Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB t

Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T LI M U Trong năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến có bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng video, thoại thơng tin liệu Internet, điện thoại di động có mặt khắp nơi, nhu cầu truyền thông đa phương tiện di động ngày phát triển Việc nghiên cứu phát triển diễn toàn giới để đưa hệ hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây tạo nên” làng thông tin tồn cầu” Sự hoạt động hệ thống vơ tuyến tiên tiến phụ thuôc nhiều vào đặc tính kênh thơng tin vơ tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi cách nhanh chóng tác động qua lại tín hiệu Nếu sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho dịch vụ hệ thống thu phát có độ phức tạp cao nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) giải pháp quan tâm để giải vấn đề Cũng ưu điểm vượt trội hệ thống đa sóng mang môi trường đa đường, nên phạm vi nghiên cứu đề tài này, em ứng dụng kĩ thuật OFDM vào truyền hình số mặt đất DVB_T Tuy nhiên OFDM có bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như: nhạy với nhiễu pha tần số offset, tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình cao giới hạn hiệu suất hoạt động khuếch đại RF vấn đề đồng phức tạp hệ thống đơn sóng mang Nội dung đề tài gồm chương: Chương 1: Truyền hình số Chương 2: Tổng quan OFDM Chương 3: Các đặc tính kênh truyền vơ tuyến Chương 4: Ứng dụng OFDM truyền hình số Trong trình làm đề tài, em cố gắng nhiều song kiến thức hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm, phê bình, hướng dẫn giúp đỡ tận tình Thầy Cơ, bạn bè Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình PGS.TS Nguyễn Hoa Lư Thầy Cô Khoa để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp Vinh, ngày 15 tháng năm 2010 Sinh viên thực Đặng Anh Tuấn CHƯƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T 1.1 Gii thiu chung 1.1.1 Truyền hình số Truyền hình số (Digital Televsion) phương pháp truyền hình hồn tồn Trên giới, nhà điều hành cáp, vệ tinh, mặt đất chuyển động đến môi trường số Ở Châu Âu truyền hình số sử dụng Anh (phát sóng truyền hình số 1999), Đức, Pháp, Ierland, Tây Ban Nha, Hà Lan, Thuỵ Điển, hầu hết nhà phân tích cơng nghiệp dự báo việc chuyển dịch lên truyền hình số tiến hố cách mạng, làm thay đổi cách sống hàng trăm triệu gia đình giới, công ty cho hội tụ máy tính cá nhân, máy thu hình (TV sets) internet bắt đầu điều dẫn đến chuyển hố máy tính, người tiêu dùng, kỷ nguyên số nâng cao việc xem truyền hình ngang với chất lượng chiếu phim, âm ngang với chất lượng CD với hàng trăm kênh truyền hình nhiều dịch vụ Truyền hình số cho thuê bao xem nhiều chương trình truyền hình với chất lượng cao Đối với nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên mơi trường số làm giảm viêc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả cung cấp ứng dụng thuê bao mở rộng lĩnh vực mới, hội thương mại, nhiều dịch vụ sở truyền hình số hình thành: - Truy cập internet tốc độ - Chơi game mạng với nhiều người - Video theo yêu cầu VOD (video-on-demand) - Cung cấp dòng video audio - Dịch vụ toán tiền từ nhà (home banking) - Các dịch vụ thương mại điện tử - Cập nhật phần mềm máy tính - Truyền thanh, truyền hình đa phương tiện (Multimedia) - Đọc báo điện tử Trên năm mươi năm qua, truyền hình sử dụng tín hiệu tương tự phương tiện truyền dẫn sóng, việc chấm dứt truyền tương tự phát triển truyền số Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T ũi hi u tư máy thu hình số, máy phát hình số, thiết bị sản xuất hậu kỳ số cho chương trình truyền hình, điều dẫn đến phải sử dụng băng số chung, mở hội cho thị trường dân dụng 1.1.2 Đặc điểm truyền hình số - Ít bị tác động nhiễu truyền hình tương tự - Có khả nén lớn với tín hiệu âm hình ảnh - Có khả áp dụng kỹ thuật sửa lỗi - Do truyền giá trị nên tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu điều khiển, liệu xử lý giống - Có thể khố mã dễ dàng - Địi hỏi công suất truyền dẫn thấp - Các kênh định vị tương - Các hệ thống điều chế phát triển cho có khả chống tượng bóng hình sai pha - Chất lượng phục vụ giảm nhanh máy thu không nằm vùng phục vụ - Đòi hỏi tần số cho việc phát truyền hình quảng bá Sơ đồ khối tổng quát nguyên lý hoạt động h thng phỏt truyn hỡnh s Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học Heọ thoỏng Video ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T Gheựp keõnh vaứ truyền tải Hệ thống thuphát Nén mã hoá nguồn tín hiệu Video Hệ thống Audio Nén mã hoá nguồn tín hiệu Audio Mã hoá kênh Truyền Tải Ghép Kênh Điều chế Dữ liệu phụ Dữ liệu điều khiển Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát nguyên lý hoạt động hệ thống Phát truyền hình số Đầu vào thiết bị truyền hình số tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D) biến đổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số Các tham số đặc trưng đặc trưng tín hiệu xác định từ hệ thống truyền hình lựa chọn Tín hiệu truyền hình số đầu biến đổi A/D đưa tới mã hoá nguồn, tín hiệu truyền hình có tốc độ dịng bít cao nén thành dịng bít có tốc độ thấp hơn, phù hợp cho ứng dụng Dịng bít u b mó hoỏ Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt ®Êt DVB-T nguồn đưa tới thiết bị phát (mã hố kênh thơng tin điều chế tín hiệu) truyền tới bên thu qua kênh thông tin Khi truyền qua kênh thơng tin, tín hiệu truyền hình số mã hoá kênh Mã hoá kênh đảm bảo chống sai sót tín hiệu, kênh thơng tin tín hiệu truyền hình số truyền theo kênh thơng tin, thiết bị biến đổi gọi điều chế giải điều chế Mã hoá kênh thông tin phổ biến đường thông tin mà số khâu hệ thống truyền hình số, ví dụ máy ghi hình số, máy gia cơng tín hiệu truyền hình số Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số biến đổi ngược lại với q trình xử lý phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực biến đổi truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mã hố giải mã tín hiệu truyền hình 1.1.3 Ưu điểm truyền hình số Trong nhiều năm trở lại đây, truyền hình số trở thành đối tượng nghiên cứu nhiều nhà khoa học nhiều tổ chức giới Cùng với tiến công nghệ chế tạo vi mạch tổ hợp cao, tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu làm việc với thời gian thực, cơng nghệ truyền hình số có tiến vượt bậc Truyền hình số mặt đất có ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như: - Sử dụng máy phát có khả truyền tải đến chương trình đồng thời - Với vùng phủ sóng cơng suất phát u cầu máy phát số nhỏ từ đến 10 lần so với máy phát tương tự, điều giúp cho việc tiết kiệm đầu tư chi phí vận