Nghiên cứu ứng dụng ofdm trong công nghệ truyền hình di động t dmb (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Đỗ Mạnh Hùng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG OFDM TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG T-DMB Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI NĂM 2013 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN BÌNH Phản biện 1: ………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng LỜI NĨI ĐẦU 1- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày tăng, đặc biệt hệ thống thông tin di động, truyền thanh, truyền hình tính linh hoạt, mềm dẻo, di động tiện lợi Các hệ thống thông tin vô tuyến tương lai ngày địi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả kháng nhiễu tốt Trong năm gần đây, kỹ thuật thơng tin vơ tuyến có bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng cơng nghệ video, thoại, loại hình truyền số liệu, thiết bị di động ngày phát triển nhiều tiện ích nhu cầu truyền thơng đa phương tiện ngày cao Việc nghiên cứu phát triển diễn toàn cầu để đưa giải pháp đáp ứng yêu cầu hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây để tạo nên “làng thơng tin tồn cầu” Cơng nghệ truyền hình không đơn đường truyền chiều trước Đến nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ truyền hình tương tác người dùng ngày cao, đồng thời nhà cung cấp từ bước xây dựng hệ thống truyền hình trả tiền từ u cầu nâng cao chất lượng đa dạng hóa dịch vụ ngày trở lên cấp thiết Trong bối cảnh đó, việc phát triển hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp, băng thơng lớn, tiết kiệm phổ tần có hiệu hệ thống cao tốn đặt khơng ngừng có lời giải thích xác đáng Chúng ta từ hệ thông tin di động thứ đến nay, hệ thông tin di động thứ 3, thứ phổ biến nhiều quốc gia, đặc biệt Việt Nam với bùng nôt Công nghệ thông tin Viễn thơng Với hệ thống có khả tích hợp cao vậy, cơng nghệ truyền dẫn đơn sóng mang trở lên lỗi thời khơng đáp ứng yêu cầu cao tốc độ chất lượng dịch vụ Để thực thi hệ thống này, cần thiết phải phát triển hệ thống băng rộng, khả thích nghi cao với điều kiện đường truyền đa dạng, đồng thời xác định phổ tần tài nguyên vô quan trọng thơng tin vơ tuyến Do đó, giải pháp đưa việc sử dụng kỹ thuật trải phổ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM viết tắt Orthogonal frequency-division multiplexing) vào truyền thơng vơ tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thơng tin vơ tuyến hồn thiện OFDM giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu sử dụng phổ tần thấp hệ thống thông tin di động trước OFDM sử dụng kỹ thuật tạo sóng mang trực giao để truyền liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu Kỹ thuật OFDM đưa vào ứng dụng thực tế đóng góp lớn vào phát triển bùng nổ Công nghệ thông tin Viễn thông Việt Nam Đầu tiên kể đến phát triển mạnh mẽ mạng truyền dẫn hữu tuyến ADSL từ đưa dịch vụ Internet tốc độ cao với giá hợp lý Đặc biệt việc ứng dụng OFDM vào hệ thống mạng không dây WLAN, WIMAX làm thay đổi sống việc giao tiếp với Internet, truyền liệu Trong lĩnh vực quảng bá, truyền hình tương tự dần thay hệ thống truyền hình số Theo lộ trình số hóa Việt Nam, đến năm 2020 hồn thành chuyển đổi sang truyền hình số Rõ ràng ưu việt truyền hình số so với truyền hình tương tự nhận thấy qua trình sử dụng Tương tự vậy, hệ thống truyền quảng bá có xu hướng chuyển sang truyền số nhằm thêm dịch vụ gia tăng cải tiến chất lượng mặt lợi ích quảng bá số mang lại lợi ích to lớn mặt phổ tần kinh tế Với lý nêu trên, giới hạn luận văn tơi trình bày kỹ thuật OFDM nghiên cứu ứng dụng vào cơng nghệ truyền hình số T-DMB triển