Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất DVB có độ phân giải cao thông qua kết quả mô phỏng

giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - TRịNH QUYếT THắNG Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất dvb có độ phân giải cao thông qua kết mô Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông luận văn thạc sÜ khoa häc ng−êi h−íng dÉn khoa häc Pgs TS NGUN QC TRUNG hµ néi - 2009 -i- Mơc lơc Danh mục chữ viết tắt v Danh môc bảng viii Danh mơc h×nh vÏ viii Lời nói đầu Chơng tổng quan truyền hình độ phân giải cao 1.1 Lịch sử phát triển .3 1.1.1 HDTV Nhật Bản 1.1.2 HDTV t¹i Mü 1.1.3 HDTV Châu Âu 1.2 Các khái niệm HDTV .4 1.2.1 Định dạng ảnh 1.2.2 Phơng pháp quét .5 1.2.3 TØ lÖ khung h×nh Chơng số hóa kỹ thuật nÐn tÝn hiÖu hdtv 2.1 Sè hãa tÝn hiÖu HDTV 2.1.1 Mành HDTV tơng tù 2.1.2 Sè hãa tÝn hiÖu HDTV 2.1.2.1 Độ phân giải hình băng thông tín hiệu 2.1.2.2 Tần số lấy mẫu cấu trúc lÊy mÉu 2.1.2.3 L−ỵng tử hóa dung lợng video số HDTV 10 2.2 NÐn tÝn hiÖu video sè HDTV 11 2.2.1 Giíi thiƯu 11 2.2.2 Kü thuËt nÐn MPEG-2 12 2.2.2.1 Nguyªn lý nÐn video 12 2.2.2.2 NÐn ¶nh (Intra Frame Compression) 12 2.2.2.3 Nén liên ảnh (Inter Frame Compression) 14 2.2.2.4 Dự đoán chuyển động 15 -ii- 2.2.2.5 Profiles & Levels cña MPEG-2 16 2.2.2.6 Dự đoán bù chuyển động với ảnh quét xen kÏ 17 2.2.3 Kü thuËt nÐn MPEG-4 (Part 10) hay MPEG-4/AVC 18 2.2.3.1 NAL (Network Abstraction layer) 18 2.2.3.2 VCL (Video Coding Layer) 19 2.2.3.3 ảnh, khung mành 19 2.2.3.4 Phân chia ảnh vào Macroblock 19 2.2.3.5 Slice vµ nhãm slice 19 2.2.3.6 Chu tr×nh m· hóa giải mÃ Macroblock 20 2.2.3.7 Dự đoán ảnh (Intra) 20 2.2.3.8 Dự đoán liên khung 21 2.2.3.9 BiÕn ®ỉi Cosin 23 2.2.3.10 M· hãa Entropy 23 2.2.3.11 Bé läc Deblocking 23 2.2.3.12 Các công cụ mÃ hóa quét xen kÏ 23 2.2.3.13 Çc profiles vµ Levels 24 2.2.3.14 Những kỹ thuật làm tăng hiệu nÐn MPEG-4/AVC so víi MPEG-2 24 2.2.3 Phơng pháp nén tín hiệu HDTV để phát sóng quảng bá 26 Chơng Hệ THốNG TRUYềN HìNH Số Độ PHÂN GIảI CAO HDTV TRÊN nềN CÔNG NGHệ TRUYềN HìNH Số MặT ĐấT DVB 28 3.1 Phơng thức truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB-T 28 3.1.1 Giíi thiƯu 28 3.1.2 Kü tht ®iỊu chÕ OFDM 29 3.1.2.1 Nguyªn lý OFDM 29 3.1.2.3 Chuỗi bảo vệ tiếp đầu tuần hoàn (CP-Cyclic Prefix) 30 3.1.2.2 Mô hình hệ thống OFDM 33 3.1.3 Tổng quan mÃ hóa điều chÕ tiªu chuÈn DVB-T 34 3.1.3.1 Ngẫu nhiên hoá liệu, phân tán lợng 34 -iii- 3.1.3.2 MÃ hóa tráo ngoµi 34 3.1.3.3 M· 36 3.1.3.4 Tr¸o 37 3.1.3.5 ¸nh xạ liệu đồ thị chòm 40 3.1.3.6 CÊu tróc khung OFDM 42 3.1.3.7 TÝn hiÖu Pilot 44 3.1.3.8 Đặc tính phổ mặt nạ phổ 47 3.2 Ph©n tích tác nhân ảnh hởng chất lợng hệ thống truyền dẫn DVB-T 47 3.2.1 ảnh hởng tham sè M-QAM, FEC, Tg 48 3.2.2 ảnh hởng phơng thức truyền dẫn 2K, 8K 51 3.2.3.1 Khả thu di ®éng 51 3.2.3.2 Khả chống nhiễu đột biến 52 3.2.3.3 Khả thực mạng đơn tần (SFN) 52 3.2.3 ¶nh h−ëng t¹p nhiƠu pha 52 3.2.3.1 TÝn hiƯu kh«ng cã t¹p nhiƠu pha 52 3.2.3.2 TÝn hiƯu cã t¹p nhiƠu pha 53 3.2.3.3 Sai pha chung (CPE) 54 3.2.4 ¶nh h−ëng offset cưa sỉ FFT 55 3.2.5 ¶nh h−ëng offset ®ång bé sãng mang 57 3.3 Phân tích hiệu suất truyền dẫn HDTV nỊn c«ng nghƯ DVB-T 