Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số trên các phương tiện di động

Đặc biệt truyền hình số mặt đất DVB-T có khả năng thu di động, vì vậy việc chế tạo anten thích hợp để thu tín hiệu DVB-T di động được đặt ra cho các nhà nghiên cứu Trong luận văn này đã

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MAI SỸ TIẾN

Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số trên các phương tiện di động

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

HÀ NỘI - 2010

1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 7

Chương 1 Công nghệ truyền hình số 11

1.1Giới thiệu 11

1.2 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T 12

1.2.1 Nguyên lý OFDM 13

1.2.2 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 17

1.2.3 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 20

1.2.4 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 21

1.3 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T2 23

1.4 Tình hình phát triển truyền hình số mặt đất trên thế giới và Việt Nam 24

1.5 Máy thu DVB-T 28

Chương 2 Anten vi dải và anten mảng vi dải 33

2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải 33

2.1.1 Định nghĩa về anten vi dải 33

2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải 34

2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải 35

2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải 36

2

2.1.5 Một số mô hình anten vi dải thông thường 37

2.1.6 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải 37

2.2 An ten mảng vi dải 40

2.2.1 Định nghĩa anten mảng vi dải 40

2.2.2 Tiếp điện cho anten mảng vi dải 41

Chương 3 Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp phần tử hữu hạn 43

3.1Lý thuyết cơ bản về trường điện từ 43

3.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên 43

3.1.2 Các phương trình thế 44

3.1.3 Các điều kiện biên 50

3.2Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) 52

3.2.1 Giới thiệu 52

3.2.2 Nghiệm của phương trình Laplace 54

3.2.3 Nghiệm của phương trình Poisson 69

3.2.4 Nghiệm của phương trình sóng 75

3.2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn đối với các bài toán bên ngoài 79

3.3 Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 85

Chương 4Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số trên các phương tiện di động 90

4.1 Yêu cầu về thông số của anten 90

4.2 Đề xuất mô hình anten 91

4.3 Quá trình thiết kế 92

3

4.3.1 Thiết kế phần tử mảng (anten 1) 92

4.3.2 Thiết kế mảngvi dải 2x2 để thu di động tín hiệu DVB-T 96

4.4 Nhận xét 99

KẾT LUẬN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Mai Sỹ Tiến

Sinh ngày: 18/10/1982

Nơi sinh: Tam Điệp – Ninh Bình

Học viên: Lớp cao học Điện tử 2 – Khóa 2008-2010

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi nghiên cứu viết ra Tất cả các tài liệu tham khảo tôi đã ghi đầy đủ trong luận văn này Tôi xin chịu trách nhiệm trước Pháp luật về lời cam đoan này

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATSC Advanced Television Service Committee

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

CPE Common Phase Error

BPSK Differential Binary Phase Shift Keying

DAC Digital to Analog Converter

DVB The Digital Video Broadcasting Project

DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestrial

DVB-T2 Digital Video Broadcasting - Second Generation Terrestrial FFT Fast Fourier Transform

HDTV High Definition Television

ICI Inter – Carrier Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISDB-T Intergrated Service Digital Broadcasting Terrestrial

ISI Intra/Inter Symbol Interference

TPS Transmission Parameter Signalling

6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Vận tốc dòng dữ liệu của máy phát hình DVB-T

Bảng 1.2 So sánh các chế độ truyền dẫn của DVB-T và DVB-T2

Bảng 1.1 So sánh giữa phương pháp mô-men và phương pháp phần tử hữu hạn

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình1.1 Sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T Hình 1.2 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế Hình 1.3 Đồ thị chòm sao điều chế 16 QAM

Hình 1.4 Đồ thị chòm sao 64 QAM

Hình 1.5 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)

Hình 1.6 Phân bố các Pilot của DVB-T

Hình 1.7 Phân bố các Pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao

Hình 1.8 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ

Hình 1.9 Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ

Hình 1.10 Máy phát hình số DVB-T

Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu truyền hình số DVB-T

Hình 1.12 Bộ thu tín hiệu DVB-T

Hình 2.1 Cấu tạo của một anten vi dải

Hình 2.2 Điện trường của anten nhìn từ trên xuống

Hình 2.3 Trường điện của anten nhìn theo chiều ngang

Hình 2.4 Một số cấu hình anten vi dải dạng miếng khác nhau

Hình 2.5 Mô hình anten được tiếp điện bằng đường truyền vi dải

8

Hình 2.6 Mô hình anten vi dải được tiếp điện bằng cáp đồng trục

Hình 2.7 Mô hình anten vi dải được tiếp điện sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng Hình 2.8 Anten mảng vi dải

