Luận văn thạc sỹ Điều chế Ofdm trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Header Page of 16 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC NAM ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HUẾ - 2014 Footer Page of 16 Header Page of 16 Footer Page of 16 Header Page of 16 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC NAM ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS NGUYỄN QUỐC TUẤN HUẾ - 2014 Footer Page of 16 Header Page of 16 Footer Page of 16 Header Page of 16 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Quốc Tuấn, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian làm luận văn Hỗ trợ dẫn giúp em hoàn thành phần thực nghiệm Xin cảm ơn thầy, cô, anh, chị, bạn khoa Điện tử viễn thông tạo điều kiện giúp đỡ, bảo cho lời khuyên vô quý báu Em xin trân trọng cảm ơn ! Học viên Nguyễn Quốc Nam Footer Page of 16 Header Page of 16 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp thầy Nguyễn Quốc Tuấn Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Học viên Nguyễn Quốc Nam Footer Page of 16 Header Page of 16 NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ ATSC Advanced Television System Commitee Uỷ ban hệ thống truyền hình (của Mỹ) Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai mức C/N Carrier-to-noise ratio Tỷ số sóng mang tạp âm CCIR Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn điện thoại điện báo International Telegraph and quốc tế Telephon CCITT Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn vụ tuyến quốc tế International Radio B BPSK C CENELEC Com Europ de Normal - Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử isation ELECtrotechnique Châu Âu COFDM Coded Orthogonal Freq Ghép đa tần trực giao có mã Division Multiplexing CSIF Common Source Định dạng trung gian cho nguồn chung Intermediate Format (dùng chuẩn Mpeg) D D/A Digital - to - Analogue Chuyển đổi số - tương tự converter DBPSK Differential Binary Phase Khóa dịch pha vi sai hai mức Shift Keying DCT Discrete Cosine Transform Chuyển đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Modulation DQPSK Differential Quadratue Phase Khóa dịch pha vi sai bốn mức Shift Keying Footer Page of 16 Pulse Code Điều chế xung mó vi sai Header Page of 16 DTTB Digital Terrestrial Television Truyền dẫn truyền hình số mặt đất Broadcasting DTV Digital television Truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số DVB-C DVB - Cable Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB – Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB - Terrestrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất E EBU European Union EDTV Enhanced TeleVision ETSI European Telecommunica Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu Standards Institute Broadcasting Uỷ ban phát truyền hình Châu Âu Definition Truyền hình phân giải nâng cao F Division Ghép kênh phân chia tần số FDM Frequency Multiplex FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần Group Of Pictures Nhóm ảnh (trong Mpeg) HDTV High Definition TeleVisio Truyền hình phân giải cao HL High Level Mức cao (dựng MPEG-2) HP High Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dựng điều chế phân cấp) I In-phase Đồng pha (dựng QAM) IDFT Inverse DFT DFT ngược G GOP H Footer Page of 16 Header Page of 16 IEC International Electrotech Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế Commission (part of ISO) IFFT Inverse FFT ISDB-T Intergeted Services Digital Hệ thống truyền hình số mặt đất sử Broadcasting – Terrestrial dụng mạng đa dịch vụ FFT ngược (của Nhật) Standard Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO International Organization ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế J JBIG Joint