Luận văn: Truyền hình số HD qua vệ tinh DVB-S2 với ACM
Luận văn: Truyền dẫn truyền hình số độ nét cao qua vệ tinh DVB-S2, ứng dụng giải thuật ACM. Nghiên cứu điều chế và mã hóa thích nghi.
Trường đại học
Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà NộiChuyên ngành
Công nghệ Điện tử - Viễn thôngNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Luận văn thạc sĩPhí lưu trữ
30 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Tổng Quan Truyền Hình Số Vệ Tinh HDTV Giới Thiệu Chung
Truyền hình đã trở thành một phương tiện thông tin đại chúng phổ biến, cung cấp thông tin một cách trực quan và hấp dẫn. Truyền hình số (Digital Television) sử dụng công nghệ kỹ thuật số để xử lý tín hiệu hình ảnh, nâng cao chất lượng và hiệu quả truyền dẫn. Sự hội tụ giữa máy tính, truyền hình và Internet thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền hình số, mang lại trải nghiệm xem truyền hình chất lượng cao và nhiều dịch vụ mới. Các nhà khai thác trên toàn thế giới đang chuyển sang môi trường số, mang lại nhiều lợi ích cho cả người tiêu dùng và nhà cung cấp dịch vụ. Truyền hình số độ nét cao HDTV cung cấp chất lượng hình ảnh và âm thanh vượt trội, cùng với hàng trăm kênh truyền hình mới và các dịch vụ giá trị gia tăng. Các dịch vụ như Video theo yêu cầu (VOD), cung cấp nội dung video và audio, dịch vụ thanh toán tiền từ nhà, thương mại điện tử, cập nhật phần mềm máy tính, truyền thanh, truyền hình đa phương tiện, đọc báo điện tử, truy cập Internet tốc độ cao và chơi game trực tuyến đều được hỗ trợ. Kỹ thuật nén cho phép phát sóng nhiều chương trình truyền hình trên một kênh sóng, làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần. Việc chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số đòi hỏi đầu tư vào máy thu số, máy phát hình số và các thiết bị sản xuất, hậu kỳ. Điều này mở ra cơ hội cho thị trường dân dụng và thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng truyền hình số.
1.1. Lịch sử phát triển truyền hình số và ứng dụng HDTV
Trong hơn 50 năm, truyền hình sử dụng tín hiệu tương tự để phát sóng. Việc chấm dứt truyền hình tương tự và phát triển truyền hình số đòi hỏi phải đầu tư mới máy thu số, máy phát hình số, các thiết bị sản xuất và hậu kỳ cho chương trình truyền hình. Điều đó dẫn đến phải sử dụng một mặt bằng số chung, mở ra các cơ hội cho thị trường dân dụng. Truyền hình số có tốc độ truyền dữ liệu cao, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú và có người xem truyền hình có thể lướt qua Internet bằng máy thu hình. Nhờ có kỹ thuật nén, có thể phát sóng nhiều chương trình truyền hình trên một kênh sóng (truyền hình tương tự phát sóng 1 chương trình/ 1 kênh sóng).
1.2. Các phương thức truyền dẫn chương trình truyền hình số
Để thực hiện truyền dẫn chương trình truyền hình đến người xem, có nhiều phương thức truyền dẫn được thực hiện: truyền dẫn qua cáp, qua hệ thống IP, qua sóng vô tuyến mặt đất, qua vệ tinh… Mỗi hình thức có ưu nhược điểm riêng và được ứng dụng cho các đặc thù, mục đích riêng. Đối với hình thức truyền dẫn bằng sóng vô tuyến mặt đất: đây là hình thức đã sử dụng từ lâu cho phát hình quảng bá analog, gần đây một số máy phát chuyển sang phát sóng số mặt đất. Hình thức này phù hợp đối với truyền hình quảng bá, chất lượng đáp ứng tốt đối với địa bàn nông thôn, đồng bằng. Tuy nhiên, đối với khu vực đô thị thì chất lượng thu hình không tốt do phản xạ sóng vô tuyến bởi các công trình đô thị, nhà cao tầng.
