Nghiên cứu đặc tính kênh truyền của hệ thống truyền hình số mặt đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LÊ CƠNG TÂM NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Bình Định – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LÊ CƠNG TÂM NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số : 8520208 Người hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN HÀO i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu tham khảo tài liệu khoa học thân suốt thời gian thực đề tài định hướng người hướng dẫn Các kết đạt xác, trung thực phù hợp với hướng nghiên cứu đề tài luận văn Tác giả luận văn Lê Công Tâm ii tentsMỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT…………………………………………………… iv DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………… vi DANH MỤC BẢNG BIỂU……………………………………………………… ix PHẦN MỞ ĐẦU………………………………………………………………… 1 Lý chọn đề tài………………………………………………………………1 Tổng quan tình hình nghiên cứu……………………………………………….2 2.1 Tình hình giới 2.2 Tình hình nước 3 Mục đích nghiên cứu………………………………………………………… 3.1 Mục đích nghiên cứu 3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 3.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………4 Cấu trúc luận văn………………………………………………………………4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài…………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT…6 1.1 Giới thiệu khái quát lịch sử………………………………………………6 1.2 Kỷ nguyên TV màu tương tự……………………………………………… 1.3 Kỷ nguyên truyền hình số………………………………………………… 1.4 Thành phần hệ thống DTV…………………………………………… 1.4.1 Hệ thống đầu cuối phát sóng DTV 1.4.2 Hệ thống truyền dẫn / Mạng phân phối để phát sóng DTV 1.5 Mạng đơn tần SFN mơ hình kênh hệ thống truyền hình số mặt đất… 10 1.6 Các chuẩn truyền hình…………………………………………………… 12 1.7 Kết luận chương 1………………………………………………………….14 CHƯƠNG CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2………………………………………………… 15 2.1 Giới thiệu chung…………………………………………………………….15 iii 2.2 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T………………………………… 15 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống DTV-T 16 2.2.2 Các đặc tính kỹ thuật DVB-T 18 2.3 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2…………………………………32 2.3.1 Giới thiệu chung truyền hình số mặt đất DVB-T2 32 2.3.2 Tạo ký hiệu OFDM 44 2.3.3 Điều chế mã sửa sai DVB-T2 52 2.4 Kết luận chương 2………………………………………………………….52 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT…………………………………………………………………….54 3.1 Khái quát chung…………………………………………………………… 54 3.2 Mô hình tốn học kênh truyền vơ tuyến……………………………….56 3.2.1 Mơ hình thống kê đáp ứng xung kênh truyền 57 3.2.2 Các tham số đáp ứng xung kênh truyền 59 3.3 Các tham sô kênh fading vô tuyến…………………………………… 62 3.3.1 Trải trễ đa đường Fading chọn lọc theo tần số 62 3.3.2 Sự dịch chuyển Doppler Fading chọn lọc theo thời gian 66 3.3.3 Fading chọn lọc theo tần số thời gian kênh truyền vô tuyến 71 3.4 Mơ hình thống kê áp dụng cho kênh fading……………………………… 71 3.4.1 Kênh fading Rayleigh 71 3.4.2 Kênh fading Ricean 73 3.5 Mơ hình kênh truyền cho hệ thống truyền hình số mặt đất……………… 75 3.5.1 Mơ hình kênh truyền DTTB điển hình 75 3.5.2 Mơ hình kênh truyền mạng đơn tần (SFN) cho hệ thống DTTB 79 3.6 Mô đánh giá hiệu kênh vô tuyến………………………… 82 3.7 Kết luận chương 3………………………………………………………….85 KẾT LUẬN CHUNG…………………………………………………………… 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 87 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Tiếng Việt ATSC Advanced Television System Commitee Hội đồng