Ứng dụng của ofdm trong truyền hình số mặt đất dvb t

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài trước tiên em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu Trường Đại hoc Vinh, thầy cô ban chủ nhiệm khoa công nghệ thầy cô môn Điện Tử Viễn Thông tạo điều kiện cho em học tập truyền thụ cho em nhiều kiến thức cho em làm nên tảng học vấn đường nghiệp Sau em xin vơ cảm ơn thầy Cao Thành Nghĩa giảng viên trực tiếp định hướng hướng dẫn em nghiên cứu tìm hiểu thêm lĩnh vực mà chúng em làm quen trình học tập, giúp em mở rộng tầm hiểu biết lĩnh vực phát triển nhanh chóng vơ hữu ích sống Sinh viên thực Phan Đăng Hoàn Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến có bước phát 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 tăng cao Và truyền hình số đời tất yếu.Vơi nhữn ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự, truyền hình số đáp ứng tốt cho nhu cầu sống Sự hoạt động hệ thống vô tuyến tiên tiến phụ thuộc nhiều vào đặc tính kênh thơng tin như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi cách nhanh chóng chịu tác ssộng 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 mơi trường đa đường nên phạm vi nghiên cứu đề tài này, em ứng dụng kỹ 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, vấn đề đồng phức tạp hệ thống đơn sóng mang Nội dung đề tài gồm chương: Chương 1: Giới thiệu hệ thống truyền hình Chương 2: Các vấn đề truyền hình số Chương 3: Giới thiệu tổng quan OFDM Chương 4: Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T Trong trình làm đề tài, em cố gắng nhiều song lượng kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận thơng cảm, phê bình, hướng dẫn giúp đỡ tận tình Thầy bạn lớp Vinh, ngày tháng năm 2010 Sinh viên thực hiên Phan Đăng Hoàn Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Bảng 2.1 Khái quát tiêu chuẩn nén Bảng 3.1 Các kỹ thuật điều chế OFDM Bảng 4.2 Mô tả tham số mode 2k 8k Bảng 4.1 Các tham số truyền DAB cho mode truyền Bảng 3.2 Tín hiệu điều chế QPSK Bảng 3.3 Bảng Mã Gray Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu Hình 1.3 Sơ đồ khối phía phát Hình 1.4 Sơ đồ khối phía thu Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống phát truyền hình số Hình 2.2 phổ tín hiệu lấy mẫu Hình 2.3 Phổ lấy mẫu lý tưởng Hình 2.4 Méo chồng phổ Hình 2.5 Băng tần bảo vệ Hình 2.6 Tiêu chuẩn 4:4:4 Hình 2.7 Tiêu chuẩn 4:2:2 Hình 2.8 Các bước lượng tử Hình 2.9 Mơ hình nén video Hình 2.10 Dịng sở ES Hình 2.11 Dịng sở PE Hình 2.12 Ghép kênh dịng chương trình Hình 2.13 Ghép kênh hệ thống Hình 2.14 Tiêu chuẩn DVB-T Hình 2.15 Hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất Hình 2.16 Hệ thống thu sóng truyền hình số mặt đất Phan Đăng Hồn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống OFDM Hình 3.2 Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung chồng xung Hình 3.3 Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Hình 3.5.a Frequency (Carrier Spacing)) Hình 3.5.b Frequency (Carrier Spacing)) Hình 3.6 Bộ điều chế OFDM Hình 3.7 Mơ tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu Hình 3.8 Chèn khoảng thời bảo vệ vào tín hiệu OFDM Hình 3.9 Phổ bốn sóng mang trực giao Hình 3.10 Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK Hình 3.11 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK Hình 3.12 Chùm tín hiệu M-QAM Hình 3.13 Giản đồ IQ 16-PSK dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp thay đổi bit đơn Hình 4.1 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 phổ tín hiệu RF thực tế Hình 4.2 Biểu diễn chịm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM Hình 4.3 Phân bố sóng mang DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Hình 4.4 Phân bố pilot DVB-T Hình 4.5 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Hình 4.6 Các tia sóng đến thời khoảng bảo vệ Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng A/D Analog to Digital Bộ biến đổi tương tự - số AIIM Association of Image and Infomation Hiệp hội hình ảnh thơng tin ANSI American National Standard Institule Tiêu chuẩn quốc gia Mỹ Biph Bi Phase Mã pha CCIR Comite‟ Consultatif International Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế des Radiocommunications CCITT Consultative Commitee International Ủy ban tham vấn quốc tế điện thoại Telephone and Telegraph điện tín COFDM Code Orthoginal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing mã hoá DAB Digital Audio Broadcast Phát quảng bá âm số DCT Discrete Cosin Transfom Biến đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Transfom Biến đổi Fourier rời rạc DPCM Diffrential Pulse Code Modulation Điều chế xung mã vi sai DSP Digital Signal Prosessor Tín hiệu số DVB-T Digital Video Broadcasting Terrestrial Truyền hình số mặt đất D/A Digital to Analog Biến đổi số - tương tự FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transfom Biến đổi Fourier nhanh HDTV High Definition Television Truyền hình số phân dải cao ICI I Carrier Interfrence Nhiễu sóng mang IEC International Electrotechnial Uỷ ban điện tử quốc tế Commission IEEE Inverse Discrete Fourier Transform Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT Thuật toán Fourier biến đổi đảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ISI Intersymbol Interfrence Nhiễu ký hiệu ISO International Standard Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU International Telecommunications Liên đoàn viễn thong quốc tế Union MPEG Moving Pictures Experts Group Hiệp hội phim ảnh giới NRZ None Return to Zero Mã nhị phân không không NTSC National Television System Committe Hệ thống truyền hình quốc gia OFDM Orthoginal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing Trực giao GP Guard Period Khoảng bảo vệ PSK Phase Shift Keying Điều chế pha số QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế pha cầu phương RLC Run Length Coding Mã hoá với độ dài từ mã động SFN Sigle Frequency Networks Mạng đơn tần số TDMA Time Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao VHF Very High Frequency Tần số cao VLC Variable Length Coding Mã hố có độ dài từ mã thay đổi Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Chương TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH 1.1 Hệ thống truyền hình 1.1.1 Khái niệm Là tập hợp thiết bị đảm bảo cho q trình phát thu hình ảnh trơng thấy Truyền hình dùng vào nhiều mục đích khác nhau.Tuỳ theo mục đích truyền hình mà xác định tiêu kỹ thuật cho phù hợp Yêu cầu chung ảnh nhận máy phải trung thực vật cần truyền Nhưng chất lượng ảnh cao thiết bị hệ thống phức tạp, cồng kềnh đắt tiền.Vì thiết kế hệ thống truyền hình phải dung hồ tiêu chất lượng ảnh, kích thước, kinh tế 1.1.2 Hệ thống truyền hình đen trắng 1.1.2.1 Sơ đồ khối Bộ chuyể n đổi ảnh tín hiệu Bộ khuếch đại gia cơng tín hiệu Kênh thơng tin Bộ tạo xung đồng Bộ khuếch đại tín hiệu Bộ chuyển đổi tín hiệu ảnh Tách xung đồng Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình 1.1.2.2 Nguyên lý hệ thống truyền hình đen trắng Ảnh vật cần truyền qua hệ thống quang học (camera) hội tụ catốt quang điện chuyển đổi ảnh tín hiệu Ở ảnh quang chuyển đổi thành tín hiệu điện tức chuyển đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Hình ảnh tin tức cần truyền đi, tín hiệu điện mang tin tức hình ảnh gọi tín hiệu hình hay cịn gọi tín hiệu video Q trình chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện q trình phân tích ảnh Dụng cụ chủ yếu để thực chuyển đổi phần tử biến đổi quang điện hay gọi ống phát hình Tín hiệu hình khuếch đại, gia cơng truyền theo kênh thông tin (hữu tuyến vơ tuyến) sang phía thu Ở phía thu tín hiệu khuếch đại lên mức cần thiết đưa đến chuyển đổi ảnh Bộ chuyển đổi ảnh có tác dụng ngược lại phía phát, chuyển đổi tín hiệu hình nhận thành ảnh quang (chuyển đổi lượng điện thành lượng ánh sáng) Quá trình chuyển đổi tín hiệu thành ảnh quang q trình tổng hợp hay khôi phục ảnh Dụng cụ chủ yếu để thực chuyển đổi gọi phần tử biến đổi điện quang hay ống thu hình Quá trình truyền tín hiệu phải hồn tồn đồng đồng pha với q trình chuyển đổi ảnh tín hiệu khơi phục ảnh quang truyền Để thực đồng đồng pha,trong hệ thống truyền hình phải dung tạo xung đồng Xung đồng đưa đến chuyển đổi ảnh tín hiệu để khống chế q trình phân tích ảnh Đồng thời đưa đến khuếch đại gia cơng tín hiệu hình để cộng với tín hiệu hình truyền sang phía thu, xung đồng tách khỏi tín hiệu truyền hình dùng để khống chế q trình tổng hợp ảnh (khơi phục ảnh) 1.1.3 Hệ thống truyền hình màu Đối với hệ thống truyền hình đen trắng thực phân tích ảnh cần truyền thành mẫu rời rạc truyền mẫu Thơng tin truyền thơng tin độ chói điểm ảnh Tại phía thu khôi phục ảnh truyền thành ảnh đen trắng Tuy nhiên cảnh vật quanh ta chứa nhiều màu sắc truyền hình cần phải truyền thơng tin màu sắc ảnh cho phía thu khơi phục thành hình ảnh có màu sắc thực tế Vấn đề đặt cho kỹ thuật truyền hinh mầu biến hình ảnh mầu thành tín hiệu điện biến đổi theo thời gian, để truyền kênh thơng tin khác Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 1.1.3.1 Sơ đồ khối Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu 1.1.3.2 Nguyên lý hệ thống truyền hình màu Hình ảnh qua camera truyền hình màu biến đổi thành tín hiệu màu UR, UG, UB, hình vẽ Các tín hiệu màu đưa qua mạch hiệu chỉnh gama, mạch sử dụng để bù méo gama ống thu phía thu gây nên Các tín hiệu bù méo UR‟, UG‟, UB‟ đưa vào mạch ma trận tạo tín hiệu chói UY‟ hai tín hiệu mang màu S1, S2 Các tín hiệu S1, S2 điều chế dao động tần số mang phụ tạo tín hiệu mang màu cao tần UC Trong cộng tín hiệu UY‟ UC trộn với để trở thành tín hiệu truyền hình mầu tổng hợp: UM = UY‟ + UC Tín hiệu UM truyền đến bên thu cáp, hệ thống viba máy thu phát vô tuyến điện Q trình biến đổi tín hiệu màu UR, UG, UB thành tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM gọi q trình mã hố tín hiệu màu Phía thu nhận tín hiệu UM sau biến đổi thành tín hiệu màu UR‟, UG‟, UB‟, trình gọi trình giải mã tín hiệu màu Q trình giải mã thực phần tần số video máy thu hình màu tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM nhận sau tách sóng lọc từ tín hiệu chói UY‟ tín hiệu mang màu UC Sau tách sóng màu ta thu tín hiệu mang màu S1, S2 tín hiệu số màu Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Nhờ có mạch ma trận tín hiệu UY‟, S1, S2 tạo tín hiệu mang màu UR‟, UG‟, UB‟ phần tử cuối ống thu, biển đổi tín hiệu màu thành hình ảnh phức tạp 1.2 Phát thu sóng tín hiệu truyền hình 1.2.1 Kênh truyền hình Kỹ thuật truyền hình sử dụng phần dải tần số phạm vi định để thực truyền hình quảng bá Các chương trình truyền hình truyền kênh truyền hình, kênh xác định khoảng tần số định dải tần số Các tần số xác định cho kênh truyền hình phải phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế có phân chia rõ ràng quốc gia Thông thường phạm vi dải tần số dùng cho truyền hình quảng bá từ 47MHz khoảng 800 ÷ 900 MHz, tiêu chuẩn khác thiết lập dải tần số khác 1.2.2 Đặc điểm thiết bị phát tín hiệu truyền hình Một hệ thống phát truyền hình bao gồm máy phát