Binary Image experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu Group chuẩn ảnh nhị phân JPEG Joint Photographic Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu Group chuẩn ảnh JTC Joint Technical Committee Ủy ban kỹ thuật phát truyền hình broadcast Châu Âu L Definition Truyền hình phân giải giới hạn LDTV Limited TeleVision LO Local Oscillator Bộ dao động nội LP Low Priority bit stream Dùng bít ưu tiên thấp MB Macro Block Khối macro (dựng MPEG-2) ML Main Level (dựng MPEG-2) MP Main Profile (dựng MPEG-2) MPEG Moving Group MUX Multiplex M N Footer Page of 16 Pictures Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu chuẩn hình ảnh động Gép kênh Header Page 10 of 16 Non Return to Zero Không trở zero OBO Output Back Off Độ dự trữ công suất đầu khuếch đại OFDM Orthogonal Frequency Ghép đa tần trực giao Division Multiplexing OOK On-Off-Keying OSI Open System nection model NRZ O Khóa tắt mở Intercon- Phương thức liên kết hệ thống mở P PAL Phase Alternating Line PRBS Pseudo-Random Sequence PRK Phase Reversal Keying Khóa đảo pha PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Q Quadrature phase Vuông pha (dựng QAM) QAM Quadrature Modulation QPSK Quadratue Keying Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét) Binary Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân Q Amplitude Điều chế biên độ vuông góc Phase Shift Khóa dịch pha vuông góc R RF Radio Frequency Cao tần R-S Reed-Solomon Reed-Solomon SDTV Standard TeleVision SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần số SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín tạp T Footer Page 10 of 16 Definition Truyền hình phân giải chuẩn Header Page 66 of 16 62 Qua luận văn giúp hiểu thêm kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM với đặc tính kỹ thuật bật mình: Tính trực giao khẳng định chắn hiệu lý thuyết truyền tin; Khoảng bảo vệ cho phép đảm bảo tính trực giao đồng thời giúp loại bỏ nhiễu ISI; Phép biến đổi Fourier tạo giải pháp đơn giản hiệu để thực kỹ thuật này, giúp cho OFDM ứng dụng rộng rãi Cùng với việc sử dụng hiệu kỹ thuật đồng bộ, cân mã hóa, OFDM chứng tỏ vai trò hệ thống viễn thông kỹ thuật điều chế tiên tiến.Hiểu thêm truyền hình số mặt đất – ứng dụng kỹ thuật OFDM thực tế.Biết trở ngại hệ thống OFDM là: vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ, cuối vấn đề tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR lớn Mạng OFDM ứng dụng cách hiệu nhiều hệ thống vô tuyến riêng biệt hệ thống phát kỹ thuật số (DAB) truyền hình kỹ thuật số (DVB) Truyền hình số mặt đất DVB-T (mà chọn làm tiêu chuẩn cho truyền hình số Việt Nam) ứng dụng công nghệ OFDM Công nghệ sử dụng 1705 sóng mang (ở chế độ 2K) 6817 sóng mang (chế độ 8K) cho luồng liệu QPSK, 16-QAM hay 64-QAM tỷ lệ khoảng bảo vệ Tu/Ts = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 tuỳ môi trường có trễ dài hay ngắn Với khả chống hiệu ứng đa đường động tốt OFDM tạo ngành truyền hình có hai khả mà truyền hình tương tự trước truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn đạt Giải pháp trình chuyển đổi từ phát sóng analog sang phát sóng truyền hình số đáp ứng yêu cầu trước mắt địa phương Các giải pháp nêu toán tạm thời đài truyền hình nhằm giải toán:Tận dụng sở vật chất sẵn có sử dụng Đài truyền hình địa phương truyền hình Analog Chuẩn bị đội ngũ kĩ thuật phát truyền hình số Đảm bảo cho người tiêu dùng có thời gian chuẩn bị kinh phí, thiết bị chuyển đổi sang máy thu hình số sử dụng máy thu hình Analog Do phạm vi đề tài rộng nên thực qua luận văn chưa cung cấp nhiều thông tin ứng dụng truyền hình số mặt đất Dù cố gắng luận văn nhiều sai sót kèm theo giới hạn hiểu biết đề tài Hy vọng kinh nghiệm hữu ích cho sau Chương trình