khai giới Việt Nam 2- MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: a Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật trải phổ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), thơng số liên quan từ ưu điểm, nhược điểm kỹ thuật Áp dụng kỹ thuật OFDM vào ứng dụng truyền hình di động cơng nghệ T-DMB Từ đưa kết luận, đề xuất hướng nghiên cứu thực tiễn cho nhà cung cấp dịch vụ truyền hình lựa chọn cơng nghệ phát triển tương lai b Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Với mục đích nghiên cứu trên, luận văn tập trung vào việc nghiên cứu kỹ thuật OFDM rõ thông số liên quan, thuật toán áp dụng, đưa ưu nhược điểm áp dụng kỹ thuật OFDM Từ kết nghiên cứu đem áp dụng vào lĩnh vực truyền hình di động công nghệ T-DMB Luận văn giới thiệu tổng quan kỹ thuật OFDM, phương thức điều chế, vấn đề kỹ thuật liên quan hệ thống OFDM chương 1, Cơng nghệ truyền hình T-DMB ứng dụng kỹ thuật OFDM vào lĩnh vực truyền hình di động cơng nghệ T-DMB trình bày chương 3- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Sử dụng tài liệu lý thuyết kinh điển làm sở lý luận - Tìm kiếm tài liệu cập nhật thông tin mạng Internet - Nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật OFDM áp dụng kỹ thuật lĩnh vực truyền hình di động cơng nghệ T-DMB NỘI DUNG Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương giới thiệu khái niệm, nguyên lý thuật toán OFDM Các nguyên lý OFDM, mơ tả tốn học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang kỹ thuật điều chế OFDM Bên cạnh lịch sử phát triển, ứng dụng ưu nhược điểm hệ thống OFDM đưa Tuy nhiên, giới hạn luận văn nên chưa sâu phân tích kỹ thuật tốn vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM (về đồng bộ, vấn đề đồng bộ, cân kênh ) Nguyên lý OFDM 10 - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với nhiễu xuyên kênh kết hợp - Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản 1.7.2 Nhược điểm - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thơng tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hịa khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng lẫn xạ băng 11 - OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống đơn sóng mang Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang trực giao gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động giải điều chế cách trầm trọng Vì vậy, đồng tần số nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt thu OFDM - Một vấn đề OFDM có cơng suất đỉnh cao so với cơng suất trung bình Khi tín hiệu OFDM điều chế RF, thay đổi diễn tương tự biên độ sóng mang, sau tín hiệu truyền mơi trường tuyến tính, nhiên độ tuyến tính khó giữ điều chế công suất cao, méo dạng tín hiệu kiểu hay diễn khuyếch đại công suất phát Bộ thu thiết kế khơng tốt gây méo dạng trầm trọng Méo dạng gây hầu hết vấn đề trải phổ, gây nhiễu hệ thống truyền tần số RF kề - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu ISI lại làm giảm phần hiệu suất đường 12 truyền, thân chuỗi bảo vệ không mang thơng tin có ích - Do u cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ, hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Doppler dịch tần (frequency offset) dịch thời gian (time offset) sai số đồng - Ảnh hưởng sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả chịu đựng tốt sai số thời gian nhờ khoảng bảo vệ symbol Với kênh truyền khơng có delay hiệu ứng đa đường, time offet khoảng bảo vệ mà khơng tính trực giao, gây xoay pha sóng mang mà thơi Nếu lỗi time offset lớn khoảng bảo vệ hoạt động hệ thống suy giảm nhanh chóng Nguyên nhân symbol trước đến FFT bao gồm phần nội dung symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference) - Ảnh hưởng sai lệch đồng tần số: Một vấn đề lớn OFDM dễ bị ảnh hưởng offset tần số Giải điều chế tín hiệu OFDM gây sai tốc độ bit Điều làm cho tính trực 13 giao subcarrier bị (kết ICI xoay pha không sửa chữa thu) Sai số tần số diễn chủ yếu theo nguồn chính: lỗi dao động hiệu ứng Doppler Bất kỳ bất đồng phát thu gây offset tần số Offset bù cách dùng bám tần số, nhiên khắc phục mà thôi, hoạt động hệ thống bị ảnh hưởng Sự di chuyển tương đối thu phát gây dịch chuyển Doppler tín hiệu Điều hiểu offset tần số mơi trường truyền tự do, khắc phục bù dao động Một vần đề quan trọng hiệu ứng Doppler trải Doppler, gây nên di chuyển phát thu môi trường đa đường Trải Doppler gây nên vận tốc tương đối thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo q trình "điều chế tần số" cho tín hiệu Quá trình diễn ngẫu nhiên subcarrier mơi trường bình thường, lượng lớn phảnxạ đa đường xảy Trải Doppler khó bù làm suy giảm chất lượng tín hiệu 14 Chương 2: TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG Trong chương này, tác giả nghiên cứu giới thiệu tổng quan cơng nghệ ứng dụng lĩnh vực truyền hình di động, đưa thông số để làm sở so sánh công nghệ, giải pháp cung cấp dịch vụ truyền hình di động Tuy nhiên, giới hạn luận văn nên chương chưa sâu phân tích yếu tố mặt kỹ thuật công nghệ Các công nghệ cung cấp dịch vụ truyền hình  Truyền hình di động sử dụng tảng mạng 3G  Truyền hình di động sử dụng công nghệ video số quảng bá (DVB)  Truyền hình di động sử dụng cơng nghệ DMB  Dịch vụ Truyền hình di động Media FLO  Dịch vụ DAB-IP cho truyền hình di động  Truyền hình di động sử dụng dịch vụ ISDB-T  Truyền hình di động cung cấp qua cơng nghệ Wimax 15 Truyền hình mặt đất DVB Hệ thống truyền dẫn T-DMB 16 Cấu trúc mạng S-DMB Mạng MediaFLO 17 Mô hình dịch vụ ISDB-T Bảng So sánh cơng nghệ dịch vụ truyền hình di dộng Cơng nghệ Tham số DVB-H FLO T-DMB MBMS SDMB Phân loại Giao diện vô tuyến Quảng Quảng Quảng Quảng Quảng bá bá bá bá bá DVB-T CDMA T-DAB UTRA CDM WCDM A COFDM A Tổ chức tiêu DVB Qualcom ETSI, 3GPP ETSI 18 chuẩn hoá m DAB forum Dung lượng mang liệu 9Mbps 1Mbps 384 kbps 6Mbps trong trong kênh kênh kênh kênh 8MHz 1.54 5MHz 25MH MHz Công nghệ kiệm tiết z Cắt lát Chọn mã Phân Chọn lọc Chọn thời gian CDMA tách thời mã lọc mã nguồn gian Băng tần hoạt động UHF L- 700 VHF IMTS S-band band MHz L-bank 2000 IMTS UHF, L-band gian Thời 5S 1.5s 1.5s 1.5s 1.5s 4h 4h 2h 4h 1.5h chuyển mạch kênh trung bình Thời gian xem trung bình với pin 850mA 19 Chương 3: CÔNG NGHỆ QUẢNG BÁ ĐA PHƯƠNG TIỆN SỐ MẶT ĐẤT T-DMB Trong chương này, tác giả sâu để phân tích cơng nghệ truyền hình di động T-DMB, nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật OFDM vào truyền tải cơng nghệ truyền hình di động T-DMB Từ ưu nhược điểm khả triển khai công nghệ giới Việt Nam Tuy nhiên, giới hạn luận văn mục tiêu sâu nghiên cứu ứng dụng OFDM điều chế truyền tải nên chưa rõ vấn đề liên quan đến xử lý hình ảnh, âm thanh, video cơng nghệ truyền hình T-DMB Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Để điều chế đa sóng mang hệ thống DMB, kênh vô tuyến băng thông 1,536 MHz chia nhỏ thành N sóng mang con, sóng mang truyền liệu độc lập Luồng truyền tải phân phối qua N sóng mang thời gian kí hiệu ứng với song mang mở rộng N lần so với khoảng thời gian kí hiệu sử dụng điều chế đơn sóng mang Tất tốc độ kí hiệu kênh vơ tuyến tương 20 đương nhau, tránh nhiễu kí hiệu khoảng thời gian ký hiệu sóng mang lớn khoảng trễ dự kiến, giả sử với N chọn đủ lớn Tuy nhiên, điều chế đa sóng mang chịu thiệt hại từ búp sóng lân cận, búp sóng lân cận sinh