Bố cục của Luận văn gồm có 3 chương: Chương 1 – Tổng quan về truyền hình số mặt đất DVB - T; Chương 2 – Kỹ thuật MIMO – OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB – T2; Chương 3 – Phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM. Mời các bạn cùng tham khảo!
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Nguyễn Mạnh Tiến ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T2 SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO - OFDM Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2019 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VŨ VĂN SAN Phản biện : Phản biện : Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng .năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: ‐ Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng 1 MỞ ĐẦU DVB-T2 (viết tắt "Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial") phần mở rộng tiêu chuẩn truyền hình DVB-T DVB phát minh cho việc truyền dẫn truyền hình số mặt đất Hệ thống cho phép truyền dẫn nén âm thanh, video liệu kĩ thuật số khác dạng "ống lớp vật lý" (PLPs), phương án truyền dẫn đề xuất nhiều cho tiêu chuẩn MIMO – OFDM với kết nối mã hóa kênh chèn Tốc độ bit hệ thống cao so với DVB-T, phù hợp để truyền dẫn tín hiệu HD truyền kênh truyền hình mặt đất [7] Kỹ thuật MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập phía phát phía thu mà khơng cần tăng công suất phát tăng băng thông hệ thống Trong kỹ thuật OFDM phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản chống fading chọn lọc tần số, cách chia luồng liệu tốc độ cao thành N luồng liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số chia thành N kênh truyền có băng thơng nhỏ hơn, N đủ lớn kênh truyền chịu fading phẳng OFDM loại bỏ hiệu ứng ISI sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Từ ưu điểm bật hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM giải pháp hứa hẹn cho hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất Nhận thấy tiềm ứng dụng kỹ thuật MIMO, OFDM kết hợp kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất nên lựa chọn đề tài “Đánh giá hiệu hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO OFDM” để làm luận văn tốt nghiệp cao học Luận văn gồm chương: Chương – Tổng quan truyền hình số mặt đất DVB - T Chương – Kỹ thuật MIMO – OFDM truyền hình số mặt đất DVB – T2 Chương – Phân tích, đánh giá hiệu hệ thống DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T 1.1 Tổng quan hệ thống truyền hình số 1.1.1 Các đặc điểm chung hệ thống truyền hình số Cơng nghệ truyền hình số có nhiều ưu điểm hẳn so với công nghệ truyền hình tương tự như: khả sử dụng hiệu phổ tần, truyền dẫn phát sóng nhiều chương trình kênh, có khả phát sửa lỗi, khắc phục ưu điểm thường thấy truyền hình tương tự, có khả tương thích với nhiều loại hình dịch vụ khác khả phát sóng chương trình truyền hình độ phân giải cao HDTV… việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình số thực thông qua cáp đồng trục, cáp quang, vệ tinh hay truyền hình số mặt đất [1] Các đặc điểm chung hệ thống truyền hình số mặt đất: Yêu cầu băng tần khác rõ tín hiệu số tín hiệu tương tự, tín hiệu số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng lớn Đối với tín hiệu số tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu bốn lần tần số sóng mang màu hệ NTSC 14,4 MHz thực mã hoá với mã bit, tốc độ bit 115,2 Mbit/s độ rộng băng tần khoảng 58 MHz Một ưu điểm lớn tín hiệu số khả chống nhiễu trình xử lý khâu