Ứng dụng kỹ thuật COFDM trong truyền hình số mặt đất : Luận văn ThS. Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc: 2 07 00

ĐẠI H Ọ C Q U Ố C GIA HÀ NỘI K H O A CÔNG N GHỆ TRẦN TRỌ N G D ợ c ỨNG DỤNG KỸ THUẬT COFDM TRONG TRƯYỂN HÌNH s ố MẶT ĐÂT Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô Tuyến Điện Tử Thông Tin Liên Lạc M ã số: 2.07.00 LUẶN VĂN THẠC SY NGƯỜI HƯỚNG DẨN KHOA HỌC TS NGÔ DIÊN TẬP ĐAI h C C CxUOC GIA HÀ NÔ» TRUNGTAMTiỉGNGTtN.THL? VIE*Ỉ N o V - l ũ / 'w Hà Nội - Năm 2003 > Ị MỤC LỤC M Ớ ĐẨU CHƯ ƠNG T Ổ N G QUAN VỂ TRUYỂN h ìn h s ố 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 1.3 Ưu điểm truyền hình số ] Ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất giới 1.4.1 Chuẩn ATSC a Đặc điểm chung b Phương pháp điều chế VSB tiêu chuẩn ATSC 1.4.2 Chuẩn DVB a Đặc điểm chung b Phương pháp mã sửa sai ghép đa tần trực giao COFDM tiêu chuẩn DVB-T 1.4.3 Chuẩn ISDB-T 1.5 So sánh ba hệ phát hình số mặt đất CHƯƠNG KỸ TH U Ậ T ĐIỂU CHÊ C O F D M 2.1 Mở đầu 2.2 Nguyên lý OFDM 2.3 Kỹ thuật COFDM 2.3.1 Khối trải lượng 2.3.2 Bộ mã kênh a Mã khối mã Reed-Solomon b Mã hoá R-S c Giải mã R-S d Mã chập e Chồng tầng mã 2.3.3 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song 2.3.4 Bộ ánh xạ tín hiệu 2.3.5 Bộ biến đổi IFFT 2.3.6 Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp 2.3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 2.3.8 Bộ chuyển đổi D/A khuếch đại công suất HPA 2.4 Ưu nhược điểm hệ thống OFDM 2.4.1 u điểm 30 a Đáp ứng nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả kháng nhiễu tốt kênh Phadinh chọn lọc tần số 30 b Tính phân tập tần số cao 30 c Hiệu suất sử dụng phổ cao 31 d Tính đơn giản, hiệu thực thi hệ thống 32 2.4.2 Nhược điểm 32 a.Tỷ số cơng suất cực đại cơng suấttrung bình cao 32 b 32 Quá trình đồng CHƯ ƠNG TRUYỂN HÌN H s ố MẶT ĐẤT T H E O TIÊU CHUẨN DVB-T 34 3.1 Mở đầu 34 3.2 Các khối chức 37 3.2.1 Khối ghép kênh tạo dòng truyền tải 37 3.2.2 Khối ngẫu nhiên hoá trải lượng 38 3.2.3 Mã sửa sai ngoại trộn ngoại 39 3.2.4 Mã sửa sai nội 40 3.2.5 Trộn nội (inner interleaving) 41 a Trộn bit (Bit-wiselnterleaving) 41 b Trộn ký hiệu liệu (Symbol interleaver) 44 3.2.6 Các chịm tín hiệu ánh xạ 44 3.3 Lưạ chọn thông số chế độ hoạt động 44 3.3.1 Các chế độ hoạt động 45 3.3.2 Lựa chọn sơ đồ điềuchế mã sửa sai nội 46 3.3.3 Lựa chọn số sóng mang 49 3.3.4 Lựa chọn chế độ điểu chế phân cấp không phân cấp 49 a Chế độ không phân cấp 50 b Chế độ phân cấp 50 3.4 Cấu trúc khung OFDM 55 3.4.1 Cấu trúc khung 55 3.4.2 Truyền tham số (Transmission Parameter Signalling) 58 3.5 Mạng đơn tần SFN 58 3.5.1 Khái niệm mạng đơn tần (SFN) 58 3.5.2 Yêu cầu miền tần số SFN 59 3.5.3 Yêu cầu trone miền thời gian đôi với SFN 59 3.5.4 SFN ứng dụng thực tế 60 3.5.5 Kết luận 61 CHƯƠNG THU HÌNH s ố MẶT Đ Ấ T 62 4.1 Đặc điểm q trình thu tín hiệu truyền hình sơ' mặt đất 62 4.2 Khả thu di động DVB-T 64 4.2.1 Những yếu tố ảnh hưởng tới trình thu di động 