Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống điều chế đa tần trực giao(OFDM) ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

Trong nội dung luận văn tốt nghiệp“ Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt độnghệ thống Điều chế đa tần trực giaoOFDM ứng dụng trong Truyền hình số mặtđất”,  Chương 1: Số hóa kỹ thuật truy

Trong nội dung luận văn tốt nghiệp“ Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt động

hệ thống Điều chế đa tần trực giao(OFDM) ứng dụng trong Truyền hình số mặtđất”,

 Chương 1: Số hóa kỹ thuật truyền hình quảng bá

 Chương 2: Kỹ thuật OFDM trong truyền hình số

 Chương 3: Mô phỏng hệ thống

Mục đích của luận văn là nêu được nguyên lý chung, cấu trúc và các ưu nhượcđiểm của công nghệ OFDM Đồng thời nêu ra các ứng dụng trong thông tin vôtuyến và hướng phát triển trong tương lai

1

CHƯƠNG 1: SỐ HÓA KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ

1.1 Tính tất yếu thực hiện lộ trình số hóa truyền hình quảng bá ở Việt Nam

Quá trình số hóa truyền hình đã và đang là một xu thế tất yếu trên thế giới.Trong khu vực châu Á- Thái Bình Dương hầu hết các nước cam kết hoàn thànhthực hiện việc chuyển đổi này trước năm 2015 Nằm trong xu thế trên, Việt Namcũng phải thực hiện việc số hóa hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất

để đảm bảo sự phát triển hiệu quả và hội nhập thành công của lĩnh vực truyền hìnhvới thế giới

Về công nghệ : nâng cao chất lượng dịch vụ truyền hình với chất lượng hìnhảnh, âm thanh tốt hơn so với công nghệ tương tự; tăng số lượng kênh chương trìnhtruyền hình, giảm đầu tư phát triển hạ tầng truyền hình do số lượng máy phát giảm,cho phép phát các kênh truyền hình có độ phân giải cao(HDTV), truyền hình 3chiều(3D), các dịch vụ truyền hình tương tác;

Về tài nguyên tần số, giải phóng một phần băng tần đang sử dụng cho truyềnhình để chuyển sang sử dụng cho các dịch vụ vô tuyến băng rộng khác, nhằm pháttriển hạ tầng băng rộng đáp ứng nhu cầu thông tin phục vụ sự nghiệp công nghiệphóa-hiện đại hóa đất nước

Về thị trường, hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóngnhằm thu hút các nguồn lực để phát triển hạ tầng kỹ thuật truyền hình trên cơ sởbảo đảm sự quản lý thống nhất có hiệu quả của Nhà nước,

Về tổ chức bộ máy, tổ chức, sắp xếp lại các đài phát thanh truyền hình trênphạm vi cả nước theo hướng chuyên môn hóa, chuyên nghiệp hóa đảm bảo hoạtđộng hiệu quả trên cơ sở phân định rõ hoạt động nội dung thông tin với hoạt độngtruyền dẫn, phát sóng

đa dạng, phong phú, chất lượng cao

Hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng truyền hình số mặtđất nhằm thu hút các nguồn lực của xã hội để phát triển hạ tầng kỹ thuật truyềnhình, tổ chức và sắp xếp lại hệ thống các đài phát thanh, truyền hình trên phạm vi

cả nước theo hướng chuyên môn hóa, chuyên nghiệp hóa

1.2.3 Kế hoạch triển khai

Các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương được phân chia thành bốn (04)nhóm sau đây,

Nhóm I: Hà Nội (cũ), thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ; Nhóm II: Hà Nội (mở rộng), Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên,Quảng Ninh, Thái Nguyên, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, BắcGiang, Phú Thọ, Khánh Hòa, Bình Thuận, Ninh Thuận, Bình Dương, Đồng Nai,

Bà Rịa - Vũng Tàu, Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Đồng Tháp, AnGiang, Hậu Giang;

Nhóm III: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, ThừaThiên - Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Lâm Đồng, BìnhPhước, Tây Ninh, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang;

Nhóm IV: Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, LạngSơn, Điện Biên, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông.”