II. Vấn Đề và Thách Thức Truyền Dẫn HDTV Qua Vệ Tinh
Truyền dẫn bằng sóng vô tuyến qua vệ tinh có ưu thế vượt trội trong việc triển khai các hệ thống truyền hình nhờ phạm vi phủ sóng rộng lớn. Điều này cho phép truyền hình quảng bá và truyền dẫn đường trục phục vụ cho sản xuất chương trình, hoặc truyền dẫn chuyển tiếp đến các trạm phát lại mặt đất. Đặc điểm của đường truyền vệ tinh là thông tin vô tuyến trong tầm nhìn thẳng, cho phép truyền tin đi xa với anten cao, ổn định và vững chắc. Vệ tinh có thể truyền sóng đi xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống thông tin nào khác, thích hợp cho truyền tin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (dịch vụ thu thập số liệu). Ưu điểm nổi bật của thông tin vệ tinh là tính quảng bá rộng lớn cho mọi loại địa hình, dải thông rộng và khả năng cấu hình lại khi cần thiết. Băng tần rộng của hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số phân giải cao HDTV, phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH (Direct to Home) thông qua trạm VSAT (Very small Aperture Terminal). Tuy nhiên, đường truyền vệ tinh cũng gặp phải những thách thức nhất định, đặc biệt là suy giảm tín hiệu và can nhiễu trên đường truyền dài. Vì vậy, cần có các giải pháp để tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng truyền dẫn.
2.1. Quỹ đạo địa tĩnh và ứng dụng trong truyền hình số HDTV
Quỹ đạo địa tĩnh (GEO) là quỹ đạo tròn xung quanh trái đất, nằm trong mặt phẳng xích đạo có độ cao khoảng 36786 km so với đường xích đạo. Vệ tinh ở quỹ đạo này có tốc độ bay đồng bộ với tốc độ quay của trái đất (T=23g56‟04‟‟). Do đó, vệ tinh gần như đứng yên so với các điểm trên trái đất. Quỹ đạo địa tĩnh thích hợp hơn cho các loại hình thông tin quảng bá như: phát thanh, truyền hình… với tầm phủ sóng rộng lớn, còn cho thông tin thoại (yêu cầu thời gian thực cao) thì không được tốt do thời gian trễ khi truyền sóng lớn (khoảng 0.3 cho thấy trái đất hình cầu nên để truyền tin xa cách tốt nhất là phát tin tức lên vệ tinh, rồi vệ tinh sẽ phát chuyển tiếp tin này đến các nơi trên mặt đất. Đường truyền này không bị che chắn bởi bất cứ thứ gì chỉ có điều khoảng cách rất xa, tín hiệu bị suy giảm khoảng 200dB và chịu can nhiễu trên một đường truyền dài.
2.2. Hạn chế của truyền dẫn vệ tinh và các giải pháp khắc phục
Các ưu điểm nổi bật của thông tin vệ tinh là: - Tính quảng bá rộng lớn cho mọi loại địa hình. - Có dải thông rộng. - Nhanh chóng dễ dàng cấu hình lại khi cần thiết. Tuy nhiên bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số phân giải cao HDTV (High Definition Television), phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH (Direct to Home) thông qua trạm VSAT (Very small Aperture Terminal). Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông tin vệ tinh là rất thích hợp cho khả năng cấu hình lại.
III. Giải Pháp DVB S2 ACM Truyền Hình Số HDTV Hiệu Quả
Để giải quyết vấn đề hiệu suất và dung lượng truyền dẫn, tiêu chuẩn DVB-S2 ra đời như một bước tiến quan trọng so với DVB-S. DVB-S2 sử dụng mã sửa lỗi LDPC và BCH, cùng với các kiểu điều chế QPSK, 8PSK, 16APSK và 32APSK, cho phép tăng hiệu suất phổ và dung lượng hệ thống. Giải thuật điều chế và mã hóa thích nghi ACM cho phép thay đổi động cấu hình điều chế và mức bảo vệ lỗi cho mỗi khung dữ liệu, phù hợp với chất lượng kênh truyền. Điều này giúp tối ưu hóa băng thông và bù đắp ảnh hưởng do thời tiết như fading do mưa, đặc biệt hữu ích cho các mạng tương tác. Chuẩn DVB-S2 cũng hỗ trợ truyền dẫn nhiều dòng tín hiệu truyền hình tiêu chuẩn hoặc truyền hình độ nét cao HDTV, và tương thích với các chuẩn nén video như H264/AVC, giúp tiết kiệm băng thông sử dụng. Ưu điểm của DVB-S2 so với DVB-S là khả năng kết hợp các dòng dữ liệu vào một sóng mang, điều chế, mã hóa thay đổi và tương thích (VCM và ACM) và cấp bên trong dòng dữ liệu không phải MEPG (non-MEPG).