65 4.2.2 Một kỹ thuật áp dụng để cải thiện chất lượng thu di động 66 4.3 Các đầu thu hình số DVB-T tự động dị tìm nhóm thơng số phát 67 4.3.1 Máy thu tự động điều chỉnh để đạt đượckênh thu tốt 68 4.3.2 Chu trình tự động tìm nhóm thơng số phát 69 4.4 Máy thu hình số mặt đất 70 4.4.1 Giới thiệu 70 4.4.2 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động 72 a Sơ đồ khối 72 b Nguyên lý hoạt động 73 a Mô tả phần mềm đầu thu số 74 4.5 Phân tích hoạt động hộp kênh đầu thu hình số 75 4.5.1 Sơ đổ cấu trúc hộp kênh THOMSON 76 4.5.2 IC giải mã kênh giải điều chế L64781 77 CHƯ Ơ N G XU HƯỚNG PH Á T T R IỂ N D V B-T 79 5.1 Xu hướng phát triển DVB-T giới 79 5.2 Xu hướng phát triển DVB-T Việt Nam 80 5.3 Một số kết đo đạc tín hiệu thực tế 88 5.3.1 Giản đổ chòm đo từ máy phát số với thông số khác 88 5.3.2 Phổ tín hiệu số hai kênh liền kề đo Hải Phòng 89 K Ế T LUẬN TÀ I LIỆU T H A M KHẢO D A N H M U C TIT V IE T T A T ACI Adjacent Channel Interference ADC Analogue to Digital Converter AFC Automatic Frequency Control AGC Automatic Gain Control ASI Asynchronous Serial Interface ATM Asynchronous Transfer Mode ATSC Advanced Television System Committee BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying C/N Carrier to Noise Ratio CAM Conditional Access Module CCI Co- Channel Interference COFDM Coded-OFDM CP Cyclic Prefix DAB Digital Audio Broadcasting DAC Digital to Analogue Converter DFT Discrete Fourier Transform DQPSK Difference QPSK DVB Digital Video Broadcasting DVB-C DVB- Cable DVB-S DVB-Satellite DVB-T DVB-Terrestrial EBU European Broadcasting Union ETSI European Telecommunication Standards Institude FDM Frequency Division Multiplex FDMA Frequency Division Multiplex Access FFT Fast Fourier Transform GI Guard Interval GPS Global Possitionning System HDTV High Definition Television HP High Priority bit stream HPA High Power Amplifier HPF High Pass Filter I2C Intel Integrated Circuit ICI Inter Carrier Interference IF Intermediate Frequency IFFT Inverse Fast Fourier Transform I-Q In phase - Quadrature phase IOT Inductive Output Tube IR Infrared Remote Control ISDB-T Intergeted Services Digital Broadcasting - Terrestrial ISI Inter Symbol Interference LO Local Osillator LP Low Priority bit stream LSB Least Significant Bit LVDS Low Voltage Difference Signal MFN Multi Frequency Network MHP Multimedia Home Platform M P@ ML Main Profile @ Main Level MPEG Moving Picture Experts Group MSB Most Significant Bit MSP MPEG System Processor MTS MPEG- Tranport Stream OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex OS Operating System OSI Open System Interconnection PAL Phase Alternating Line PAR Peak to Average Power Ratio PLL Phase Lock Loop PRBS Pseudo-Random Binary Sequence PSI Program Specific Information QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quaternary Phase Shift Keying RCU Remote Control Unit R-S Reed-Solomon RTK Real Time Kernel S/N Signal to Noise Ratio SCL