Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM VĂN NHANH KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội - Năm 2014 PHẠM VĂN NHANH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN NHANH CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG KHĨA 2012B Hà Nội -Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM VĂN NHANH KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội - Năm 2014 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU 1.1 Giới thiệu chương 10 1.2 Khái niệm OFDM 11 1.3 Nguyên lý OFDM 12 1.4 Tính trực giao tín hiệu OFDM 13 1.4.1 Trực giao miền tần số tín hiệu OFDM 15 1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) 16 1.6 ISI, ICI hệ thống OFDM 19 1.7 Ưu điểm hệ thống OFDM 22 1.8 Các hạn chế sử dụng hệ thống OFDM 23 1.9 kết luận 24 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 25 2.1 Giới thiệu chương 25 2.2 Tổng quan kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 25 2.3 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation) 25 2.4 Fading chậm(slow fading) fading nhanh(past fading) 27 2.5 Fading lựa chọn tần số fading phẳng 28 2.6 Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter) 31 2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum) 31 2.8 Trải phổ doppler thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) 34 2.9 Kết luận 35 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 36 3.1 Giới thiệu chương 36 3.2 Tổng quan đồng hệ thống OFDM 37 3.2.1 Nhận biết khung 37 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 39 3.3 Các vấn đề đồng hệ thống OFDM 41 3.3.1 Đồng tần số hệ thống OFDM 42 3.3.2 Đồng ký tự hệ thống OFDM 43 3.3.3 Ảnh hưởng sai lỗi đồng đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM 48 3.4 Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) 48 3.5 Kết luận 49 CHƯƠNG : ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN 51 HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 51 4.1 Giới thiệu chương 51 4.2 Tổng quan DVB_T 52 4.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB_T 55 4.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T 55 4.5 Lựa chọn điều chế sở 56 4.6 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 57 4.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 60 4.8 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 61 4.9 Kết luận 62 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG TRUYỀN DẦN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T Ở MODE 2K SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 63 5.1 Giới thiệu chương 63 5.2 Mơ hình đơn giản hệ thống OFDM 63 5.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình mơ 64 5.3.1 Sơ đồ chương trình bên phía phát DVB_T 65 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất 5.3.2 Sơ đồ chương trình bên phía thu DVB_T 65 5.4 Kết mô 66 5.5 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất LỜI CAM ĐOAN Luận văn hoàn thành sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành thông tin mạng mà theo em hoàn toàn tin cậy Nội dung văn tổng hợp từ tài liệu tham khảo liệt kê cuối luận văn Em xin cam đoan luận văn khơng hồn tồn giống với cơng trình nghiên cứu luận văn trước Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2014 Người thực PHẠM VĂN NHANH Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất CÁC TỪ VIẾT TẮT DAB Phát số quảng bá DVB Truyền hình số quảng bá DVB-T Truyền hình số quảng bá mặt đất ETSI Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu DFT Biến đổi Furrier rời rạc IDFT Biến đổi Furrier rời rạc ngược IFFT Biến đổi Furrier ngược nhanh MC Multi Carrier SC Single Carrier AM Điều chế biên độ FM Điều chế tần số FDM Ghép kênh phân chia theo tần số OFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao COFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai DSP Xử lý tín hiệu số PCM Điều chế xung mã PSK Dịch khoá pha QAM Điều chế biên độ cầu phương DQPSK QPSK sai biệt ICI Nhiễu xuyên kênh ISI Nhiễu xuyên ký tự A/D Analog/Digital Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất D/A Digital/Analog BS Base Station MS Mobile Station CCITT International Telegraph and Telephone Consultative LPF Lowpass Filter ATM Phương thức truyền không đồng AIL Ghép xen thích ứng BER Tỷ lệ lỗi bit BRAN Mạng truy cập vô tuyến băng rộng CIF Common Interleaved Frames CU Đơn vị dung lượng FEC Sữa lỗi lũy tiến FIB Khối thơng tin nhanh GPRS Gói dịch vụ vơ tuyến phổ biến HDSL Đường dây thuê bao số tốc độ cao HDTV Truyền hình phân giải cao MPEG Moving Pictues Expert Group PAPR Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình RF Tần số vơ tuyến SFN Mạng đơn tần VLSI Mạch tích hợp mật độ cực lớn QOS Quality of Service SI Side Information Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ số môi trường tiêu biểu 29 Bảng 4.1 Mô tả thông số mode làm việc DVB_T 53 Bảng 4.2 Tổng vận tốc dòng liệu 62 Bảng 5.1 Mô tả thông số mode 2k DVB_T 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sóng mang OFDM(N=8) 12 Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung chồng xung 13 Hình 1.3 Đáp ứng tần số subcarrier 15 Hình 1.4 Bộ điều chế OFDM 17 Hình 1.5 Mơ tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu 19 Hình 1.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 21 Hình 1.7 Phổ bốn sóng mang trực giao 21 Hình 1.8 Phổ bốn sóng mang khơng trực giao 22 Hình 2.1 Đáp ứng xung thu truyền xung RF 27 Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số 28 Hình 2.3 Hiệu ứng Doppler 32 Hình 2.4 Phổ cơng suất Doppler 33 Hình 3.1 Các trình đồng OFDM 37 Hình 3.2 Pilot gói OFDM 45 Hìmh 3.3 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 46 Hình 3.4 Bộ đồng khung ký tự dùng FSC 47 Hình 4.1 Sơ đồ khối điều chế số DVB-T 54 Hình 4.2.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 54 Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 55 phổ tín hiệu RF thực tế 55 Hình 4.4 Biểu diễn chịm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM 57 Hình 4.5 Biểu diễn chịm điều chế phân cấp 16-QAM với α = 57 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất CHƯƠNG : MƠ PHỎNG TRUYỀN DẦN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T Ở MODE 2K SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 5.1 Giới thiệu chương Để hiểu vấn đề lý thuyết trình bày chương trước Trong chương cuối này,chúng ta giới thiệu chương trình mơ truyền dẫn tín hiệu truyền hình số mặt đất DVB_T mode 2k sử dụng kỹ thuật OFDM Đây chương trình viết Matlab,chương trình mơ tả sơ đồ khối mơ phát thu OFDM truyền mơi trường có nhiễu trắng cộng Gauss AWGN 5.2 Mơ hình đơn giản hệ thống OFDM User data Modulation QAM_4 IFFT D/A LPF IF/RF Môi trường truyền với nhiễu AWGN RF/IF LPF A/D FFT Demodulation QAM_4 Hình 5.1 Mơ hình hệ thống OFDM Ta mô với tham số hệ thống DVB-T 2k-mode, với thông số hệ thống cho Bảng 5.1 63 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Bảng 5.1 Mô tả thông số mode 2k DVB_T Tham số Mode 2K Số lượng sóng mang 1705 Độ rộng symbol có ích(TU) 224s Khoảng cách sóng mang (1/TU) 4464hz Băng thông 7.61Mhz Khoảng bảo vệ  T/4, T/8, T/12 Phương thức điều chế QPSK,16-64QAM 5.