58 3.4 C«ng nghƯ trun dẫn kỹ thuất số mặt đất hệ thứ hai DVB-T2 65 3.4.1 quan hÖ thèng DVB-T2 65 3.4.1.1 Giíi thiƯu 65 3.4.1.2 Những tiêu chí ®Ĩ x©y dùng DVB-T2 65 3.4.1.3 So sánh DVB-T DVB-T2 66 3.4.1.4 Mô hình cấu trúc DVB-T2 67 3.4.1.5 CÊu tróc líp vËt lý DVB-T2 68 3.4.2 Phân tích số giải pháp sư dơng DVB-T 69 -iv- 3.4.2.1 èng dÉn vËt lý PLPs (Physical Layer Pipes) 69 3.4.2.2 Băng tần phụ 71 3.4.2.3 Çc mode sãng mang më réng 71 3.4.2.4 256-QAM 71 3.4.2.5 Çc mÉu pilot 72 3.4.2.6 Symbol khởi đầu P1 P2 (Preamble) 72 3.4.2.7 Kích thớc FFT 16K, 32K phân sè kho¶ng b¶o vƯ 1/128 73 3.4.2.8 Kü tht m· hãa LDPC 74 3.4.2.9 Kỹ thuật quay chòm để cải thiƯn BICM cho DVB-T2 79 3.4.2.10 Çc kü tht làm giảm tỉ số công suất đỉnh trung bình 83 3.4.2.11 Kü thuËt MISO dùa trªn Alamouti code (trơc tÇn sè) 90 3.4.3 KÕt ln 93 Chơng số kết mô pháng 94 4.1 Mô hình mô 94 4.1.1 Mô hình hệ thèng DVB-T 94 4.1.2 Mô hình mô hiệu suất LDPC DVB-S2 95 4.2 Đánh giá số kết mô 96 4.2.1 HÖ thèng DVB-T, 2K 96 4.2.2 Đánh giá hiệu suất mÃ hóa LDPC DVB-S2 98 Lêi kÕt 100 Tài liệu tham khảo 102 Lời nói đầu Những công trình nghiên cứu khoa học, chuyên đề phân tích, lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình nhiều nhà khoa học nớc cho thấy: DVB- T công nghệ truyền dẫn truyền hình số mặt đất phù hợp với điều kiện tự nhiên kinh tế Việt Nam Ngày nay, truyền hình độ phân giải cao (HDTV) phát triển mạnh mẽ xu tất yếu, dần thay SDTV giống nh truyền hình màu đÃ thay truyền hình trắng đen Việc truyền dẫn dịch vụ HDTV công nghệ kỹ thuật số mặt đất DVB-T gặp khó khăn yêu cầu cân hiệu sử dung lợng kênh truyền chất lợng dịch vụ Tuy nhiện, với đời phát triển kỹ thuật nén tiên tiến MPEG-4/AVC, hiệu suất nén dòng tín hiệu HDTV đÃ đợc cải thiện nhiều, kèm theo hiệu sử dụng kênh truyền đợc cải thiện Đầu năm 2009, tiêu chuẩn kỹ thuật số mặt đất hệ thứ (DVB-T2) thức đợc tổ chức DVB giới thiệu đÃ đợc BBC phát sóng thử nghiệm Dung lợng kênh truyền hệ thống DVB-T2 đợc cải thiện nhiều so với DVBT (tăng khoảng 50%), bên cạnh độ tin cậy khả chống nhiễu tốt nhờ sử dụng kỹ thuật tiên tiến Do đó, dịch vụ HDTV hứa hẹn phát triển mạnh kỹ thuật truyền dẫn số mặt đất, đặc biệt dịch vụ truyền hình tơng tự kết thúc Nhằm góp phần đánh giá hiệu truyền dẫn dịch vụ HDTV công nghệ kỹ thuật số mặt đất, tác giả luận văn đÃ chọn đề tài nghiên cứu Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất có độ phân giải cao HDTV thông qua kết mô Nội dung Luận văn bao gồm bao gồm chơng: Chơng I : Trình bày tổng quan truyền hình số độ phân giải cao HDTV Chơng II : Trình bày trình số hóa tín hiệu HDTV kỹ thuật nén dòng tín hiệu video tiêu chuẩn MPEG-2 MPEG-4/AVC Phân tích lựa chọn phơng thức nén cho dòng tín hiệu video HDTV Chơng III : Tổng quan tiêu chuẩn kỹ thuật số mặt đất DVB-T, phân tích số nhân tố ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn hệ thống Đánh giá hiệu truyền dẫn tín hiệu truyền hình độ phân giải cao HDTV kỹ thuật số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T Phân tích, đánh giá số giải pháp kỹ thuật đợc sử dụng công nghệ kỹ thuật số mặt đất hệ thứ (DVB-T2) Chơng IV: Trình bày số kết mô đánh giá hiệu suất tiêu chuẩn