hệ thống truyền hình cải tiến AVG Audio Visual Global Công ty cổ phần nghe nhìn tồn cầu BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân COFDM Coding Othogonality Ghép kênh phân chia theo tần số Fequency Dvision Mltiplexing trực giao có mã DTT Digital Terrestrial Television Truyền hình số mặt đất DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số FFT Fast Fourrier Transform Biến đổi Fourrier nhanh FIR Finite Impulse Responese Đáp ứng xung hữu hạn HDTV High Definitiom Television Truyền hình độ phân giải cao ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang ISDB Integrated Services Digital Broadcasing Truyền hình số dịch vụ tích hợp ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự JPEG Joint Photoghraphic Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh tĩnh ML Main Level (dùng MPEG-2) MP Main Profile (dùng MPEG-2 MFN Multiple Frequency Network Mạng đa tần MISO Multi Input Single Output Nhiều đầu vào đầu MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh động NTSC National Television System Comittee Hội đồng hệ thống truyền hình quốc gia Mỹ OFDM Othogonality Fequency Dvision Mltiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao v PAL Phase Alternative Line Đảo pha theo dòng PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số cơng suất đỉnh/cơng suất trung bình PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vng góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vng góc RF Radio Frequence Tần số vơ tuyến SDTV Standard Definition Television Truyền hình độ phân giải tiêu chuẩn SFN Single Frequence Network Mạng đơn tần SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao (Siêu cao tần) VHF Very High Frequency Tần số cao VSB Vestigal Side Band Điều biên cụt VTC Vietnam Television Corporation Tổng Công ty truyền thông đa phương tiện Việt Nam VTV Vietnam Television Đài truyền hình Việt Nam DTTB Digital Terrestrial Television Broadcasting Hệ thống truyền hình số mặt đất PLP Physical Layer Pipes Ống lớp vật lý (dùng DVBT2) LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra cường độ ưu tiên thấp (dùng DVB-T2) SISO Single Input Single Output Một đầu vào đầu TS Transport Stream Luồng truyền tải vi DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình Tên hình Số trang 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số 2.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 16 2.2 Sơ đồ khối điều chế số DVB-T 18 2.3 Xử lý xáo trộn gói truyền tải 19 2.4 Gói bảo vệ lỗi RS (204,188) 19 2.5 Tạo đa thức sinh mã chập đục lỗ (2,1 7) 20 2.6 Khối điều chế COFDM DVB-T 21 2.7 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 22 2.8 Biểu diễn chòm điều chế QPSK, 16 QAM, 64 24 QAM 2.9 Phổ lý thuyết tín hiệu truyền DVB-T khoảng thời gian 26 bảo vệ 2.10 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 27 2.11 Các tia sóng đến khoảng thời gian bảo vệ 28 2.12 So sánh cấu trúc MFN SFN 30 2.13 Mô hình cấp cao hệ thống DVB-T2 33 2.14 Định dạng dòng đầu vào PLP 35 2.15 Sơ đồ khối mô-đun xử lý đầu vào chế độ đầu vào A 36 (tức PLP đơn) 2.16 Sơ đồ khối mô-đun xử lý đầu vào chế độ đầu vào B 37 (tức nhiều PLP) 2.17 Sơ đồ khối sơ đồ mã hóa điều chế xen bit 38 2.18 Định dạng liệu trước so sánh bit 39 2.19 Chế độ xen kẽ bit 40 2.20 Kiểm tra ma trận tỷ lệ 3/4 chế độ xen kẽ bit 40 2.21 Chế độ xen kẽ bit xoắn cột 41 vii 2.22 Chế độ xen kẽ thời gian 43 2.23 Chế độ xen kẽ thời gian 43 2.24 Chế độ xen kẽ thời gian 43 2.25 Cấu trúc khung DVB-T2 44 2.26 Cấu trúc khung cho siêu