truyền dẫn ghi Nhiễu tạp âm hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỷ lệ S/N toàn hệ thống tổng cộng nguồn nhiễu thành phần gây Vì ln nhỏ tỷ lệ S/N khâu có tỷ lệ thấp Nhiễu tín hiệu số khắc phục nhờ mạch sửa lỗi Bằng mạch khơi phục lại dịng bit ban đầu Khi có nhiều bit lỗi, ảnh hưởng nhiễu làm giảm cách che lỗi Tín hiệu số khơng bị ảnh hưởng méo phi tuyến trình ghi truyền tỷ lệ S/N, tính chất quan trọng việc ghi đọc chương trình nhiều lần đặc biệt với hệ thống truyền hình nhạy cảm với méo khuyếch đại vi sai hệ NTSC Tín hiệu số khơng bị ảnh hưởng méo phi tuyến trình ghi truyền tỷ lệ S/N, tính chất quan trọng việc ghi đọc chương trình nhiều lần đặc biệt với hệ thống truyền hình nhạy cảm với méo khuyếch đại vi sai hệ NTSC 3 1.1.2 Các tiêu chuẩn truyền hình số tiêu biểu Hiện giới chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số là: DVB (Digital Video Broadcasting) tiêu chuẩn Châu Âu; ATSC (Advanced Television System Committee) tiêu chuẩn Mỹ; ISDB - T (Intergrated Services Digital BroadcastingTerrestrial) tiêu chuẩn Nhật [2] 1.1.3 Xử lý truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Truyền hình số tên gọi hệ thống truyền hình mà tất thiết bị kỹ thuật từ Studio máy thu làm việc theo nguyên lí kỹ thuật số Trong đó, hình ảnh quang học camera thu qua hệ thống ống kính, thay biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự hình ảnh quang học (cả độ chói màu sắc), biến đổi thành dãy tín hiệu nhị phân (dãy số 1) nhờ trình biến đổi tương tự sang số Dãy tín hiệu qua nhiều bước biến đổi kĩ thuật nén để làm giảm tốc độ bit tới giá trị phù hợp với độ rộng kênh truyền Sau đó, qua bước xử lí, điều chế số để phát phương thức truyền dẫn cáp quang, vệ tinh hay phát mặt đất Và bên thu thực trình ngược lại để khơi phục lại tín hiệu hình ảnh ban đầu Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số: Truyền qua cáp đồng trục Truyền tín hiệu truyền hình số cáp quang Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh Phát sóng truyền hình số mặt đất 1.2 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB – T Hình 1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T Các thành phần hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T bao gồm: Nguồn tín hiệu: Biến đổi tín hiệu video audio thành liệu số Mã hóa nguồn (Source Coding): Thực nén tín hiệu số b ng mã hóa nén MPEG-2 tỉ số nén khác Việc mã hóa tín hiệu thực phức tạp dựa sở nhiều khung hình ảnh chứa nhiều thông tin với sai khác nhỏ MPEG gửi liệu thay đổi liệu lúc giảm 100 đến 200 lần Việc nén tín hiệu audio thực dựa đặc điểm tai người khó phân biệt âm trầm nhỏ với âm lớn chúng có tần số lân cận Gói đa hợp video, audio liệu phụ thuộc vào dòng liệu, dòng truyền tải MPEG-2 Điều chế: Q trình điều chế tín hiệu phát sóng dịng liệu bao gồm mã hóa truyền dẫn, mã hóa kênh kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi chống lại suy giảm chất lượng phađing, tạp nhiễu… Phía thu: Thực bước ngược lại mở gói, giải mã, hiển thị hình ảnh tiếng 1.2.1 Đặc tính kỹ thuật DVB – T DVB-T phổ biến với hầu hết tất hệ thống truyền dẫn mặt đất đại, sử dụng điều chế OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao) Kiểu điều chế này, sử dụng số lượng lớn sóng mang con, mang lại tín hiệu mạnh mẽ có khả xử lý điều kiện kênh nghiêm trọng DVB-T có đặc tính kỹ thuật làm cho trở thành hệ thống linh hoạt: điều chế tùy chọn (QPSK, 16-QAM, 64-QAM) tốc độ FEC (sửa lỗi chuyển tiếp) khác nha tùy chọn Khoảng