Xây dựng chương trình mô phỏng truyền hình số mặt đất để nâng cao hiệu quả sư phạm cho môn truyền hình số

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - VŨ THỊ HƢỜNG XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ SƢ PHẠM CHO MƠN TRUYỀN HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM CHUYÊN NGÀNH : LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC CHUYÊN SÂU :SPKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đƣợc viết luận văn tìm hiểu nghiên cứu thân Mọi kết nghiên cứu nhƣ ý tƣởng tác giả khác, có đƣợc trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể Luận văn chƣa đƣợc bảo vệ Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sỹ chƣa đƣợc công bố phƣơng tiện thông tin Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà cam đoan Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2013 Tác giả luận văn Vũ Thị Hƣờng LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, khẩn trƣơng với giúp đỡ hƣớng dẫn tận tình TS Phạm Thành Cơng Viện Điện tử - Viễn thông) với bảo thầy, cô Viện Sƣ Phạm Kỹ Thuật - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn “Xây dựng chương trình mơ truyền hình số mặt đất để nâng cao hiệu sư phạm cho môn truyền hình số” hồn thành Tơi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Công trực tiếp hƣớng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo Viện Sƣ phạm Kỹ thuật, Viện Điện tử - Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học- Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện tốt cho nghiên cứu, thực hiện, để hoàn thành luận văn tiến độ, tập thể bạn bè đồng nghiệp tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ công việc suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn Tuy nỗ lực phấn đấu, nhƣng thời gian có hạn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp, bổ sung Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp bạn đọc để luận văn đƣợc hoàn thiện Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2013 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Cụm từ viết tắt Nghĩa đầy đủ MH Mơ hình PP Phƣơng pháp PPDH Phƣơng pháp dạy học MP Mô PT Phƣơng tiện PTDH Phƣơng tiện dạy học CNTT Công nghệ thông tin CNMP Công nghệ mô BER Bit Error Rate 10 BPSK Binary Phase Shift Keying 11 CDMA Code Division Multiple Access 12 DSP Digital Signal Processor 13 DVB Digital Video Broadcasting 14 FDM Frequency Division Multiplexing 15 FEC Forward Error Correcting 16 FFT Fast Fourier Transform 17 FIR Finite Impulse Response (digital filter) 18 FM Frequency Modulation 19 FOE Frequency Offset Estimation 20 FSK Frequency Shift Keying 21 PSK Phase-Shift Keying 22 QAM Quadrature Amplitude Modulation 23 QPSK Quadrature Phase-Shift Keying 24 SNR Signal to Noise Ratio 25 OFDM TT Orthogonal frequency division multiplexing MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 LỜI CẢM ƠN .2 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU .9 CHƢƠNG TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 11 1.1 Một số vấn đề biến đổi tín hiệu truyền hình 11 1.1.1 Một số vấn đề biến đổi tín hiệu truyền hình 11 1.1.2 Q trình chuyển đổi cơng nghệ tƣơng tự-số .17 1.2 Tổng quan truyền hình số .18 1.2.1 Đặc điểm phát thanh, truyền hình số 18 1.2.