DVB-T mÃ hóa LDPC Qua lời nói đầu, xin chân thành cảm ơn hớng dẫn khoa học nhiệt tình PGS.TS Nguyễn Quốc Trung - Khoa Điện Tử Viên Thông; giúp đỡ, góp ý quý báu TS Ngô Thái Trị đÃ giúp định hớng rõ ràng nghiên cứu xin cám ơn đồng nghiệp đÃ giúp đỡ, động viên hoàn thành luận văn này! Hà nội, tháng 10/2009 Học viên Trịnh Quyết Thắng Chơng Tổng QUAN Truyền Hình Độ PHÂN Giải CAO 1.1 Lịch sử phát triển Các hệ thống HDTV ngày xuất phát từ hớng nghiên cøu cđa Dr Fujio thc h·ng trun h×nh NHK, NhËt Bản HDTV lúc có độ phân giải ngang dọc gấp lần độ phân giải TV truyền thống, tỉ lệ khuôn hình 5:3 (sau thay đổi thành 16:9), có kênh audio chất lợng CD Sự phát triển HDTV gắn liền với công nghiệp truyền hình Nhật Bản, Mỹ Châu Âu 1.1.1 HDTV Nhật Bản Năm 1968, hÃng NHK Nhật Bản đÃ cho đời chuẩn kỹ thuật HDTV dành cho studio : số dòng quét/ảnh 1125, tỉ lệ khuôn hình - 5/3, phơng pháp quét - xen kẽ, tần số mành - 60Hz, độ rộng băng tần - 20MHz Và tháng năm 1984 đÃ công bố thức hệ thống phát sóng thu tín hiệu truyền hình tơng tự có độ phân giải cao, hệ MUSE (Multiple SubNyquist Sampling Encoding) Đến tháng 10/1984, hệ MUSE đÃ đợc nhiều nớc công nhận hệ truyền hình có độ phân giải cao giới Cho đến đầu năm 2000 Nhật Bản đÃ thức chuyển sang phát sóng HDTV số mặt đất theo tiêu chuẩn ISDB-T, phát sóng số HDTV qua vệ tinh theo tiêu chuẩn ISDB-S 1.1.2 HDTV Mỹ Chính phủ Mỹ đÃ định nghiên cứu định dạng HDTV so với NHK để phù hợp với hệ thống phát sóng số Các nhà nghiên cứu nhà sản xuất đÃ tập hợp lại thành nhóm riêng biệt để thực công việc Bản thân nhóm đÃ xây dựng nên hệ truyền hình HDTV riêng là: DigiCipher HDTV System, DSC HDTV System, Advance Digital (AD) HDTV, vµ CCDC HDTV System Đó tiền thân tổ chức The Grand Alliance với hệ GA HDTV, đợc thành lập vào ngày 24/5/1993 từ việc thống nhóm nói Trong trình xây dựng hệ thống HDTV, Grand Alliance đÃ nhận thấy rằng, công nghệ phải đợc chuyển sang số hoá để tơng thích với hệ thống truyền hình số Đến năm 1996 FCC thức lập tiêu chuẩn cho HDTV, đợc phát số mặt đất theo tiêu chuẩn ATSC 1.1.3 HDTV châu Âu Vào năm 1986, 19 nớc châu Âu đÃ tổ chức hội nghị bàn thảo chơng trình nghiên cứu HDTV mang tên Eureka 95, nhằm phát triển hệ thống HDTV châu Âu Giống nh Nhật Bản, châu Âu bắt đầu với hệ truyền hình HDTV tơng tự phát sóng qua vệ tinh Vào tháng 5/1992, EU đa tiêu chuẩn D2-MAC, đợc phát triển SGS-Thomson Pháp Philips Hà Lan, để phát sóng truyền hình rộng dịch vụ vệ tinh Hệ HDTV châu Âu có số dòng quét 1250 với 1152 dòng tích cực, tỉ lệ khuôn hình 16:9, tần số mành 50Hz Thời điểm đó, EU có kế hoạch chuyển đổi hệ thống truyền hình tơng tù hiƯn t¹i sang hƯ thèng D2-MAC thËm chÝ sang HD-MAC hệ thống HDTV tơng tự đầy đủ Đến năm 1993 hệ truyền hình HDTV tơng tự HD-MAC thức dừng lại, EU EBU tập trung vào phát triển truyền hình số với hệ DVB Cho đến năm 2003, HDTV lại đợc bắt đầu đợc phát số thử nghiệm châu Âu theo tiêu chuẩn DVB vệ tinh, cáp sóng mặt đất 1.2 Các khái niệm HDTV 1.2.1 Định dạng ảnh Truyền hình độ phân giả tiêu chn (SDTV) chØ sư dơng qt xen kÏ (Interlaced) mµ không quét liên tục (Progressive), tần số quét đứng (quét mành) cố định Một ảnh truyền hình SDTV theo