hành - Một điều đáng quan tâm chất lượng chương trình trung thực, bị nhiễu đường truyền, tránh tượng bóng hình thường gặp truyền hình tương tự Tại Việt Nam, nhận thức ưu điểm truyền hình số tính tất yếu việc truyền hình số tương tự nhường chỗ cho truyền hình số, từ năm 1997, đài truyền hình Việt Nam có số đề tài nghiên cứu truyn hỡnh s v Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T khả ứng dụng nó, năm 1998 triển khai nghiên cứu dự án lộ trình phát triển truyền hình số Việt Nam 1.2 Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình số 1.2.1 Biến đổi tín hiệu video Tín hiệu video sau số hố bít có tốc độ 216 Mbit/s Để truyền kênh truyền hình thơng thường tín hiệu video số cần phải “nén” đảm bảo chất lượng ảnh Mặc dù tín hiệu video nén từ năm 1950, với đời truyền hình màu, ba tín hiệu thành phần R, G, B với bề rộng dải thơng 15 MHz, nén tín hiệu video màu hỗn hợp với bề rộng dải thông MHz Dải thông giảm lần hay nói cách khác hệ số nén 3:1 Camera R(0÷5 MHz) G(0÷5 MHz) B(0÷5 MHz) Matrix R(0÷5 MHz) + R-Y(0÷1,5 MHz) B-Y(0÷1,5 MHz) Tín hiệu Video màu tổng hợp (0÷5 MHz) Điều Chế Hình 1.2 Nén Video tương tự Tín hiệu video biết có dải phổ từ MHz đến MHz, nhiều trường hợp lượng phổ chủ yếu tập trung miền tần số thấp, lẽ thành phần tần số cao xuất đường viền hình ảnh Như đa số thơng tin hình ảnh tập trung miền tần số thấp có thông tin dư thừa tín hiệu video Công đoạn trình nén xác định thông tin dư thừa miền không gian ảnh tín hiệu video Nén khơng gian thực phép biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosin Transform) biểu thị công thức: F (u, v) Và phép biến đổi ngược biểu diễn bằng: f (x, y) Do chất tín hiệu video, phép biến đổi DCT cho ta hệ số ứng với thành phần tần số cao với giá trị rt nh Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T Bl og ảnh x8 phần tử ảnh 0 0 0 0 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 25, 37, 37, 37, 37, 37, 37, 37, 37, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 50, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, 62,5 75, 87, Giá trị phần tử ảnh Hình 1.3 Biến đổi cosin rời rạc 1.2.2 Chọn tần số lấy mẫu 1.2.2.1 Lấy mẫu Là trình gián đoạn (rời rạc hoá) theo thời gian tần số f lm, kết chuỗi mẫu Lấy mẫu bước thể tín hiệu tương tự sang số Vì tần số lấy mẫu chọn toạ độ điểm Q trình biến đổi phải tương đương mặt tin tức dịng tín hiệu vào Biên độ tín hiệu tương tự lấy mẫu với chu kỳ f lm thu chuỗi xung hẹp với tần số lấy mẫu tính flm = 1/Tlm flm: tần số lấy mu T: chu k ly mu Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T f Hỡnh 1.4 Ph ca tớn hiu lấy mẫu Quá trình lấy mẫu tương đương với trình điều biên tín hiệu (f 0) sóng mang có tần số tần số lấy mẫu (f lm), trình điều biên tạo biên biên Song lấy mẫu có dạng hình chữ nhật phổ bao gồm thành phần tần số lấy mẫu hài hình Thực tế việc lấy mẫu tín hiệu dựa sở định lý Nyquitst- shamen Tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế cắt ω hoàn toàn xác định dãy giá trị tức thời lấy cách đoạn: T = Tmin ≤ (1/2fc) với fc = 2ωc/2л Hàm x (t) xác định khoảng (t0, t0 +τ) hoàn toàn xác định từ cácτ) hoàn toàn xác định từ các) hoàn toàn xác định từ mẫu rời rạc x (k∆t) theo biểu thức: x x ( t ) = å x ( kDt ) k =- x sin w( t - k D t ) wc ( t - k D t ) Sin (t-k∆t) Trong k = 0, ±1, ±2 