tạo thành phần sóng mang hình sóng mang tiếng, lọc để loaị bỏ dải biên tần thấp, phối hợp để kết hợp sóng mang hình tiếng hệ thống anten để xạ tín hiệu điều chế không gian Máy phát vơ tuyến truyền hình có nhiệm vụ phát đồng thời tín hiệu hình ảnh gọi tắt tín hiệu hình tín hiệu âm gọi tắt tín hiệu tiếng anten chung Về kết cấu chia máy phát vơ tuyến truyền hình làm hai loại:máy phát hình máy phát tiếng Theo tiêu chuẩn quốc tế máy phát hình sử dụng điều chế biên độ máy phát tiếng sử dụng điều chế tần số Do tín hiệu hình có dải tần rộng bao gồm thành phần chiều có dạng phức tạp điều chế máy phát có kết cấu đặc biệt Vấn đề hiệu chỉnh chống loại nhiễu phát sinh máy phát hệ thống truyền tín hiệu phức tạp.Hình sơ đồ khối thiết bị phát vơ tuyến truyền hình Phan Đăng Hồn - Lớp 46K - ĐTVT 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Trong đó: E0 lượng tín hiệu có biên độ thấp ai, bi cặp số nguyên độc lập chọn tùy theo vị trí tin Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vng góc điều chế tập hợp tin tín hiệu rời rạc Vì có tên " điều chế tín hiệu vng góc" Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm sở: Φ1 (t ) = Φ2 (t ) = bi sin(2πf c.t ) T sin(2πf c.t ) T 0£ t £ T 0£ t £ T (3.20) Hình 3.12 Chùm tín hiệu M-QAM 3.7.4 Mã Gray Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế vectơ truyền cho tất liên hợp từ liệu Mỗi liên hợp từ liệu phải phân phối vectơ IQ Mã Gray phương pháp cho phân phối này, cho điểm canh vòm khác bit đơn Mã giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit tồn giảm hội nhiều lỗi bit xảy từ lỗi symbol đơn Mã Gray sử dụng cho tất sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8-PSK, 16-PSK) QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM ) Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 66 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Bảng 3.3 Bảng Mã Gray Decimal Gray coding 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 10 1, 1, 1, 11 1, 1, 1, 12 1, 0, 1, 13 1, 0, 1, 14 1, 0, 0, 15 1, 0, 0, Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Hình 3.13 Giản đồ IQ 16-PSK dùng mã Gray Mỗi vị trí IQ liên tiếp thay đổi bit đơn 3.8 Các đặc tính OFDM Qua chất OFDM, ta tóm tắt ưu điểm nhược điểm OFDM sau: 3.8.1 Ưu điểm hệ thống OFDM - OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần cách cho phép chồng lấp sóng mang - Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng pha đinh lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước oõi symbol - Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khơi phục lại symbol bị hịên tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm độ phức tạp OFDM - Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống sóng mang đơn - OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung nhiễu xuyên kênh kết hợp 3.8.2 Các hạn chế hệ thống OFDM - 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 PAPR (Peak to Average Power Radio) cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hồ để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều làm tăng độ phức tạp biến đổi từ Analog sang Digital ngược lại.Việc rút ngắn (cliping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu băng tần xạ ngoại băng - OFDM nhạy với tần số offfset trượt sóng mang hệ thống sóng mang đơn Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống sóng mang đơn Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang co trực giao gây nên nhiễu xuyên kênh làm giảm hoạt đông giải điều chế cách trầm trọng Vì thế, đồng tần số nhiệm vụ cần thiết yêu cầu phải đạt thu OFDM Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Chương ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 4.1 Giới thiệu chung Truyền hình số phương pháp hoàn toàn mới, giới nhà điều hành cáp, vệ tinh, mặt đất chuyển động đến mơi trường số, làm thay đổi cách sống hàng trăm triệu gia đình giới Các công ty cho hội tụ máy tính cá nhân, máy thu hình Internet bắt đầu điều dẫn đến chuyển hố cực đại máy tính Đối với 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 trưyền hình với chất lượng cao Truyền hình số có chất lượng truyền liệu cao,cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú người xem truyền hình lướt qua Internet máy thu hình, nhờ có kỹ thuật nén,có thể phát sóng nhiều chương trình truyền hình kênh sóng Như trình bày ta thấy OFDM cơng nghệ điều chế vơ tuyến khác với CDMA Nó vượt qua CDMA mặt dung lượng cung cấp phương pháp truy nhập vô tuyến cho hệ thống 4G OFDM sơ đồ điều chế cho phép liệu số truyền hiệu tin cậy qua kênh vơ tuyến , chí mội trường multipath OFDM truyền liệu cách dùng số lớn sóng mang dải hẹp Các sóng mang đặt cách đặn theo tần số, tạo thành khối phổ Khoảng cách tần số đồng thời gian sóng mang chọn cho chúng trực giao nghĩa chúng không can nhiễu (interference) với , chồng lấp miền tần số Tên gọi “OFDM” rút từ yếu tố liệu số gửi dùng nhiều sóng mang ,mỗi có tần số khác Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (Ghép kênh theo tần số FDM) sóng mang trực giao với nhau,vì tạo thành OFDM Dưới số ứng dụng OFDM 4.2 Quảng bá truyền hình số 4.2.1 Quảng bá Audio số DAB hệ thống thương mại dùng cơng nghệ OFDM Nó phát triễn vào năm 1987 dịch vụ DAB bắt đầu thực Anh Thụy Điển vào năm 1995 DAB thay cho quảng bá audio FM cách cung cấp dịch vụ thông tin audio số chất luợng cao.OFDM sử dụng cho DAB chịu đựng lan truyền nhiều đường Các hệ thống quảng bá thường hoạt động với khoảng cách truyền (20-100km).Hậu multipath vấn đề chủ yếu gây tượng chồng tiếng (Ghoshting ) truyền Hiện tượng gây can nhiễu symbol ISI làm nhoè tín hiệu miền thời gian Đối với sóng mang đơn thường giảm bước ảng hưởng ISI làm nhờ dùng cân thích nghi Q trình dùng lọc thích nghi để tiêm cận hố đáp tuyến xung kênh vơ tuyến Sau lọc có đáp tuyến ngược với đáp tuyến kênh sử dụng để bù lại bị nhịe bit symbol Tuy nhiên q trình phức tạp chậm thời gian bám (locking time) cân thích nghi Hơn việc cân tín hiệu chịu ISI lớn vài lần chu kỳ symbol khó thực OFDM khắc phục ảnh hưởng multipath cách chia nhỏ tín hiệu cho nhiều sóng mang dải hẹp.Điều dẫn đến tốc độ symbol thấp giảm giá trị với ISI Ngoài ,khoảng bảo vệ bổ sung vào đầu symbol ,loại bỏ ảnh hưởng ISI cho tín hiệu multipath bị trễ nhỏ khoảng bảo vệ Sự chịu đựng cao với multipath làm cho OFDM thích hợp với truyền liệu tốc độ cao mội trường mặt đất so với truyền sóng mang đơn Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Bảng 4.1 Các tham số truyền DAB cho mode truyền Mode truyền Tham số I II III IV 1.536 MHz 1.536 MHz 1.536 MHz 1.536 MHz Điều chế DQBSK DQPSK DQPSK DQPSK Số tải phụ 1536 384 192 768 Độ rộng Symbol 1000 µs 250 µs 125 µs 500 µs Khoảng bảo vệ 246 µs 62 µs 31 µs 123 µs Độ rộng Symbol 1246 µs 312 µs 156 µs 623 µs 96 km 24 km 12 km 48 km Băng thơng tồn phần Khoảng cách lớn máy phát mạng tần số SFN Bảng 4.1 Biểu diễn tham số hệ thống DAB DAB có bốn mode truyền Tần số phát ,tốc độ máy thu độ chịu đựng multipath cần thiết, tất xác định mode truyền thích hợp cần sử dụng Độ lệch Doppler bị gây thay đổi nhanh đáp tuyến kênh chuyển dịch máy thu mơi trường multipath Nó dẫn đến điều chế tần số ngẫu nhiên tải phụ OFDM, làm giảm tín hiệu Giá trị độ lệch Doppler tỉ lệ với tần số truyền tốc độ dịch chuyển Các tải phụ đặt gần bao nhiêu, tín hiệu OFDM nhạy cảm với độ lệch Doppler