Phân tích các nhân tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB t2) so với DVB t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN HIỂN PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƢU VIỆT CỦA TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ DVB-T2 SO VỚI DVB-T NGÀNH : CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ THÁI TRỊ HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Phân tích số yếu tố tạo nên tính ưu việt tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T” sản phẩm thực hướng dẫn TS Ngơ Thái Trị Trong tồn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Phạm Văn Hiển LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tận tình chu tơi có mơi trường tốt học tập nghiên cứu Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Ngô Thái Trị người trực tiếp hướng dẫn, bảo tơi tận tình suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Một lần xin gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ thời gian vừa qua Tơi xin kính chúc thầy giáo, anh chị bạn mạnh khỏe hạnh phúc Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Phạm Văn Hiển MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T) 1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744 1.1.1 Phạm vi tiêu chuẩn 1.1.2 Nội dung tiêu chuẩn 1.2 Thực cách sử dụng COFDM 1.3 Ghép đa tần trực giao OFDM 1.3.1 Nguyên lý OFDM: 1.3.2 Số lượng sóng mang 10 1.3.3 Đặc tính trực giao việc sử dụng DFT/FFT 12 1.3.4 Tổ chức kênh OFDM 15 1.3.5 Phương thức mang liệu COFDM 19 1.4 Mã hóa kênh DVB-T 20 1.4.1 Mã hóa phân tán lượng 21 1.4.2 Mã ngoại (outer coding) 22 1.4.3 Ghép xen ngoại (outer interleaving) 22 1.4.4.Mã hoá nội (inner coding) 24 1.4.5.Ghép xen nội 26 1.5 Một số khả ƣu việt DVB-T 31 1.5.1 Điều chế phân cấp 32 1.5.2 Mạng đơn tần SFN 37 1.6 Kết luận chƣơng I 40 CHƢƠNG II TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 .41 2.1 Những ƣu điểm tiêu chuẩn DVB-T2: 41 2.2 Mơ hình cấu trúc hệ thống DVB-T2: 42 2.3 Một số tính mở rộng DVB-T2 44 2.3.1 Các thông số mở rộng DVB-T2: 44 2.3.2 Giải pháp kỹ thuật DVB-T2 : 44 2.4 Kết luận chƣơng II 59 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƢU VIỆT CỦA DVB-T2 SO VỚI DVB-T 61 3.1 Kích thƣớc FFT 61 3.1.1 Các thông số mở rộng FFT 61 3.1.2 Kết đo kiểm thực tế 63 3.2 Mở rộng băng thông 64 3.3 Pilot tán xạ 66 3.4 Khoảng bảo vệ - GI 67 3.4.1 Các chế độ điều chế khoảng bảo vệ - GI 67 3.4.2 Kết đo kiểm thực tế 72 3.5 Chòm xoay 74 3.5.1 Một số thơng số chịm xoay 74 3.5.2 Kết đo kiểm 76 3.6 Kết luận chƣơng III 81 KẾT LUẬN CHUNG 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 BPSK BCH DCT DFT DPCM DVB DVB-C DVB-S DVB-T ES FEC FFT FSK GOP HDTV I Q IDFT IFFT ISO LP PLP MB ML MP MPEG MISO OOK QAM QPSK RS SDTV SFN TS TR UHF VHF VLC VSB DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sơ đồ puncturing dãy truyền sau biến đổi nối tiếp song song 25 Bảng 1.2: Hoán vị bit theo mode 2k 31 Bảng 2.1: Ví dụ so sánh DVB-T2 với DVB-T Anh 42 Bảng 2.2: Ví dụ cấu hình DVB-T2 ghép ống lớp vật lý 48 Bảng 3.1: Thơng số kích thước FFT DVB-T2 / 8MHz 61 Bảng 3.2: Các thông số đo với FFT thay đổi 8K 16K 