Serial Clock SDA Serial Data SDTV Standard Definition TeleVion SECAM Systeme Sequentiel Couleur A Memoire SFN Single Frequency Network TDM Time Division Multiplex TPS Tranmission Parametter Signalling UART Universal Asynchronous Receiver-Tranmitter UHF Ultra- High Frequency VHF Very High Frequency VSB Vestigial SideBand CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỂ TRUYEN h ì n h s ố 1.1 Giói thiệu chung Cùng với phát triển kỹ thuật điện tử tin học yêu cầu số lượng chất lượng chương trình truyền hình kỹ thuật sản xuất truyền dẫn tương tự chương trình truyền hình ngày tỏ ưu Kỹ thuật xử lý tín hiệu số thuật tốn nén tín hiệu hình ảnh đời làm xuất kỹ thuật truyển hình số Kỹ thuật truyền hình số đời giải yêu cáu cách triệt để Như ta biết độ rộng băng tần kênh truyền hình tương tự MHz, với băng tần ta truyền vài chương trình truyền hình số có nén cách thực ghép kênh điều chế số chúng Có ba phương pháp truyền dẫn tín hiệu truyền hình thơng thường là: - Truyền hình mặt đất - Truyền hình vệ tinh - Truyền hình cáp Hình vẽ 1.1 sơ đồ hệ thống truyền hình đại Camera ỉ ccu Sản xuất CT Ghi lưu Dựng hình Tạo kỹ xào V Audio C c chương t r ìn h k h c MTS (Point-to-Point or Network) Giải điều chế RF QPSK QAM ATM Gateway Truyền qua vệ tinh, cáp, măt đất Điều chế RF ATM Gateway TDM TV Set Giải nén C c chươ ng [rìn h k h c QAM Mạng băng rộng TDM Phân kẽnh MTS truyền tải ị ị ị MTS QPSK V Ỷ SẢN XUẤT CT Ghi lưu Dựng hình Tạo kỹ xảo HÌIÌÌ1 1.1 : H ệ tlỉơng truyền hình đại Tín hiệu Audio, Video ghi lại dạng số, tương tự trường quay, sân vận động đưa để ghi lại, dàn dựng tạo kỹ xảo để sản xuất chương trình truyền hình hồn thiện Các chương trình nén ghép kênh với chương trình khác để tạo dịng truyền tải Các dịng truyền tải điều chế số để phù hợp với trường dẫn cáp, vệ tinh phát sóng mặt đất để truyền tới nơi thu Tại nơi thu, trình xử lý diễn ngược lại với phía phát để tạo tín hiệu audio, video để hiển thị Mỗi phương pháp truyền dẫn tín hiệu truyền hình có ưu nhược điểm định Thí dụ với mơi trường truyền cáp ta truyền nhiều chương trình băng thơng cáp hay nói cách khác độ rộng bàng thơng cáp lớn, khơng bị ảnh hưởng can nhiễu điện từ (cáp quang) Nhưnơ ta thấy hệ thống đòi hỏi đầu tư ban đầu tương đối lớn Với truyền hình qua vệ tinh ta truyền hình đến hộ gia đình, diện tích phủ sóng rộng Song ta thấy truyền hình vệ tinh khơng thể phát chương trình đài địa phương Truyền hình số mặt đất giải vấn đề cách thu lại chương trình từ mạng quốc gia sau thực giải mã ghép kênh lại có chèn thêm chương trình truyền hình địa phương, đoạn chương trình quảng cáo thực phát sóng số mặt đất [9] 1.2 Các phưong thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình sơ • T ru y ề n q u a c p đ n g trụ c Để truyền tín hiệu video số sử dụng cáp đồng trục cao tẩn Tín hiệu video số hố, nén sau đưa vào điều chế Sóng mang cao tần điều chế 64-QAM, 128-QAM 256-QAM Độ rộng băng tần tín hiệu phụ thuộc vào tốc độ bit tín