nhiêu Do Mode truyền khác DAB cho phép dung hòa giá trị bảo vệ multipath (độ dài khoảng bảo vệ)và độ dung sai độ lệch Doppler Độ dung sai Multipath cao OFDM cho phép dùng mạng đơn SFN (Single Frequency Network) Mạng dùng Repeater truyền để cung cấp vùng phủ sóng hoàn thiện hiệu phổ Đối với quảng bá FM truyền thống Các thành phố cạnh phải dùng tần số RF khác chí cho Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT trạm vơ tuyến để phịng ngừa multipath gây quảng bá tín hiệu từ miền phủ sóng cần thiết ,loại bỏ cầu phải có tần số khác sử dụng miền cạnh Công suất liệu DAB thay đổi từ 0.6-0.8Mb/s phụ thuộc vào giá trị sửa lỗi tiến FEC(Forward Error Correction ) áp dụng Payload liệu cho phép quảng bá nhiều kênh phần khối truyền dẫn Số kênh Audio thay đổi phụ thuôc vào chất lượng Audio giá trị FEC sử dụng để bảo vệ tín hiệu Đối với Audio chất lượng thoại (24kb/s) tới 64 kênh audio cung cấp ,trong audio chất lượng CD(256kb/s) với bảo vệ cực đại ba kênh 4.2.2 Quảng bá Video số DVB (DIGITAL VIDEO BROADCASTING ) Việc phát triễn tiêu chuẩn DVB khởi đầu vào năm 1993 DVB sơ đồ truyền ,dựa tiêu chuẩn MPEG-2 ,là phương pháp phân phối từ điểm tới nhiều điểm video audio số chất lượng cao có nén Nó thay có tăng cường tiêu chuẩn quảng bá truyền hình tương DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt để phấn phối video , audio dịch vụ liệu Các tiêu chuẩn DVB xác định rõ cấu phân phối cho phạm vi rộng ứng dụng ,bao gồm truyền hình vệ tinh(DVB-S), hệ thống cáp (DVB-C) truyền mặt đất (DVB-T) Lớp vật lý tiêu chuẩn tối ưu cho kênh truyền sử dụng Quảng bá vệ tinh dùng truyền sóng mang đơn với điều chế QPSK Chúng tối ưu cho ứng dụng sóng mang đơn cho phép độ dịch Doppler lớn, QPSK cho phép hiệu suất lượng cực đại Tuy nhiên phương pháp truyền khơng thích hợp cho truyền mặt đất multipath làm giảm nghiêm trọng tiêu kỹ thuật truyền sóng mang đơn tốc độ cao Vì lý này, OFDM sử dụng cho tiêu chuẩn truyền hình mặt đất DVBT Lớp vật ký DVB-T tương tự với DAB ,trong truyền OFDM dùng số lớn tải phụ để làm ảnh hưởng multipath DVB-T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang sử dụng Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Bảng 4.2 Mô tả tham số mode 2k 8k Tham số Mode 2k Mode 8k Số tải phụ 1750 6817 Độ rộng symbol có ích 896 µs 224 µs 1116 Hz 4464 Mhz (Tu) Khoảng cách sóng mang (1/ Tu) Băng thơng 7,61 Mhz 7,61 Mhz 4.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB - T Việc sử dụng số lượng lớn sóng mang tưởng chừng khơng có triển vọng thực tế khơng chắn,vì có nhiều điều chế giải điều chế lọc kèm theo,đồng thời phải cần dải thơng lớn để chứa sóng mang Nhưng vấn đề giải sóng mang đảm bảo điều kiện đặt đặn cách khoảng fU=1/TU, với TU khoảng symbol hữu dụng,đây điều kiện trực giao sóng mang hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao, hình 4.3 biểu diễn hình ảnh phổ tín hiệu 16 sóng mang trực giao dải thông kênh truyền dẫn phổ tín hiệu RF máy phát số DVB_T có dải thơng 8MHz[6] Các thành phổ máy phát số DVB_T (gồm hàng ngàn sóng mang con) chiếm hết dải thơng 8MHz Phan Đăng Hồn - Lớp 46K - ĐTVT 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Hình 4.1 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 phổ tín hiệu RF thực tế 4.