thời gian bảo vệ Các sóng mang 2K 8K Băng thông kênh 6, MHz Video 50Hz 60Hz Mạng đơn tần DVB – T: Một lợi việc sử dụng OFDM làm hình thức điều chế cho phép mạng thực gọi mạng tần số đơn Một mạng tần số đơn, SFN số máy phát hoạt động tần số mà khơng gây nhiễu Nhiều hình thức truyền tải, bao gồm chương trình phát sóng truyền hình tương tự cũ gây trở ngại cho Do đó, lập kế hoạch mạng, khu vực lân cận sử dụng kênh điều làm tăng đáng kể lượng phổ cần thiết cho quốc gia Bằng cách sử dụng OFDM, SFN thực điều cung cấp mức độ cải thiện hiệu phổ đáng kể 5 Điều chế phân cấp DVB-T: Một sở khác DVB-T cho phép gọi Điều chế phân cấp Sử dụng kỹ thuật này, hai luồng liệu hồn tồn riêng biệt điều chế tín hiệu DVB-T Luồng "Ưu tiên cao" HP nhúng luồng "Ưu tiên thấp" luồng LP Sử dụng nguyên tắc này, đài truyền hình DVB-T nhắm mục tiêu hai loại máy thu khác với hai dịch vụ hoàn toàn khác 1.2.2 Đặc điểm DVB – T Tiêu chuẩn DVB–T tiêu chuẩn có nhiều ưu điểm, đại, mang tính mở có khả tương thích cao, nhiều nước sử dụng Hiệu sử dụng tần phổ cao chất lượng tốt so với phát sóng tương tự Trên dải tần truyền hình phát số chương trình truyền hình có chất lượng cao, chất lượng ổn định, khắc phục tượng bóng ma, can nhiễu, tạp nhiễu, tạp âm… Máy thu hình lắp đặt dễ dàng vị trí nhà, xách tay lưu động trời, chuyển đổi linh hoạt chương trình Có khả làm việc với tỉ lệ khn hình 4:3,16:9 (băng tần tiêu chuẩn) 20:9 (băng tần cao) Sử dụng dòng truyền liệu theo tiêu chuẩn Quốc tế (định dạng lấy mẫu 4:2:0, nén MPEG – MP@ML, có khả tương thích chuyển đổi lên/xuống lớp bậc thấp cao, phân cấp SDTV HDTV ) Tiêu chuẩn phát sóng số khơng gây trở ngại cho việc quy hoạch tần số Có khả sử dụng lại phần hạ tầng hệ thống máy phát hình kĩ thuật tương tự Chi phí đầu tư phù hợp với Việt Nam Nhược điểm tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T là: Các sóng mang có cơng suất thấp nên dễ bị ảnh hưởng fading lựa chọn tần số Khi thực điều chế 64-QAM, có sai lệch chút pha biên độ gây cho đầu thu giải điều chế sai so với tín hiệu ban đầu Để đảm bảo chất lượng thu sóng tín hiệu truyền hình số DVB-T từ máy phát cần phải ln giữ tính trực giao sóng mang 6 1.3 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB – T2 Là tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ hai, người tiền nhiệm DVB-T với tính trội nâng cao hiệu việc truyền tải nội dung số đến khách hàng Hệ thống truyền tải tín hiệu nén số video, audio liệu khác PLPs, sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM với kênh mã hóa liên kết trộn lẫn Với tốc độ bit cao DVB - T, DVB - T2 phù hợp để truyền tín hiệu HDTV kênh truyền hình mặt đất [1] 1.3.1 Đặc tính kỹ thuật DVB – T2 a Lớp vật lý Trong kênh DVB-T2 thực truyền nhiều dòng liệu (dịch vụ) khác nhau, hồn tồn suốt có khả tải liệu độc lập với cấu trúc thông số cấu hình khác nhau.Với dịch vụ có cấu hình khác như: Phương thức điều chế, FEC Các cấu hình gọi “ống” Lớp vật lý PLPs[3] Hình 1.2 Lớp vật lý DVB - T2 b Băng tần phụ (1.7 MHz 10 MHz) Để đáp ứng dịch vụ chuyên dụng, ví dụ truyền tín hiệu từ camera studio lưu động, DVB-T2 bao gồm tuỳ chọn băng tần 10Mhz Các máy thu dân dụng không hỗ trợ băng tần DVB-T2 sử dụng băng tần 1.712 Mhz cho dịch vụ thu di động (trong băng III băng L) c Các mode sóng mang mở rộng (đối với 8K, 16K, 32K) Do phần đỉnh xung vuông đồ thị phổ công suất suy giảm nhanh kích thước FFT lớn Điểm ngồi phổ tín hiệu OFDM trải rộng hơn, điều đồng nghĩa với việc nhiều sóng mang phụ symbol