hiệu, phương pháp mã hoá sửa sai kiểu điều chế • T ru y ề n tín h iệ u tru y ề n h ìn h sơ b ằ n g cá p q u a n g Cáp quang có nhiều ưu điểm việc truyền dẫn tín hiệu số: - Băng tần rộng cho phép truyền tín hiệu số có tốc độ cao - Độ suy hao thấp đơn vị chiều dài - Xuyên tín hiệu sợi quang dẫn thấp (-80 đB) - Thời gian trễ qua cáp quang thấp • T ru y ề n tín h iệ u tru y ề n h ìn h sơ q u a vệ t in h Thông tin vệ tinh đặc biệt có ưu trường hợp: - Cự ly liên lạc lớn - Liên lạc điểm đến đa điểm phạm vi rộng phạm vi toàn cầu Kênh vệ tinh khác với kênh phát sóng mặt đất có băng tần rộng hạn chế công suất phát Khuếch đại công suất Transponder làm việc với lượng back o ff nhỏ điểu kiện phi tuyến, sử dụng điều chế QPSK tối ưu Các hệ thống truyền qua vệ tinh thường làm việc dải tần số cỡ GHz • P h t s ó n g tru y ề n h ìn h sơ trê n m ặ t đ ấ t Hiện nay, có ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất: ATSC, DVB-T ISDB-T Ba tiêu chuẩn có điểm giống sử dụng chuẩn nén MPEG-2 cho tín hiệu video ATSC sử dụng điều chế 8-VSB DVB-T ISDB-T sử dụng phương pháp ghép đa tẩn trực giao OFDM, sóng mang thành phần điều chế QPSK, 16 QAM 64-QAM Truyền hình số qua vệ tinh, cáp mặt đất lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ, Bắc Mỹ Châu Âu Khó khăn kỳ thuật truyền hình số mặt đất chịu ảnh hưởng sóng phản xạ, pha đinh nhiễu xung Nó trở nên khó khăn mục tiêu Châu Âu đặt phát triển mạng đơn tần nhằm mục tiêu tăng số lượng kênh truyền hình băng tần có Trong mạng đơn tần, tất máy phát làm việc irên tần số, đồng nguồn tẩn số chung có độ ổn định cao phát chương trình giống Máy thu thu tín hiệu tổng hợp từ máy phát khác với thời gian trễ khác Hiện có ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất - ATSC Mỹ - DVB-T Châu Âu - ISDB-T Nhật CH Ư Ơ NG XU HƯỚNG PH Á T T R IE N DVB-T 5.1 Xu hướng phát triển DVB-T thê giới Bản đồ phân bố tiêu chuẩn truyền hình số giới DVB-T, ATSC, ISDB-T trích từ trang Web có quan tâm tới phát triển cơng nshệ FTTH số đầu tháng 1/2002 Bản đồ công bố mạng Internet tháng 7/2001 D ig ita l S t a n d a r d s - W o r ld w id e 0 DVB-S DVB-C DVB-S T«kIinfl o r r o - o v a l u a t irv j * in itù * I đ ttC ÌK Ío n : Argentina B '-áüü Cepeda Chic Crina M OTQKong Koree M a lo y bin Meneo S o u lh K c r t B ■ hnl«n : 07J24B HEM $̧Ml ChmmmmX * s» HiềiìitiM: tCOMI coron I M i ỉ » Qmmr* lat s /« Go4a totd s 2/3 Ih a c o p r u c t c d mTI m m * # ♦ % * #• i m #■ ♦ m < rv > tĩĐI KTD «M»l ta * * » 4 4 * * 3.55e-«f *« M PkõM Jitt: ã 36*4* itm HH t fm ôitvrk m.m* »m Trm «itarbt X M - F r« « ■OAKKT Itcmouic« u» -t H ìn h 5.7: C h ò m 16-Q A M 88 2 J* đ * * «3.4? s « M -C x (kM « Ẹrr s Carr Svppỉ TiaSdl IQM (WOO 1512 I>l£«Lbled Hình 5.8: Chịm 64-QAM 5.3.2 Phổ tín hiệu sỏ hai kênh liền kề đo Hải Phòng Hỉnh 5.10: Phổ kênh 28 ¡ương tự hai kênh sô liền kề 29 30 Hải Phịng Qua kết đo phổ tín hiệu hai kênh liền kề cho ta thấy khả đặc biệt DVB-T Việc sử dụng hai kênh liền kề