Hình 2.9 Feed nối tiếp

Hình 2.10 Feed song song

Hình 3.1 Điều kiện biên của E và B

Hình 3.2 Những phần tử hữu hạn điển hình: (a) Một chiều, (b) Hai chiều, (c) Ba chiều Hình 3 3 (a) Miền nghiệm; (b) Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn của miền nghiệm

Hình 3 4 Phần tử tam giác điển hình; các nút địa phương đánh số 1-2-3 phải được

thực hiện theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, biểu thị bởi mũi tên

Hình 3.5 Hàm trạng thái và cho một phần tử tam giác

Hình 3.6 Rời rạc hóa miền nghiệm không đồng nhất

Hình 3.7 Tổng hợp ba phần tử i-j-k tương ứng với cách đánh số địa phương (1-2-3)

của phần tử trong hình 3.4

Hình 3.8 Miền nghiệm đối xứng qua trục

Hình 3.9 (a) Cách chia miền nghiệm thành các phần tử hữu hạn và vô hạn; (b) phần tử

vô hạn điển hình

Hình 3.10 Vật thể phát xạ (hoặc tán xạ) được bao bởi một biên hấp thụ

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng

Hình 4.1 Mô hình thu tín hiệu DVB-T khi oto di chuyển

Hình 4.2 Mô hình anten mảng vi dải pha

Hình 4.3 Các kích thước cần tính toán của anten 1

9

Hình 4.4 Hình dạng, kích thước anten 1

Hình 4.5 Hệ số tổn hao ngược của anten 1

Hình 4.6 Đồ thị phương hướng của anten 1 tại tần số 666MHz Hình 4.7 Hình dạng, kích thước anten 2

Hình 4.8 Feed tiếp điện cho anten 2

Hình 4.9 Hệ số tổn hao ngược của anten 2

Hình 4.10 Đồ thị phương hướng của anten 1 tại tần số 666MHz

10

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình từ lâu đã trở thành món ăn tinh thần không thể thiếu của mỗi gia đình Ngày nay với sự phát triển của công nghệ truyền hình số với nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ truyền hình tương tự đã làm thỏa mãn nhu cầu thông tin giải trí của đông đảo khán giả Đặc biệt truyền hình số mặt đất DVB-T có khả năng thu di động, vì vậy việc chế tạo anten thích hợp để thu tín hiệu DVB-T di động được đặt ra cho các nhà nghiên cứu

Trong luận văn này đã đề xuất mô hình, tính toán, thiết kế anten mảng vi dải ứng dụng cho thu truyền hình số di động, sử dụng phần mềm Ansoft HFSS (tính toán trường điện từ theo phương pháp phần tử hữu hạn) để mô phỏng Mô hình anten cuối cùng có băng thông bao chùm dải tần từ 400MHz đến 800MHz, bức xạ đẳng hướng trong toàn bộ băng tần

Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo Ts Đào Ngọc Chiến, người đã trực tiếp định hướng luận văn, giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình Tôi cũng xin cám ơn các bạn trong phòng nghiên cứu và phát triển truyền thông Tầng 6 – Thư viện Điện tử Tạ Quang Bửu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã góp ý và chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành luận văn của mình

Hà Nội ngày 20 tháng10 năm 2010

11

Chương 1 Công nghệ truyền hình số 1.1 Giới thiệu

Ra đời vào cuối thập kỷ 90, truyền hình số mặt đất đang ngày càng được chấp nhận, phát triển rộng rãi và trở thành xu thế không thể thay đổi của truyền hình thế giới trong tương lai Tại Việt Nam việc thử nghiệm truyền hình số ở nhiều quy mô khác nhau được tiến hành khẩn trương trong nhiều năm qua và đã thu được những kết quả rất quan trọng Những kết quả thử nghiệm đã giúp Chính phủ quyết định ứng dụng rộng rãi công nghệ truyền hình số mặt đất DVB-T theo tiêu chuẩn Châu Âu tại Việt Nam từ tháng 3 năm 2005

Truyền hình số mặt đất có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình analog như: khả năng chống nhiễu cao, có khả năng phát hiện và sửa lỗi, chất lượng chương trình trung thực, ít bị ảnh hưởng nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng hình thường gặp ở truyền hình analog; truyền được nhiều chương trình đồng thời trên một kênh sóng, điều này giúp cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và tiết kiệm kinh phí đầu tư, chi phí vận hành

Đặc điểm của truyền hình số mặt đất:

- Một máy phát số mặt đất có thể phát sóng đồng thời nhiều chương trình truyền hình: Đây là đặc điểm kỹ thuật ưu việt nhất của truyền hình số, mang lại hiệu quả cao trên nhiều phương diện: Tiết kiệm kinh phí đầu tư: một máy phát phát được đến 13 chương trình truyền hình thay việc phải đầu tư nhiều máy phát chỉ cần đầu tư 1 máy, tiết kiệm

cả kinh phí đầu tư các thiết bị phụ trợ và các hệ thống anten, tiết kiệm nhà đặt máy, Tiết kiệm kinh phí vận hành: tiền điện, nhân công, bảo dưỡng Tiết kiệm phổ tần số