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình mơ Bắt đầu Chọn kiểu liệu truyền  Ngẩu nhiên  Hình ảnh (R_button) R_button=1 ? NO YES CHON_DU_LIEU CHON_DU_LIEU TRUYEN_NGAU_NHIEN YES NHAP_SNR R_button=2 ? NO TRUYEN_HINH_ANH Kết thúc 64 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất 5.3.1 Sơ đồ chương trình bên phía phát DVB_T QAM_4 s_tilde info Create_carriers Create_data carriers D/A_convertion Create_LPF KHỐI f { D/A KHỐI IFFT Im_encode u uoft Up_con vertion KHỐI LPF KHỐI IF/RF { f De_to_bi KHỐI LẤY DỮ LIỆU Hình 5.2 Sơ đồ chương trình bên phía phát DVB_T Luồng liệu ngõ vào dạng thập phân chuyển đổi thành nhị phân nhờ chương trình De_to_bi, luồng bít nhị phân tạo phải qua chuyển đổi QAM_4 để tạo tín hiệu phức, tín hiệu phức qua IFFT, tín hiệu phức rời rạc sau IFFT qua DA_convertion để tạo tín hiệu miền thời gian Sau tín hiệu đưa qua lọc LPF để đưa đến nhân tần Tín hiệu vơ tuyến truyền tuỳ thuộc vào kiểu liệu ngẫu nhiên hay hình ảnh mà mơi trường truyền có nhiễu trắng cộng Gauss hay khơng 5.3.2 Sơ đồ chương trình bên phía thu DVB_T s_tilde Bi_to_de AWGN s_tilde_ad Im_decode liệu ngõ FFT_conversion KHỐI FFT r_data AD_convers ion r_info _gener LPF ation KHỐI A/D KHỐI LPF r_tilde Down_co nversion KHỐI RF/IF Hình 5.3 Sơ đồ chương trình bên phía thu DVB_T 65 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Quá trình bên thu trình thực ngược lại so với bên phát 5.4 Kết mô Sau kết chương trình mơ truyền hình ảnh hệ thống DVB_T mơi trường truyền có nhiễu trắng cộng Gauss AWGN ta chọn tỷ số tín hiệu nhiễu SNR = 20 Hình 5.4 Giao diện chương trình mơ 66 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.5 Chọn kiểu liệu nhập thơng số Hình 5.6 Nhập tỷ số SNR 67 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.7 Sơ đồ khối mơ hình truyền OFDM Hình 5.8 Hình ảnh dùng để truyền 68 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.9 Đáp ứng thời gian tín hiệu sóng mang sau IFFT Hình 5.10 Đáp ứng tần số tín hiệu sóng mang sau IFFT 69 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.11 Đáp ứng thời gian sau D/A tín hiệu Hình 5.12 Đáp ứng tần số sau D/A 70 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.13 Đáp ứng thời gian tín hiệu bên thu khối LPF bên phải, so sánh với tín hiệu phát bên trái, kết có sai lệch vẫn tương đối xác Hình 5.14 Tín hiệu sau điều chế sóng mang 71 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.15 Đáp ứng tần số tín hiệu thu LPF bên phải, so sánh với tín hiệu phát bên trái Phổ bị can nhiễu, nhiên hình dạng vẫn đảm bảo Hình 5.16 Đáp ứng thời gian tín hiệu thu sau giải điều chế sóng mang RF/IF 72 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Hình 5.17 Hình ảnh truyền nhận có lỗi 5.5 Kết luận chương Mơ Matlab chứng tỏ tín hiệu OFDM truyền tốt mơi trường đường truyền có nhiễu trắng cộng Gauss Nếu tỷ số tín hiệu nhiễu SNR khơng q thấp khơi phục lại tín hiệu ban đầu 73 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM kỹ thuật đại cho truyền thông tương lai Đây kỹ thuật tương đối mẻ, việc nghiên cứu ứng dụng OFDM giai đoạn khẩn trương Trong đó, vấn đề kỹ thuật đối tượng quan tâm nghiên cứu nhiều Luận văn tìm hiểu số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM, là: Ước lượng kênh, đồng ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền dẫn tín hiệu DVB-T Vì khả chống hiệu ứng đa đường động tốt hệ thống OFDM tạo cho nghành truyền hình có hai khả mà truyền hình tương tự truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn đạt : khả thu di động dịch vụ truyền hình quảng bá khả tạo nên mạng đơn tần phạm vi rộng Đối với hệ thống truyền hình tương tự hệ thống thông tin , máy phát cạnh dùng chung tần số vấn đề vơ khó khăn hệ thống cần có quy hoạch tần số cẩn thận phương án tái sử dụng tần số Mạng đơn tần SFN mạng gồm nhiều máy phát động tần số phát nội dung Mỗi máy phát mạng SFN tuân theo quy tắc sau : Phát tần số Phát lúc Phát liệu Như điểm thu biên vùng phủ sóng thu nhiều tín hiệu từ trạm phát khác thu coi tín hiệu trễ nhân tạo Vậy mạng SFN khả thi OFDM giaỉ vấn đề thu nhiều đường Ứng dụng SNF tạo bước đột phá cơng nghệ phát sóng truyền