hệ PAL có tổng số dòng 625, thực quét xen kẽ mành chẵn, mành lẻ với tần số quét mành 50Hz (tức 25 ảnh/1giây) Tuy hệ PAL có 625 dòng, nhng số dòng nhìn thấy hình, hay gọi dòng tích cực (Active Lines) 576 dòng Số dòng dùng vào việc chèn xung đồng bộ, tín hiệu đo 49 dòng Chuẩn SDTV có 720 điểm ảnh dòng 576 dòng (tích cực) Truyền hình có độ phân giải cao HDTV có khác biệt với SDTV số dòng quét hình thức quét ảnh Hiện có định dạng cho HDTV là: 720 dòng quét liên tục (720p); 1080 dòng quét xen kẽ (1080i) 1080 dòng quét liên tục (1080p) Với 1080p cho chất lợng ảnh vợt trội, nhiên chuẩn ứng dụng để phát quảng bá thực tế tơng lai Định dạng ảnh 1920x1080 đợc chọn định dạng ảnh chuẩn cho HDTV, đợc ITU thừa nhận lần đợc chấp nhận truyền hình film Vậy 1920x1080 xuất phát từ đâu? 720 x 3/4 x 16/9 x = 1920 điểm/dòng Chuẩn SDTV có tỉ lệ khuôn hình 4:3 độ phân giải 720 điểm/dòng Tỉ lệ khuôn hình HDTV 16:9, tăng số điểm lên gấp đôi, nên HDTV tỉ lệ khuôn hình 16:9 phải có 1920 điểm/dòng Cách lấy số điểm nh thế, thuận lợi cho việc chuyển định dạng ảnh từ HDTV SDTV Sau đÃ tìm số điểm/dòng có sè dßng tÝch cùc: 1920 x 9/16 = 1080 dßng Hình 1.1 Tơng quan độ phân giải 1.2.2 Phơng pháp quét Có phơng pháp để quét hình quét xen kẽ (interlaced = i) quét liên tục (progressive = p) Với quét xen kẽ, khung hình đợc chia thành mành, mành quét dòng chẵn mành quét dòng lẻ Quét liên tục thực quét toàn khung hình Tốc độ quét 50Hz, điều có nghĩa có 50 mành đợc truyền 1s Hiện HDTV có định dạng 1080i 720p HDTV đích thực (true HDTV ) quét 1080 dòng xen kẽ quét 720 dòng liên tục Định dạng quét 1080i có số dòng cao nên sÏ mang nhiỊu th«ng 87 if Im{X k } extendable ⎧ ⎪⎪Im{X " } AND Im{X " } > Im{X } c ,k c ,k k Im{X ACE ,k } = ⎨ " AND Im{X c ,k } Im{X k } > ⎪ ⎪⎩ Im{X k } elsse ChØ có thành phần thuộc cell liệu đÃ điều chế mở rộng, giá trị tuyệt đối với giá trị thành phần lớn ứng với chòm điều chế đÃ sử dụng cho cell Ví dụ, thành phần cell 256-QAM mở rộng giá trị 15 sqrt(170) Giá trị G chän tõ 0-31 víi b−íc chän lµ Ng−ìng Vclip cã thĨ chän tõ +0dB ®Õn +12,7dB víi b−íc chän 0,1dB độ lệch chuẩn tín hiệu gốc miền thời gian Giá trị L chọn tõ 0,7dB ®Õn 1,4dB víi b−íc chän 0,1dB Khi L lớn nhất, công suất cực đại sóng mang tăng sau việc mở rộng đạt đợc với QPSK giới hạn +6dB Chúng ta điều chỉnh L theo tham số Vclip G để đạt đợc cân hiệu suất Hình 3.49 Nguyên lý tht to¸n ACE c Kü tht TR (Tone Reservation) Víi phơng pháp TR, số sóng mang phụ OFDM để dành reserved riêng với mục đích làm giảm PAPR Những sóng mang reserved không mang thông tin liệu nào, cấp tín hiệu giảm đỉnh peak-reduction Các sóng mang liệu reserved đợc phân phối 88 tập sóng mang phụ riêng nên TR không cần thông tin thu nh kỹ thuật khác Hình 3.50 biểu diễn cấu tróc m¸y ph¸t OFDM sư dơng kü tht TR Sau IFFT, khối peak cancellation tính toán để giảm PAPR cách sử dụng tín hiệu predetermined, tín hiệu kernel đợc tạo sóng mang reserved Hình 3.50 Cấu trúc máy phát OFDM sử dụng kỹ thuật TR Các đỉnh tín hiệu miền thời gian loại bỏ lặp lặp lại tập kernel Tín hiệu kernel đợc định nghĩa nh sau : p= [ ] N FFT IFFT (1TR ) = p0, p1 , , p N FFT − N TR (3.39) Trong đó, NFFT NTR kích