64 Bảng 3.3: Tăng lưu lượng liệu kênh truyền tương ứng với chế độ sóng mang mở rộng 65 Bảng 3.4 : Các dạng pilot tán xạ [tham khảo theo TS 102 831] 67 Bảng 3.5: Độ dài khoảng bảo vệ DVB-T2 (kênh 8Mhz) .69 Bảng 3.6: Tốc độ bit cực đại cấu hình kênh 8MHz,32k,1/128,PP7 71 Bảng 3.7 : Kết đo kiểm FFT: 32K thay đổi GI 73 Bảng 3.8 : Kết đo kiểm FFT: 16K thay đổi GI 73 Bảng 3.9: Giá trị góc xoay 76 Bảng 3.10: Các thơng số đo chưa xoay chịm 78 Bảng 3.11: Các thông số đo chưa xoay chòm 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối chức hệ thống phát hình số mặt đất Hình 1.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu symbol Hình 1.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ Hình 1.4: Chèn thêm scattered pilot Hình 1.5: Phân chia kênh Hình 1.6: Ví dụ đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, có độ dịch tần Doppler khác nhau, với đường tín hiệu Trục z miêu tả đáp ứng kênh Hình 1.7: Chèn sóng mạng phụ Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ Hình 1.9: Dạng tín hiệu minh họa có khoảng bảo Hình 1.10: Các sóng mạng đồng Hình 1.11: Thực mapping liệu lên symbol Hình 1.12: Chịm sở DVB-T Hình 1.13: Sơ dồ miêu tả nguyên lý ngẫu nhiên, 21 giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý ghép tách ngoại Hình 1.15: Các bước trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại (n = 2,3, 8) Hình 1.16: Sơ đồ thực mã chập tốc độ 1/2 Hình 1.17 Sơ đồ thực việc ghép nội mapping theo mơ hình khơng phân cấp mapping theo mơ hình phân cấp Hình 1.19: Chòm phân cấp DVB-T Hình 1.20: Sơ đồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp Hình 1.21: Đồng miền tần số Hình 1.22: Đồng mặt thời gian Hình 2.1: Mơ hình cấu trúc DVB-T2 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống DVB-T2 45 Hình 2.3: Vai trị T2-Gateway 46 Hình 2.4: Các Ống lớp vật lý 48 Hình 2.5: Khung T2 với chế độ M-PLP 50 Hình 2.6: DVB-T2 với chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác 50 Hình 2.7: Mật độ phổ công suất mode 2K 32K 52 Hình 2.8: Mơ hình MISO 53 Hình 2.9: Mẫu hình Pilot phân tán DVB-T(trái) DVB-T2(phải) 54 Hình 2.10: Đồ thị chịm 256-QAM 54 Hình 2.11: Chòm 16-QAM xoay 55 Hình 2.12: Hiệu chịm xoay so với khơng xoay .55 Hình 2.13: Tráo tế bào 57 Hình 2.14: Tráo thời gian 59 Hình 3.1: Mối liên hệ kích thước FFT GI 62 Hình 3.2: Phổ tín hiệu DVB-T2 lý thuyết với khoảng bảo vệ - GI=1/8 (kênh 8Mhz với chế độ sóng mang mở rộng 8K, 16K, 32K) 65 Hình 3.3: Đồ thị chòm 256-QAM 68 Hình 3.4: GI biểu diễn theo miền thời gian 70 Hình 3.5: Tốc độ bit cực đại với chế độ Khoảng bảo vệ khác 72 Hình 3.6: Biểu đồ chòm điều chế 16-QAM 74 Hình 3.7: Biểu đồ chịm xoay điều chế 16-QAM 75 Hình 3.8: Cơ sở điều chế mã hóa xen bit với trễ ánh xạ xoay .76 Hình 3.9: Chòm chưa xoay 77 Hình 3.10: Chịm xoay 79 làm trễ không vượt đoạn bảo vệ, tất thành phần tín hiệu khoảng tổ hợp đến từ symbol tiêu chuẩn trực giao thoả mãn ICI ISI xảy trễ vượt khoảng bảo vệ Độ dài khoảng bảo vệ lựa chọn cho phù hợp với mức độ tượng phản xạ nhiếu đường DVB-T2 sử dụng nhiều khoảng bảo vệ khác nhau, tùy thuộc vào chế độ thu (di động, indoor, outdoor ): 