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T Như trình bày chương trước, chất trình tạo tín hiệu OFDM phân tích chuỗi bit đầu vào thành sóng mang điều chế theo kiểu miền thời gian liên tục Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế tổ hợp bít chuỗi bit đầu vào gán cho tần số sóng mang, sóng mang tải số lượng bit cố định Nhờ định vị (Mapper) điều chế MQAM, sóng mang sau điều chế QAM số phức xếp vào biểu đồ chòm theo quy luật mã Gray trục Re (thực) Im(ảo) Vị trí điểm tín hiệu (số phức) biểu đồ chịm phản ánh thông tin biên độ pha sóng mang Q trình biến đổi IFFT biến đổi số phức biểu diễn sóng mang miền tần số thành số phức biểu diễn sóng mang miền thời gian rời rạc (Hình 4.3 cho ta thấy phổ symbol OFDM) Trong thực tế thành phần Re Im biểu diễn chuỗi nhị phân điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang biểu diễn chuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ biến đổi D/A để nhận tín hiệu băng tần Quá trình xử lý phía thu DVB-T thực biển đổi FFT để tạo điểm điều chế phức sóng mang phụ symbol OFDM, sau giải định Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng tổ hợp bit cộng lại để khơi phục dịng liệu truyền 4.5 Lựa chọn điều chế sở Tại symbol, sóng mang điều chế số phức lấy từ tập chòm Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế sở chọn QPSK, 16QAM hay 64QAM sóng mang vận chuyển số bit liệu 2, bit Tuy nhiên với công suất phát cố định, có nhiều bit liệu symbol điểm chịm gần khả chống lỗi bị giảm Do cần có cân đối tốc độ mức độ lỗi Với mơ hình điều chế khơng phân cấp luồng số liệu đầu vào tách thành nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế sở Mỗi nhóm bit mang thơng tin pha biên độ sóng mang tương ứng với điểm biểu đồ chịm Hình 4.4 biểu diễn chòm điều chế QPSK(4 QAM), 16-QAM 64-QAM khơng phân cấp Trong mơ hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập truyền thời điểm Luồng liệu có mức ưu tiên cao(HP) điều chế QPSK luồng có mức ưu tiên thấp điều chế 16-QAM 64-QAM Hình 4.2 Biểu diễn chịm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 76 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 4.6 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang Tín hiệu truyền tổ chức thành khung (Frame) Cứ khung liên tiếp tạo thành siêu khung Lý việc tạo khung để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng sóng mang báo hiệu tham số bên phátTransmission Parameter Signalling - TPS carriers) Lý việc hình thành siêu khung để chèn vừa đủ số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn cấu hình tham số phát, điều tránh việc phải chèn thêm gói đệm khơng cần thiết Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM miền thời gian (được đánh dấu từ đến 67) Mỗi symbol chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc dải thông MHz (Việt Nam chọn dải thơng 8MHz, có nước chọn 7MHz) Hình 4.6 biểu diễn phân bố sóng mang DVB-T theo thời gian tần số Hình 4.3 Phân bố sóng mang DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Như symbol OFDM chứa: - Các sóng mang liệu (video, audio, ) điều chế M-QAM Số lượng sóng mang liệu có 6048 với 8K, 1512 với 2K - Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, 45 pilot với 2K Các pilot có vị trí cố định dải tần 8MHz cố định biểu đồ chòm để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha - Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, 131 pilot với 2K có vị trí cố định biểu đồ chịm Chúng khơng có vị trí cố định Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 77 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT miền tần số, trải dải thông 8MHz Bên máy thu nhận thông tin từ pilot tự động điều chỉnh để đạt "đáp ứng kênh" tốt thực việc hiệu chỉnh (nếu cần) - Khác với sóng mang chương trình, pilot khơng điều chế QAM, mà điều chế BPSK với mức công suất lớn 2,5 dB so với sóng mang khác Hình 4.4 Phân bố pilot DVB-T - Các sóng mang thơng số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thơng số phát điều chế BPSK biểu đồ chòm sao, chúng nằm trục thực Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang chế độ 8K 17 sóng mang chế độ 2K Các sóng mang TPS khơng có vị trí cố định biểu đồ chịm sao, mà cịn hồn tồn cố định vị trí xác định dải tần 8MHz 4.