khung 44 2.27 Sơ đồ khối môđun tạo OFDM 45 2.28 Mẫu tín hiệu rải rác PP3 (hệ thống SISO) 47 2.29 Mẫu tín hiệu rải rác PP3 (hệ thống MIMO) 47 2.30 Sơ đồ khối phần mở rộng chòm hoạt động 48 2.31 Sơ đồ khối kỹ thuật đặt âm 49 2.32 Cấu trúc ký hiệu P1 51 2.33 Các sóng mang hoạt động ký hiệu P1 51 3.1 Các khối chức hệ thống DTTB 54 3.2 Hiệu ứng quy mô lớn nhỏ kênh vô tuyến 55 3.3 Đáp ứng xung kênh truyền h(t,τ) phản ánh hiệu ứng đa 55 đường thay đổi theo thời gian 3.4 Mối quan hệ hàm tương quan tán xạ kênh 60 WSS-US 3.5 Giản đồ lan truyền đa đường khơng khí 63 3.6 Giản đồ trải trễ đa đường 63 3.7 Phân phối công suất kênh đa đường 64 3.8 Kênh fading đa đường chọn lọc theo tần số 66 (a) cấu hình phân phối công suất miền thời gian so với độ trễ kênh; (b) đáp ứng miền tần số kênh 3.9 Đặc điểm biến thiên theo thời gian kênh vô tuyến 67 3.10 Sự suy giảm kênh so với thời gian sau kênh biến 67 thiên theo thời gian 3.11 Cách chuyển động tương đối máy thu máy phát gây dịch chuyển tần số Doppler 68 viii 3.12 Kênh fading chọn lọc theo thời gian: 68 (a) tác động biến thiên thời gian kênh đến tín hiệu nhận (b) tác động dịch chuyển tần số Doppler đến tín hiệu nhận 3.13 Fading chọn lọc theo thời gian kênh vô tuyến với: 70 (a) trải Doppler miền tần số (b) thời gian kết hợp miền thời gian 3.14 Mối quan hệ tham số tín hiệu kênh fading: 71 (a) fading độ dài ký hiệu liệu (b) fading băng thơng tín hiệu 3.15 Đặc điểm kênh fading Rayleigh: 73 (a) phân bố không gian (b) đáp ứng tần số 3.16 Sự phân bố Ricean với hệ số Ricean K khác 74 (K = 0, phân bố Rayleigh) 3.17 Phổ công suất Doppler kênh Ricean 75 3.18 Đáp ứng tần số mơ hình kênh DVB-T P1 78 3.19 So sánh cấu trúc MFN SFN 80 3.20 Cơng suất tín hiệu nhận chuẩn hóa so độ trễi 81 với: (a) máy phát SFN (b) hai máy phát SFN 3.21 Biểu đồ BER kênh vô tuyến với mức điều chế 16- 83 QAM 3.22 Biểu đồ BER kênh Ricean với mức điều chế khác 84 3.23 Biểu đồ BER kênh Rayleigh với mức điều chế khác 84 73 Đường bao tín hiệu nhận v = (x2 + y2)1/2 Cho 𝜎𝑥2 = 𝜎𝑦2 = σ2 Ta thấy tín hiệu xây dựng hai tín hiệu Gauss phân bố trực giao có đường bao v thỏa mãn phân bố Rayleigh sau: 𝑝 (𝑣 ) = 𝑣 −𝑣2/(2𝜎2 ) 𝑒 𝜎2 (𝑣 ≥ 0) (3.29) σ giá trị RMS σ2 cơng suất trung bình tín hiệu nhận trước phát đường bao Hình 3.15 minh họa phân bố khơng gian đặc tính đáp ứng tần số kênh fading Rayleigh Hình 3.15: Đặc điểm kênh fading Rayleigh: (a) phân bố không gian (b) đáp ứng tần số Ta có ý sau tín hiệu nhiễu Rayleigh từ 3.29: Giá trị trung bình ∞ 𝜋𝜎 𝑣̅ = ∫ 𝑣𝑝(𝑣 )𝑑𝑣 = √ ≈ 1.253𝜎 (3.30) Giá trị trung bình bình phương ∞ 𝑣̅ = ∫ 𝑣 𝑝(𝑣 )𝑑𝑣 = 2𝜎 (3.31) 3.4.2 Kênh fading Ricean Trong số tất thành phần tín hiệu đến máy thu mơi trường fading, có thành phần tĩnh có cường độ cao nhất, chẳng hạn đường dẫn trực 74 tiếp trường hợp đường truyền thẳng (LOS), phân bố đường bao fading quy mô nhỏ theo phân phối Ricean Trong trường hợp này, thành phần đa đường khác có biên độ nhỏ nhiều góc đến ngẫu nhiên chồng lên thành phần đường trực tiếp Vì thơng tin liên lạc vệ tinh thường yêu cầu điều kiện truyền LOS, kênh đặc trưng mơ hình kênh fading Ricean Nếu biên độ thành phần đường dẫn trực tiếp trở nên nhỏ nhiều, tức so sánh với thành phần khác, phân bố Ricean suy thoái thành phân bố Rayleigh Hàm mật độ xác suất phân phối Ricean là: 𝑣 −(𝑣2 +𝐴2)/(2𝜎2) 𝐴𝑣 𝑒 𝐼0 ( ) 𝑝 (𝑣 ) = {𝜎 𝜎 (𝐴 ≥ 0, 𝑣 ≥ 0) (3.32) (𝑣 < 0) A giá trị đỉnh biên độ thành phần tín hiệu đường dẫn trực tiếp I0(x) hàm Bessel sửa đổi bậc Tham số thường sử dụng phân phối Ricean hệ số K, định nghĩa tỷ số công