- Điều kiện thu xem thuận lợi: Với công nghệ truyền hình số mặt đất DVB-T, chỉ cần

sử dụng TV và anten thông thường cùng với bộ chuyển đổi Digital/Analog (đầu thu số)

- Cho phép thu di động, tích hợp các chương trình phát thanh, dữ liệu: Truyền hình số DVB-T cho phép truyền đồng thời cả tín hiệu truyền hình, phát thanh và các dịch vụ truyền dữ liệu khác

- Cho phép tách / ghép chương trình trên cùng một hạ tầng truyền dẫn phát sóng: Khả năng này của truyền hình số vừa phù hợp với nhu cầu phủ sóng toàn quốc vừa đáp ứng nhu cầu ghép chương trình truyền hình truyền hình địa phương để phủ sóng trên địa bàn tỉnh

- Khả năng thiết lập mạng đơn tần: Với truyền hình số DVB-T có thể thiết lập mạng phát hình gồm nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Các máy phát cách nhau một khoảng cách cho phép nhất định để hình thành một mạng, gọi là mạng đơn tần

D/A Phách lên cao Khuếch đại

Ghép kênh dòng truyền tải

Nén MPEG-2 hoặc MPEG-4

2

1

n

Bộ chia tín hiệu

Ngẫu nhiên

hóa dữ liệu Mã ngoài Tráo Mã trong

ngoài

Tráo trong

OFDM Khoảng bảo vệ

14

luồng dữ liệu con lên các sóng mang Các sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp

và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luồng dữ liệu có tốc độ bit cao

Ý tưởng đầu tiên của OFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong phát sóng các kênh mặt đất Đáp ứng của kênh không tương đồng với từng dải tần nhỏ

do có nhiều tín hiệu nhận được (tín hiệu chính + tín hiệu phản xạ), nghĩa là sẽ không còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu Để có thể lập lại được những dữ liệu đã mất ở bên thu cần mã hóa dữ liệu trước khi phát

a Tính trực giao của các sóng mang

Việc sử dụng số lượng lớn sóng mang tưởng như không có triển vọng lắm trong thực tế, và không chắc chắn, vì sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế và các bộ lọc

đi kèm theo Và cũng có vẻ như sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này Nhưng vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/ TU, với TU là khoảng symbol hữu ích Đây chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần

số trực giao Các thành phần phổ của máy phát số DVB-T (gồm hàng ngàn sóng mang) chiếm hết dải thông 8MHz

Hình 1.2 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế

Về mặt toán học, việc trực giao sẽ như sau: sóng mang thứ k được biễu diễn:

Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi vào điểm bằng không của sóng mang khác Vì các sóng mang được đặt rất gần nhau nên tổng cộng dải phổ cũng chỉ như ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng được điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng

Có nhiều nguyên nhân gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI) Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong việc lấy mẫu tần số của máy thu hay phase-noise trong các bộ tạo dao động nội Tuy nhiên trong thực tế, những ảnh hưởng này có thể được giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận được

b Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và các bộ lọc nhưng chúng ta đã tránh được điều này dựa trên phép biến đổi FFT Bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng

16

mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo) Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DA để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản

Quá trình xử lý ở phía thu sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu

đã truyền

c Lựa chọn điều chế cơ sở

Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16QAM hay 64QAM mỗi sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit Tuy nhiên với công suất phát cố định, khi có nhiều bit dữ liệu trong một symbol thì các điểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số liệu đầu vào được tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở Mỗi nhóm bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tương ứng với một điểm trên biểu đồ chòm sao

-3

-5 -7

1 3 5 7 -1

-3 -5

Hình 1.4 Đồ thị chòm sao 64 QAM

0010 0011

0000 0001

1010 1011

1001 1000

1101 1111 1110 1100

0111 0101

1.2.2 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang

Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame) Cứ 4 khung liên tiếp

tạo thành một siêu khung Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang

thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát - Transmission Parameter Signalling - TPS carriers) Lý do của việc hình thành các siêu

khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte

trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ cấu hình tham số phát, điều này

tránh việc phải chèn thêm các gói đệm không cần thiết Mỗi khung chứa 68 symbol

OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67) Mỗi symbol này chứa hàng

ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K)

18

nằm dày đặc trong dải thông 8 MHz (Việt Nam chọn dải thông 8MHz, có nước chọn 7MHz)

Hình 1.5 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)

Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa:

- Các sóng mang dữ liệu (video, audio, ) được điều chế M-QAM Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K

- Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao 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, và 131 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao Chúng không có vị trí cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8MHz Bên máy thu khi nhận được các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đáp ứng kênh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh

19

- Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác

Hình 1.6 Phân bố các Pilot của DVB-T

- Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chòm sao, chúng nằm trên trục thực Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K Các sóng mang TPS này không những có vị trí cố định trên biểu đồ chòm sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz

Hình 1.7 Phân bố các Pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao

20

1.2.3 Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ

có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI)

Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định

Hình 1.8 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ

Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu TU Như vậy đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo

vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao được thoả mãn ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo

vệ Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đường (multi path) của máy thu Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phía phát Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB: 1/4

TU, 1/8 TU, 1/16 TU và 1/32 TU

21

Hình 1.9 Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ

Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích, vì vậy, cùng chế độ phát, Tg càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng ít, số lượng chương trình sẽ giảm Nhưng Tg càng lớn khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ

xa đến càng hiệu quả Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao và với thông số khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T Các máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát cùng một kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số

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

Thông thường, thông tin trên một kênh cao tần 8MHz của máy phát DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng dữ liệu mà nó có khả năng truyền tải và có thể thấy các tham số phát như kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) và khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) sẽ quyết định khả năng này Bảng 1 thống kê tổng vận tốc dòng dữ liệu máy phát DVB-T có thể truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trên một kênh cao tần 8MHz với các nhóm thông số phát khác nhau

22

Bảng 1.1 Vận tốc dòng dữ liệu của máy phát hình DVB-T

Khoảng bảo vệ (Trường hợp kênh 8Mhz)

Kiểu

điều chế

Tỉ lệ

mã trong

½ 4,98 5,53 5,85 6,03 2/3 6,64 7,37 7,81 8,04

¾ 7,46 8,29 8,78 9,05 5/6 8,29 9,22 9,76 10,05 QPSK

7/8 8,71 9,68 10,25 10,56

½ 9,95 11,06 11,71 12,06 2/3 13,27 14,75 15,61 16,09

¾ 14,93 16,59 17,56 18,10 5/6 16,59 18,43 19,52 20,11 16QAM

7/8 17,42 19,35 20,49 21,11

½ 14,93 16,59 17,56 18,10 2/3 19,91 22,12 23,42 24,13

¾ 22,39 24,88 26,35 27,14 64QAM

5/6 24,88 27,65 29,27 30,16

23

7/8 26,13 29,03 30,74 31,67

Máy phát số DVB-T còn một thông số nữa là chế độ phát 2K hoặc 8K Chế độ phát 2K sử dụng 1705 sóng mang, trong đó có 1512 sóng mang dữ liệu và 193 sóng mang tham số phát và các pilots Chế độ phát 8K sử dụng 6817 sóng mang, trong đó có

6048 sóng mang dữ liệu và 769 sóng mang tham số phát và các pilot Trong chế độ 8K

số lượng sóng mang dữ liệu gấp 4 lần trong chế độ 2K nhưng thời gian để truyền hết số lượng sóng mang này cũng gấp 4 lần nên tổng vận tốc dòng dữ liệu cũng bằng chế độ 2K

1.3 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T2

Sự ra đời của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai hay còn gọi là DVB-T2 (phục vụ cho việc phát truyền hình HDTV) đã làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng băng thông Một trong nhưng thay đổi đổi mặt kỹ thuật là DVB-T2 sử dụng mã sửa sai LDPC (loại mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp) Thay vì chế độ 2K và 8K trong DVB-T, DVB-T2 cho phép sử dụng nhiều chế độ biến đổi FFT khác như là 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k Những chế độ biến đổi FFT tốc độ thấp DVB-T2 thiết kế để sự dụng khi thiết lập mạng đơn tần SFN Trong DVB-T2, ta có thể sử dụng phương thức điều chế 256-QAM, loại điều chế này cho phép ánh xạ 8 bit lên mỗi chòm sao, tương đương mỗi sóng mang con chứa được 8 bit thông tin DVB-T sử dụng một số lượng mào đầu đầu lớn chiếm 8% dung lượng dành cho các tín hiệu Pilot, nó được sử dụng vào việc ước lượng kênh truyền và đồng bộ khung Trong khi đó DVB-T2 có 8 sự khác biệt về các mẫu tín hiệu Pilot, nó chiếm một dung lượng rất nhỏ trong phần mào đầu do vậy tiết kiệm được băng thông một cách đáng kể Sử dụng các bộ mã hóa kết hợp mạnh hơn LDPC/BCH và kỹ thuật quay chòm sao nhằm tạo nên tính đa dạng trong điều chế tín hiệu, hỗ trợ việc thu tín hiệu có tỷ lệ mã sửa sai lớn