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống phát thanh, truyền hình số .19 1.2.3 Thu - phát truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 20 1.3 Các tiêu chuẩn truyền hình số .28 1.3.1 Chuẩn ATSC 28 1.3.2 Chuẩn DVB 32 CHƢƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 38 2.1 Giới thiệu chung 38 2.1.1 Tổng quan DVB-T 38 2.1.2 Số lƣợng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 40 2.1.3 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 43 2.1.4 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 44 2.1.5 Điều chế tín hiệu 45 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC MÔ PHỎNG VÀ VẬN DỤNG PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC MÔ PHỎNG TRONG DẠY HỌC THỰC HÀNH 47 3.1 Phƣơng pháp dạy học mô 47 3.1.1 Khái niệm 47 3.1.2 Cấu trúc phƣơng pháp mô 48 3.1.3 3.2 Phƣơng pháp mô số 50 Vận dụng phƣơng pháp mô dạy học thực hành 53 3.2.1 Cơ sở khoa học việc vận dụng phƣơng pháp mô dạy học thí nghiệm thực hành 53 3.2.2 Mục đích vận dụng phƣơng pháp mơ số dạy học thực hành ……………………………………………………………………… 55 3.2.3 Quy trình vận dụng .59 CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ PHỎNG OFDM CHO TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 63 4.1 Thực mô OFDM .63 4.1.1 Mô hệ thống OFDM Simulink 64 4.1.2 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình 70 KẾT LUẬN .78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc lấy mẫu trực giao .14 Hình 1.2 Vị trí điểm lấy mẫu theo hai tiêu chuẩn 4:2:2 4:2:0 .15 Hình 1.3 Cấu trúc lấy mẫu Quincux mành 16 Hình 1.4 Cấu trúc lấy mẫu quincux dịng .16 Hình 1.5 Quá trình chuyển đổi cơng nghệ từ truyền hình tƣơng tự sang truyền hình số…………… 17 Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số 19 Hình 1.7 Sơ đồ khối hộp SETTOP 22 Hình 1.8 Sơ đồ khối phần phát hệ thống DSS 25 Hình 1.9 Sơ đồ khối máy thu (phần xử lý tín hiệu) 26 Hình 1.10 Khung liệu VSB 30 Hình 1.11 Sơ đồ khối máy phát VSB 31 Hình 1.12 Sơ đồ khối máy thu VSB 32 Hình 1.13 Các dạng thức truyền dẫn DVB điển hình .34 Hình 2.1 Sơ đồ khối máy phát DVB-T 38 Hình 2.2 Sơ đồ khối điều chế số DVB-T 39 Hình 2.3 Phân bố sóng mang DVB-T chƣa chèn khoảng bảo vệ .40 Hình 2.4 Phân bố pilot DVB-T 41 Hình 2.5 Phân bố pilot DVB-T biểu đồ chòm 42 Hình 2.6 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 43 Hình 2.7 Các tia sóng đến khoảng thời gian bảo vệ 44 Hình 3.1 Q trình mơ 48 Hình 3.2 Q trình mơ số .50 Hình 3.3 Cấu trúc phƣơng pháp mơ 59 Hình 4.1 Sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM .64 Hình 4.2 Các tham số kênh truyền vô tuyến 66 Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM truyền 67 Hình 4.4 Phổ tín hiệu OFDM nhận 67 Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền 68 Hình 4.6 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận 68 Hình 4.7 Chịm 16-QAM 69 Hình 4.8 Độ dịch pha kênh truyền 69 Hình 4.9 Lƣu đồ mô kênh 70 Hình 4.10 Lƣu đồ mơ phát ký tự OFDM .71 Hình 4.11 Lƣu đồ mơ thu .72 Hình 4.12 Lƣu đồ mơ phát tín hiệu QAM 73 Hình 4.13 Lƣu đồ mơ thu tín hiệu QAM 74 Hình 4.14 Lƣu đồ mơ thuật tốn tính BER 75 Hình 4.15 Tín hiệu QAM OFDM phát miền tần số 76 Hình 4.16 Tín hiệu QAM OFDM thu miền tần số 76 Hình 4.17 So sánh tín hiệu âm đƣợc điều chế phƣơng thức QAM OFDM 77 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 4.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video 12 Tỉ lệ lấy mẫu tín hiệu chói tín hiệu màu 13 Đặc điểm ATSC .29 Hiệu suất nén tiêu chuẩn DVB .36 Các đặc điểm tiêu chuẩn DVB-T .40 Tổng vận tốc dòng liệu 45 Bảng ID cho kiểu điều chế 65 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong trình cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nƣớc, nghiệp giáo dục đào tạo ln giữ vị trí đặc biệt quan trọng Mục tiêu giáo dục nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dƣỡng nhân tài, tạo nguồn lực có chất lƣợng cho cơng nghiệp hố, đại hố đất nƣớc Để đạt đƣợc mục tiêu đó, Đảng Nhà nƣớc ta tiến hành đổi giáo dục cách toàn