suất thành phần đường dẫn trực tiếp thành phần đa đường phân tán, nghĩa là, 𝐾= 𝐴2 2𝜎 (3.33) Hình 3.16: Sự phân bố Ricean với hệ số Ricean K khác (K = 0, phân bố Rayleigh) 75 Hệ số Ricean định hồn tồn tính chất phân bố Ricean, Hình 3.16 Khi K giảm xuống 0, nghĩa là, biên độ tín hiệu đường trực tiếp giảm dần 0, tức khơng có đường dẫn trực tiếp, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 3.17:Phổ cơng suất Doppler kênh Ricean Để mô tả đặc điểm kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường sử dụng để mô tả biến đổi đường bao tín hiệu sau qua kênh fading phẳng phân bố Ricean coi trường hợp đặc biệt phân bố Rayleigh với đường dẫn trực tiếp có biên độ mạnh nhiều Khi góc tới khác tín hiệu đến dẫn đến thay đổi tần số Doppler khác nhau, tín hiệu nhận bao gồm tất thành phần đa đường tạo phổ Doppler liên tục, tùy thuộc vào môi trường phát xạ tán xạ khác Hai phổ công suất Doppler phổ biến mơ hình Jakes mơ hình Gauss Hình 3.17 cung cấp phổ công suất cho kênh Ricean động 3.5 Mơ hình kênh truyền cho hệ thống truyền hình số mặt đất 3.5.1 Mơ hình kênh truyền DTTB điển hình Sau giới thiệu nguyên tắc hiệu ứng quy mô lớn quy mô nhỏ cho kênh vô tuyến phần trước, kênh DTTB thảo luận chi tiết phần này, bao gồm tiếng ồn, nhiễu, đặc tính kênh số mơ hình kênh điển hình cho hệ thống DTV Hệ thống DTTB thường hoạt động băng tần VHF/UHF với băng thông kênh 6, 8MHz Tốc độ liệu tải trọng nói chung từ vài Mbps đến vài chục Mbps hệ thống phải bao phủ khu vực rộng lớn (với bán kính điển hình 76 hàng chục km) Bên cạnh hiệu ứng “shadow” từ núi, tịa nhà, v.v., nhiễu kênh khác môi trường truyền dẫn hệ thống DTTB bao gồm: Nhiễu thông thường bao gồm tạp âm Gauss nhiễu xung Tạp âm Gauss từ xạ điện từ từ kênh vô tuyến nhiễu nhiệt từ phận thu phát Nhiễu xung từ xung ngẫu nhiên tạo sét, thiết bị gia dụng, v.v Ngồi ra, cịn có nhiễu đơn tần nhiễu băng hẹp băng tần VHF/UHF Tất gọi nhiễu cộng hưởng Nhiễu từ hệ thống phát sóng Trong q trình chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang dịch vụ truyền hình số DTV, quy hoạch tần số thường phân bổ chương trình DTV mắt vào kênh cấm (đề cập đến kênh không phép truyền hiệu ứng xuyên điều chế suy giảm khác tín hiệu từ kênh cấm dẫn đến suy thối dịch vụ truyền hình tương tự tại) để tiết kiệm phổ Do đó, dịch vụ DTV có khả bị nhiễu dịch vụ truyền hình kênh tương tự từ khu vực lân cận từ dịch vụ truyền hình tương tự hoạt động kênh lân cận khu vực dịch vụ (tính phi tuyến máy phát cơng suất cao làm tăng nhiễu), nhiễu có can thiệp cộng hưởng Mặc dù tín hiệu DTV gây nhiễu tín hiệu truyền hình tương tự, nhiễu tương đối nhỏ cơng suất tín hiệu DTV thường thấp cơng suất tín hiệu truyền hình tương tự Hiệu ứng đa đường Do phản xạ từ núi, tòa nhà vật thể chuyển động, pha tín hiệu RF đến máy thu qua đường khác khác nhau, dẫn đến tín hiệu nhiễu Tác động nhiễu đa đường thảo luận phần trước tác động đa đường lên tín hiệu TV analog gọi “ghosting” Ghosting định nghĩa độ lệch hình ảnh truyền vị trí xếp chồng lên cho q trình phát sóng tương tự Đối với dịch vụ DTV, ISI tạo hiệu ứng đa đường khiến việc tiếp nhận khơng thành cơng Vì lỗi thu khơng phải nhiễu nhiễu từ hệ thống/tín hiệu khác, nên khơng thể giải cách tăng công suất máy phát Bằng cách chọn sơ đồ phân tập thích hợp, phương pháp cân bằng, độ dài xen kẽ, phương pháp mã hóa sửa lỗi chuyển tiếp kỹ thuật chống nhiễu khác, vấn đề giải cách hiệu 77 Hiệu ứng Doppler Như đề cập trước đó, chuyển động tương đối máy phát máy thu chuyển động đối tượng máy phát