3.1. Lịch sử phát triển chuẩn DVB S2 và ứng dụng thực tiễn
Kỷ nguyên truyền dẫn thông tin bằng vệ tinh thực sự có hiệu quả vào những năm 1980. Khi đó, truyền dẫn qua vệ tinh đã tiết kiệm băng thông và giá thành khi sử dụng các kiểu điều chế QPSK và BPSK. Đến những năm 1990, công nghệ phát quảng bá qua vệ tinh đã phát triển rộng rãi sau khi ETSI công bố chuẩn DVB-S đầu tiên, kết hợp điều chế QPSK với sửa lỗi hướng truyền trong và ngoài (Viterbi và Reed- Solomon). Cuộc cách mạng về mã sửa lỗi kết hợp với các cấu hình điều chế mới và một loạt các đặc tính mới là nền tảng làm nên tiêu chuẩn DVB-S2, còn gọi là truyền hình số vệ tinh thế hệ 2. Đây là tiêu chuẩn mới nhất trong các tiêu chuẩn của ETSI về truyền dẫn thông tin vệ tinh. Kiểu điều chế này cũng đã khép lại con đường tiệm cận giới hạn Shannon về mặt lý thuyết.
3.2. So sánh hiệu suất giữa DVB S và DVB S2 trong truyền dẫn HDTV
DVB-S2 với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với DVB- S đang được kỳ vọng sẽ đem lại hiệu quả to lớn khi được ứng dụng, với khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều dịch vụ có tốc độ lớn như truyền hình có độ phân giải cao HDTV, Internet có tốc độ cao, truyền số liệu và ứng dụng chuyên nghiệp… trên cùng một bộ phát đáp vệ tinh mà hệ thống DVB-S trước đó khó có thể thực hiện được. DVB-S2 đã được tối ưu cho các ứng dụng vệ tinh băng rộng như: - Các dịch vụ quảng bá: Truyền dẫn các chương trình SDTV hoặc HDTV. - Các dịch vụ tương tác bao gồm cả dịch vụ Internet.
IV. Kỹ Thuật ACM trong DVB S2 Tối Ưu Truyền Dẫn HDTV
Trong tiêu chuẩn DVB-S2, tính năng điều chế và mã hóa thích nghi ACM là một cải tiến quan trọng. Trong cấu hình đơn giản nhất, hệ thống hoạt động trong kiểu điều chế và mã hóa tương phản - CCM, khi đó tất cả các dịch vụ phải chịu cùng khối thủ tục điều chế và mã hóa. Tiến tới một bước xa hơn, hệ thống DVB-S2 sử dụng kiểu điều chế và mã hóa thay đổi - VCM, khi đó, chức năng của DVB-S2 cho phép sự lựa chọn một đặc điểm, sự kết hợp mỗi dịch vụ của tốc độ mã FEC và điều chế constellation (MODCOD) dựa theo kiểu liên kết mỗi dịch vụ. Đối với mỗi dịch vụ, một sự lựa chọn khác nhau của 32 MODCODs, từ QPSK 1/4 tới 32APSK 9/10 cho phép lựa chọn linh hoạt hiệu quả giữa công suất phát và hiệu suất mã. Ví dụ như QPSK 1/4 chỉ cung cấp 0.49 bít mỗi Symbol nhưng có thể cho phép C/N xuống tới 2. Trong khi đó 32 APSK 9/10 có hiệu suất bít lên đến 3.65bít/Symbol nhưng yêu cầu tỷ số C/N lên đến 16. Như vậy, trong ghép kênh vệ tinh, các dịch vụ với MODCODs khác nhau có thể cùng tồn tại.
4.1. Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của điều chế và mã hóa ACM
Để tối ưu hóa hơn nữa hệ thống và bảo vệ nó chống lại sự suy yếu theo thời gian (ví dụ fading do một cơn mưa lớn), hệ thống sử dụng VCM kết hợp với việc dùng một kênh truyền phản hồi để thông báo các điều kiện truyền tại nơi nhận. Dựa vào kết quả thu được từ việc phản hồi phía thu, bên phát sẽ điều chỉnh thông số hệ thống phát thích hợp để bảo đảm chất lượng phía thu tốt nhất có thể. Đây được gọi là điều chế và mã hóa thích nghi – ACM (Adaptive Coding and Modulation). Thông tin này có thể được dùng bởi nhà cung cấp dịch vụ để có được chu trình kín điều chế và mã hóa thích nghi, mặc dù cho phép các thông số truyền được thích nghi trong thời gian thực đối với mỗi dịch vụ riêng lẻ, tùy thuộc vào trang thái kênh, và bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hiện tại. ACM cho phép sự tái sử dụng của 4 tới 8dB công suất, cái mà về cơ bản bị lãng phí trong các liên kết vệ tinh quy ước để bù đắp cho những lần fading sâu. Kỹ thuật này làm tăng khả năng dùng vệ tinh trung bình và giảm rõ rệt giá thành dịch vụ.