LDPC + BCH 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6

Modes QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM,

256QAM Guard Interval 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 1/4, 19/256, 1/8, 19/128,

1/16, 1/32, 1/128 FFT size 2k, 8k 1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k

Scattered Pilots 8% of total 1%, 2%, 4%, 8% of total

Continual Pilots 2.6% of total 0.35% of total

1.4 Tình hình phát triểntruyền hình số mặt đất trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay, đang thịnh hành 3 tiêu chuẩn cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất là

DVB-T của châu Âu, ATSC của Mỹ và ISDB-T của Nhật Bản Số liệu thống kê cho

thấy cho tới nay, trong tổng số 38 nước chọn lựa tiêu chuẩn phát hình số mặt đất, đã có

32 nước chọn tiêu chuẩn DVB-T của châu Âu (chiếm 84%), 5 nước chọn tiêu chuẩn

ATSC của Mỹ (chiếm 13%) và duy nhất Nhật Bản sử dụng công nghệ ISDB-T Trong

các hệ phát hình số mặt đất, tiêu chuẩn châu Âu DVB-T tỏ ra có nhiều ưu điểm và

được hầu hết các nước trên thế giới chấp nhận

25

Anh là nước tiên phong triển khai phát hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T (từ 15/11/1998) Sau đó một thời gian ngắn, một loạt quốc gia châu Âu như Anh, Thuỵ Ðiển, Australia, Tây Ban Nha, Singapore, Na Uy, Hà La, cùng Nam Phi, Australia, Singapore đã triển khai phát số theo hệ DVB-T trên diện rộng Đến nay, hầu hết châu

Âu, châu Đại dương, châu Phi và nhiều nước khác cũng đã triển khai truyền hình số Đặc biệt, Berlin (Đức) đã tuyên bố chấm dứt phát sóng truyền hình mặt đất bằng kỹ thuật analog từ 4/8/2003 Nhiều nước khác cũng có kế hoạch chấm dứt phát analog từ

2006 đến 2010 Xung quanh ta có Thái Lan, Hồng Kông, Đài Loan, Singapore cũng

đã thử nghiệm truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T Nhiều nước khác cũng đang có kế hoạch phát hình số mặt đất

Tại Việt Nam nhận thức được xu thế tất yếu của cách mạng kỹ thuật số, ngay từ năm 1998, Công ty Đầu tư và Phát triển công nghệ truyền hình Việt Nam nay là Tổng công ty Truyền thông đa phương tiện (VTC) đã bắt đầu nghiên cứu, tiếp cận với công nghệ này VTC đã quyết định chọn công nghệ DVB-T cho mục đích thử nghiệm trên

cơ sở đánh giá tổng hợp các tiêu chí về kỹ thuật, kinh tế và xu thế phát triển của công nghệ trên thế giới Về lý do lựa chọn, VTC cho rằng tiêu chuẩn DVB-T phù hợp với dải băng tần 8 MHz đang sử dụng tại VIỆT NAM và phù hợp với tiêu chuẩn phát số qua vệ tinh của châu Âu đang sử dụng tại VIỆT NAM (DVB-S) Mặt khác, do tiêu chuẩn này đang được nhiều quốc gia lựa chọn nên sẽ thuận lợi hơn cho Việt Nam trong việc đầu tư thiết bị và trao đổi chương trình

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, chế thử máy phát hình số cũng đã được tiến hành Máy phát hình số DVB-T công suất tới 400 W băng tần UHF và VHF là 2 trong số những sản phẩm của đề tài KC.01.16: “Thiết kế và chế thử máy phát hình số DVB-T”

do Công ty Đầu tư và phát triển công nghệ truyền hình Việt Nam (VTC) chủ trì, TS Phạm Đắc Bi là chủ nhiệm đề tài Đặc biệt, trên 1 máy phát hình số DVB-T do đề tài

Hình 1.10 Máy phát hình số DVB-T

- Kênh 26, băng tần UHF

- Trở kháng cao tần đầu ra: 50 Ω

- Connector đầu ra cao tần 7/8" EIA

- Độ rộng băng thông: 8Mhz

27

- Công suất: 0,8 kW

- Tín hiệu đầu vào: MPEG

- Tốc độ dữ liệu đầu vào: 3.73 - 31.67

- Độ dài gói truyền tải: 188 byte - 204 byte (SPI)

- IFFT 2k/8k

- Khoảng bảo vệ: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32

- Tỷ lệ mã sửa sai: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8

- Điều chế: QPSK, 16QAM, 64QAM

- Đầu vào nối tiếp: 02 x ASI - BNC 75ohm

- Đầu vào chuẩn tần số: 10 Mhz, BNC 50ohm

- Đầu vào chuẩn thời gian: 1PPS, BNC 50ohm

- Đầu ra chuẩn: TS clock signal

- Chế độ phân cấp: Cho tất cả các mode DVB-T

- Độ ổn định tần số: 1ppm hoặc chuẩn theo tín hiệu ngoài

- Bức xạ hài Không lớn hơn -55 dBc

- Nguồn nuôi 3 pha 220/380VAC ± 15%;