mô luận văn giới hạn khuôn khổ xem xét ảnh hưởng vấn đề ánh xạ (mapping) điều chế IFFT cho truyền hình OFDM chủ yếu liệu ảnh file ảnh (dạng bmp ) hình ảnh chưa nén (hay chưa xử lý) Độ hoàn thiện đánh giá theo BER với SNR Footer Page 66 of 16 Header Page 67 of 16 63 Khi hình ảnh xử lý (nén – định dạng mp2 mp4) độ hoàn thiện truyền hình dựa OFDM đánh giá theo PSNR PSNR tỷ lệ tín hiệu đỉnh nhiễu tỷ lệ tín hiệu tham chiếu ảnh tín hiệu biến dạng hình ảnh tính decibel (dB).Nói chung, giá trị PSNR cao tương quan với chất lượng hình ảnh cao hơn,nhưng thực nghiệm luôn PSNR thước đo chất lượng phổ biến tính toán dễ dàng nhanh chóng Với khung hình ảnhA = {a1 aM}, B={b1 BM} MAX giá trị điểm ảnh tối đa có thể(2 ^ - 1= 255tương ứng hình ảnh 8-bit) ( , ) = 10 ( , ) Chương trình mô luận văn chưa xem xét đến ảnh hưởng phương pháp mã hóa cho truyền hình số dựa OFDM nêu chương chương 2.Tín hiệu đưa vào xử lý bước đầu định dạng ảnh chưa phải liệu video Các vấn đề tiếp tục nghiên cứu làm rõ sau Footer Page 67 of 16 Header Page 68 of 16 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt T.S Phạm Đắc Bi, K.S Lê Trọng Bằng , K.S Đỗ Anh Tú, ”Các đặc điểm máy phát số DVB-T”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin , (8/2004) Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh, “Cơ sở lý thuyết truyền tin-Tập hai “, Nhà xuất giáo dục (2000) Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức, “Kỹ thuật thông tin số_tập 1”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật- Hà Nội (2006) Nguyễn Hoàng Hải , Th.s Nguyễn Việt Anh , “ Lập trình Matlab ứng dụng“, Nhà xuất khoa học kỹ thuật- Hà Nội (2006) Phan Hương , “ Công nghệ OFDM truyền dẫn vô tuyến băng rộng điểm-đa điểm tốc độ cao (54Mbit/s) “ , Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin (13/03/2006) Quách Tuấn Ngọc,”xử lý tín hiệu số “, Nhà xuất giáo dục (1999) Nguyễn Ngọc Tiến,” Một số vấn đề kỹ thuật OFDM”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin, Kỳ 1(10/2003) Tạ Quốc Ưng , “ Điện thoại di động truyền hình số mặt đất DVB_T “ , Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin (12/11/2003) Tiếng Anh Anibal Luis Intini, “ Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wirelss Networks “ , University of California Santa Barbara – (December, 2000) 10 Digital Video Broadcasting The international Standard for Digital Television 11 Eric Phillip LAWREY BE (Hons), “Adaptive Techniques for Multiuser OFDM”, a thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Electrical and Computer Engineering School of Engineering, JAMES COOK University ( Dec2001) Footer Page 68 of 16 Header Page 69 of 16 65 12 ETS 300 744, “Digital broadcasting systems for television, sound and data services; framing structure, channel coding, and modulation for digital terrestrial television”, European Telecommunication Standard, Doc.300 744 13 K.Fazel , S.Kasier , “ Multi-carrier and spread spectrum systems “, John Wiley & Sons Ltd , The Atrium , Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England ( 2003) 14 Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House (2000) 15.Guillermo Acosta, "Smart Antenna Research Laboratory" www.ece.gatech.edu/research/ /OFDM/Tutorial_web.pdf Footer Page 69 of 16 Header Page 70 of 16 66 PHỤ LỤC Chương trình mô (Nguồn: Guillermo Acosta,"Smart Antenna Research Laboratory"- www.ece.gatech.edu/research/ /OFDM/Tutorial_web.pdf ) A File OFDM_sim.m % *************** MAIN PROGRAM FILE ***************% % ####################################################### % % ************* OFDM SYSTEM INITIALIZATION: ************* % % **** setting up parameters & obtaining source data **** % % ####################################################### % % Turn