máy thu gây dịch tần Doppler, tính tốn cách sử dụng (3.20) Để đảm bảo tín hiệu DTTB nhận thành công thiết bị đầu cuối điều kiện di động, hiệu ứng Doppler cần xem xét Lấy kênh truyền hình 28 làm ví dụ, với tần số trung tâm 634MHz bước sóng tương ứng 0,47m, độ dịch tần Doppler tối đa lên đến 93,93Hz máy thu di chuyển với tốc độ 160km/h Điều có nghĩa thiết kế hệ thống phải mạnh mẽ để xử lý vấn đề Nói chung, độ trải trễ tối đa cho kênh DTTB vài chục micro giây Băng thông kết hợp kênh truyền có thứ tự 10kHz theo (3.19), nhỏ nhiều so với băng thông kênh DTTB (tính MHz) Do đó, kênh DTTB chọn lọc tần số thành phần đa đường khơng đủ điều kiện Đáp ứng xung kênh biểu thị (3.9) mơ hình kênh DTTB điển hình phân loại thành hai loại sau: Mơ hình kênh đa đường tĩnh Vì kênh bất biến thời gian, đáp ứng xung h(t,τ) trở thành h(τ), (3.9) đơn giản hóa sau: 𝐿−1 ℎ(𝜏) = ∑ ℎ𝑙 𝛿 (𝜏 − 𝜏𝑙 ) (3.34) 𝑙=0 Đối với trường hợp thu sóng ngồi trời, ăng-ten cố định, đặc tính thống kê kênh thay đổi chậm theo thời gian kênh tính gần bất biến thời gian khoảng thời gian ngắn Đối với mục đích thử nghiệm, ATSC đề xuất mơ hình kênh tĩnh DVBT cung cấp mơ hình kênh thu cố định (F1) di động (P1), tương ứng [9] Các mơ hình bất biến theo thời gian biểu thị sau: ℎ(𝜏) = 𝐿 ∑ 𝜌𝑙 𝑒 −𝑗2𝜋𝜃𝑙 𝛿 (𝑛 − 𝜏𝑙 ) √∑𝐿𝑙=0 𝜌𝑙2 𝑙=0 (3.35) 78 L lại tổng số tiếng vang; θl, ρl, τl độ lệch pha, biên độ độ trễ tương đối đường dẫn thứ l; l = đường dẫn trực tiếp Bảng 3.1: Giá trị θ, ρ τ mơ hình kênh DVB-T P1 Hình 3.18: Đáp ứng tần số mơ hình kênh DVB-T P1 Đối với mơ hình kênh F1, L = 20, F1 kênh Ricean với hệ số K cho sau: 𝐾= 𝜌02 ∑𝐿𝑙=1 𝜌𝑙2 (3.36) 79 Nếu K đặt 10, ta có sau: 𝐿 𝜌0 = √10 ∑ 𝜌𝑙2 (3.37) 𝑙=1 P1 kênh fading Rayleigh, nghĩa đường dẫn trực tiếp (ρ0 = 0) Các giá trị điển hình τ, ρ θ cho Bảng 3.2 Đáp ứng tần số kênh P1 DVB-T thể Hình 3.18 với băng thơng kênh 8MHz Mơ hình đa đường động Mơ hình bao gồm đặc tính biến thiên theo thời gian kênh xây dựng hai phương pháp sau [10]: a Mô nhiễu điều chế pha (PMFS) Đáp ứng xung kênh cho: ℎ(𝜏) = ℎ𝑙 𝑒 𝑗2𝜋𝑓𝑙𝑡 𝛿 (𝜏 − 𝜏𝑙 ) (3.38) fl dịch chuyển tần số Doppler đường dẫn thứ l Trong mơ hình này, đường dẫn giả định không tương quan PMFS cung cấp phương pháp đơn giản để xây dựng đa đường động có nhược điểm đáng kể Mặc dù thực tế {hl, τl, fl} tạo ngẫu nhiên, chọn, giá trị chúng khơng thay đổi tồn q trình mơ Rõ ràng, điều khác với tình hình thực tế b Mơ nhiễu điều chế cầu phương (QMFS) Đáp ứng xung kênh cho (3.8) hệ số đường trình ngẫu nhiên Gauss phức băng hẹp WSS Ở đây, giá trị trung bình phổ cơng suất đường xác định môi trường truyền dẫn thành phần đa đường khơng có mối quan hệ với Trong thực tế, tín hiệu đến máy thu từ góc tới Giả sử góc tới phân bố đồng 2π sử dụng ăng ten đa hướng phổ cơng suất Doppler tín hiệu nhận mơ hình Jakes mơ tả trước 3.5.2 Mơ hình kênh truyền mạng đơn tần (SFN) cho hệ thống DTTB SFN tính quan trọng hệ thống DTV giúp phân biệt với hệ thống truyền hình tương tự Như đề cập trước đó, kênh sử dụng khu vực dịch vụ, kênh không phép sử dụng khu vực dịch vụ bên cạnh khu vực Đây lý mà kênh cấm 80 giới thiệu, gọi mạng đa tần số (MFN) sử dụng hệ thống truyền hình tương tự Tuy nhiên, SFN yêu cầu số máy phát truyền xác tín hiệu thời điểm tần số để đạt vùng phủ sóng đáng tin cậy vùng dịch vụ định [11] Hình 3.19 cho thấy khác biệt MFN (với hệ số tái sử dụng 7, nghĩa máy phát sử dụng tần số khác biểu thị mẫu điền khác nhau) SFN (với hệ số tái sử dụng 1, nghĩa tất bảy máy phát sử dụng tần số) So với MFN, SFN có ưu điểm sau: SFN rõ ràng đạt việc