hình, phạm vi lớn khai mạng dày đặc máy phát hoạt động tần số, 74 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất tài nguyên tần số băng tần UHF/VHF ngày hạn hẹp triển khai SNF mang lại lợi ích vơ lớn Từ việc tìm hiểu các kĩ thuật hệ thống OFDM trình bày chương trước tiếp tục nghiên cứu ứng dụng OFDM mà nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực thông tin vô tuyến Công nghệ lựa chọn kết hợp phương pháp điều chế cổ điển phương pháp đa truy cập vô tuyến, ứng dụng OFDM dành cho mạch vòng vô tuyến nội hạt, LAN vô tuyến, dịch vụ truyền thông cá nhân tế bào Các hệ thống đa truy cập cá nhân tế bào dựa OFDM OFDM-TDMA MCTDMA xem xét hệ hệ thống vô tuyến nhiều người sử dụng Mặc dù em cố gắng kiến thức có hạn nên luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, mong qua luận văn em có kinh nghiệm hữu ích cho sau Một lần em xin chân thành cảm ơn đến tất Thầy, Cô giúp em hoàn thành luận văn 75 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Th.s Nguyễn Ngọc Tiến,” Một số vấn đề kỹ thuật OFDM”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thơng Tin , Kỳ 1(10/2003) [2] Quách Tuấn Ngọc ,”xử lý tín hiệu số “ , Nhà xuất giáo dục -1999 [3] Đặng Văn Chuyết & Nguyễn Tuấn Anh , “Cơ sở lý thuyết truyền tin-Tập hai “, Nhà xuất giáo dục-2000 [4] Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức, “Kỹ thuật thông tin số_tập 1”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật- Hà Nội 2006 [5] Th.s Nguyễn Hoàng Hải , Th.s Nguyễn Việt Anh , “ Lập trình Matlab ứng dụng “ , Nhà xuất khoa học kỹ thuật- Hà Nội 2006 [6] T.S Phạm Đắc Bi, K.S Lê Trọng Bằng , K.S Đỗ Anh Tú, ”Các đặc điểm máy phát số DVB-T”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thơng Tin , (8/2004) [7] Tạ Quốc Ưng , “ Điện thoại di động truyền hình số mặt đất DVB_T “ , Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thông Tin (12/11/2003) [8] Phan Hương , “ Công nghệ OFDM truyền dẫn vô tuyến băng rộng điểm-đa điểm tốc độ cao (54Mbit/s) “ , Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thơng Tin (13/03/2006) [9] Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House, 2000 [10] Eric Phillip LAWREY BE (Hons), “Adaptive Techniques for Multiuser OFDM”, a thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Electrical and Computer Engineering School of Engineering, JAMES COOK University, Dec2001 Website: www.skydsp.com/publications/index.htm 76 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất [11] ETS 300 744, “Digital broadcasting systems for television, sound and data services; framing structure, channel coding, and modulation for digital terrestrial television”, European Telecommunication Standard, Doc.300 744 [12] Digital Video Broadcasting The international Standard for Digital Television [13] Anibal Luis Intini, “ Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wirelss Networks “ , University of California Santa Barbara – December, 2000 [14] K.Fazel , S.Kasier , “ Multi-carrier and spread spectrum systems “, John Wiley & Sons Ltd , The Atrium , Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2003 77 ... tần số 42 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất Tương tự kỹ thuật đồng ký tự, để thực đồng tần số, sử dụng tín hiệu pilot sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, số. .. synchronization) ,và đồng tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) 41 Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất 3.3.1 Đồng tần số hệ thống OFDM Trong kỹ thuật đồng tần số quan tâm đến lỗi tần số. .. Người thực PHẠM VĂN NHANH Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất CÁC TỪ VIẾT TẮT DAB Phát số quảng bá DVB Truyền hình số quảng bá DVB-T Truyền hình số quảng bá mặt đất ETSI Viện tiêu chuẩn