sử dụng để truyền tải liệu Độ lợi (gain) đạt 1.4% (8Kmode) 2.1% (32Kmode) d MISO dựa Alamouti (trên trục tần số) DVB-T2 có tuỳ chọn sử dụng kỹ thuật Alamouti: với cặp máy phát Alamouti ví dụ MISO (Multiple Input, Single Output), điểm đồ thị chòm truyền máy, cịn máy phát thứ truyền phiên có chỉnh sửa chút cặp chòm với thứ tự ngược lại trục tần số e Symbol khởi đầu (P1 P2) Những symbol khung DVB-T2 lớp vật lý symbol khởi đầu (preamble symbols) Các symbol truyền số lượng hạn chế thông tin báo hiệu phương thức truyền có độ tin cậy Khung bắt đầu symbol P1, điều chế BPSK với độ tin cậy cao Với khoảng bảo vệ hai đầu, symbol P1 mang bit thơng tin (bao gồm kích thước FFT symbol liệu) Các symbol P2, số lượng cố định cho kích thước FFT, cung cấp thông tin báo hiệu lớp kể tĩnh, động khả cấu trúc Các bit thơng tin báo hiệu (L1 – Pre-signalling) có phương thức điều chế mã hoá cố định, bit lại (L1 – Post-signalling) tỷ lệ mã xác định 1/2 phương thức điều chế lựa chọn QPSK, 16-QAM 64-QAM Symbol P2 nói chung, cịn chứa liệu PLP chung và/hoặc PLP liệu f Mẫu hình tín hiệu Pilot (Pilot Pattern) Pilot phân tán ((Scattered Pilots) xác định từ trước biên độ pha, “cấy” vào tín hiệu với khoảng cách hai trục thời gian tần số Pilot phân tán sử dụng để đánh giá thay đổi đường truyền g Phương thức điều chế 256-QAM Trong hệ thống DVB-T, phương thức điều chế cao 64-QAM cho phép truyền tải 6bit/symbol/sóng mang (có nghĩa 6bit/tế bào OFDM) Ở DVBT2, phương thức điều chế 256QAM cho phép tăng lên 8bit/tế bào OFDM, tăng 33% hiệu xuất sử dụng phổ dung lượng liệu tỷ lệ mã cho trước h Chòm xoay (Rotated Constellation) 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 1.5 Hình Chịm 16-QAM ‘xoay’ i 16K, 32K FFT tỷ lệ khoảng bảo vệ 1/128 Tăng kích thước FFT đồng nghĩa với việc làm hẹp khoảng cách sóng mang làm tăng chu kỳ symbol Việc này, mặt làm tăng can nhiễu symbol làm giảm giới hạn tần số cho phép hiệu ứng Doppler j Mã sửa sai LDPC/BCH Trong DVB-T sử dụng mã sửa sai mã mã R-S (Convolutional and Reed-Solomon Codes), DVB-T2 DVB-S2 sử dụng LDPC/BCH Các mã cho phép khả bảo vệ tốt hơn, truyền nhiều liệu kênh thông tin k Tráo bit, tế bào, thời gian tần số Mục đích tráo trải nội dung thông tin miền thời gian và/hoặc tần số cho kể nhiễu đột biến lẫn phađing khơng có khả xố chuỗi bit dài dòng liệu gốc Tráo thiết kế cho bit thông tin truyền tải điểm xác định đồ thị chòm khơng tương ứng với chuỗi bit liên tục dịng liệu gốc l Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số cơng suất đỉnh/cơng suất trung bình Hai kỹ thuật làm giảm PAPR sử dụng hệ thống DVB - T2: mở rộng chịm tích cực ACE hạn chế âm sắc TR Kỹ thuật ACE làm giảm PAPR cách mở rộng điểm đồ thị chòm miền tần số, TR làm giảm PAPR cách trực tiếp loại bỏ giá trị đỉnh tín hiệu miền thời gian Hai kỹ thuật bổ sung cho nhau, ACE hiệu TR mức điều chế thấp TR hiệu ACE mức điều chế cao Hai kỹ thuật không loại trừ có khả sử dụng đồng thời Tuy nhiên ACE không sử dụng với chuẩn xoay 9 Hạn chế: Dùng điều chế OFDM, sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiều phân tập đa đường làm giảm hiệu suất đường truyền, chuỗi bảo vệ không mang liệu Yêu cầu điều chế trực giao nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, dịch tần dịch thời gian có sai số đồng Khi tính trực giao, OFDM khơng cịn lợi nó, dẫn đến nhiễu liên ký tự, liên tần số Các yếu tố ảnh hưởng đến trực giao: lệch tần số sóng mang, lệch tần số lấy mẫu, lệch thời gian định thì, nhiễu pha