diện đồng theo hƣớng: “Đổi mạnh mẽ phương pháp giáo dục - đào tạo, khắc phục lối truyền thụ chiều, rèn luyện thành nếp tư sáng tạo người học Từng bước áp dụng phương pháp tiên tiến phương tiện đại vào trình dạy - học, bảo đảm sinh viên có hội thực hành thực sở lý thuyết học Trong điều kiện kinh tế cịn khó khăn, việc trang bị dụng cụ, máy móc cho việc thực hành việc làm khó Để đảm bảo cho sinh viên có hội tiếp cận nghiên cứu gần với thực tế, tác giả lựa chọn đề tài: “Xây dựng chương trình mơ truyền hình số mặt đất để nâng cao hiệu sư phạm cho mơn truyền hình số” làm đề tài luận văn thạc sỹ cho Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu, phân tích kỹ thuật OFDM truyền hình số mặt đất, từ xây dựng chƣơng trình mơ phần mềm MATLAB Ứng dụng thực hành mô truyền hình số mặt đất, nhằm nâng cao hiệu cho việc giảng dạy Đối tƣợng nghiên cứu Một số tài liệu kỹ thật điều chế OFDM, kỹ thuật truyền hình số mặt đất Các viết báo đổi phƣơng pháp dạy học, dạy học hợp tác, phong cách học tập Các dạy giáo viên (Lý thuyết, luyện tập, thực hành, ngoại khóa, ơn tập, kiểm tra) Kỹ thuật mơ hình, mô phỏng, ứng dụng công tác đào tạo Phạm vi nghiên cứu Bảng 4.1 Bảng ID cho kiểu điều chế Kỹ thuật điều chế OFDM mơ hình sử dụng 192 sub-carrier, pilot, 256point FFT IFFT có chức phát mẫu dạng sóng có thành phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao Dữ liệu sau đƣợc biến đổi đƣợc chèn thêm CP vào chuỗi sau điều chế để thực trình ƣớc lƣợng kênh đồng máy thu Kênh truyền đƣợc thiết lập mô dựa đặc trƣng kênh truyền vô tuyến chung nhƣ nhiễu, đa đƣờng xén tín hiệu Dùng hai khối Matlab: Multipath Rayleigh fading, AWGN 65 Hình 4.2 Các tham số kênh truyền vơ tuyến Tín hiệu thu sau loại bỏ CP chuỗi huấn luyện đƣợc đƣa vào IFFT để chuyển mẫu miền thời gian trở lại miền tần số Đƣa vào ƣớc lƣợng kênh bù kênh để giảm ảnh hƣởng kênh truyền đến tín hiệu Cuối cùng, tín hiệu đƣợc giải điều chế giải mã RS 66 Kết chạy mơ đƣợc hiển thị qua Oscilloscope: Hình 4.3 Hình 4.4 Phổ tín hiệu OFDM truyền Phổ tín hiệu OFDM nhận 67 Hình 4.3 4.4 phản ánh tác động kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM Vì kênh truyền kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận tần số khác chịu tác động khác Hình 4.5 Hình 4.6 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận Hình 4.5 4.6 cho thấy ảnh hƣởng suy hao không gian tự do, biên độ tín hiệu OFDM nhận nhỏ biên độ tín hiệu OFDM truyền 68 Hình 4.7 Chịm 16-QAM Hình 4.7 biểu đồ chịm sao, cho thấy phân bố biên độ tín hiệu thu đƣợc, hội tụ chịm có đƣợc ƣớc lƣợng kênh trƣớc truyền tín hiệu Hình 4.8 Độ dịch pha kênh truyền Hình 4.8 cho thấy lệch độ trễ pha tín q trình truyền di 69 4.1.2 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình 4.1.2.1 Lƣu đồ mơ kênh truyền Hình 4.9 Lƣu đồ mơ kênh Tham khảo mã nguồn Matlab file chƣơng trình: ch.m, ch_clipping.m, ch_noise.m ch_multipath.m 70 4.1.2.2 Lƣu đồ mơ thu phát tín hiệu OFDM Hình 4.10 Lƣu đồ mơ phát ký tự OFDM Với lƣu đồ thuật toán phát ký tự OFDM tham khảo mã nguồn file: tx.m, read.m, tx_chunk.m, tx_dechunk.m 71 Hình 4.11 Lƣu đồ mơ thu Với lƣu đồ thuật toán thu ký tự OFDM tham khảo mã nguồn file: rx.m, write.m rx_chunk.m, rx_dechunk.m 72 4.1.2.3 Lƣu đồ mơ thu phát tín hiệu QAM Hình 4.12 Lƣu đồ mơ phát tín hiệu QAM Với lƣu đồ thuật tốn mơ phát tín hiệu QAM tham khảo mã nguồn file chƣơng trình: QAM.m, read.m 73 Hình 4.13 Lƣu đồ mơ thu tín hiệu QAM Với lƣu đồ thuật tốn mơ thu tín hiệu QAM tham khảo mã nguồn file chƣơng trình: QAM.m, write.m 74 4.1.2.4 Lƣu đồ mơ thuật tốn tính BER Hình 4.14 Lƣu đồ mơ thuật tốn tính BER 4.1.2.5 Kết chƣơng