2,645 1,322 Số sóng mang 1405 2809 5617 Kiểu điều chế sóng mang QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSK Số ký hiệu trong một khung 204 Khoảng thời gian tích cực 189 378 765 trong một ký hiệu (µs) 1/4 47,25 94,5 189 Khoảng 1/8 23,625 47,25 94,5 bảo vệ 1/16 11,8125 23,625 47,25 (µs) 1/32 5,90625 11,8125 23,625 Mã hóa sửa sai nội Mã hóa chập (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) Mã hóa sửa sai ngoại Mã Reed Solomon (204, 188) Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền đa chương trình với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu di động v. các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, DQPSK, 16-QAM hoặc 64- QAM.

Tiêu chuẩn ISDB-T có thể sử dụng cho các kênh truyền 6, 7 hoặc 8MHz. Tuy nhiên mới chỉ thực hiện ở Nhật Bản với độ rộng kênh truyền 6MHz. Luan van 8 Đặc điểm của hệ thống ISDB-T:  ISDB-T sử dụng ghép xen thời gian, trong khi DVB-T không sử dụng kỹ thuật này. + Ưu điểm: Tăng hiệu quả chống can nhiễu xung.

+ Nhược điểm: Tăng thời gian trễ và tăng độ phức tạp của máy thu.  ISDB-T sử dụng phân đoạn tần số: Việc phân đoạn tần số này sẽ làm sai nguyên tắc của một kênh truyền hình số là một kênh băng rộng trong đó các dịch vụ được đặt ở các mức khác nhau. Nếu chia kênh thành các đoạn tần số khác nhau cho các dịch vụ khác nhau, khi một đoạn tần số bị ảnh hưởng, thì toàn bộ dịch vụ nằm trong đoạn đó sẽ bị mất. Đó là một trong những lý do tại sao các nhà thiết kế DVB-T đã không sử dụng kỹ thuật phân chia tần số.

 Chưa có thiết kế cụ thể cho dải tần 8MHz.  Cần nhiều máy phát cho mạng đơn tần hơn hệ DVB-T. Khoảng bảo vệ lớn nhất của hệ Nhật chỉ có 189 µs (1/4 chu kỳ của symbol). Tương ứng với khoảng bảo vệ này cho khoảng cách tối đa giữa các máy phát là 56,7km.

Trong khi sử dụng hệ phát số của Châu Âu, khoảng cách tối đa giữa các máy phát đối với mạng đơn tần tới 67km (nếu là phát 8K và khoảng bảo vệ bằng 1/4 chu kỳ của symbol).  Máy thu số theo hệ ISDB - T yêu cầu lọc khắt khe hơn máy thu DVB-T.3 Xử lý và truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Ngày nay, công nghệ kĩ thuật số ngày càng thâm nhập sâu vào trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, nhiều hoạt động của con người sẽ không tồn tại nếu không có kỹ thuật số và sự phát triển vượt bậc của nó như hiện nay. Chúng ta đã được biết những ứng dụng của nó từ những chiếc điện thoại cho đến các thiết bị tự động, những chiếc đĩa CD đã thay thế hoàn toàn đĩa nhựa trong một thời gian rất ngắn. Khi khoa học kĩ thuật phát triển, nhu cầu về số lượng và chất lượng các chương trình truyền hình ngày càng cao thì kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn tương tự các chương trình truyền hình ngày càng tỏ ra kém ưu thế.

Kỹ thuật xử lý tín hiệu số và các thuật toán nén tín hiệu hình ảnh ra đời đã làm xuất hiện kỹ thuật truyền hình số. Kỹ thuật truyền hình số ra Luan van 9 đời đã giải quyết yêu cầu trên một cách triệt để. Như ta đã biết độ rộng băng tần của một kênh truyền hình tương tự là 8 MHz, với băng tần này ta có thể truyền một vài chương trình truyền hình số có nén bằng cách thực hiện ghép kênh và điều chế số chúng. Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà tất cả các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lí kỹ thuật số.

Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì nó được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnh quang học (cả về độ chói và màu sắc), nó sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự sang số. Dãy tín hiệu này qua nhiều bước biến đổi như kĩ thuật nén để làm giảm tốc độ bit tới giá trị phù hợp với độ rộng kênh truyền. Sau đó, qua các bước xử lí, điều chế số để có thể phát đi trên một phương thức truyền dẫn như cáp quang, vệ tinh hay phát trên mặt đất. Và bên thu thực hiện quá trình ngược lại để khôi phục lại tín hiệu hình ảnh ban đầu.