1.3 Thực trạng số hoá truyền hình tại thành phố Hải Phòng

1.3.1 Thực trạng

3

Tại thành phố Hải Phòng, các đơn vị trên đã triển khai phát sóng thử nghiệmtruyền hình số mặt đất, vị trí đặt máy phát và anten phát sóng tại Đồi thiên vănquận Kiến An với độ cao khoảng 140m, cụ thể :

 Đài truyền hình Việt nam (VTV) công suất máy phát 2KW kênh 43UHF

 Đài truyền hình kỹ thuật số (VTC) công suất máy phát 1KW kênh 29,30UHF

 Truyền hình An Viên (AVG) công suất máy phát 1KW kênh 57,58UHF

Chương trình Truyền hình Hải phòng (THP) hiện nay cũng đang đượctruyền tải trên Truyền hình An Viên (AVG),

1.3.2 Các phương thức truyền dẫn phát sóng truyền hình của Đài Phát thanh

và Truyền hình Hải Phòng

a Truyền dẫn truyền hình tương tự mặt đất

b Truyền dẫn truyền hình qua vệ tinh

c Truyền dẫn truyền hình qua hệ thống cáp

d Truyền dẫn truyền hình qua mạng viễn thông

Đài Phát thanh và Truyền hình Hải Phòng đang khẩn trương thực hiệnchuyển đổi phương thức truyền hình tương tự mặt đất sang truyền hình số mặt đấttheo đề án của Chính phủ và chỉ đạo của Ủy ban nhân dân thành phố

Thực hiện Lộ trình số hóa truyền hình mặt đất của Chính phủ, kết thúc năm

2015, thành phố Hải Phòng là một trong năm thành phố trực thuộc trung ương phảikết thúc truyền hình tương tự, chuyển sang truyền hình số mặt đất theo chuẩn

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ 2.1 KHÁI NIỆM VỀ KỸ THUẬT OFDM

2.1.1 Khái niệm chung

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật truyền dẫn

đa sóng mang, đó là phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiềuluồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang

2.1.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phântoàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang

Sóng mang OFDM (N=8)

2.1.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng

mang con khác nhau

2.1.7 Các ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

5

2.1.7.1 Ảnh hưởng của bộ lọc băng thông

Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sinc trong miền tần số Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol

Bộ lọc ảnh hưởng đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

2.1.7.3 Ảnh hưởng của méo tới OFDM

Tín hiệu OFDM có công suất đỉnh cao so với công suất trung bình của nóKhi sóng mang RF được điều chế với tín hiệu OFDM thì điều này sẽ dẫn tới sựthay đổi tương tự của đường bao sóng mang Từ đó dẫn tới yêu cầu là tín hiệu phải

được khuyếch đại và truyền đi trong cách tuyến tính Việc duy trì độ tuyến tính cao

ở mức công suất cao là rất khó khăn, do vậy hầu hết méo trong truyền vô tuyếnthường xảy ra trong bộ khuyếch đại công suất của máy phát

2.1.7.4 Lỗi đồng bộ thời gian

OFDM chịu được các lỗi thời gian vì có các khoảng bảo vệ Symbol ở giữa.Đối với kênh đơn đường, lỗi lệch thời gian có thể được tính bằng độ dài khoảngbảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ

Tín hiệu OFDM với lỗi lệch thời gian khi dùng khoảng bảo vệ là 40 mẫu 2.1.7.5 Lỗi đồng bộ tần số

Giải điều chế tín hiệu OFDM có lệch tần điều này có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bitcao, gây ra bởi mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóng mang

2.2 KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM

2.2.1 Đồng bộ trong OFDM

2.2.1.1 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM

Có một vài khía cạnh đặc biệt mà làm cho sự đồng bộ hệ thống OFDM rấtkhác với những hệ thống đơn sóng mang OFDM chia luồng dữ liệu thành nhiềubăng hẹp và điều chế vào một số lượng lớn sóng mang phụ

Giải mã FFT

Bám đuổi pha

Ước lượng kênh

Quá trình đồng bộ trong OFDM

* Quan điểm kỹ thuật.

· Là tiêu chuẩn có ưu điểm, hiện đại, mở (để có thể phát triển thêm) và có khảnăng tương thích cao, được nhiều nước sử dụng

· Có khả năng làm việc với các tỉ lệ khuôn hình 4:3 và 16:9 (băng tần tiêuchuẩn) và 16:9 (băng tần cao)

· Sử dụng dòng truyền dữ liệu theo tiêu chuẩn quốc tế (định dạng lấy mẫu4:2:0, nén MPEG-2 MP@ML, có khả năng tương thích hoặc chuyển đổilên/xuống các lớp bậc thấp và cao, quan hệ giữa SDTV và HDTV).

· Tiêu chuẩn phát sóng số không được gây trở ngại cho việc quy hoạch tần số

· Có khả năng sử dụng lại (phần nhất định) của hệ thống máy phát hình kỹthuật tương tự

* Quan điểm kinh tế chính trị.