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4 Bảng 3.6: Tốc độ bit cực đại cấu hình kênh 8MHz,32k,1/128,PP7 71 Một khác biệt DVB-T DVB-T2 tăng số lượng khoảng bảo vệ GI: 1/128, 19/256, 19/ 128, mục đích việc tăng kích thước chiều dài khoảng bảo vệ hiệu việc triển khai mạng đơn tần - SFN Bảng 3.6 hình 3.5 cho thấy tốc độ cực đại cấu hình cho phép hệ thống khác dải thông 8MHz, 32k, 1/128, PP7 Hình 3.5: Tốc độ bit cực đại với chế độ Khoảng bảo vệ khác (Băng thông 8MHz, 32k PP7) Trong việc quy hoạch triển khai mạng DVB-T2, việc tính tốn thơng số phát cho điều chế OFDM quan trọng.Đối với thông số FFT, cần quan tâm tới: - Khoảng cách liên sóng mang - Thời lượng symbol Kích thước FFT tăng: khoảng cách sóng mang phụ nhỏ thời lượng symbol tăng lên 3.4.2 Kết đo kiểm thực tế - Địa điểm phát: Phòng Đo Lường Thử nghiệm 84/3 Ngọc Khánh - Máy phát DVB-T2, Kênh 28, công suất tối đa 500W, Anten phát panel, cao 15m 72 - Địa điểm đo: Đài THVN – 43 Nguyễn Chí Thanh - Thiết bị đo: * Máy đo trường Promax HD – hãng Promax * Máy đo TV Analyzer – ETL – hãng Rohde&Schwarz * Xe + Anten đo trường chuyên dụng - hãng Rohde&Schwarz B, Đo với chế độ 32K, thay đổi GI Ch Băng Chế đ G Điều Tỷ l C/N Tốc độ Bảng 3.7 : Kết đo kiểm FFT: 32K thay đổi GI c Đo với chế độ 16K, thay đổi GI Chế độ Băng thông Chế độ FFT GI Điều chế Tỷ lệ mã C/N (dB) Tốc độ (Mb/s) Bảng 3.8 : Kết đo kiểm FFT: 16K thay đổi GI 73 Nhận xét: Với thông số phát, DVB-T2 với khoản bảo vệ mở rộng tới 1/128 tốc độ bit truyền tăng lên nhiều 3.5 Chịm xoay 3.5.1 Một số thơng số chịm xoay Một số kỹ thuật sử dụng DVB-T2 chòm xoay (Rotated Constellation) trễ Q (Q-delay) Sau định vị, chòm “xoay” góc mặt phẳng I-Q mơ tả hình 3.7  Biểu Đồ chịm Nguyên lý điều chế DVB-T2 là: khung thông tin mã hóa thơng qua mã hóa FEC, sau xử lý tráo bit chuỗi kết ánh xạ lên biểu tượng kênh phức tạp biểu tượng kênh bao gồm thành phần: I Q, hiển thị biểu đồ chịm hình 3.7 Mỗi symbol mang số lượng m bit theo đặc tính chịm lựa chọn Có nhiều cách để gán bit vào symbol Các kết tốt có bit thay đổi từ symbol tới symbol gần kế tiếp, theo cách có bit bị lỗi symbol cho không phù hợp với symbol gần kế tiếp, cách mã hóa gọi ánh xạ Gray, hình 2.10 cho thấy chịm ánh xạ Gray Hình 3.6: Biểu đồ chịm điều chế 16-QAM 74 Có nhiều cách để gán bit vào symbol Các kết tốt có bit thay đổi từ symbol tới symbol gần kế tiếp, theo cách có bit bị lỗi symbol cho không phù hợp với symbol gần kế tiếp, cách mã hóa gọi ánh xạ Gray, hình 3.6 cho thấy chòm ánh xạ Gray  Vòng Xoay biểu đồ chòm Ánh xạ Gray có nghĩa là: thành phần I Q độc lập symbol Như hệ quả, điểm chòm cần thành phần xác định: I Q Trong đó, thành phần I khơng chứa thơng tin Q ngược lại Vậy cách để suy trì xác độc lập xoay biểu đồ chịm (hình 3.7), m bit đơn lẻ có thành phần I Q riêng biệt Hình 3.7: Biểu đồ chòm xoay điều chế 16-QAM  Góc Xoay Để xác định góc xoay tối ưu cần xác định nhiều thơng số Nói chung, hình chiếu điểm chịm trục nên có khoảng cách để đạt hiệu tốt Điều tốt đạt với góc xoay bảng 3.10 75 Bảng 3.9: Giá trị góc xoay  Trễ thời gian I Q Các thành phần I Q tách trình tráo cho chúng truyền miền tần số miền