kênh truyền thay đổi theo thời gian 1.3.2 Đặc điểm DVB – T2 Hệ thống DVB-T2 chia thành khối phía phát (SS1, SS2, SS3) khối phía thu (SS4, SS5) trình bày hình 1.6 đây: Hình 1.4 Mơ hình cấu trúc DVB-T2 DVB - T2 tiêu chuẩn hệ thống tiên tiến giới truyền hình số mặt đất ( DTT), cung cấp dung lượng cao hơn, linh hoạt hiệu 50 % so với hệ thống DTT khác Nó hỗ trợ SD, HD, UHD, TV di động, radio, kết hợp [1] DVB-T2 dùng điều chế OFDM hỗ trợ mode điều chế lên đến 32K Dù sử dụng nhiều sóng mang hệ thống chấp nhận echo xảy có độ dài chấp nhận DVB-T, nhiên khoảng bảo vệ ngắn điều giúp cho dung lượng liệu truyền dẫn đạt hiệu cải tiến cao Mặt khác, thơng tin pilot gần với mức tối thiểu mặt lý thuyết DVB-T2 cho phép giản đồ chòm lên đến 256QAM sóng mang, dung lượng liệu truyền có mức tăng lớn băng thông kênh DVB-T2 đạt tốc độ bit hiệu cao giai đoạn ngắn cải tiến 10 1.4 Kết luận chương Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ hai DVB-T2 với đặc tính vượt trội so với tiêu chuẩn DVB-T khẳng định chuẩn truyền hình số mặt đất lý tưởng cho truyền hình có độ phân giải cao HDTV, 3DTV đem đến nhiều hội triển khai dịch vụ Nhiều nước giới nghiên cứu, ứng dụng, triển khai thành công tiêu chuẩn DVB-T2 nhận ủng hộ cao người xem 11 CHƯƠNG – KỸ THUẬT MIMO – OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T2 2.1 Tổng quan kỹ thuật MIMO Ý tưởng MIMO sử dụng nhiều anten cho bên phát bên thu nhằm làm tăng dung lượng kênh không dây Dung lượng thể tốc độ liệu tối đa đạt cho xác suất thấp tùy ý lỗi Do đó, nghiên cứu hướng tới phát triển chương trình mã nguồn mà cho phép hệ thống đạt tới giới hạn dung lượng Shannon chúng 2.2 Mô hình kênh MIMO dung lượng kênh MIMO a Mơ hình kênh MIMO Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO Tại thời điểm định, tín hiệu x1 ,x , ,x n phát tương ứng n T T anten phát Sau bên thu nhận tín hiệu y1 , y2 , , yn Khi đó, quan hệ tín R hiệu phát, tín hiệu thu đáp ứng kênh truyền biểu diễn sau: y Hx w (2.1) Nếu N véc tơ X1 ,X2 , ,X N phát liên tiếp, liệu thu Y1,Y2 , ,YN Lúc này, mối quan hệ vào biểu diễn dạng ma trận sau: Y HX W (2.2) Trong đó, Y Y1 , Y2 , , YN , X X1 , X , , X N , W W1W2 WN thành phần tín hiệu thu, tín hiệu phát nhiễu b Dung lượng kênh MIMO MIMO đề xuất để khắc phục hạn chế dung lượng kênh truyền hệ thống SISO Với MT anten phát M R anten thu, môi trường pha-đinh Rayleigh giàu tán xạ 12 biến đổi chậm, kênh MIMO MT x M R Hình 2.1, cho phép đạt dung lượng kênh truyền C MIMO nÕu M R M T M R W log (1 ) MR M T W log (1 M ) nÕu M R M T T (2.5) 2.3 Kỹ thuật MIMO – OFDM Từ ưu điểm bật hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM giải pháp hứa hẹn cho hệ thống truyền hình số tương lai [4] Có nhiều loại hệ thống MIMO – OFDM, tùy vào kỹ thuật MIMO mà có hệ thống khác nhau, hệ thống MIMO - OFDM mã hóa khơng gian – thời gian, hệ thống MIMO – OFDM ghép kênh khơng gian Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống MIMO - OFDM 2.4 Kỹ thuật ghép kênh không gian Để làm tăng tốc độ ghép kênh hệ thống truyền thơng phương pháp đơn giản là sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing - SM), cách gửi thông tin độc lập anten truyền Trong hệ thống MIMO 2×2 với SM, ký hiệu thơng tin truyền ăng ten nhận hai ăng ten thông qua hai đường dẫn không gian [9] Sự đa dạng không gian MIMO SM tăng lên cách áp dụng ma trận xoay R cho luồng liệu: cos sin R sin cos (2.23) 13 Hình 2.6 Biểu diễn vectơ hệ thống MIMO với hai lần truyền anten có ma