trình mơ  So sánh tín hiệu QAM OFDM 75 Hình 4.15 Tín hiệu QAM OFDM phát miền tần số Hình 4.16 Tín hiệu QAM OFDM thu miền tần số 76 Hình 4.17 So sánh tín hiệu âm đƣợc điều chế phƣơng thức QAM OFDM Hình 4.16 cho thấy phổ tín hiệu OFDM giống với phổ tín hiệu âm ban đầu Chứng tỏ phƣơng thức điều chế OFDM tốt so với QAM Kết luận Trong phần mô mô hệ thống OFDM simulink Matlab, với scope để thị tín hiệu giúp cho việc phân tính đánh giá tác động kênh truyền đến tín hiệu, tác dụng ƣớc lƣợng bù kênh Tuy nhiên, simulink dừng lại mức độ đơn giản, tức mô hệ thống OFDM băng gốc với phƣơng thức điều chế QAM 77 KẾT LUẬN Truyền hình phần thiếu sống hàng ngày ngƣời Nó đáp ứng nhu cầu giải trí, thƣ giãn cho ngƣời sau ngày làm việc Chƣơng trình đào tạo cho sinh viên kiến thức truyền hình việc làm cần thiết Và để sinh viên tiếp cận gần với kiến thức thực tế cần nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp dạy học mô đào tạo Phƣơng pháp dạy học mô đƣợc ứng dụng rộng rãi đặc biệt nội dung dạy học trừu tƣợng, học sinh khó cảm nhận đƣợc giác quan thông thƣờng nhƣ số môn học chuyên môn nghề điện tử viễn thông Luận văn áp dụng phƣơng pháp mô phần mềm mơ Matlab thơng qua máy tính để giả lập mơ hình hệ thống thu phát truyền hình Tác giả biên soạn giảng để thực nghiệm tiến hành thực nghiệm Viện Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Kết thực nghiệm khảo sát ý kiến chun gia cho thấy: - Dạy học thí nghiệm mơn truyền hình số phần mềm mơ phù hợp, cần thiết khả thi - Phát huy đƣợc tính tích cực chủ động sáng tạo sinh viên học tập Nhờ vậy, nâng cao đƣợc chất lƣợng hiệu dạy học - Giảm bớt kinh phí đào tạo nghề, tạo hội cho học sinh, sinh viên phát huy khả tự học nhƣng đặc biệt trình xây dựng mạch điện giúp cho sinh viên tính tốn thơng số linh kiện đƣợc xác - Từng bƣớc lĩnh hội hội nhập công nghệ giảng dạy khu vực giới Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Công, Thầy cô viện Sƣ phạm kỹ thuật, viện Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp em nhiều thời gian học tập hoàn thiện luận văn 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Hoàng Tiến, Dƣơng Thanh Phƣơng, Giáo Trình Kỹ Thuật Truyền Hình, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [2] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khƣơng, Nguyễn Trung Kiên, Thông tin vô tuyến , NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [3] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [4] Exipốp, Những sở lý luận dạy học tập 1, NXB Giáo dục Hà Nội, 1977 [5] Exipốp, Những sở lý luận dạy học tập 2;3, NXB Giáo dục Hà Nội, 1978 [6] Robert E Stephenson, Computer Simulation for Engineers, New York, 1971 [7] Michael Robin, Michel Poulin, Digital television fundamentals, Orchard Publications, Second Edition [8] Steven T.Karris, Signals and Systems with MATLAB Computing and Simulink Modeling, Orchard Publications, Fouth Edition [9] http://www.mathworks.com 79 ... TS Phạm Thành Cơng Viện Điện tử - Viễn thông) với bảo thầy, cô Viện Sƣ Phạm Kỹ Thuật - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn ? ?Xây dựng chương trình mơ truyền hình số mặt đất để nâng cao hiệu sư phạm. .. OFDM truyền hình số mặt đất Chƣơng 3: Phƣơng pháp dạy học mô vận dụng phƣơng pháp dạy học mô dạy học thực hành Chƣơng 4: Xây dựng mơ OFDM cho truyền hình số mặt đất 10 CHƢƠNG TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH... đổi số tƣơng tự Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số 19 1.2.3 Thu - phát truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 1.2.3.1 Truyễn dẫn tín hiệu truyền hình số Việc sử dụng kỹ thuật số để truyền