sử dụng phổ tần tốt cung cấp cường độ tín hiệu phân bố đồng vùng phủ mong muốn Độ lợi phân tập từ máy phát khác khu vực dịch vụ nâng cao hiệu suất thu đáng kể và/hoặc giúp giảm công suất phát tổng thể mà khơng làm giảm vùng phủ sóng Bằng cách điều chỉnh mật độ máy phát, chiều cao vị trí tháp cơng suất phát máy phát, đạt vùng phủ sóng hiệu phổ tốt với điểm mù giảm thiểu hiệu chí bị loại bỏ hồn tồn [12] Hình 3.19: So sánh cấu trúc MFN SFN Việc áp dụng khái niệm SFN cho hệ thống DTTB thu hút nhiều ý ưu điểm hiệu suất phổ tần cao Có hai sơ đồ để xây dựng SFN Một người sử dụng số máy phát công suất cao để đạt vùng phủ sóng cho khu vực rộng lớn, chí cho quốc gia Cách khác nhận SFN cách sử dụng máy phát công suất cao số lặp “bộ lặp kênh” có cơng suất thấp nhiều Các lặp chủ yếu sử dụng để cung cấp phạm vi phủ sóng bổ sung cho điểm mù không máy phát công suất cao che phủ 81 Vì SFN yêu cầu tất máy phát khu vực dịch vụ phải truyền xác tín hiệu thời điểm tần số, nên máy thu khu vực dịch vụ nhận nhiều tín hiệu gốc từ máy phát khác thông qua đường khác Việc sử dụng SFN tạo hiệu ứng đa đường nghiêm trọng nhiều, có nghĩa là, ngồi đa đường từ phản xạ tán xạ, tín hiệu gửi máy phát khác tần số có khả tạo lượng lớn đa đường nhân tạo số chúng có độ trễ lâu cường độ tín hiệu cao Độ trễ nhân tạo phụ thuộc vào khoảng cách máy phát Ví dụ, khoảng cách hai máy phát 100km, độ trễ lên tới 330μs Đối với thiết kế SFN, khoảng cách hai máy phát phải lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ trễ nhân tạo cộng với trải phổ đa đường tối đa nhỏ độ dài khoảng bảo vệ Công suất tín hiệu nhận chuẩn hóa điển hình so với độ trễ máy phát đơn SFN hai máy phát thể Hình 3.20 Người ta thấy thành phần đa đường có độ trễ dài cường độ mạnh làm tăng đáng kể nhiễu chọn lọc tần số kênh phát sóng vơ tuyến đặt nhiều yêu cầu nghiêm ngặt thiết kế máy thu Hình 3.20: Cơng suất tín hiệu nhận chuẩn hóa so độ trễi với: (a) máy phát SFN (b) hai máy phát SFN Mơ hình kênh nên chọn gần với ứng dụng thực tế tốt xác nhận kết thử nghiệm có Tất mơ hình kênh phải sử dụng tham số số đa đường L, độ lệch pha Pl, biên độ gl, độ trễ tương đối τl 82 đường dẫn thứ l tham số khác phù hợp với mơi trường ứng dụng thực tế Ví dụ, trải trễ đa đường hệ thống DTTB nằm khoảng từ 10 đến 25μs phát đơn, ứng dụng SFN, thông số vào khoảng 120 μs hai phát cách 36km Hiệu ứng đa đường động liên quan nhiều đến dịch chuyển tần số Doppler, với giá trị lớn xác định yêu cầu tốc độ di chuyển đầu cuối theo thiết kế hệ thống Các giá trị điển hình tham số sử dụng cho mô xác nhận thống kê kết đo thực tế Mục tiêu ban đầu thiết kế hệ thống ATSC nhắm đến việc thu cố định trời, sử dụng hệ thống phân phối cáp không hỗ trợ thu sóng di động Do đó, mơ hình kênh sử dụng thiết kế hệ thống ATSC lúc đầu mơ hình tĩnh với đường dẫn trực tiếp (kênh Ricean) Tương tự, mục tiêu ban đầu thiết kế hệ thống DVB-T cho thu cố định nhà ngồi trời, thay thu di động (portable instead of mobile reception) Do đó, mơ hình kênh Rayleigh tĩnh Với việc giới thiệu việc thu sóng di động DVB-T, mơ hình kênh động yêu cầu để kiểm tra hiệu suất thu sóng di động Điều áp dụng cho hệ thống ISDB-T DTMB Trong mơ hình kênh đa đường, độ trễ τl thành phần đa đường giá trị tuyệt đối thời gian Tại máy thu, tín hiệu nên lấy mẫu chu kỳ ký hiệu hệ thống Ts sau tín hiệu qua chuyển đổi tần số tải xuống lọc phù hợp 3.6 Mô đánh giá hiệu kênh vơ tuyến Nhìn chung, truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB sử dụng phương thức điều chế/giải điều