trận xoay (phải) khơng có (trái) Hình 2.6 minh họa biểu diễn vectơ hệ thống MIMO × truyền ký hiệu thông tin x1 x sơ đồ mà không áp dụng ma trận xoay (sơ đồ bên trái có nhãn SM) với ứng dụng ma trận xoay (sơ đồ bên phải có nhãn ROT) Trong trường hợp không quay, ký hiệu liệu x1 x phân bổ trực tiếp vào ăng ten phát Đối với trường hợp xoay, hai ký hiệu x1 x phân bổ cho hai anten phát 2.5 Hoạt động hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM Không gian DVB-T2 là: OFDM hoạt động theo cách phân chia dòng liệu số vào lượng lớn dòng liệu số thấp hơn, dòng liệu điều chế số cách thiết lập tần số sóng mang kề với khoảng cách chặt chẽ Mạng mặt đất hoạt động mode 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K DVB-T2 có độ phức tạp cao cho phép lựa chọn nguyên lý điều chế (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM) DVB-T2 xác định kênh có băng thơng 1.7, 5, 6, 7, 8, 10 MHz Các khoảng bảo vệ 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/128,… Đối với yêu cầu thương mại kỹ thuật DVB-T2 dành để cung cấp khả thu tối ưu cho trạm (cố định) thu di động Hệ thống cung cấp tối thiểu 30% gia tăng tải, điều kiện kênh tương tự sử dụng cho DVB-T 14 Sơ đồ khối hệ thống DVB-T2 biểu diễn hình 2.7 đây: Hình 2.7 Sơ đồ khối máy phát DVB –T2 Trong sơ đồ bao gồm chuỗi truyền nhận DVB - T2 chung, khối giải mã mã hóa MIMO chủ yếu xem xét Ở phía máy phát, sau q trình mã hóa điều chế bao gồm: Bộ mã hóa BCH LDPC, xen kẽ bit, ô, thời gian tần số ánh xạ chịm quy trình mã hóa MIMO thực Các đầu trình xử lý hai luồng liệu độc lập mà việc chèn thí điểm, chuyển đổi IFFT bổ sung khoảng bảo vệ (GI) áp dụng Máy thu bao gồm khối bổ sung để khôi phục thông tin truyền 2.6 Kết luận chương MIMO-OFDM kết hợp đặc biệt mạnh mẽ MIMO khơng cố gắng giảm thiểu lan truyền đa luồng OFDM tránh cần thiết phải cân tín hiệu MIMOOFDM đạt hiệu phổ cao máy phát khơng có thơng tin trạng thái kênh (CSI) Khi máy phát có CSI (có thể thu thơng qua việc sử dụng chuỗi đào tạo), tiếp cận cơng suất kênh lý thuyết CSI sử dụng, ví dụ, để phân bổ chịm tín hiệu kích thước khác cho sóng mang riêng lẻ, sử dụng tối ưu kênh liên lạc thời điểm 15 CHƯƠNG – PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG DVB – T2 SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO – OFDM 3.1 Mơ hình hệ thống DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM Cấu trúc hệ thống DVB – T2 ví dụ thực nhiệm vụ sau: Tạo BBFRAME nguồn ngẫu nhiên Mã hóa BCH, cho tất tham số mã hóa Mã hóa LDPC, cho tất tham số mã hóa Interleaving (Sắp xếp lại ký hiệu vector đầu vào) Điều chế 64 – QAM Mã hóa khơng gian thời gian Mơ hình kỹ thuật MIMO – OFDM, kênh fading đa kênh Rayleigh Mơ hình kênh AWGN Kết hợp tín hiệu đầu vào tín hiệu ước tính kênh theo cấu trúc mã khối thời gian không gian trực giao (OSTBC) Giải điều chế tín hiệu đầu vào Deinterleaver (Khôi phục thứ tự ký hiệu vector đầu vào) Giải mã LDPC Giải mã BCH Bảng 3.1 Các thông số mô hệ thống Thông số Giá trị Điều chế 64-QAM số lần lặp lại 50 Mơ hình kênh MIMO, Rayleigh Sơ đồ anten 2×2 Mã hóa kênh BCH/LDPC Tỷ lệ mã 3/4 16 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống DVB –T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM Hình 3.2 Mơ hình hệ thống DVB –T2 sử dụng kỹ thuật MISO – OFDM 17 Hình 3.3 Tín hiệu vào Hình 3.4 Tín hiệu sử dụng kỹ thuật SISO - OFDM Trên hình 3.3 chùm tín hiệu đầu vào, chòm tham chiếu (64-QAM), hiển thị tín hiệu điểm cố định có giá trị thực phức tạp