· Tiêu chuẩn được nhiều nước sử dụng thuận lợi cho trao đổi chương trình,hội nhập quốc tế

· Có khả năng đầu tư phù hợp với Việt Nam

Tiêu chuẩn DVB-T có một số ưu điểm trội hơn so với 2 tiêu chuẩn kia

1 Dòng truyền bit (TS):

2 Ðộ rộng kênh sóng mềm dẻo (8 MHz)

3 Tỉ lệ bit sai (BER) thấp

4 Thu cố định và thu di động (đến 270 Km/giờ): tốt

2.3.1.2 Tổng quan về DVB-T

Sự truyền dẫn của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất là tương đối đặcbiệt Do hiện tượng phản xạ nhiều lần tín hiệu, can nhiễu rất nghiêm trọng Để giảiquyết vấn đề này, trong hệ thống sử dụng phương thức xử lý của bộ OFDM – ghépkênh phân chia theo tần số trực giao

9

Sơ đồ khối máy phát DVB-T

Các đặc điểm của tiêu chuẩn DVB-T

QPSK,16-2.3.1.3 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang

Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame)

Hình 4.3 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số:

11

Máy thu số

vệ tinh

Bộ mã hóa MPEG-2

Bộ trộn nhiều đường

Bộ điều chế số

Bộ biến tần lên VHF UHF

A V

Từ vệ

tinh

Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)

Hình 2.23 biểu diễn vị trí các pilot và sóng mang TPS được điều chế BPSK.

2.3.1.4 Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Để tránh nhiễu này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Intervalduration)  trước mỗi ký tự để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một ký tự vàxuất hiện cố định

Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ

2.3.1.5 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T

Thống kê tổng vận tốc dòng dữ liệu máy phát DVB-T

Bảng 4.3 [2] Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ

Chế độ phát 2K sử dụng 1705 sóng pilot Trong chế độ 8K số sóng m

2.3.1.7 Lựa chọn các thông số và các chế độ hoạt động.

a Các chế độ hoạt động

Một khoảng thời gian bảo vệ dài hơn có thể chống lại các tia xạ dài hơn

- Nếu kéo dài khoảng thời gian bảo vệ mà không thay đổi thời khoảng của

dữ liệu hữu ích thì sẽ làm tăng dung lượng kênh, vì vậy sẽ giảm tốc độ bit thông tintruyền đi

- Nếu kéo dài khoảng thời gian bảo vệ và thời gian hữu ích thì sẽ không ảnhhưởng tới dung lượng kênh, nhưng nó sẽ làm cho quá trình sử lý tín hiệu trở nên khókhăn do số lượng sóng mang lớn hơn vì thời khoảng tăng lên

Độ dài khoảng thời gian bảo vệ

Tỷ lệ khoảng bảo vệ với độ

dài thời khoảng hữu ích

Độ dài khoảng thời gian bảo vệ

Các phương thức điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM tương ứng với số bit là

2, 4, 6 bit cho một ký hiệu dữ liệu Các bit được gán tới các điểm cụ thể trongkhông gian pha theo ánh xạ mã Gray

Tốc độ dữ liệu trong hệ thống DVB-T (tính theo Mbit/s)

Điều chế Số bit trên 1

sóng mang

Tỷ lệ mãnội

Khoảng thời gian bảo vệ

Chế độ phân cấp

điều chế phân cấp cho phép phát sóng 2 dòng truyền tải MPEG độc lập vớikhả năng chống lỗi khác nhau trên cùng một kênh RF

* Một máy với hai vùng phủ sóng riêng biệt

* Giải quyết được cả thu di động lẫn thu cố định

* Phát đồng thời các chương trình số cả dạng tiêu chuẩn (SDTV) lẫn dạng có

độ phân giải cao (HDTV)

15

2.3.2 ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ MỚI DVB-T2

- DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tươngquan giữa các chuẩn trong họ DVB

- Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định và dichuyển được, do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiệnđang tồn tại ở mỗi gia đình và sử dụng lại các cơ sở anten phát hiện có

- Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 phải đạt được dung lượngcao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%

- DVB-T2 phải đạt được hiệu quả cao hơn DVB-T trong mạng đơn tần SFN

- DVB-T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch vụ

cụ thể

- DVB-T2 phải có tính linh hoạt đối với băng thông và tần số

- Pilot liên tục: tương tự như DVB-T, tuy nhiên tối ưu hơn

- Tráo: bao gồm tráo bít, tráo tế bào, tráo thời gian và tráo tần số

17

Các mode Mã hóa và điều chế không

Mã LDPC + BCH1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6

Các loại điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM,

2.4.10 Kết luận

tiêu chuẩn DVB-T2 có những ưu điểm sau:

+ DVB-T sử dụng mã sửa sai mã trong và mã ngoài là mã cuốn và mã RS(Convolutional and Reed-Solomon Codes), còn DVB-T2 sử dụng mã LDPC/BCH + DVB-T2 còn cho phép sử dụng khoảng bảo vệ lớn hơn 20% so với DVB-T,+ DVB-T2 sử dụng phương pháp điều chế 256-QAM cho nên tăng được dunglượng bit