4.2. Ứng dụng thực tế của ACM trong truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh
Trong DVB-S2, chức năng ACM cho phép thay đổi động về phương thức điều chế và mã hóa phía bên phát để đáp ứng yêu cầu bên thu đảm bảo được chất lượng mong muốn. Trong hình ảnh minh họa trên (hình 2.17) các dịch vụ khác nhau được truyền đến các vị trí khác nhau theo các MODCOD khác nhau. Tùy vào điều kiện thời tiết mà chất lượng kênh truyền thay đổi làm cho chất lượng bên thu thay đổi, thông tin phản hồi sẽ điều khiển bên phát thay đổi MODCOD để đảm bảo thu được tỷ lệ BER mong muốn. Trong truyền hình, khi thực hiện các đường truyền phục vụ sản xuất chương trình như truyền tín hiệu chương trình trực tiếp từ hiện trường về trung tâm, các dịch vụ góp tin, phát tín hiệu đường trục các chương trình đến các trạm phát lại đòi hỏi chất lượng thu luôn ổn định. Tuy nhiên, do điều kiện đường truyền vệ tinh phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, do đó việc sử dụng ACM được coi là giải pháp tốt nhất cho các ứng dụng truyền hình vệ tinh đơn hướng.
V. Ứng Dụng DVB S2 tại Việt Nam Triển Vọng Truyền Hình HDTV
Tại Việt Nam, truyền hình số qua vệ tinh đã được ứng dụng từ năm 1998, và từ khi vệ tinh VINASAT-1 được phóng lên quỹ đạo năm 2008, truyền hình số vệ tinh đã phát triển vượt bậc. Tổng Công ty VTC ra mắt dịch vụ DTH với gói kênh HDTV đầu tiên phát sóng qua vệ tinh VINASAT-1 vào tháng 1/2010. Quyết định 22/2009/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch truyền dẫn phát sóng phát thanh truyền hình đến năm 2020 định hướng chuyển đổi từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật số vào cuối năm 2020, trong đó ưu tiên phát triển mạng truyền dẫn, phát sóng phát thanh, truyền hình vệ tinh ở vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo. Tiêu chuẩn DVB-S/S2 được ứng dụng phổ biến, và các đài PTTH lớn, doanh nghiệp cung cấp dịch vụ truyền dẫn phát sóng đều đã và đang ứng dụng để cung cấp dịch vụ. Truyền hình Việt Nam đã thay thế toàn bộ hệ thống phát chuyển tiếp tín hiệu các kênh VTV qua vệ tinh băng C từ DVB-S sang DVB-S2 từ đầu năm 2012.
5.1. Tình hình triển khai DVB S S2 tại Việt Nam và các đơn vị ứng dụng
Đến thời điểm hiện nay, truyền hình số vệ tinh tiêu chuẩn DVB-S/S2 được ứng dụng phổ biến tại Việt Nam, hầu hết các đài PTTH lớn, các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ truyền dẫn phát sóng đều đã và đang ứng dụng để cung cấp dịch vụ và tiêu chuẩn DVB-S/S2 đã được đưa vào định hướng phát triển công nghệ nêu trong Quy hoạch truyền dẫn phát sóng phát thanh, truyền hình đến năm 2020. Có thể điểm qua một số đơn vị đang ứng dụng rộng rãi tiêu chuẩn DVB-S/S2 như sau: - Truyền hình Việt Nam đã thay thế toàn bộ hệ thống phát chuyển tiếp tín hiệu các kênh VTV qua vệ tinh băng C từ DVB-S sang DVB-S2 từ đầu năm 2012 trên hệ thống vệ tinh Vinasat 1. Đến tháng 4 năm 2103 đã chấm dứt phát chuyển tiếp chương trình theo chuẩn DVB-S. - Tổng Công ty truyền thông đa phương tiện phát sóng DVB-S2 trên vệ tinh VINASAT-1 và ASIASAT-5 cung cấp các gói dịch vụ nội dung SDTV và HDTV từ tháng 1/2010.