- Tần số nguồn nuôi 50Hz;

- Khối khuếch đại công suất sử dụng công nghệ bán dẫn LDMOS, cấu trúc exciter kép

- Làm mát bằng chất lỏng hoặc khí

28

- Nhiệt độ vận hành -10o đến +45o C;

- Độ ẩm tối đa: 90%, không ngưng tụ

- Máy phát được tổ hợp chung trong một tủ máy kích thước tiêu chuẩn 19"

Vấn đề tần số, hiện tại với truyền hình kỹ thuật số, Việt Nam đang thử nghiệm ở băng tần IV và V Băng III đang dành cho truyền hình tương tự Nhưng theo Cục Tần

số Vô tuyến điện, khi truyền hình kỹ thuật số phát triển rộng, thì có khả năng vẫn dành

cả băng III cho truyền hình số Như vậy, băng tần hoạt động cho các máy phát hình quảng bá mặt đất sử dụng kỹ thuật số là các băng truyền hình III, IV và V Về độ rộng băng tần kênh, hiện trên thế giới vẫn có hai loại: 7 MHz và 8 MHz Ở Việt nam độ rộng băng tần kênh cho truyền hình Việt Nam là 8 MHz

Hiện nay có thêm tập đoàn AVG đang tham gia vào việc xây dựng cơ sở hạ tầng phát sóng DVB-T

1.5 Máy thu DVB-T

Máy thu truyền hình số bao gồm các khối sau:

Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu truyền hình số DVB-T

Vấn đề chúng ta đặc biệt quan tâm đối với máy thu truyền hình số loại DVB-T

đó là nhiễu pha gây ra của các sóng mang

Như đã phân tích ở trên truyền hình số sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM với số lượng sóng mang rất lớn Điều chế loại 2K có số lượng 1705 sóng mang, loại 8K có số lượng 6817 sóng mang Bộ điều chế và giải điều chế thường làm việc ở tín hiệu gốc

Bộ đổi tần

RF/IF

Bộ giải điều chế OFDM

Bộ giải

mã FEC

Bộ giải

mã MPEG-2

Việc ổn định tần số tạp nhiễu pha sinh ra tại các mạch dao động tự do LO phụ thuộc vào tính chất của mạch dao động tự do và vòng khoá pha (PLL)

Trong hệ thống OFDM tạp nhiễu pha gây ra sai pha chung (CPE - Common Phase Error) ảnh hưởng của CPE trong hệ thống OFDM cũng tương tự như trong các

hệ thống sử dụng một sóng mang CPE làm cho tất cả các sóng mang bị sai pha như nhau và có thể được sửa chữa bằng tín hiệu pilot liên tục

Tạp nhiễu pha còn có thể gây ra can nhiễu giữa các sóng mang (ICI - Inter Carrier Intereferece) Sai pha do ICI có dạng như tạp nhiễu nhiệt và không thể loại trừ Tạp nhiễu pha làm cho các điểm của đồ thị chòm sao (Constellation Point) trên mặt phẳng I/Q bị tản ra theo những đường tròn Hậu quả là mức tạp nhiễu tối đa cho phép trong hệ thống giảm, tỷ số lỗi bit BER tăng Tín hiệu được giải điều chế ở đầu thu bị ảnh hưởng của tạp nhiễu pha gây nên bởi tất cả các mạch dao động có trên đường truyền Trong quá trình thiết kế hệ thống, chất lượng của LO chỉ có thể xác định một cách chính xác khi biết rõ ảnh hưởng của tạp nhiễu pha gây nên trong quá trình điều chế - giải điều chế tín hiệu Nếu LO có cấp chấp lượng quá thấp thì tín hiệu sẽ bị tổn thất nhiều Loại nhiễu ICI này chủ yếu do các thành phần tần số cao phổ nhiễu gây ra Trong thực tế không thể sửa được ICI và phải đưa vào tính toán bộ dự trữ nhiễu Với công nghệ hiện nay có thể chế tạo bộ dao động nội một cách hợp lý để đạt được ICI đủ nhỏ Có thể loại bỏ pha chung (CPE- Common Phase Error) sinh ra bởi nhiễu pha trong

bộ chuyển kênh nhờ xử lý số trong vi mạch bằng khối sửa CPE Khối này có thể loại

bỏ CPE vì tất cả các sóng mang trong một symbol của OFDM đã cho đều có cùng một

30

giá trị CPE Bằng cách đo các pilot liên tục có cùng pha trong các symbol OFDM khác nhau sẽ xác định CPE Lấy giá trị CPE này trừ đi pha của tất cả các ô dữ liệu trong cùng một Symbol Số pilot liên tục đủ nhiều để có thể thực hiện việc trung bình hoá và

do đó loại trừ ảnh hưởng của nhiễu nhiệt

Hiện nay ở Việt nam, phần lớn các hộ gia đình vẫn sử dụng TV tương tự Để thu được chương trình truyền hình số thì cần phải có thêm bộ Set-top-box Sau đây xin giới thiệu Set-top-box D901 do VTC sản xuất