mặt phẳng I/Q Sử dụng khối để thực phân tích định tính định lượng tín hiệu sóng mang đơn biến điệu Hình Tín hiệu sử dụng kỹ thuật MISO - OFDM Hình Tín hiệu sử dụng kỹ thuật MIMO - OFDM Với kết chịm tín hiệu đầu hình 3.4 hình 3.5 thấy, áp dụng kỹ thuật MIMO chùm tín hiệu nhận có chất lượng tốt nhiều so với áp dụng kỹ thuật SISO Trong kỹ thuật SISO có chùm tín hiệu nhận có tỷ lệ bit lỗi BER lớn MISO khơng cải thiện nhiều, chạy mô thời gian ngắn xảy tượng tỉ lệ bit lỗi BER tăng, cịn MIMO BER gần nhỏ, điều cho thấy kỹ thuật MIMO lựa chọn hàng đầu cho tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất 18 3.2 Phân tích, đánh giá kết Để đánh giá hiệu hệ thống DVB-T2 sử dụng kỹ thuật MIMO - OFDM, mục này tập trung vào mơ tả kết tín hiệu MIMO – OFDM thơng qua điều kiện truyền dẫn khác (dưới tác động mơi trường truyền dẫn) Trong đó, khảo sát thực với hệ thống MIMO 2×2; tín hiệu điều chế 64-QAM sử dụng mã LDPC/BCH Ảnh hưởng đa dạng đến chất lượng thu nghiên cứu cách so sánh kỹ thuật SISO, MISO MIMO đề xuất với cấu hình kênh khác Kết mô ta thấy tùy điều kiện mơi trường truyền mà chất lượng tín hiệu SISO, MISO MIMO thay đổi, điều thể hình 3.7, hình 3.8, hình 3.9, cụ thể sau: Trường hợp thứ sử dụng hệ thống MIMO cho phép đạt dung lượng cao kết nối tin cậy (BER thấp hơn) hệ thống khác Với hệ thống MIMO dung lượng tăng tuyến tính với số lượng anten hệ thống MIMO sử dụng, mà khơng cần tăng độ rộng băng thơng hay cơng suất phát Mặt khác hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten máy phát máy thu, lợi dụng thành phần pha đinh đa đường truyền sóng vơ tuyến, biến nhược điểm việc truyền sóng đa đường thành ưu Bên cạnh hệ thống MIMO cịn có ưu điểm mạnh mặt phân tập so với hệ thống khơng dây có, tốc độ hệ thống MIMO tăng ta sử dụng mã không gian-thời gian với điều kiện khoảng cách anten đủ lớn môi trường pha đinh phong phú Với phân tích ta thực mơ kênh truyên MIMO kết hợp OFDM điều kiện sử dụng đường truyền đa tia (truyền dẫn có pha đinh đa đường) Với đặc điểm kênh truyền hệ thống MIMO phát huy tối đa lợi cải thiện chất lượng tín hiệu thu, BER giảm thiểu Trong hệ thống MISO không khắc phục nhược điểm tượng pha đinh đa đường nên chất lượng tín hiệu thu khơng cải thiện mà tương đương với hệ thống SISO Kết mô hình 3.7 19 Bảng 3.2 Các thơng số đầu vào hệ thống Hệ thống Hệ thống Hệ thống MIMO MISO SISO Số anten phát 2 Số anten thu 1 Tín hiệu điều chế 64-QAM 64-QAM 64-QAM frames 20 20 20 Dữ liệu symbol truyền 1024 1024 1024 64 64 64 16 16 16 Tham số Dữ liệu symbol khung biến đổi IFFT Chiều dài chuỗi bảo vệ Kênh truyền Fading Rayleigh Fading Rayleigh Fading Rayleigh Độ rộng băng thông 8MHz 8MHz 8MHz Khoảng bảo vệ 1/8 1/8 1/8 FFT size 8k 8k 2k 3/5 LDPC+BCH 2/3 CC+RS FEC 3/5 LDPC+BCH Hình Quan hệ BER Eb/No sử dụng MIMO, MISO SISO 20 Trong trường hợp thứ hai ta mô kênh truyền với hệ thống MISO gồm hai anten phát anten thu sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát Qua mô với liệu đầu vào kết thu máy thu BER giảm thiểu tương tự sử dụng hệ thống MIMO, kết mô hình 3.8 Hình Quan hệ BER Eb/No sửa dụng MIMO, MISO SISO kỹ thuật Beamforming Trường hợp thứ ba tiếp tục với thông số đầu vào trường hợp thứ nhất, xét hệ thống SISO điều kiện mơi trường lý tưởng loại bỏ hồn tồn nhiễu pha đinh, tạp âm nhiệt AWGN Khi đó, kênh truyền mà tồn tia truyền thẳng (LOS), cường độ trường tia LOS cao tia khác máy thu dẫn đến hiệu dung lượng hệ thống SISO tốt Như trường hợp thứ ba ta mô kênh truyền