luận văn thạc sĩ OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB t

OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Ph n m u Lý ch n tài Quá trình nghiên c u 3 M c ích, i tư ng, ph m vi nghiên c u Tóm t t lu n i m b n lu n văn Phương pháp nghiên c u B N CAM OAN Danh m c t vi t t t Danh m c hình v Chương I – Gi i thi u t ng quan v OFDM 10 1.1 Gi i thi u chương 10 1.2 xu t mơ hình máy phát OFDM 11 1.3 xu t mơ hình máy thu OFDM 12 1.4 i u ch tín hi u OFDM 12 1.4.1 Nguyên lý i u ch OFDM 13 1.4.1.1 a sóng mang tr c giao 14 ti t ki m băng thông 17 1.4.1.2 Ch ng ph 1.4.1.3 Chèn kho ng b o v lo i b nhi u xuyên ký t 18 1.4.1.4 Mơ t tốn h c trình i u ch 20 1.4.2 Các k thu t i u ch sóng mang ơn OFDM 24 1.4.2.1 i u ch BPSK 25 1.4.2.2 i u ch QPSK 27 1.4.2.3 i u ch QAM 29 1.4.2.4 Mã Gray 30 1.4.3 Ph tín hi u i u ch 31 1.5 K t lu n chương 35 Chương II – OFDM truy n hình s m t t DVB-T 36 2.1 Gi i thi u chương 36 2.2 xu t mơ hình máy phát DVB-T 36 2.3 xu t mơ hình máy thu DVB-T 37 2.4 i u ch OFDM máy phát DVB-T 38 2.4.1 Mã hóa sóng mang tr c giao COFDM (Code OFDM) 38 2.4.2 L a ch n COFDM cho truy n hình s m t t 39 2.4.3 Quy trình i u ch COFDM máy phát DVB-T 40 2.4.3.1 T ch c l i tài nguyên kênh vô n 40 2.4.3.2 Tr i sóng mang lên cell 40 2.4.3.3 Chèn kho ng b o v ch ng nhi u liên ký t 41 2.4.3.4 Chèn tín hi u ch d n pilot nh n tín hi u xác 42 2.4.3.5 Chu n b d li u c mang ký t 43 2.4.3.6 Ánh x bít d li u lên ph OFDM 44 2.4.3.7 Mơ t tốn h c q trình i u ch 46 2.5 K t lu n chương 46 Chương III – c tính kênh truy n OFDM truy n hình s m t t DVB-T 47 3.1 Gi i thi u chương 47 3.2 c tính kênh truy n nh hư ng n ch t lư ng phát sóng DVB-T 47 3.2.1 Hi n tư ng a ng (Multipath) 47 3.2.1.1 Rayleigh fading 48 Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T 3.2.1.2 Fading l a ch n t n s 49 3.2.1.3 Tr i tr (Delay Spread) 49 3.2.2 D ch Doppler 50 3.2.3 S suy gi m tín hi u (Attenuation) 51 3.2.4 Nhi u AWGN 51 3.2.5 Nhi u liên ký t ISI 52 2.2.6 Nhi u liên sóng mang ICI 52 3.3 Kh c ph c m t s nh hư ng n ch t lư ng phát sóng DVB-T 53 3.3.1 S d ng ti n t l p CP 53 3.3.2 S d ng kho ng b o v 55 3.3.3 L c băng thông 57 3.4 Gi i h n băng thông c a OFDM 58 3.5 K t lu n chương 58 Chương IV – Ư c lư ng tham s xây d ng mô hình kênh truy n OFDM ng d ng truy n hình s m t t DVB-T 59 4.1 Gi i thi u chương 59 4.2 Mơ hình c lư ng kênh 59 4.3 Các phương pháp c lư ng kênh 61 2.4.1 Phương pháp c lư ng kênh dùng pilot 61 2.4.1.1 Cách th c c lư ng kênh dùng pilot 61 2.4.1.2 Mô t toán h c phương pháp c lư ng kênh dùng pilot 62 4.4 Mô hình kênh truy n OFDM ng d ng truy n hình s m t t DVB-T 65 4.4.1 M ng ơn t n SFN 65 4.4.2 L a ch n phương pháp i u ch cho mơ hình 67 4.4.3 Mơ hình kênh truy n phương pháp mô ph ng Error! Bookmark not defined 4.4.3.1 Mơ hình kênh truy n OFDM ng d ng DVB-T Error! Bookmark not defined 4.4.3.2 Phương pháp mô ph ng Error! Bookmark not defined 4.4.3.3 K t qu mô ph ng Error! Bookmark not defined 4.5 K t lu n chương 69 K t lu n hư ng phát tri n tài 70 Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Ph n m Lý ch n u tài Truy n hình s m t t m t ng d ng c a phát sóng khơng dây công ngh s Trong môi trư ng a ng, phát sóng khơng dây g p m t s h n ch Vì v y, cơng ngh i u ch phân chia theo t n s tr c giao i góp ph n kh c ph c nh ng v