thời gian khác Nếu có thành phần bị huỷ hoại kênh truyền, thành phần cịn lại sử dụng để tái tạo lại thông tin Kỹ thuật giúp hạn chế mát thông tin kênh Gauss tạo độ lợi 0.7dB kênh có phađing Độ lợi lớn kênh 0dB phản xạ (SFN) kênh xố (nhiễu đột biến, phađing có chọn lọc) Hình 3.8: Cơ sở điều chế mã hóa xen bit với trễ ánh xạ xoay 3.5.2 Kết đo kiểm Tiến hành đo kiểm: - Phát DVB-T2 kênh 28, tần số 530MHz 76 - Sử dụng Dịng ASI đầu vào có tốc độ: + Tốc độ cao: 38,9Mb/s + Tốc độ thấp: 24,0Mb/s - Thay đổi thông số phát: Chế độ điều chế, mã sửa sai, khoảng bảo vệ… - Sử dụng thiết bị đo để đo: mức tín hiệu, C/N, MER - Sử sụng Set-top-box để đánh giá khả thu nhận chất lượng hình ảnh - Đặt chế độ thiết bị phát theo chế độ thử nghiệm, khơng quay chịm - Điều chỉnh suy hao đầu vào để mức thu gần giá trị ngưỡng Ghi kết thu đo với chất lượng thu giải mã hình ảnh Tiến hành cài đặt chế độ điều chế quay đồ thị chòm - Điều chỉnh suy hao đầu vào để mức thu gần giá trị ngưỡng Ghi kết thu đo với chất lượng thu giải mã hình ảnh Kết đo kiểm thu sau: A, Khi chƣa xoay chịm Hình 3.9: Chịm chưa xoay 77 Thử nghiệm với : chế độ FFT 32K (Điều chỉnh mức ngưỡng 6dB) Điều chế 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM Bảng 3.10: Các thông số đo chưa xoay chịm Mức cường độ trường 52,5dBµV/m C/N u cầu lên tới 25-27dB @ MER ≥ 26dB 78 B, Sau xoay chịm sao: Hình 3.10: Chịm xoay 79 Điều chế 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM Bảng 3.11: Các thơng số đo chưa xoay chịm c, Nhận xét: Các giá trị ngưỡng C/N thay đổi so với kết đo giá trị C/N ngưỡng Tuy nhiên giá trị cường độ trường tối thiểu giá trị giá trị MER cải thiện Khi để chế độ chòm xoay, khả ổn định tín hiệu thiết bị thu cao so với chưa xoay Giá trị chênh lệch khoảng từ 3,5 đến 4,5 dB so với giá trị ngưỡng Với chế độ 256 QAM C/N mức ngưỡng (khoảng 21 đến 23dB), kể tăng tỷ lệ mã lên cao mức giá trị thu đầu vào không cải thiện nhiều Giá trị MER cải thiện tạp nhiễu tăng cao 80 3.6 Kết luận chƣơng III Với ưu điểm yếu tố tiêu chuẩn DVB-T2, hệ thống DVBT2 không giới hạn thu cố định mà cho thu xách tay chí cho thu di động nên tiêu chuẩn DVB-T2 nhà truyền thông hay người vận hành mạng truyền dẫn tự định lựa chọn mở rộng hệ thống cho phù hợp với điều kiện thu cố định, xách tay hay thu di động Từ có thiết kế hệ thống tương ứng Điều đòi hỏi tiến rõ rệt mặt hệ thống sở hệ thống DVB-T2 có để đáp ứng đòi hỏi tăng dung lượng truyền Do vậy, đòi hỏi thương mại tập trung vào lớp vật lý lớp truyền tải hệ thống với mục tiêu DVB-T2 cung cấp gia tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn so với tiêu chuẩn DVB-T thời 81 KẾT LUẬN CHUNG Sự sẵn sàng chuẩn DVB-T2 mang đến hội cho mơi trường truyền hình mặt đất Các nhà quảng bá nhà cung cấp dịch vụ khác quan tâm hỗ trợ dịch vụ DTT mà trước khó triển khai hạn chế dung lượng băng thông băng tần VHF UHF DVB-T2 tăng dung lượng lên tới 50% mạng đơn tần cịn cao mạng đa tần Việc phát triển chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ hai đáp ứng yêu cầu thực tế Đó gia tăng dung lượng băng thơng giúp cung cấp cho người xem dịch vụ truyền hình Trong nhiều quốc