cho phép ta tận dụng hệ thống khuếch đại antena dải rộng tiết kiệm chi phí đầu tư cho hệ thống Đây ưu việt mà hệ tương tự có khơng thực Trên số giải pháp thực thời kỳ đầu triển khai phát hình số Với ưu việt DVB-T việc triển khai mạng phát hình số quốc gia với nhiêu dịch vụ tiện lợi kèm thực cách nhanh chóng, đưa định hướng lộ trình chuyển đổi cơng nghệ truyền hình thành quy hoạch kế hoạch cụ thể để thực có kết thập niên đầu kỷ 21, nhằm đuổi kịp trình độ cơng nghệ kỹ thuật truyền hình nước khối ASEAN nước khác giới 90 K Ế T LUẬN Truyền hình số mặt đất xuất số thành phố lớn nước ta hai năm Tuy lĩnh vực mẻ với tính vượt trội vào sống nhu cầu thiết yếu người xem truyền hình Cũng phát số qua vệ tinh, việc tìm hiểu ứng dụng cách có hiệu qủa kỹ thuật mẻ phục vụ cho sống cần thiết nội dung luận văn Với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật với tăng trưởng kinh tế không ngừng tương lai khơng xa Việt Nam có mạng phát hình đại sánh ngang nước khu vực cịn có nhiều khó khăn trước mắt Tác giả mong sau có nhiều nghiên cứu tập trung sâu khía cạnh hệ thống, góp phần phát triển kỹ thuật cịn non trẻ ỏ Việt Nam Xin chân thành cảm ơn TÀI LIỆU TH AM KHẢO [1] Data Sheet of LSI64781, (2001) “L64781 DVB-T COFDM Demodulator”, http://www.lsilogic.com [2] Data Sheet of SP5730 “ 1.3GHz Low Phase Noise Frequency Synthesiser” http://www.zarlink.com [3] ETSI EN 300 744 V I.4.1 (2001) “Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television", pp 9-35, European Standard (Telecommunications series) [4] ETSI TR 101 154 V I.4.1 (2000), “Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for the use of MPEG-2 Systems, Video and Audio in satellite, cable and terrestrial broadcasting applications”, Technical Report [5] Faria G (1998), “Single Frequency networks a magic feature of COFDM” , pp 2-13, ITIS, France [6] Faria G (1999), “DVT- T Hierarchical Modulation: An Opportunity For New Services? ” [7] Faria G (2002), “DVB-T: New Operative Modes For Digital Terrestrial TV” , Harris Broadcast Europe, France 18] Faria G, “ Mobile DVB-T Using Antenna Diversity Receirver” [9] NDS limited (1998), “Transport Stream Splicing For Broadcast Networks”, pp 5-8 [10] Shelswell.P (1996), “The COFDM Modulation System The heart of Digital Audio Broadcasting”, pp 4-5.7'/?«? British Broadcasting Corporation [11] Stott.J (1995), “The Effects Of Frequency Errors in OFDM” [12] TR 101 190 V I 1.1 (2001), “Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects”, pp 12-45, Technical Report [ 13] Van Nee.R and Prasad.R (2000) OFDM Wireless Multimedia Communication, pp 40-42, 119-152, Artech House, London [14] W aldeck.P (2001), “ Fast Techniques for MPEG-2 Editing”, pp 6-13 [15] Wicker.S , Erorr Control Systems for Digital Communication and Storage, pp 186-238, pp 264-322, Prentice Hall [ 16] W ijeman.R ( 1999), “MPEG& Digital Literarture”, pp 26-28 [ 17] W W W digitag.org/news/ NewsLetter /dtg_maynews.htm