chế COFDM để phát/thu tín hiệu truyền hình số thông qua kênh truyền vô tuyến Việc mô phỏng, đánh giá hiệu kênh truyền vơ tuyến có vai trò quan trọng nghiên cứu, triển khai vận hành hệ thống truyền hình số DVB Trong nội dung này, hệ thống DVB-T2 dựa tảng lập trình ngôn ngữ C [13] áp dụng để mô phỏng, đánh giá hiệu mơ hình kênh AWGN, Ricean Rayleigh theo tham số sau: Tỷ lệ mã (CR): 1/2; Băng thông (BW) kênh vô tuyến: MHz; Chế độ phát: K; Các mức điều chế chòm sao: 16-QAM, 64-QAM 256-QAM 83 Hình 3.21 Biểu đồ BER kênh vô tuyến với mức điều chế 16-QAM Kết mô biểu đồ BER theo SNR (Hình 3.21) mơ hình kênh truyền vơ tuyến với mức điều chế 16-QAM thể hiện: Với giá trị BER đích 1.10-4, giá trị xấp xỉ SNR theo yêu cầu cho kênh AWGN, Ricean Rayleigh 5,8 dB, 6,1 dB 7,25 dB Rõ ràng, mơ hình kênh Gauss (AWGN) đặc trưng cho nhiễu hệ thống chưa tính đến yếu tố ảnh hưởng môi trường vô truyến, nên kênh AWGN đạt hiệu BER tốt Trong Ricean mơ hình kênh có tính đến yếu tố suy giảm, tượng phading mơi trường truyền sóng Mơ hình kênh áp dụng cho hệ thống DVB với trạm thu (anten) cố định Tương tự cho mơ hình kênh Rayleigh, mơ hình kênh có tính đến yếu tố ảnh hưởng di chuyển trạm thu Do vậy, khả xảy lỗi bít kênh Rayleigh cao kênh Ricean, nghĩa kênh Rayleigh yêu cầu giá trị SNR cao so với yêu cầu kênh Ricean xem xét giá trị BER đích Biểu đồ so sánh hiệu BER mơ hình kênh Ricean theo mức điều chế chòm M-QAM khác đưa Hình 3.22 Kết mơ cho thấy giá trị xấp xỉ SNR yêu cầu để đạt mức BER đích (1.10-4) 6,1 dB, 10 dB 13,3 dB tương ứng với mức điều chế 16-QAM, 64QAM 256-QAM Rõ ràng, kết phù hợp theo nguyên lý điều chế số MQAM Số lượng bít thơng tin ký hiệu tăng thực điều chế với mức M cao hơn, điều dẫn đến khả tăng số lượng bít lỗi phía thu xét điều kiện kênh truyền vơ tuyến 84 Hình 3.22 Biểu đồ BER kênh Rice với mức điều chế khác Hình 3.23 Biểu đồ BER kênh Rayleigh với mức điều chế khác Kết mô hiệu BER mơ hình kênh Rayleigh Hình 3.23 có dạng biểu đồ BER theo SNR tương tự với mơ hình kênh Ricean (Hình 3.22) Tuy nhiên, giá trị SNR yêu cầu để đạt mức BER đích mơ hình kênh Rayleigh cao giá trị SNR mơ hình kên Ricean Kết hồn tồn phù hợp với phân tích cho kết mơ Hình 3.21 Như vậy, kết mô nội dung thể rõ đặc tính (hiệu năng) mơ hình kênh vơ tuyến (AWGN, Ricean, Rayleigh) cho hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiểu chuẩn DVB nói chung truyền hình số mặt đất DVB-T2 nói riêng 85 3.7 Kết luận chương Chương bắt đầu với phần giới thiệu ngắn gọn đặc tính kênh vơ tuyến với hai mơ hình tốn học Trên sở đó, phân tích chi tiết đặc tính kênh kênh fading chọn tần số chọn lọc thời gian, trải trễ đa đường, trải Doppler khái niệm quan trọng Sau đó, mơ hình kênh fading thường sử dụng bắt nguồn vấn đề mơ hình hóa cho kênh DTTB với số mơ hình kênh điển hình sau giới thiệu, điều quan trọng thiết kế hệ thống Để giúp người dùng áp dụng khái niệm mơ hình kênh vào mơ họ, ví dụ đơn giản cách tạo kênh fading Rayleigh cách sử dụng MATLAB 86 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn trình bày tổng quan hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2 đặc tính kênh truyền hệ thống truyền hình số mặt đất Kết mơ phỏng, đánh giá hiệu mơ hình kênh AWGN, Recian Rayleigh trình bày Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ hai DVB-T2 với khả tăng dung lượng liệu, nén nhiều liệu kênh truyền tiêu chuẩn thay cho tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ DVB-T để hỗ trợ cho việc xây dựng, phát triển đáp ứng yêu cầu dịch vụ truyền hình