Về mặt tốn học mở rộng phía tần số âm cho trị số âm k Với khoảng cách lấy mẫu ∆t nhỏ л/ω c: ∆t ≤ л/ωc, ωc tần số cao phổ hàm x (t) Sinh viên: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T A f Hình 1.5 Phổ lấy mẫu lý tưởng Tín hiệu lấy mẫu chứa tồn thơng tin mang tín hiệu gốc tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức khơng có phần tử có tần số nằm ngồi tần số fc Tần số lấy mẫu phải lớn hai lần fc tức fSa ≥ 2fc Hình 1.5 minh hoạ phổ tần số lấy mẫu lý tưởng tín hiệu băng có dải thơng fc tần số lấy mẫu 2fc Như dải biên dải biên có dải thơng fc với tần số không xuất nhiễu băng dải biên Hình 1.6 minh họa trường hợp lấy mẫu với tần số nhỏ 2f c Một phần dải biên tín hiệu lấy mẫu chồng lên phổ tín hiệu băng (do nguyên nhân gây nên tượng méo chồng phổ) Tín hiệu video, đặc trưng riêng nên việc thoả mãn định lý Nyquist, trình lấy mẫu cần phải thoả mãn yêu cầu cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích hệ thống Q trình phải xác định tần số lấy mẫu, cấu trúc lấy mẫu cần phải đạt được, tiêu hình ảnh, tính tương thích hệ truyền hình, tốc độ bít thích hợp mạch thực đơn giản A f Hình 1.6 Méo chồng phổ Sinh viªn: Đặng Anh Tuấn Lớp: 46K - ĐTVT Đồ án tốt nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T i vi tiờu chun tn số Nyquist, việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số f lm ≤ fNy nguyên nhân méo chồng phổ làm giảm độ phân dải theo chiều ngang Thành phần tần số cao hệ truyền hình tương tự là: Hệ PAL: fc = MHz Hệ NTSC: fc = 4,2 MHz Theo tần số giới hạn Nyquist: Hệ PAL: fc = 10 MHz Hệ NTSC: fc =8,4 MHz Các giá trị 10 MHz 8,4 MHz giá trị tần số lấy mẫu bé thực tế, tần số lấy mẫu tín hiệu video cho hệ truyền hình tương ứng cao Một yêu cầu làm tăng tần số tín hiệu truyền hình tăng khoảng bảo vệ cho mạch lọc thông thấp trước lấy mẫu, mạch lọc thành phần biến đổi A/D Để không làm xuất méo tương tự, mạch lọc thông thấp hệ loại bỏ thành phần gây chồng phổ tín hiệu Do mạch lọc khơng có đặc trưng lý tưởng, đặc tính mạch lọc ngồi dải thơng khơng phải suy giảm hoàn toàn nên sử dụng băng tần bảo vệ Cho phép sử dụng mạch lọc mang tính thực tế f Hình 1.7 Băng tần bảo vệ Việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu khác với thành phần tín hiệu khác: tín hiệu chói, tín hiệu màu bản, tín hiệu màu video tổng hợp Tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ truyền hình màu Tín hiệu video tổng hợp lấy mẫu với tần số bội số tần số sóng mang phụ Chọn tần số lấy mẫu 3fsc, với hệ NTSC có tần số lấy mẫu 10,7 MHz hệ PAL 13,3 MHz Khi tần số lấy mẫu 4f sc, với hệ NTSC tương ứng có Sinh viên: Đặng Anh Tuấn 10 Lớp: 46K - ĐTVT ... Ph? ?t truyền hình số Đầu vào thi? ?t bị truyền hình số tiếp nhận t? ?n hiệu truyền hình t? ?ơng t? ?? Bộ biến đổi t? ?n hiệu t? ?ơng t? ?? thành t? ?n hiệu số (A/D) biến đổi t? ?n hiệu truyền hình t? ?ơng t? ?? thành t? ?n... đường truyền, tránh t? ?ợng bóng hình thường gặp truyền hình t? ?ơng t? ?? T? ??i Vi? ?t Nam, nhận thức ưu điểm truyền hình số t? ?nh t? ? ?t yếu việc truyền hình số t? ?ơng t? ?? nhường chỗ cho truyền hình số, t? ?? năm...Đồ án t? ? ?t nghiệp đại học ứng dụng OFDM truyền hình số m? ?t đ? ?t DVB- T 1.1 Gii thiu chung 1.1.1 Truyền hình số Truyền hình số (Digital Televsion) phương pháp truyền hình hồn t? ??n Trên giới,