n Quá trình nghiên c u Quá trình nghiên c u lu n văn tr i qua bai giai o n: Giai o n 1: Nh n tài nh hư ng nghiên c u Giai o n 2: Thu th p tài li u xoay quanh Giai o n 3: Xác M c ích, tài nghiên c u nh hư ng vi t b t tay vào th c hi n tài i tư ng, ph m vi nghiên c u M c ích: Tìm hi u ng n ngành nguyên t ng khái ni m nh c a ng d ng cơng ngh OFDM truy n hình s m t t i tư ng: Xoay quanh h th ng DVB-T OFDM Ph m vi: m c ng d ng cơng ngh Tóm t t lu n i m b n lu n văn Lu n văn bám sát hai lu n i m chính: Truy n hình s m t t v i khái ni m mô t k thu t b n Bám sát n i dung c a truy n hình s m t t l ng d n vào phương pháp i u ch ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao Phương pháp nghiên c u Phương pháp nghiên c u óng vai trị quy t tiêu tìm hi u l i n n móng c a v n , em b t nh thành qu nghiên c u, v i m c u t nh ng bư c b n sau: Tìm hi u rõ t ng khái ni m, thu t ng Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t D a khái ni m, thu t ng t DVB-T ó liên k t l i thành n i dung B N CAM OAN Tôi: Lê Th Cúc H c viên l p CH- TTH2009, i h c Bách Khoa Hà N i Th y hư ng d n Lu n văn: PGS.TS Nguy n Qu c Trung Xuyên su t cu n lu n văn câu tr l i cho câu h i: “Làm th Công ngh m t tri n khai i u ch ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao cho truy n hình s t DVB-T ?” có c cu n lu n văn này, tác gi chân thành cám ơn th y giáo PGS.TS Nguy n Qu c Trung, th y giáo TS Nguy n Vũ Sơn ã có nhi u giúp Thêm n a, cu n lu n văn i tâm huy t, suy ng m, tìm hi u c d ch tài li u tác gi Tác gi hy v ng óng góp c ph n s c nh bé c a vào trình nghiên c u OFDM ng d ng truy n hình s m t t DVB-T Cu i cùng, xin cam oan r ng, m i thơng tin trích d n tài li u u c tuân th theo lu t s h u trí tu , li t kê rõ ràng tài li u tham kh o Tơi xin hồn toàn ch u trách nhi m v i nh ng n i dung c vi t lu n văn Hà N i ngày 26 tháng 11 năm 2010 H c viên Lê Th Cúc Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Danh m c t TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 vi t t t Ký hi u Ti ng Anh Ti ng Vi t ACEC American Council of Engineering y ban Tư v n v tương thích i n t Companies ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ng thuê bao s không i x ng AM Amplitude Modulation i u biên ASK Amplitude Shift Keying i u ch d ch biên ATSC Advanced Television Systems U ban tiêu chu n truy n hình tiên ti n Committee AVC Advanced Video Coding Mã hóa hình nh tiên ti n Additive White Gaussian Noise Kênh nhi u tr ng AWGN BER Bit Error Rate T l l i bít CENELEC European Committee for U ban tiêu chu n hoá v k thu t i n Electrotechnical Standardization châu Âu COFDM Code Orthogonal frequency-division Mã hóa ghép kênh phân chia theo t n multiplexing s tr c giao CPSK Continuous-Phase Shift Keying D ch pha liên t c DCA C p phát kênh ng Dynamic Channel Allocation DFT Discrete Fourier Transform Bi n i Fourier r i r c DMB-T / H Digital Multimedia Broadcasting Chu n truy n hình s m t t Trung Terrestrial / Handheld Qu c DMT Discrete Multi-tone Modulation i u ch a âm r i r c DPSK Differential Phase Shift Keying D ch pha vng góc phân bi t DSFN Dynamic Single Frequency M ng ơn t n ng Networks DSP Digital Signal Processing X lý tín hi u s DTTV Digital Terrestrial Television Truy n hình k thu t s m t t DTV Digital Television Truy n hình s m t t DVB