+ DVB-T2 sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật mới như: ống vật lý, băng tầnphụ, các mode sóng mang mở rộng,

+ DVB-T2 là hệ thống truyền hình số mặt đất lý tưởng cho truyền hình có độphân giải cao HDTV (High Defination Televition) và cũng có khả năng hỗ trợ cácdịch vụ trong tương lai,

19

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu chương

Hệ thống được dùng để đánh giá trong luận văn này là hệ thống truyền hình

số mặt đất DVB-T, việc mô phỏng sử dụng công cụ Matlab và Simulink

Dưới đây là sơ đồ khối mô phỏng hệ thống trong Simulink:

.Sơ đồ mô phỏng hệ thống DVB-T trong Simulink

Hệ thống gồm các tuyến chính như sau:

*) Tuyến mã hóa và điều chế bên phát:

- Khối mã ngoài (RS Encoder)

- Khối tráo ngoài (Convolutional Interleaver)

- Khối mã trong (Punctured Convolutional Code)

- Khối tráo trong (Inner Interleaver)

- Khối ánh xạ và điều chế cơ sở (DVB-T 64QAM Mapper)

- Khối điều chế (OFDM Transmitter)

*) Tuyến giải mã hóa và giải điều chế bên thu:

- Khối thu OFDM (OFDM Receiver)

- Giải ánh xạ và giải điều chế số (DVB-T 64QAM Demapper)

- Khối giải tráo trong (Inner Deinterleaver)

- Khối giải mã Viterbi (Viterbi Decoder)

- Khối giải tráo ngoài (Convolutional Deinterleaver)

- Khối giải mã RS (RS Decoder)

*) Tuyến kiểm tra lỗi bit:

*) Tuyến kênh truyền:

Chúng ta tiến hành đánh giá kết quả dựa trên điểm đo sau:

- Biểu đồ chòm sau tại điểm trước của khối OFDM bên phát và phíasau khối OFDM bên thu

21

- Phổ năng lượng của tín hiệu phát phía sau khối OFDM bên phát vàphổ năng lượng của tín hiệu thu phía trước khối OFDM bên thu.

*) Đặt tỉ số tín hiệu/tạp âm tại kênh truyền là 20dB, chạy mô phỏng ta được:

- Phổ năng lượng của tín hiệu phát:

- Phổ năng lượng của tín hiệu thu:

- Biểu đồ chòm sao bên phát:

23

- Biểu đồ chòm sao bên thu:

- Kết quả trên bộ chỉ thị lỗi bít như sau:

- Nhận xét: ta quan sát thấy tỉ lệ lỗi bít bằng không

*) Đặt tỉ số tín hiệu/tạp âm trên kênh truyền bằng 17dB ta thu được kết quả:

- Biểu đồ chòm sao ở phía phát và phía thu:

25

- Kết quả hiển thị trên bộ chỉ thị lỗi bit:

Nhận xét: Từ hình vẽ cho thấy tỷ lệ lỗi bit tăng lên, giá trị BER là 2.10-3 (trên

lý thuyết, giá trị này phải nhỏ hơn hoặc bằng 2.10-4) Có thể kết luận rằng khi cónhiễu mạch, hay tỉ số tín hiệu/tạp âm giảm, chòm sao điều chế bị nhòe, các vị trítrên biểu đồ chồng chéo lên nhau khó xác định, gây khó khăn trong việc giải mã tínhiệu nên làm tỷ lệ lỗi bit tăng lên

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

OFDM là kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao, OFDM là một kỹ thuậtđược sử dụng rất nhiều trong mạng vô tuyến Với những đặc điểm của mìnhOFDM khắc phục được rất nhiều vấn đề trong mạng vô tuyến Với tính ưu điểmchính là khắc phục nhiễu trong việc sử dụng phổ trong mạng vô tuyến, phươngpháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóngmang và giao thoa giữa các ký hiệu Sử dụng dải tần hiệu quả do cho phép chồngphổ giữa các sóng mang con.Hạn chế được ảnh hưởng của pha đinh và hiệu ứngnhiều đường bằng cách chia pha đinh chọn lọc tần số thành các kênh con fadinhphẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

thực hiện Lộ trình số hóa truyền hình mặt đất của Chính phủ với chuẩn T2 thì việc nghiên cứu, nắm vững kỹ thuật điều chế đa tần số trực giao OFDM làcông việc cấp thiết dể chúng ta có thể làm chủ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vựcphát thanh truyền hình Trong thời gian thực hiện đề tài và trình độ cá nhân cònhạn chế, nên đề tài của em còn nhiều khiếm khuyết, rất mong được sự quan tâm,góp ý của các thầy và các bạn

DVB-27