thớc FFT số lợng sóng mang reserved Vector 1TR có NTR thành phần vị trí tơng ứng với mục sóng mang reserved (NFFT - NTR) thành phần zero vị trí khác Đặc điểm cđa tÝn hiƯu kernel t−¬ng tù nh− mét xung VÝ dụ, đỉnh p0 đỉnh thứ cấp (p1 to pNFFT-1) có giá trị nhỏ p0 Ký hiệu c vector tín hiệu làm giảm ®Ønh “peak-reduction”, vector tÝn hiƯu d÷ liƯu miƯn thêi gian x, thuật toán giảm PAPR kỹ thuật TR đợc mô tả nh sau: - Khởi tạo Các giá trị khởi đầu tín hiệu peak-reduction đợc thiết lËp ë zero, tøc lµ c(0)=[0 …0]T c(i) c(i) vector tín hiệu peak-reduction vòng lặp thứ i - Vòng lặp i =1 89 Tìm biên ®é lín nhÊt cđa (x+c(i)), yi vµ chØ mơc mÉu tơng ứng, mi số vòng lặp thứ i ⎧ yi = max xn + cn( i ) n ⎪ ⎨ = arg max + c (i ) xn n ⎪⎩mi n n = 0,1, N FFT − Trong đó, xn cn(i) biểu thị thành phần vector x c(i) thứ n tơng ứng Nếu yi Vclip giảm i bớt (i=i-1) nhảy sang bớc CËp nhËt vector tÝn hiÖu “peak-reduction” c(i) nh− sau: c (i ) = c ( i−1) − α i p (mi ), αi = xmi + cm(ii−1) yi ( yi Vclip ) Trong đó, p(mi ) ký hiệu vector dịch vòng (circularly shifted) mi , thành phần thứ k p(mi ) : pk (mi ) = p( k −mi ) mod N FFT Nếu i nhỏ giá trị số lần lặp lớn cho phép, i=i+1 trở lại bớc Ngợc lại, nhay sang bớc 5 Kết thúc vòng lặp Tín hiệu truyền x thu đợc cách cộng thêm tín hiệu peak-reduction vào tín hiệu liệu : x = x + c ' (i ) Trong vòng lặp, phơng thức peak-cancellation loại bỏ đỉnh lớn lại miền thời gian Ngoài loại bỏ nhiều đỉnh vòng lặp đơn để giảm độ phức tạp tính toán, tÝn hiƯu trun x’ cã thĨ viÕt l¹i nh− sau: j x = x + α1 p(m1) +α2 p(m2 ) + +α j−1 p(mj−1) +α j p(mj ) = x + n p(mn ) ' n=1 Với số lợng đỉnh loại bỏ vòng lặp đơn kernel tổ hợp với cách tuyến tính Ví dụ, đỉnh loại bỏ vòng lặp, tổng số vòng lặp gi¶m mét nưa : j x' = x + α1 p(m1) + α2 p(m2 ) + + α j−1 p(mj−1) + α j p(mj ) = x + ∑αn p(mn ) 44 4 43 4 44 4 43 n=1 j/2 90 Nh vậy, số lợng vòng lặp điều chỉnh theo số lợng đỉnh bị loại bỏ vòng lặp Hình 3.51 Sơ đồ khối thuật toán peak-cancellation 3.4.2.11 Kỹ thuật MISO dựa Alamouti code (trục tần số) Trong mạng đơn tần (SFN) hệ thống DVB-T, diện tín hiệu có cờng độ mạnh tơng tự từ máy phát tạo nên điểm "lõm" (deep notches) Để khắc phục tợng này, máy phát đòi hỏi phải có công suất cao DVB-T2 cã t chän sư dơng kü tht Alamouti víi cặp máy phát Alamouti ví dụ MISO (Multiple Input, Single Output), điểm đồ thị chòm đợc truyền máy, máy phát thứ truyền phiên có chỉnh sửa chút cặp chòm với thứ tự ngợc lại trục tần số Kỹ thuật Alamouti cho kết tơng đơng với phơng thức thu phân tập phơng diện đạt đợc kết hợp tối u hai tín hiệu, tỷ số tín hiệu/tạp cuối cùng, công suất tổng hợp hai tín hiệu không gian a Mô hình kênh MISO Kênh MISO víi nhiỊu anten ph¸t j ∈ {1,2, M T } anten thu (xem hình3.47) Tín hiệu thu đợc tổng tín hiệu đÃ phát xoắn với đáp ứng xung MT tơng ứng: r (t ) = ∑ s j (t ) ∗ h j (τ , t ) j =1 Các tín hiệu phát đáp ứng xung đợc biểu diễn nh vector kích thớc M T x1 1x M T tơng ứng 91 [ ] T s (t ) = s1 (t ), s2 (t ), sM T (t ) ; [ h (τ , t ) = h1 (τ , t ), h2 (τ , t ), hM T (τ , t ) ] Nh− vËy, r(t)= h(τ,t) * s(t) Hình 3.52 Mô hình kênh MISO b Lợc đồ Alamouti theo cấu hình kênh MISO 2x1 Chúng ta xem xét