off exact-match warning to allow case-insensitive input files warning('off','MATLAB:dispatcher:InexactMatch'); clear all; % clear all previous data in MATLAB workspace close all; % close all previously opened figures and graphs SNR_dB=0:4:40; ber = zeros(1,length(SNR_dB)) fprintf('\n\n##########################################\n') fprintf('#*********** OFDM Simulation ************#\n') fprintf('##########################################\n\n') % save parameters for receiver save('parameters'); Footer Page 70 of 16 Header Page 71 of 16 67 % read data from input file x = imread(file_in); figure(100) rgb = imread(file_in); image(rgb); title('RGB image') title('Anh goc lena file bitmap'); colormap(hot(256)) % arrange data read from image for OFDM processing h = size(x,1); w = size(x,2); x = reshape(x', 1, w*h); baseband_tx = double(x); % convert original data word size (bits/word) to symbol size (bits/symbol) baseband_tx = convertor(baseband_tx, word_size, symb_size); % save original baseband data for error calculation later save('err_calc.mat', 'baseband_tx'); % signal to noise ratio in dB for SNR_dB = 0:4:40 save snr SNR_dB % ####################################################### % % ******************* OFDM TRANSMITTER ****************** % % ####################################################### % tic; % start stopwatch % generate header and trailer (an exact copy of the header) Footer Page 71 of 16 Header Page 72 of 16 68 f = 0.25; header = sin(0:f*2*pi:f*2*pi*(head_len-1)); f=f/(pi*2/3); header = header+sin(0:f*2*pi:f*2*pi*(head_len-1)); % arrange data into frames and transmit frame_guard = zeros(1, symb_period); time_wave_tx = []; symb_per_carrier = ceil(length(baseband_tx)/carrier_count); fig = 1; if(symb_per_carrier > symb_per_frame) % === multiple frames === % power = 0; while ~isempty(baseband_tx) % number of symbols per frame frame_len = min(symb_per_frame*carrier_count,length(baseband_tx)); frame_data = baseband_tx(1:frame_len); % update the yet-to-modulate data baseband_tx = baseband_tx((frame_len+1):(length(baseband_tx))); % OFDM modulation time_signal_tx = modulate(frame_data,ifft_size,carriers, conj_carriers, carrier_count, symb_size, guard_time, fig); fig = 0; %indicate that modulate() has already generated plots % add a frame guard to each frame of modulated signal time_wave_tx = [time_wave_tx frame_guard time_signal_tx]; frame_power = var(time_signal_tx); end % scale the header to match signal level Footer Page 72 of 16 Header Page 73 of 16 69 power = power + frame_power; % The OFDM modulated signal for transmission time_wave_tx = [power*header time_wave_tx frame_guard power*header]; else % === single frame === % % OFDM modulation time_signal_tx = modulate(baseband_tx,ifft_size,carriers, conj_carriers, carrier_count, symb_size, guard_time, fig); % calculate the signal power to scale the header power = var(time_signal_tx); % The OFDM modulated signal for transmission time_wave_tx = [power*header frame_guard time_signal_tx frame_guard power*header]; end % show summary of the OFDM transmission modeling peak = max(abs(time_wave_tx(head_len+1:length(time_wave_tx)-head_len))); sig_rms = std(time_wave_tx(head_len+1:length(time_wave_tx)-head_len)); peak_rms_ratio = (20*log10(peak/sig_rms)); fprintf('\nSummary of the OFDM transmission and channel modeling:\n') fprintf('Peak to RMS power ratio at entrance of channel is:%f dB\n', peak_rms_ratio) % ####################################################### % % **************** COMMUNICATION CHANNEL **************** % % ####################################################### % % ===== signal clipping ===== % clipped_peak = (10^(0-(clipping/20)))*max(abs(time_wave_tx)); Footer Page 73 of 16 Header Page 74 of 16 70 time_wave_tx(find(abs(time_wave_tx)>=clipped_peak)) = clipped_peak.