- Đầu nối RF vào IEC 169-2 F

- Đầu ra Anten loop IEC 169-2 M

Giải điều chế

- Điều chế COFDM

- RCA A/V Đầu ra video CVBS

- Đầu ra Audio L/R/Mono

- S-Video Đầu ra S-Video

- SPDIF Đầu ra audio quang số

- Dải 470MHz - 862MHz

- Điện áp nguồn AC: 90~240V 50/60 Hz

- Công suất tiêu thụ Tối đa 8W

Việc thu tín hiệu DVB-T trên các phương tiện di động như ô-tô cá nhân, xe buýt, taxi tại Việt nam gần như là chưa có nguyên nhân là do chưa có anten thu thích hợp Đề tài của em sẽ đưa ra một số các phương án để giải quyết vấn đề trên

33

Chương 2 Anten vi dải và anten mảng vi dải

2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải

Định nghĩa về những cấu trúc phát xạ vi dải được đưa ra lần đầu tiên bởi Deschamps vào năm 1953 Tuy nhiên phải gần hai mươi năm sau thì những anten thực

tế mới được sản xuất Anten thực tế đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1970 bởi Howell và Munson Kể từ đó, việc nghiên cứu, phát triển các anten vi dải và các mảng anten vi dải không ngừng được mở rộng, nhằm khai thác triệt để những ưu điểm cũng như khắc phục các nhược điểm của nó

2.1.1 Định nghĩa về anten vi dải

Một anten vi dải trong trường hợp đơn giản nhất bao gồm một miếng phát xạ nhỏ nằm trên một mặt của lớp đế điện môi, và có một mặt phẳng đất là chất dẫn điện lý tưởng nằm trên mặt còn lại của lớp đế điện môi

Miếng phát xạ làm bằng các chất dẫn điện, thông thường là đồng hoặc vàng, có thể là bất kỳ hình dạng nào, nhưng thông thường các nhà thiết kế sử dụng là những hình dạng sao cho việc phân tích dễ dàng và tính toán thiết kế hiệu quả Tuy nhiên với

sự phát triển của công nghệ và sự ra đời của các chương trình mô phỏng thiết kế cho phép ta có thể thiết kế miếng phát xạ ở bất kỳ hình dạng nào

34

Hình 2.1 Cấu tạo của một anten vi dải

2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải

Anten vi dải có một số ưu điểm so với các loại anten siêu cao tần khác và do đó được sử dụng nhiều trong các ứng dụng trên băng tần rộng (>1 GHz)

- Cấu hình đơn giản, kích thước nhỏ, hình dạng phẳng, mỏng nên có thể chế tạo dễ dàng, và dễ tích hợp với các thiết bị di động

- Giá thành sản xuất thấp, dễ dàng tiến hành sản xuất hàng loạt

- Các anten vi dải này có vùng tán xạ nhỏ

- Bằng việc thay đổi vị trí tiếp điện, có thể tạo ra các loại phân cực thẳng và phân cực tròn dễ dàng

35

- Các thiết bị như bộ dao động, bộ khuếch đại, bộ suy hao thay đổi, chuyển mạch, bộ điều biến, bộ trộn, bộ dịch pha… có thể được thêm vào trực tiếp trên bề mặt lớp đế của anten

- Đường tiếp điện và mạng phối hợp được sản xuất đồng thời với cấu trúc của anten Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm kể trên, anten vi dải cũng có một số nhược điểm sau:

- Băng thông hẹp

- Suy hao, do đó làm cho sự khuếch đại thấp hơn một chút

- Tất cả các anten vi dải đều bức xạ trên một nửa mặt phẳng

- Các giới hạn thực tế của sự khuếch đại lớn nhất

- Hiệu suất bức xạ thấp

- Sự cách ly giữa các phần tử bức xạ và phần tiếp điện kém

- Khả năng của sự kích thích của các sóng bề mặt

- Công suất thấp

Việc phát huy các ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của anten vi dải chính là công việc của những nhà thiết kế anten