hệ thống MISO với anten phát anten thu TÝn hiƯu phøc baseband tõ anten ph¸t thø ký hiƯu lµ s1, vµ tõ anten thø lµ s2 Tuy nhiªn, chu kú symbol tiÕp theo, tÝn hiƯu anten thø lµ − s2∗ vµ anten thø s1 MÃ hoá space-time đợc mô tả nh bảng 3.7, T chu kỳ symbol, hình 3.53 mô tả cấu hình MISO 2x1 sử dụng lợc đồ Alamouti Anten Anten Anten Rx Hình 3.53 Cấu hình MISO sử dụng lợc đồ Alamouti 92 Time Anten Anten t s1 s2 t+T − s2∗ s1∗ B¶ng 3.7 M· hãa space - time Giả sử kênh flat-fading suốt symbol liên tiếp chúng mô hình hoá theo hµm sè mị phøc h1 (t ) = h1 (t + T ) = h1 = α 1e jθ1 h2 (t ) = h2 (t + T ) = h2 = α e jθ TÝn hiƯu thu t¹i thời điểm t t+T: r1 = r1 (t ) = r (t ) = h1 s1 + h2 s + n1 r2 = r2 (t ) = r (t + T ) = −h1 s 2* + h2 s1* + n2 Trong đó, n n biến (phức) ngẫu nhiên đợc xem nh nhiễu thu Các tín hiệu thu đợc sau lợc ®å bé céng nh− sau: ~ s1 = h1*r1 + h2 r2* ~ s2 = h2*r1 − h1r2* ~ ~ s s Hai tín hiệu đợc đa vµo bé “maximum likelihood detector” ~ s1 = (α12 + α 22 )s1 + h1*n1 + h2 n2* ~ s2 = (α12 + α 22 ) s2 − h1 n2* + h2* n1 Bé “maximum likelihood detector” sÏ chän symbol si, đo khoảng cách Euclidian symbol đÃ thu symbol đÃ sử dụng chòm tín hiệu đÃ phát để chọn gần : 2 (12 + α 22 − 1) si + d ( ~ s1 , si ) ≤ (α12 + α 22 − 1) s j + d (~ s1 , s j ), ∀i ≠ j Çc ngâ cđa “maximum likelihood detector” sˆ vµ sˆ sÏ −íc lợng symbol s1 s đÃ phát tơng øng 93 3.4.3 KÕt ln Chóng ta cã thĨ thấy rằng, hội tụ truyền hình truyền thống với dịch vụ truyền thông khác nh thông tin di động dịch vụ băng thông rộng khác Tất xu đợc tích hợp truyền hình độ phân giải cao HDTV đòi hỏi đời tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ (DVB-T2), đặc biệt dịch vụ truyền hình tơng tự kết thúc Công nghệ DVB-T2 có khả truyền dẫn đợc nhiều chơng trình HDTV (4-5) kênh số mặt đất Đặc biệt DVB-T2 mang lại độ tin cậy truyền dẫn cao cho môi trờng kênh truyền khác nhau, khả tín hiệu HDTV xem thiết bị thu có độ phân giải khác (chẳng hạn thu di động thu cố định) DVB-T2 đợc xây dựng không dựa DVB-T mà DVB-S2 T2 mang lại nhiều lợi ích rõ rệt dựa tảng khả truyền tải sẵn có DVBT để thu đợc lợi ích thơng mại khác Hệ thống DVB-T không giới hạn dung lợng truyền mà khả chống nhiễu, hạn chế mặt thu cố định, xách tay di động DVB-T2 đÃ có bớc tiến nhảy vọt để khắc phục yếu điểm DVB-T đồng thời kết hợp với kỹ thuật nén tiên tiến MPEG-4/AVC mang lại lợi ích cao, đặc biệt xu hớng phát triển truyền hình độ phân giải cao HDTV DVB-T2 sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật nh: ống vật lý, băng tần phụ, mode sóng mang mở rộng, MISO dựa Alamouti, symbol khởi đầu (P1,P2), mẫu tín hiệu Pilot, kỹ thuật quay chòm sao, mục đích làm tăng độ tin cậy kênh truyền tăng dung lợng kênh Trên thực tế, DVB-T2 có khả truyền tải dung lợng bit lớn DVB-T gần 50% chí cao SFN DVB-T2 hệ thống truyền hình số mặt đất lý tởng cho truyền hình có độ phân giải cao HDTV (High Defination Televition) 94 Chơng số kết mô 4.1 Mô hình mô Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả trình bày số mô hình mô hệ thống DVB-T, chế độ 2K, điều chế sở QPSK, 16-QAM 64-QAM, dựa kênh truyền Guassian (giả sử không gian truyền tự do, tức ảnh hởng phân tập đa