Digital Video Broadcasting Truy n hình s DVB-H Digital Video Broadcasting Truy n hình s c m tay Handheld DVB-T Digital Video Broadcasting – Truy n hình s m t t Terrestrial DVB-T2 Digital Video Broadcasting Truy n hình s m t t Terrestrial EBU European Broadcasting Union Liên minh phát sóng châu Âu EHF T n s c c cao Extremely High Frequency ETSI European Telecommunications Vi n Tiêu chu n Vi n thông châu Âu Standards Institute Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 54 55 56 57 58 59 60 61 t DVB-T Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Fixed Channel Allocation Federal Communications Commission FDE Frequency Domain Equalization FDM Frequency-division multiplexing FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform GLObal NAvigation Satellite GLONASS System GOS Grade of Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications HDTV High-Definition Television HF High Frequency HSOPA High Speed OFDM Packet Access IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEC International Electrotechnical Commission IMT 2000 International Mobile Telecommunications-2000 ISDB-T Terrestrial Integrated Services Digital Broadcasting ISI Inter Symbol Interference ISO International Organization for Standardization JTC Joint Technology Committee JVT Joint Video Team LOS Line-Of-Sight MBMS Multimedia Broadcast and Multicast Services MPEG Moving Picture Experts Group NGH Next Generation Handheld NTSC National Television System Committee OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing PAPR Peak-to-average Power Ratio PES Packetized Elementary Stream PM Phase Modulation PS Program Stream PSK Phase Shift Keying E-UTRA FCA FCC Lê Th Cúc Truy nh p vô n m t tm C p phát kênh c nh U ban truy n thông liên bang Cân b ng mi n t n s Ghép kênh phân chia theo t n s S a l i ngư c Bi n i Fourier nhanh H th ng v tinh hư ng toàn c u c a Nga Yêu c u l p d ch v H th ng nh v toàn c u H th ng di ng tồn c u Truy n hình có nét cao T n s cao Truy nh p gói t c cao Bi n i Fourier r i r c ngư c U ban i n t Qu c t Vi n thông di ng qu c t D ch v tích h p phát sóng k thu t s Nhi u liên ký t T ch c tiêu chu n qu c t U ban k thu t liên h p Nhóm hình nh m nhìn th ng a d ch v phát sóng a phương ti n H i phim nh th gi i C m tay th h mơi U ban h th ng truy n hình qu c gia Ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao T l công su t nh – trung bình óng gói dịng i u pha Chương trình v n chuy n D ch pha Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t 62 63 64 QAM QPSK RADSL 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 RF SDTV SFN SHF SNR TPS TS UHF UMB UMTS 75 76 77 VCEG VHF WRAN Lê Th Cúc t DVB-T Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Rate-Adaptive Digital Subscriber Line Radio Frequency Standard-Definition Television Single-Frequency Network i u biên vng góc D ch pha vng góc Thích nghi t c ng thuê bao s T n s vô n Truy n hình nét tiêu chu n M t m ng ơn t n T n s siêu cao Super High Frequency Signal-to-noise Ratio T l nhi u t p âm Transmission Parameters Signalling Báo hi u thơng s truy n d n Transport Stream Dịng v n chuy n T n s siêu cao Ultra High Frequency Phát sóng di ng nh Ultra Mobile Broadband Universal Mobile H th ng vi n thơng di ng tồn c u Telecommunications System Video Coding Experts