với hệ thống SISO mà tia LOS có cường độ mạnh Kết thu từ hệ thống SISO trường hợp BER giảm thiểu tương tự trường hợp sử dụng hệ thống MIMO MISO Kết mơ hình 3.9 21 Hình Quan hệ BER Eb/No sửa dụng MIMO, MISO SISO với kênh truyền có tia truyền thẳng (LOS) 3.3 Khuyến nghị, đề xuất Ta biết truyền dẫn Vô tuyến điện, hiệu hệ thống việc phụ thuộc vào giải pháp kỹ thuật cịn phụ thuộc vào mơi trường truyền dẫn nói cách khác kênh truyền Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian không gian kênh truyền gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng kênh truyền thiết kế hệ thống với thông số tối ưu, cần đặc biệt quan tâm đến đặc tính kênh truyền vơ tuyến mơ hình hóa kênh truyền hợp lý Các giải pháp kỹ thuật ghép kênh khơng gian, với mục đích để làm tăng tốc độ ghép kênh hệ thống truyền thông cách tận dụng đa dạng không gian MIMO, tăng lên cách áp dụng ma trận xoay R cho luồng liệu Điều phần giải tốn chi phí tận dụng tối đa khơng gian nâng cấp tăng số lượng ăng ten với phương thức truyền MIMO Tuy nhiên, chất lượng tín hiệu điểm thu cịn phụ thuộc vào tính chất kênh truyền 3.4 Kết luận chương Trong chương này, tiến hành mô hệ thống DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM phần mềm Matlab, qua thấy MIMO kỹ thuật cho phép kết hợp nhiều đường dẫn có nhiều đường lan truyền dự phịng Khi sử dụng phân cực trực giao, đường dẫn không ảnh hưởng nhiều đến việc tiếp nhận giải pháp MISO, MIMO xem xét, có hiệu tương tự 22 DVB – T2 có hiệu sử dụng phổ kênh truyền, tốc độ bit cao hệ trước DVB Các phân tích đưa chứng minh cơng nghệ MIMO giải pháp then chốt để nâng cao lực hệ thống độ tin cậy liên kết mà không cần bổ sung băng thơng hay cơng suất truyền tín hiệu Khơng thế, cịn cho thấy tiềm truyền dẫn tín hiệu HDTV hệ thống truyền hình mặt đất 23 KẾT LUẬN Luận văn tiến hành mơ phỏng, đánh giá hiệu hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM, kết ưu điểm áp dụng kỹ thuật MIMO có hiệu tốt nhiều so với kỹ thuật SISO truyền thống Các kết đạt luận văn: + Nội dung luận văn cao học cung cấp kiến thức hệ thống truyền hình số giải pháp kỹ thuật xử lý truyền dẫn tín hiệu truyền hình số đó, mạnh ưu điểm hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB – T DVB – T2 + Luận văn mơ hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T2, để từ rút kết trực quan hoạt động hệ thống kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu Luận văn hiệu áp dụng kỹ thuật MIMO – OFDM, nhiên để nâng cao chất lượng hệ thống, cần phải quan tâm đến yếu tố khác giải pháp kỹ thuật môi trường truyền dẫn Hướng nghiên cứu luận văn nghiên cứu giải pháp kỹ thuật mà áp dụng cho tiêu chuẩn truyền hình số DVB–C, DVB–S áp dụng để cải thiện chất lượng cho hệ thống DVB –T2 ... ứng dụng kỹ thuật MIMO, OFDM kết hợp kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất nên lựa chọn đề tài ? ?Đánh giá hiệu hệ thống truyền hình số mặt đất DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO. .. điểm 15 CHƯƠNG – PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG DVB – T2 SỬ DỤNG KỸ THUẬT MIMO – OFDM 3.1 Mơ hình hệ thống DVB – T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM Cấu trúc hệ thống DVB – T2 ví dụ thực nhiệm... 3/4 16 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống DVB ? ?T2 sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM Hình 3.2 Mơ hình hệ thống DVB ? ?T2 sử dụng kỹ thuật MISO – OFDM 17 Hình 3.3 Tín hiệu vào Hình 3.4 Tín hiệu sử dụng kỹ thuật