đờng) Những mô hình đợc lấy từ Demo-BlocksetsApplication Specific Examples, MATLAB@ & SIMULINK@ Rm2008a Các khối mô hình đÃ đợc chỉnh sửa cải tiến để phù hợp với yêu cầu 4.1.1 Mô hình hệ thống DVB-T Mô hình DVB-T, mode 2K, kênh truyền Guassian đợc mô tả nh hình 4.1, phù hợp với mÃ hóa sửa sai, điều chế sử dụng tiêu chuẩn DVB-T Mô hình bao gồm khối chức độc lập, cấu trúc máy phát dựa sơ đồ chung hệ thống DVB-T, khối đợc biểu diễn hàm m-file Tham số khối thiết lập theo thay đổi đặc tính kỹ thuật DVB-T Hình 4.1 Mô hình DVB-T, mode 2K, kênh truyền Guassian 95 DVB-T sư dơng çc khèi m· hãa sưa sai RS(204, 188) kÕt hỵp víi khèi m· hãa Punctured Convolutional Code (R), giá trị tỉ lệ mÃ R đợc sử dụng để mô 1/2, 2/3, 3/4 Hình 4.2 Bộ mÃ hóa Convolutional Code mẫu đục lỗ (puncture) Khối Mapper DVB-T sử dụng điều chế sở QPSK (2bit/sóng mang), 16-QAM (4bit/sãng mang) vµ 64-QAM (6bit/sãng mang) Khèi OFDM dïng ®Ĩ m« pháng ë chÕ ®é 2K, kÝch th−íc IFFT 2048 có 1512 sóng mang có liệu có ích (không sử dụng mẫu pilot) 4.1.2 Mô hình m« pháng hiƯu st m· LDPC DVB-S2 HƯ thèng DVB-T2 kÕ thõa m· FEC vµ cÊu tróc khung (BBFRAME) DVB-S2, kết hợp mÃ khối BCH vµ LDPC M· LDPC lµ mét m· khèi, tøc mét khối liệu đợc mÃ hóa thành từ mÃ MÃ LDPC đợc xác định ma trận kiểm tra chẵn lẻ tha (mật độ thấp) Trong DVB-T2, LDPC có loại chiều dài từ mÃ, 64800bit (normal) 16200bit (short) Mô hình mô sử dụng chiỊu dµi tõ m· 64800bit, tØ lƯ m· hãa cã thĨ lùa chän : 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5 vµ 5/6; sơ đồ điều chế QPSK môi trờng kênh Guassian 96 Hình 4.3 Mô hình mô hiệu suất LDPC tiêu chuẩn DVB-S2 4.2 Đánh giá số kết mô 4.2.1 Hệ thống DVB-T, mode 2K Hình 4.4 Sự phụ thuộc BER vào Eb/No kênh Guassian sau sửa lỗi Viterbi, sử dơng 64-QAM 97 H×nh 4.5 Sù phơ thc cđa BER vào Eb/No kênh Guassian sau sửa lỗi Viterbi, sư dơng 16-QAM H×nh 4.6 Sù phơ thc cđa BER vào Eb/No kênh Guassian sau sửa lỗi Viterbi, sử dụng QPSK 98 Hệ thống mô đÃ chạy với tỉ lệ mÃ hóa R=1/2, 2/3, 3/4 tơng ứng với trờng hợp điều chế sở QPSK, 16-QAM 64-QAM Đồ thị biểu diễn phụ thuộc BER vào Eb/No sau giải mÃ Viterbi nh hình 4.4, 4.5 4.6 Kết mô cho thấy r»ng, ®èi víi 64-QAM, tØ lƯ m· hãa R=1/2 tèt so với R=2/3 khoảng 1.5dB (Eo/No), tốt so với R=3/4 khoảng 2.7dB Đối với 16-QAM, hiệu suất tỉ lệ mÃ R=1/2 tốt 2/3 khoảng 1dB so với 3/4 khoảng 1.4dB Khi so sánh hiệu suất sơ đồ điều chế với tØ lƯ m· sưa sai ta thÊy r»ng, QPSK tèt so với 16-QAM khoảng 3.3dB (R=1/2) 64-QAM khoảng 4.5dB Bên cạnh đó, ta thấy hiệu suất cuat 64-QAM, R=1/2 16-QAM, R=3/4 gần giống 4.2.2 Đánh giá hiệu suất mÃ hóa LDPC DVB-S2 Hình 4.7 Sự phụ thuộc BER vào Eb/No kênh Guassian sau sửa lỗi LDPC, sử dụng QPSK Kết mô phụ thuộc BER vào Eb/No sau sửa lỗi LDPC mô biểu diễn nh hình 4.7 Ta thấy đờng cong có độ dèc rÊt lín, tØ lƯ m· R=1/2 tèt h¬n so với R=3/4 khoảng 1.46dB R=2/3 khoảng 0.86dB 99 Đặc biệt so sánh hiệu suất mÃ kết hợp RS/Convolutional Code sử dụng DVB-T BCH/LDPC sử dụng DVB-T2 với điều chế sở QPSK, R=1/2 ta cã thĨ thÊy r»ng, hiƯu st LDPC víi BER= 2.10-4, Eb/No khoảng 0.84dB lớn khoảng 7dB so víi m· hãa sư dơng DVB-T, ®−êng cong trờng hợp sử dụng LDPC có độ dốc lớn