từ xạ băng dải tần số bên bên sóng mang Các búp sóng cạnh khơng mang thơng tin hữu ích (những thơng tin cần thiết để nhận biết tín hiệu tới máy thu) chúng có gây méo q trình trình truyền sóng sóng mang lân cận Do đó, quan hệ quan trọng sử dụng điều chế đa sóng mang lựa chọn khoảng trống tần số hợp lý sóng mang Để đạt mục đích này, hệ thống DAB/DMB áp dụng kỹ thuật gọi ghép kênh phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), tần số sóng mang đặt trực giao với Một cặp sóng mang gọi trực giao khoảng cách tần số chúng 1/Ts Hz, Ts khoảng thời gian ký hiệu sóng mang Ưu điểm T-DMB 21 - Đây tiêu chuẩn mở khai thác thương mại - T-DMB không bị ảnh hưởng nhiễu - Công suất phát sóng cần thiết thấp - Thời gian chuyển kênh thấp so với DVB-H - T-DMB hồn tồn sử dụng hạ tầng mạng DAB có sẵn dựa công nghệ Eureka 147 thay tương lai gần - T-DMB sử dụng băng tần VHF L-Band băng tần ITU phân bổ cho DAB Nhược điểm T-DMB - Số lượng kênh truyền hình cung cấp số lượng kênh DVB-H cung cấp - Cần phải bổ sung phổ tần số lượng kênh lớn - Số lượng máy phát yêu cầu lớn để cung cấp vùng phủ sóng số lượng kênh đầy đủ 22 KẾT LUẬN Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM kỹ thuật đại cho truyền thông tương lai Hiện việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại fading chọn lọc tần số xuyên nhiễu băng hẹp Luận văn tìm hiểu vấn đề kỹ thuật OFDM số vấn đề kỹ thuật cho cơng nghệ OFDM từ nghiên cứu ứng dụng OFDM vào cơng nghệ truyền hình di động T-DMB Luận văn trình bày tổng quan cơng nghệ sử dụng cho truyền hình di động nay, sâu phân tích cơng nghệ truyền hình di động T-DMB Từ tìm ưu điểm trội T-DMB so với cơng nghệ truyền hình di động khác như: Băng thông, quy mô đầu tư triển khai dịch vụ, cơng suất máy phát, vùng phủ sóng, thời gian chuyển kênh chương trình Vì quốc gia bị cạn kiệt tần số, nhà khai 23 thác quảng bá có nhu cầu triển khai dịch vụ truyền hình di động với quy mơ vừa nhỏ, số lượng kênh hạn chế TDMB cơng nghệ hấp dẫn thích hợp Trong xu hướng phát triển truyền thông tương lai gần ngành cơng nghệ truyền hình Truyền hình di động từ vài năm qua xem hướng kinh doanh mới, công nghệ cho loại hình giai đoạn đầu phát triển Mặc dù có số bày tỏ nghi ngờ liệu người có thực muốn xem Ti vi thiết bị di động hay không, hãng sản xuất điện thoại như: Nokia, Samsung, LG, Siemens… làm dịch vụ tin ăn khách Nên việc phát triển hệ thống truyền hình T-DMB quy mô lớn xu hướng tốt cho ngành viễn thơng, truyền hình Việt Nam Đề xuất: Thị trường truyền hình di động thị trường sơi động đầy tiềm năng, đặc biệt Việt Nam thực loại bỏ truyền hình tương tự chuyển sang truyền hình số Từ kết luận thơng qua nghiên cứu công nghệ T-DMB thông qua khảo sát thử nghiệm công nghệ, tác giả mong nhà cung cấp dịch vụ truyền 24 hình, viễn thơng triển khai cơng nghệ T-DMB Khi làm tăng khả cạnh tranh doanh nghiệp làm công nghệ truyền hình di động, làm giảm phí hồ mạng giảm phí thuê bao, giúp cho người sử dụng xem chương trình truyền hình khắp nơi ... này, t? ?c giả sâu để phân t? ?ch cơng nghệ truyền hình di động T- DMB, nghiên cứu ứng dụng kỹ thu? ?t OFDM vào truyền t? ??i cơng nghệ truyền hình di động T- DMB T? ?? ưu nhược điểm khả triển khai công nghệ. .. vào cơng nghệ truyền hình di động T- DMB Luận văn trình bày t? ??ng quan cơng nghệ sử dụng cho truyền hình di động nay, sâu phân t? ?ch cơng nghệ truyền hình di động T- DMB T? ?? t? ?m ưu điểm trội T- DMB so... cho truyền hình di động  Truyền hình di động sử dụng dịch vụ ISDB -T  Truyền hình di động cung cấp qua cơng nghệ Wimax 15 Truyền hình m? ?t đ? ?t DVB Hệ thống truyền dẫn T- DMB 16 Cấu trúc mạng S-DMB