*time_wave_tx(find(abs(time_wave_tx)>=clipped_peak)) /abs(time_wave_tx(find(abs(time_wave_tx)>=clipped_peak))); % ===== channel noise ===== % power = var(time_wave_tx); % Gaussian (AWGN) SNR_linear = 10^(SNR_dB/10); noise_factor = sqrt(power/SNR_linear); noise = randn(1,length(time_wave_tx)) * noise_factor; time_wave_rx = time_wave_tx + noise; % show summary of the OFDM channel modeling peak = max(abs(time_wave_rx(head_len+1:length(time_wave_rx)-head_len))); sig_rms = std(time_wave_rx(head_len+1:length(time_wave_rx)-head_len)); peak_rms_ratio = (20*log10(peak/sig_rms)); fprintf('Peak to RMS power ratio at exit of channel is: %f dB\n', peak_rms_ratio) % Save the signal to be received save('received.mat', 'time_wave_rx', 'h', 'w'); fprintf('#******** OFDM data transmitted in %f seconds ********#\n\n', toc) % ####################################################### % % ********************* OFDM RECEIVER ******************* % % ####################################################### % clear all; % flush all data stored in memory previously tic; % start stopwatch % invoking ofdm_parameters.m script to set OFDM system parameters Footer Page 74 of 16 Header Page 75 of 16 71 load('parameters'); load('snr'); if SNR_dB > load('Ber_QPSK'); end % receive data load('received.mat'); time_wave_rx = time_wave_rx.'; end_x = length(time_wave_rx); start_x = 1; data = []; phase = []; last_frame = 0; unpad = 0; if rem(w*h, carrier_count)~=0 unpad = carrier_count - rem(w*h, carrier_count); end num_frame=ceil((h*w)*(word_size/symb_size)/(symb_per_frame*carrier_count)); fig = 0; for k = 1:num_frame if k==1 || k==num_frame || rem(k,max(floor(num_frame/10),1))==0 fprintf('Demodulating Frame #%d\n',k) end % pick appropriate trunks of time signal to detect data frame if k==1 time_wave = time_wave_rx(start_x:min(end_x, Footer Page 75 of 16 Header Page 76 of 16 72 (head_len+symb_period*((symb_per_frame+1)/2+1)))); else time_wave = time_wave_rx(start_x:min(end_x, ((start_x-1) + (symb_period*((symb_per_frame+1)/2+1))))); end % detect the data frame that only contains the useful information frame_start = frame_detect(time_wave, symb_period, envelope, start_x); if k==num_frame last_frame = 1; frame_end = min(end_x, (frame_start-1) + symb_period* (1+ceil(rem(w*h,carrier_count*symb_per_frame)/carrier_count))); else frame_end=min(frame_start-1+(symb_per_frame+1)*symb_period, end_x); end % take the time signal abstracted from this frame to demodulate time_wave = time_wave_rx(frame_start:frame_end); % update the label for leftover signal start_x = frame_end - symb_period; if k==ceil(num_frame/2) fig = 1; end % demodulate the received time signal [data_rx, phase_rx] = demod (time_wave, ifft_size, carriers, conj_carriers, guard_time, symb_size, word_size, last_frame, unpad, fig); if fig==1 Footer Page 76 of 16 Header Page 77 of 16 73 fig = 0; % indicate that demod() has already generated plots end phase = [phase phase_rx]; data = [data data_rx]; end phase_rx = phase; % decoded phase data_rx = data; % received data % convert symbol size (bits/symbol) to file word size (bits/byte) as needed data_out = convertor(data_rx, symb_size, word_size); fprintf('#********** OFDM data received in %f seconds *********#\n\n', toc) % ####################################################### % % ********************** DATA OUTPUT ******************** % % ####################################################### % % patch or trim the data to fit a w-by-h image if length(data_out)>(w*h) % trim extra data data_out = data_out(1:(w*h)); elseif length(data_out)