Nh− vËy, hiƯu st bé m· hãa kÕt hỵp BCH/LDPC cao so với RS/Convolution Code Các kết đợc so sánh với giá trị Eb/No đề xuất lý tởng theo tiêu kỹ thuật DVB-T, thấy tất kết mô cho kết gần nh mong đợi 100 Lời kết Các nớc tiên tiến sử dụng tiêu chuẩn DVB-T để phát quảng bá đÃ có kế hoạch phát dịch vụ truyền hình độ phân giải cao HDTV Một số nớc đÃ phát thử nghiệm sử dụng chuẩn MPEG-2 MP@HL để nén dòng tín hiệu HDTV Do đó, kênh 8MHz sử dụng kỹ thuật số mặt đất DVB-T phát đợc 01 chơng trình HDTV MÃi đến kỹ thuật nén video đợc cải thiện mặt hiệu suất nhời vào chuẩn nén MPEG-4/AVC đời, tốc độ dòng bit tín hiệu đÃ đợc giảm khoảng nửa nhng chất lợng tơng đơng so với nén MPEG-2 Và nh vậy, kênh số mặt đất phát đợc chơng trình HDTV nÕu sư dơng chn nÐn MPEG-4/AVC Tuy nhiªn, so với phơng thức truyền dẫn khác nh DVBS2, DVB-C, hiệu suất sử dụng kênh truyền (dung lợng kênh truyền) độ tin cậy với HDTV xa Vấn đề đÃ đợc giải DVB đề xuất vµ chÝnh thøc giíi thiƯu kü tht trun dÉn sè mặt đất hệ thứ hai DVB-T2 vào đầu năm 2009; đặc biệt đợc đa vào thơng mại hóa So với DVB-T, T2 dung lợng kênh truyền có khả tăng lên đến 50% độ tin cậy, chất lợng dịch vụ đợc cải thiện rõ rệt Đó nhờ số giải pháp kỹ thuật ®−ỵc sư dơng nh−: sù kÕt hỵp m· sưa sai BCH/LDPC đợc sử dụng DVB-S2, kỹ thuật quay chòm sao, mở rộng chế độ FFT sơ đồ điều chế QAM, kỹ thuật TR ACE, chất lợng cờng độ tín hiệu đợc tăng cờng nhờ kỹ thuật MISO dựa mÃ Alamouti Cho đến nay, nhiều nhà quảng bá phát sóng dịch vụ HDTV dựa tiêu chuẩn DVB-T đÃ sử dụng kỹ thuật nén tiên tiến MPEG-4/AVC Còn nhà quảng bá có kế hoạch phát dịch vụ HDTV tơng lai vài năm tới phải nghiên cứu kết hợp sử dụng chuẩn nén MPEG-4/AVC công nghệ truyền dẫn kỹ thuật số mặt đất hệ thứ hai DVB-T2 Qua trình nghiên cứu, tác giả luận văn đÃ thấy đợc tầm quan trọng kỹ thuật nén MPEG-4/AVC cho ứng dụng có tốc độ thấp, khả ứng dơng cđa bé m· sưa sai rÊt m¹nh LDPC cïng kỹ thuật mÃ hóa Alamouti Do vậy, tác giả có kiến nghị lựa chọn hớng phát triển luận văn là: Nghiên cứu cải thiện hiệu suất kỹ thuật nén MPEG-4/AVC, mÃ hóa LDPC công nghệ MIMO dựa mÃ Alamouti vào ứng dụng truyền hình di động. 101 Thông qua lời kết, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung, TS Ngô Thái Trị đÃ hớng dẫn khoa học góp ý nhiệt tình bạn bè, thầy cô đồng nghiệp giúp hoàn thành luận văn Do khuôn khổ luận văn có hạn, khả kiến thức thân hạn chế nên luận văn tránh đợc thiếu sót, mong nhận đợc ý kiến đóng góp thầy cô bạn để luận văn đợc hoàn thiện hơn! Xin chân thành cảm ơn! ... cứu Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất có độ phân giải cao HDTV thông qua kết mô Nội dung Luận văn bao gồm bao gồm chơng: Chơng I : Trình bày tổng quan truyền hình số độ phân giải cao HDTV... để phát sóng quảng bá 26 Chơng Hệ THốNG TRUYềN HìNH Số Độ PHÂN GIảI CAO HDTV TRÊN nềN CÔNG NGHệ TRUYềN HìNH Số MặT ĐấT DVB 28 3.1 Phơng thức truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB- T 28 3.1.1... số mặt đất DVB- T, phân tích số nhân tố ảnh hởng đến chất lợng truyền dẫn hệ thống Đánh giá hiệu truyền dẫn tín hiệu truyền hình độ phân giải cao HDTV kỹ thuật số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB- T Phân