2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải

Trong nhiều thiết kế cụ thể, các ưu điểm của anten vi dải là nổi trội hơn các nhược điểm của nó Hiện nay đã có nhiều ứng dụng thành công khác nhau sử dụng anten vi dải Một số ứng dụng hệ thống đáng chú ý sử dụng anten vi dải đã được phát triển bao gồm:

36

- Truyền thông vệ tinh

- Hệ thống radar sử dụng hiệu ứng Doopler và các hệ thống radar khác

- Ra lệnh và điều khiển

- Cảm biến từ xa và các thiết bị đo đạc môi trường

- Làm các phần tử dây dẫn trong các anten phức tạp

- Các bộ thu tín hiệu dẫn đường vệ tinh

- Bộ phát xạ sinh trắc học

- Điện thoại di động

2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải

Dạng đơn giản nhất của một anten vi dải đó là một cấu trúc lớp với hai lớp dẫn điện song song được phân biệt với nhau bởi một lớp đế điện môi mỏng Lớp dẫn điện phía dưới hoạt động như một lớp nền Thiết bị này trở thành một anten vi dải khi lớp dẫn điện phía trên là một miếng có chiều dài xấp xỉ một nửa bước sóng (hình 3.2)

Hình 2.2 Điện trường của anten nhìn từ trên xuống

37

Hình 2.3 Trường điện của anten nhìn theo chiều ngang

2.1.5 Một số mô hình anten vi dải thông thường

Anten vi dải dạng miếng (Microstrip Patch Antenna) chính là loại anten vi dải được định nghĩa ở Phần 3.1.1 Người ta chia anten vi dải dạng miếng thành nhiều loại dựa vào hình dạng của miếng phát xạ ở trên lớp đế:

Hình 2.4 Một số cấu hình anten vi dải dạng miếng khác nhau

2.1.6 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải

Anten vi dải có thể được tiếp điện theo 3 cách:

- Sử dụng đường truyền vi dải (microstrip line)

- Sử dụng cáp đồng trục (coaxial cable)

38

- Sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng (co-planar waveguide)

Tuy nhiên do trở kháng đầu vào của anten thường khác với trở kháng của các loại bộ tiếp điện cơ bản là 50 Ohm nên khi tiếp điện cho anten vi dải cần phải lưu ý tới vấn đề phối hợp trở kháng Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được bằng cách lựa chọn một vị trí phù hợp để tiếp điện, bởi vì trở kháng đầu vào của anten vi dải thay đổi theo vị trí quan sát khi nhìn từ nguồn vào anten

a Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải sử dụng đường truyền vi dải

Có hai cách tiếp điện cho anten khi chúng ta sử dụng đường truyền vi dải đó là tiếp điện theo trục đối xứng và tiếp điện không theo trục đối xứng của anten Vị trí tiếp điện sẽ quyết định mốt sóng được kích thích

Hình 2.5: Mô hình anten được tiếp điện bằng đường truyền vi dải

Phối hợp trở kháng: Khi cấu hình anten đã xác định thì quá trình phối hợp trở kháng được bắt đầu Người ta gắn feeder vào anten tại vị trí muốn tiếp điện, thông thường là các feeder 50Ω, rồi tính toán trở kháng đầu vào của anten, nhờ đó thiết kế

bộ phối hợp trở kháng giữa anten và feeder Sau đó anten được xây dựng lại với các phần tử phối hợp trở kháng đã thiết kế Nếu như anten chỉ làm việc với một mốt sóng chính thì đường truyền vi dải tiếp điện có thể được thay đổi theo chiều ngang của anten

để có được sự phối hợp trở kháng tốt nhất

39

Cần lưu ý khi tiến hành tiếp điện và phối hợp trở kháng cho anten, nếu ta thay đổi vị trí tiếp điện cho anten theo chiều ngang của anten thì trở kháng đầu vào cũng thay đổi theo Đó là một cách đơn giản nhất để có được phối hợp trở kháng Việc thay đổi vị trí tiếp điện có thể làm thay đổi một chút dải tần số cộng hưởng của anten, nhưng

ta có thể thay đổi kích thước của anten hoặc phần tử phát xạ để có được dải tần số cộng hưởng như cũ

b Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải sử dụng cáp đồng trục

Hình 2.6: Mô hình anten vi dải được tiếp điện bằng cáp đồng trục

Khi sử dụng cáp đồng trục để tiếp điện cho anten vi dải, phần vỏ của cáp được nối với mặt sau của anten tức là được hàn với mặt phẳng đất Phần lõi của cáp được nối với phần tử phát xạ của anten Vị trí tiếp điện được tìm theo kinh nghiệm để có được

sự phối hợp trở kháng tốt nhất

c Kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng

Tiếp điện cho anten vi dải sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng có thể coi như là khe có một đường dẫn điện ở giữa Chính do sự có mặt của đường dẫn điện ở