Group Nhóm chuyên gia mã hóa hình nh Very High Frequency T n s c c cao Wireless Regional Area Networks M ng không dây a phương Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Danh m c hình v Hình 1.1 – Mơ hình máy phát OFDM 11 Hình 1.2 – Mơ hình máy thu OFDM 12 Hình 1.3 – i u ch OFDM 13 Hình 1.4 – H th ng ơn sóng mang 14 Hình 1.5 – H th ng a sóng mang 14 Hình 1.6 – Các sóng mang tr c giao 15 Hình 1.7 – Ph sóng mang tr c giao 16 Hình 1.8 – Ti t ki m băng thơng s d ng sóng mang ch ng xung 17 Hình 1.9 – Chèn kho ng b o v lo i b nhi u liên ký t 19 Hình 1.10 – Thêm ti n t chu kỳ vào OFDM 21 Hình 1.11 – Tích c a hai vector tr c giao b ng 22 Hình 1.12 – Giá tr c a sóng sin b ng 23 Hình 1.13 – Tích phân c a hai sóng sin có t n s khác 23 Hình 1.14 – Tích c a hai sóng sin t n s 23 khơng gian tín hi u BPSK 26 Hình 1.15 – Bi u Hình 1.16 – Bi u khơng gian tín hi u QPSK 28 Hình 1.17 – Chùm tín hi u d ng M-QAM 30 Hình 1.18 – th hàm sin 31 Hình 1.19 – nh d ng xung trư c ghép kênh 32 Hình 1.20 – Tín hi u u c a máy phát v i hai xung PSK 32 Hình 1.21 – Máy thu làm vi c v i ơn sóng mang 32 Hình 1.22 – Bi n i Fourier qua l i gi a tín hi u s tương t 33 Hình 1.23 – Ph c a tín hi u b c t i qua b l c RC 33 Hình 1.24 – T ng sóng mang c i u ch t n s khác 34 Hình 1.25 – Ph c a tín hi u OFDM ã qua i u ch 34 Hình 2.26 – Mơ t k thu t c u trúc máy phát DVB-T 36 Hình 2.27 – Ph c a sóng mang tr c giao 38 Hình 2.28 – B r ng ph băng thông c a OFDM 39 Hình 2.29 – Truy n hình s m t t v i hi u ng Doppler a ng 39 Hình 2.30 – T ch c l i tài nguyên kênh vô n 40 Hình 2.31 – Tr i sóng mang lên cell 40 Hình 2.32 – Chèn kho ng b o v ch ng nhi u liên ký t 41 Hình 2.33 – Các tia sóng n kho ng th i gian b o v 41 Hình 2.34 – Chèn tín hi u ch d n pilot 42 Hình 2.35 – Sóng mang k t h p v i pilot DVB-T 43 Hình 2.36 – Chèn d li u vào ký t 43 Hình 2.37 – Tr i bít d li u lên kho ng u sóng mang 44 Hình 2.38 – C u trúc m t siêu khung DVB-T 45 Hình 2.39 – C u trúc khung truy n d n DVB-T 45 Hình 3.40 - a ng nguyên nhân xu t hi n bóng m 47 Hình 3.41 – Fading Rayleigh thi t b di ng di chuy n ( t n s 900MHz) 48 Hình 3.42 - Tr i tr a ng 49 Hình 3.43 - L i d ch t n s gây nhi u ICI h th ng OFDM 53 Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Hình 3.44 – Mơ t ti n t l p 54 Hình 3.45 - OFDM có kho ng b o v khơng có kho ng b o v 56 Hình 3.46 - Ph c a tín hi u OFDM g m 52 t i ph h n ch băng thơng 58 Hình 4.47 - Mơ hình h th ng c lư ng kênh dùng pilot 61 Hình 4.48 – Ư c lư ng theo chi u d c (tr c t n s ) 61 Hình 4.49 – Ư c lư ng theo chi u ngang (tr c th i gian) 62 Hình 3.50 – Ki n trúc m ng ơn t n DVB 66 Hình 3.51 – Kho ng cách tương quan SFN 67 Lê Th Cúc Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Chương I – Gi i thi u t ng quan v OFDM 1.1 Gi i thi u Ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao (OFDM), b n gi ng v i mã hóa OFDM (COFDM – Code OFDM) i u ch a âm r i r c (DMT), m t d ng ghép kênh phân chia theo t n s s d ng m t phương pháp i u ch s a sóng mang S lư ng l n sóng mang có kho ng cách ch t ch , tr c giao v i c dùng mang d li u D li u c phân tách thành dòng ho c kênh d li u song song, cho t ng sóng mang M i sóng mang c i u ch v i m t d ng i u ch thông thư ng (như i u biên vuông góc ho c d ch pha) tương t v i d ng i u ch t c d li u th p, trì