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ Trong thực tế khoảng tổ hợp thu trải dài theo symbol khơng có nhiễu symbol (ISI) mà nhiễu tương hỗ sóng mang (ICI) Để tránh điều người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trước symbol để đảm bảo thông tin đến từ symbol xuất cố định Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 78 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Hình 4.5 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Mỗi khoảng symbol kéo dài thêm vượt q khoảng tổ hợp máy thu Tu Như đoạn thêm vào phần đầu symbol để tạo nên khoảng bảo vệ giống với đoạn có độ dài cuối symbol Miễn trễ không vượt đoạn bảo vệ, tất thành phần tín hiệu khoảng tổ hợp đến từ symbol tiêu chuẩn trực giao thoả mãn ICI ISI xảy trễ vượt khoảng bảo vệ Độ dài khoảng bảo vệ lựa chọn cho phù hợp với mức độ thu đa đường (multipath) máy thu Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ thực phía phát Khoảng thời gian bảo vệ Tg có giá trị khác theo quy định DVB-T [1]: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu 1/32Tu Khi chênh lệch thời gian tia sóng đến đầu thu khơng vượt khoảng thời gian bảo vệ Tg, máy thu hoàn toàn khắc phục tốt tượng phản xạ (xem hình 4.5) Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích Vì vậy, chế độ phát, Tg lớn, thơng tin hữu ích ít, số lượng chương trình giảm Nhưng Tg lớn khả khắc phục tia sóng phản xạ từ xa đến hiệu Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao với thông số khoảng thời gian bảo vệ tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T Các máy phát thuộc mạng đơn tần phát kênh sóng, thuận lợi cho quy hoạch tiết kiệm tài nguyên tần số Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 79 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT Hình 4.6 Các tia sóng đến thời khoảng bảo vệ 4.8 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T Thông thường, thông tin kênh cao tần 8MHz máy phát DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng liệu mà có khả truyền tải thấy tham số phát kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) định khả Bảng 4.1 thống kê tổng vận tốc dòng liệu máy phát DVB-T truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s kênh cao tần 8MHz với nhóm thơng số phát khác 4.9 Kết luận Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, thông tin cần phát phân chia vào lượng lớn sóng mang Các sóng mang chồng lên miền thời gian tần số mã hoá riêng biệt, giao thoa ảnh hưởng đến vài sóng mang tối thiểu hố âm nhiễu Như xét chương trước, ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu lớn truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả chống lại nhiễu ISI,ICI gây hiệu ứng đa đường Trong chương tiếp trình bày chương trình mơ truyền dẫn tín hiệu hệ thống OFDM có nhiễu trắng cộng (AWGN) Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 80 ... TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ M? ?T Đ? ?T 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... hệ thống Phan Đăng Hoàn - Lớp 46K - ĐTVT 41 ĐỒ ÁN T? ? ?T NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ M? ?T Đ? ?T 2.5 Hệ truyền hình số m? ?t đ? ?t theo tiêu chuẩn DVB- T 2.5.1 Khái niệm Hệ thống trạm m? ?t. .. - ĐTVT ĐỒ ÁN T? ? ?T NGHIỆP ỨNG DỤNG CUA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ M? ?T Đ? ?T Chương T? ??NG QUAN VỀ M? ?T HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH 1.1 Hệ thống truyền hình 1.1.1 Khái niệm Là t? ??p hợp thi? ?t bị đảm bảo cho trình