gia, chuẩn DVB-T2 hỗ trợ hội cho nhà quảng bá triển khai chuỗi dịch vụ HDTV môi trường DTT Chuẩn DVB-T2 có khả hỗ trợ dịch vụ tương lai Các dịch vụ hệ 3D TV hưởng lợi từ việc gia tăng dung lượng sẵn có DVB-T2 Trong số quốc gia, chuẩn dùng để hỗ trợ dịch vụ HDTV (cả miễn phí trả tiền) dùng để cải tiến hay thay dịch vụ truyền hình có độ phân giải chuẩn Sau thời gian nghiên cứu, luận văn hoàn thành mục tiêu khoa học đề ra, đạt số kết nghiên cứu lý thuyết rút số nhận xét có ý nghĩa khoa học thực tiễn Các nội dung công việc kết đạt luận văn bao gồm : + Trình bày cách tổng quan truyền hình số, ưu điểm truyền hình số so với truyền hình tương tự, giới thiệu sơ lược ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất có giới DVB-T + Trình bày số nội dung truyền hình số mặt đất theotiêu chuẩn châu âu hệ thứ (DVB-T2) Những ưu điểm DVB-T2 so với DVB-T, với việc gia tăng dung lượng lên mức giới hạn vật lý có thể, chuẩn DVB-T2 mơi trường lý tưởng cho dịch vụ như: HDTV, 3DTV + Đánh giá số nhân tố tạo nên ưu việt tiêu chuẩn DVB-T2 so với DVB-T, ưu việt sở nhà cung cấp mạng lựa chọn linh động thông số tùy vào điều kiện thu, dịch vụ cung cấp … 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Ngơ Thái Trị Truyền hình số Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 2004 TS Phạm Đắc Bi , KS Đỗ Anh Tú, KS Lê Trọng Bằng Bài viết “Thiết lập mạng đơn tần DVB-T” Khoa Học Kỹ Thuật Truyền Hình - Số 4/ 2004 Quyết định 2451/QĐ-TTg ngày 27 tháng 12 năm 2011 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Đề án số hóa truyền dẫn , phát sóng truyền hình măṭđất đến năm 2020” Kết đo kiểm thực tế đài truyền hình Việt Nam VTV tham gia nhóm đo thử nghiệm trình thực luận văn Tổng hợp từ viết tạp chí truyền hình vàbài viết mạng Thơng tư số : 11/2014/TT-BTTTT Bộ Thông tin truyền thông “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng tín hiệu truyền hình số mặt đất DVBT2 điểm thu” Tiếng Anh ETSI EN 302 755: "Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)" DVB-T2 Trial Malaysia, ABU digiatal broadcasting symposium kuala lumpur 2011 Digital Television Technology and Standards - IncJohn Arnold, Michael Frater, Mark Pickering,John Wiley & Sons, 2007 Digital Television Systems - Marcelo S Alencar, Cambridge University Press 2009 ETSI EN 301 192: "Digital Video Broadcasting, DVB specification for data broadcasting" 83 ... I: Truyền hình số m? ?t đ? ?t theo tiêu chuẩn DVB- T, chương II: Trình bày số nội dung tiêu chuẩn truyền hình số m? ?t đ? ?t DVB- T2 Chương III: M? ?t số yếu t? ?? t? ??o nên t? ?nh ưu vi? ?t DVB- T2 so với DVB- T Sau... ĐOAN T? ?i xin cam đoan nội dung luận văn ? ?Phân t? ?ch số yếu t? ?? t? ??o nên t? ?nh ưu vi? ?t tiêu chuẩn Truyền hình số m? ?t đ? ?t hệ thứ hai (DVB- T2 ) so với DVB- T? ?? sản phẩm thực hướng dẫn TS Ngơ Thái Trị Trong... s? ?t Kính mong đóng góp thầy, cô bạn CHƢƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ M? ?T Đ? ?T THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB- T) 1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số m? ?t đ? ?t ETSIEN 300744 Tiêu chuẩn ph? ?t truyền hình số m? ?t đ? ?t ETSI