t ng t c ơn sóng mang thông thư ng d li u m c băng thông OFDM c phát tri n thành d ng ph bi n cho truy n thông s băng r ng khơng dây ho c có dây, c dùng ng d ng truy n hình phát s , m ng không dây truy nh p internet băng r ng Ưu i m c a OFDM qua d ng sóng mang có th i phó v i i u ki n kênh truy n nghiêm tr ng (ví d , suy gi m t n s cao dây d n dài, nhi u h p suy gi m (fading) t n s l a ch n a ng) mà không c n b l c cân b ng ph c t p Cân b ng kênh c ơn gi n hóa OFDM có th c quan sát s d ng tín hi u băng h p t nhi u i u bi n ch m m t tín hi u băng r ng i u bi n nhanh T c t th p n vi c dùng m t kho ng b o v gi a ký t ph i chăng, ký có th x lý th i gian lan truy n lo i b nhi u liên ký t (ISI) Cơ ch t o i u ki n cho vi c thi t k m ng ơn t n (SFNs), nơi m t vài thi t b phát li n k g i tín hi u lúc m t t n s , hi m th y can thi p v n tìm th y h th ng ơn sóng mang truy n th ng phát sóng vơ n dùng công ngh OFDM, ý tư ng c u trúc máy phát xu t sau: Lê Th Cúc 10 Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T s có d ng hình ch nh t c mi n t n s , làm cho d ng sóng mi n th i gian có suy gi m d ng sinc gi a symbol i u cho ISI làm gi m ch tiêu k thu t Có th lo i b ISI vi c l c gây b ng cách dùng kho ng b o v có offset th i gian dài B ng vi c ch n ng b gi a kho ng b o v , v y h u h t lư ng ISI b lo i b 3.4 Gi i h n băng thông c a OFDM Trong mi n th i gian, OFDM tương ương v i t ng sóng mang hình sine i u ch M i symbol n m th i gian xác xác nh v i hàm c a s hình ch nh t C a s nh biên c a m i symbol OFDM xác truy n OFDM dùng khóa d ch pha PSK, biên symbol sang symbol khác symbol, d n d n nh áp n c t o Th i gian t i ph c nh pha thay truy n d li u Pha t i ph khơng n nh y b c pha gi a symbol Nh ng thay i i it i v i toàn b t bi n gi a symbol n s m r ng mi n t n s Hình 3.46 - Ph c a tín hi u OFDM g m 52 t i ph khơng có h n ch băng thông 3.5 K t lu n Chương ã gi i thi u m t vài tín hi u truy n i không gian th ng OFDM c ng Lê Th Cúc chương sau c p c p n c tính c a kênh truy n vô n nh hư ng n ng th i lo i nhi u thư ng g p h h n ch nhi u nh hư ng c a kênh truy n a n m t s k thu t c ng d ng OFDM 58 Lu n văn th c s khoa h c OFDM ng d ng Truy n hình s m t t DVB-T Chương IV – Ư c lư ng tham s xây d ng mô hình kênh truy n OFDM ng d ng truy n hình s m t t DVB-T 4.1 Gi i thi u Trong chương trư c ã gi i thi u t ng quan v h th ng OFDM Trong ó, c p n nh ng v n này, gi i quy t v n k thu t mà h th ng OFDM g p ph i chương c lư ng tham s kênh Ư c lư ng tham s kênh (Channel Estimation) h th ng OFDM bao g m: xác nh hàm truy n t kênh nhánh th i gian th c hi n gi i i u ch k t h p bên thu Trong chương tìm hi u phương pháp c lư ng kênh: c lư ng kênh s d ng ký t d n ng c lư ng Wiener 4.2 Mơ hình c lư ng kênh 4.2.1 Mơ hình kênh Trong h th ng OFDM, áp ng xung c a kênh có th c bi u di n sau: h(t ,τ ) = ∑ γ k (t )δ (τ − τ k ) (4.1) k Trong ó: τ k th i gian tr c a ng truy n th k, γ k (t ) biên ph c tương ng R i r c hóa mơ hình h(t ,τ ) = h(nT f , lTs ) , r i áp d ng DFT ta c: H [ n, k ] = k k0 −1  ∑ h(n, l ) exp  −  l =0 j 2Πkl   N  (4.2) Trong ó: N s kênh nhánh c a m t kh i OFDM Tf, ∆f dài th i gian kho ng cách kênh nhánh c a h th ng OFDM, chu kỳ m u quan h v i ∆f sau: T f = 1/ N ∆f , K0 th i gian tr m u ho c dài áp ng xung kênh truy n, thư ng r t nh N (K0