tương lai Việc phát triển chuẩn truyền hình số mặt đất hệ thứ hai đáp ứng yêu cầu thực tế Đó gia tăng dung lượng băng thông giúp cung cấp cho người xem dịch vụ truyền hình Trong nhiều quốc gia, chuẩn DVB-T2 hỗ trợ hội cho nhà quảng bá triển khai chuỗi dịch vụ HDTV môi trường DTT Và việc Việt Nam cụ thể Công ty AVG sử dụng công nghệ tiên tiến giới truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất Cơng nghệ phát sóng truyền hình đại AVG nhà cung cấp dịch vụ tiên phong Khu vực Châu Á Thái Bình Dương sử dụng cơng nghệ tạo hội cho dịch vụ truyền hình độ phân giải cao HDTV, 3DTV dịch vụ gia tăng khác cung cấp cho người dùng thêm nhiều lựa chọn với chất lượng truyền hình cao dịch gia tăng giá thành phù hợp Hơn truyền hình số khắc phục nhược điểm truyền hình tương tự, truyền hình cáp, IPTV, khắc phục tình trạng nghẽn mạch có lượng truy cập cao, phù hợp với địa hình Việt Nam 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Goldsmith, Wireless Communications, New York: Cambridge University Press, 2005 [2] ITU-R P.370-7, VHF and UHF Propagation Curves for the Frequency Range from 30 MHz to 1000 MHz, Geneva: ITU, 1995 [3] L Boithias, Radio Wave Propagation, New York: McGraw-Hill, 1987 [4] H Meyr, M Moeneclaey, and S Fechtel, Digital Communication Receivers: Synchronization, Channel Estimation and Signal Processing, New York: Wiley, 1997 [5] P A Bello, “Characterization of randomly time-varying linear channel,” IEEE Transactions on Communication, vol 11, no 4, pp 360–393, Dec 1963 [6] J G Proakis, Digital Communications, 5th ed., Columbus, OH: McGraw-Hill, 2007 [7] T S Rappaport, Radio Communications Principles and Practice, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1996 [8] SET/ABERT, “Digital television systems Brazilian tests final report,” 2000, Available: http://www.set.com.br/testing.pdf [9] ETSI.300 744, Digital Broadcasting Systems for Television, Sound and Data Services, Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television, Sophia-Antipolis, France: ETSI, 1999 [10] A F Molis, Broadband Radio Digital Communications, X Bin transl., Beijing: Electronic Industry Press, 2002 [11] A Mattsson, “Single frequency networks in DTV,” IEEE Transactions on Broadcasting, vol 51, no 4, pp 413–422, Dec 2005 [12] R Rebhan and J Zander, “On the outage probability in single frequency networks for digital broadcasting,” IEEE Transactions on Broadcasting, vol 39, no 4, pp 413–422, Dec 1993 [13] http: //dvb-t2-csp.sourceforge.net (truy cập: 20/03/2021) [14] Digital Terrestrial Television Broadcasting: Technology and System, First Edition Edited by Jian Song, Zhixing Yang, and Jun Wang [15] https://vi.wikipedia.org [16] Bộ thông tin truyền thông (2010), “Đề án số hóa truyền dẫn phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020” [17] Ngơ Thái Trị (2004), Truyền hình số mặt đất, NXB Đại học Quốc gia ... vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan hệ thống truyền hình số - Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn châu Âu (DVB) - Nghiên cứu đặc tính kênh truyền hệ thống. .. đích nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn nghiên cứu lý thuyết tổng quan công nghệ truyền hình số mặt đất hệ DVB-T2 đặc tính kênh truyền hệ thống truyền hình số mặt đất. .. mặt đất Chương 2:Các đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền hình số mặt đất DVBT2 Trong chương trình bày đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T DVB-T2 5 Chương 3: Đặc tính kênh truyền