5.2. Định hướng phát triển truyền hình số vệ tinh đến năm 2020
Ngày 16/2/2009 Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định 22/2009/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch truyền dẫn phát sóng phát thanh truyền hình đến năm 2020 với định hướng thực hiện thành công lộ trình chuyển đổi công nghệ từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật số vào thời điểm cuối năm 2020. Trong đó, đối với mạng truyền dẫn, phát sóng phát thanh, truyền hình vệ tinh có quy định: - Kết hợp việc truyền dẫn, phát sóng phát thanh, truyền hình qua vệ tinh với các trạm phát lại có công suất phù hợp và sử dụng đầu thu số vệ tinh để đưa các chương trình phát thanh, truyền hình đến các vùng lõm sóng, đặc biệt là vùng sâu, vùng xa, miền núi, hải đảo. - Ưu tiên phát triển mạng truyền dẫn, phát sóng phát thanh, truyền hình vệ tinh ở vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo trên băng tần Ku để cung cấp dịch vụ phát thanh, truyền hình đến nhà thuê bao (DTH) với thiết bị thu xem đầu cuối nhỏ gọn, tiện dụng; kết hợp sử dụng các băng tần C, Ku để trao đổi chương trình giữa các đài phát thanh, truyền hình.
VI. Kết Luận và Tương Lai Truyền Hình HDTV Qua Vệ Tinh
DVB-S2 là tiêu chuẩn mới nhất cho các ứng dụng vệ tinh băng rộng, với hiệu suất sử dụng băng thông tăng đáng kể so với DVB-S. DVB-S2 là một bộ công cụ hiệu quả cho các dịch vụ tương tác qua vệ tinh. Việc kết hợp DVB-S2 và các cấu hình mã hóa video và audio mới (ví dụ như H.264/AVC/VC-9) có thể phát 21-26 chương trình SDTV hoặc 5-6 chương trình HDTV trên một Bộ phát đáp (Transponder) 36Mhz. Trong các ứng dụng truyền dẫn chuyên nghiệp, DVB-S2 có khả năng cung cấp điều chế và mã hóa thích nghi (ACM), tính năng này có hiệu quả lớn với các dịch vụ điểm điểm như là các trạm DSNG nhỏ. Sự phát triển nhanh chóng công nghệ kỹ thuật truyền hình từ SD lên HD, siêu cao và công nghệ 3D tạo ra những dòng truyền tải với tốc độ bít tăng lên gấp 2 đến 3 lần. Để truyền dẫn chương trình này trên các hệ thống vệ tinh sử dụng tiêu chuẩn DVB-S sẽ tiêu tốn số lượng kênh lớn. Tiêu chuẩn DVB-S2 kết hợp với một số chuẩn nén dữ liệu H.264/ AVC (Advanced Video Coding) và HEVC (High Efficiency Video Coding) sẽ giải quyết bài toán băng thông và giá thành truyền dẫn các chương trình truyền hình qua vệ tinh.
6.1. Đánh giá tiềm năng phát triển của DVB S2 và ACM
Công nghệ này thực sự là bộ công cụ hữu hiệu cho các dịch vụ tương tác qua vệ tinh. Tổ chức DVB không cho rằng DVB-S2 sẽ thay thế cho DVB-S trong một thời gian ngắn trong lĩnh vực quảng bá truyền hình thông thường. Vì rằng hàng triệu bộ giải mã DVB-S đang hoạt động tin cậy và đóng góp vào những thành công thương mại vệ tinh số trên toàn cầu nên các ứng dụng mới chỉ được dự tính phát qua vệ tinh như truyền dẫn HDTV và phân phối các dịch vụ dựa trên nền IP sẽ thực hiện hiệu quả dựa trên hệ thống DVB-S2. Việc kết hợp DVB-S2 và cấu hình mã hóa video và audio mới (ví dụ như H.264/AVC/VC-9) có thể phát 21-26 chương trình SDTV hoặc 5-6 chương trình HDTV trên một Bộ phát đáp (Transponder) 36Mhz.
6.2. Xu hướng phát triển truyền hình HDTV qua vệ tinh trong tương lai
Đối với lĩnh vực truyền hình, việc phát triển nhanh chóng công nghệ kỹ thuật truyền hình từ truyền hình chất lượng tiêu chuẩn – SD lên truyền hình độ phân giải cao - HD, siêu cao và công nghệ 3D tạo ra những dòng truyền tải với tốc độ bít tăng lên gấp 2 đến 3 lần. Do đó, băng thông truyền dẫn cũng đòi hỏi tăng lên theo. Để truyền dẫn chương trình này trên các hệ thống vệ tinh sử dụng tiêu chuẩn DVB-S sẽ tiêu tốn số lượng kênh lớn. Việc ra đời tiêu chuẩn DVB-S2 kết hợp với một số chuẩn nén dữ liệu H.264/ AVC (Advanced Video Coding) và đặc biệt là tiêu chuẩn mã hóa video hiệu quả cao HEVC (High Efficiency Video Coding) – do tổ chức ITU-T công bố vào tháng 1 năm 2013 sẽ giải quyết bài toán băng thông và giá thành truyền dẫn các chương trình truyền hình qua vệ tinh.
24/09/2025
