2014 MMT03/UIT Công Nghệ Vệ Tinh OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T Giảng viên: ThS Trần Bá Nhiệm Sinh viên thực hiện: Nhóm Trần Quang Vũ - 08520479 Lê Xuân Vũ - 08520481 Lưu Xuân Khoa - 08520498 NỘI DUNG OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIFLEXING) 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ OFDM 1.1.1 Cuộc cách mạng hệ thống thông tin 1.1.2 Công nghệ đa truy cập 1.1.2.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access) 1.1.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access) 1.1.2.3 CDMA (Code division Multiple Access) 1.1.3 Sự phát triển công nghệ CDMA 1.2 Tổng quan kỹ thuật điều chế OFDM 1.2.1 Nguyên lý OFDM 1.2.2 Đa sóng mang (Multicarrier) 10 1.2.3 Sự trực giao (orthogonal) 12 1.2.3.1 Mơ tả tốn học OFDM .16 1.2.3.2 Trực giao miền tần số .19 1.2.4 Tạo thu OFDM 20 1.2.4.1 Nối tiếp - song song 21 1.2.4.2 Điều chế tải phụ 21 1.2.4.3 Điều chế RF 22 1.2.5 Khoảng bảo vệ (GUARA PERIOD) 23 1.2.5.1 Bảo vệ chống lại OFFSET thời gian 24 1.2.5.2 Bảo vệ chống lại ISI 25 1.3 Ưu điểm – nhược điểm công nghệ OFDM 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.3.1 Ưu điểm : 26 1.3.2 Nhược điểm: .27 CƠNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) 28 2.1 DVB 28 2.2 DVB-T (Digital Video Broadcast - Terrestrial)[1] 29 2.2.1 Giới thiệu 29 2.2.2 Cách hoạt động 29 ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T .30 3.1 Lý DVB-T sử dụng OFDM 30 3.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB-T 32 3.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T 33 3.5 Lựa chọn điều chế sở 34 3.6 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 35 3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 38 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 39 Kết luận 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIFLEXING) 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ OFDM 1.1.1 Cuộc cách mạng hệ thống thông tin Hệ thống thông tin di động thương mại đưa vào ứng dụng Mỹ năm 1946, sử dụng băng tần 150MHz, với khoảng cách kênh 60KHz số lượng kênh bị hạn chế kênh Đó hệ thống bán song cơng (người bên khơng thể nói người nói thoại kết nối nhân công) Sau cải tiến, hệ thống IMTS MJ bao gồm 11 kênh băng tần 150 Mhz hệ thống ITMS MK bao gồm 12 kênh băng tần 459Mhz sử dụng vào năm 1969 Đây hệ thống song cơng, trạm gốc BS phục vụ cho vùng bán kính rộng đến 80km Cho đến nay, cơng nghệ thơng tin vơ tuyến có phát triển vượt bậc năm gần Hầu hết hệ thống WLAN dùng theo chuẩn IEEE802.11b, cung cấp tốc độ liệu cực đại 11Mbps Các tiêu chuẩn WLAN IEEE802.11a HyperLAN2 dựa công nghệ OFDM cung cấp tốc độ liệu tới 54Mbps Tuy nhiên tương lai gần hệ thống yêu cầu mạng WLAN có tốc độ liệu lớn 1000 Mbps Do cần phải cải thiện hiệu phổ dung lượng liệu hệ thống OFDM ứng dụng WLAN Mạng di động hệ thứ ba vốn cung cấp cho khách hàng tốc đô liệu cao, phạm vi dịch vụ lớn thông tin thoại, điện thoại truyền hình (videophone) truy cập internet có tốc độ cao Tốc độ liệu cao mạng di động tương lai thực nhờ tăng giá phổ phân phối cho dịch vụ việc cải thiện hiệu phổ OFDM ứng cử viên tiềm hệ thống mobile hệ thứ tư 1.1.2 Công nghệ đa truy cập 1.1.2.1 FDMA (Frequency Division Multiple Access) Công nghệ FDMA sử dụng lần hệ thống thông tin tương tự Trong kỹ thuật này, băng tần tổng phân chia thành nhiều băng tần nhỏ Mỗi thuê bao MS phép truyền liên tục theo thời gian băng tần nhỏ cấp phát TÀI LIỆU THAM KHẢO theo MS đó, đó khơng bị trùng Mỗi băng tần bao gồm băng tần tối thiểu cho việc truyền liệu hai dải tần phòng vệ hai bên để chống nhiễu xuyên kênh Đặc điểm FDMA thuê bao MS cấp phát kênh đôi liên lạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa tần số kênh lân cận đáng kể Trạm BS phải có thu phát riêng làm việc với thuê bao MS hệ thống di động 1.1.2.2 TDMA (Time Division Multiple Access) Hệ thống thông tin di động TDMA phát triển FDMA Ứng dụng kỹ thuật nén số thoại để thuê bao hệ thống truy cập tồn băng tần vơ tuyến hệ thống khe thời gian khác Mỗi thuê bao cấp khe thời gian cấu trúc khung Khoảng thời gian không sử dụng khe lân cận thời gian bảo vệ để giảm nhiễu Trong hệ thống Cellular, phổ tần chia thành dải tần liên lạc khe thời gian để truyền thơng tin liệu Nếu phổ tần có sẵn chia thành nhiều dải tần liên lạc cho nhóm th bao riêng biệt gọi TDMA băng hẹp Còn phổ tần cho phép sử dụng cho thuê bao gọi phương pháp TDMA băng rộng Khuyết điểm kỹ thuật TDMA tượng trễ truyền dẫn gây trùng chập tín hiệu hai khe thời gian lân cận thời gian bảo vệ khe không đủ Lý thuyết chứng minh giả sử bán kính Cell R thời gian trễ T trễ = 2R/C Để tránh chồng chập tín hiệu khoảng thời gian bảo vệ tối thiểu khe thời gian phải G = 2R/C, điều làm giảm dung lượng kênh Để dung lượng kênh không bị giảm sử dụng phương pháp thứ hai khơng có thời gian bảo vệ mà thay cách điều chỉnh định thời gian phát thuê bao MS Tuy nhiên cần phải xác định khoảng cách MS- BS điều chỉnh định thời thích hợp Vì vậy, cần phải tuỳ theo đặc điểm hệ thống mà lựa chọn phương pháp thích hợp Hệ thống TDMA điển hình GSM (Global System for Mobile) 1.1.2.3 CDMA (Code division Multiple Access) Sự phát triển công nghệ CDMA bắt đầu năm 1989, sau tiêu chuẩn NA - TDMA (IS-54) thiết lập TÀI LIỆU THAM KHẢO Trong hệ thống thông tin di động CDMA, nhiều thuê bao MS sử dụng chung băng tần Cell, phân biệt với theo mã khác Các thuê bao thực gọi đồng thời mà khơng gây nhiễu nhờ tính khơng tương quan mã khác Mỗi thuê bao di động MS gán mã riêng kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp cho MS khơng gây nhiễu lẫn lúc dùng chung dải tần số Nếu muốn thu tín hiệu kênh truyền phải biết mã kênh Đặc điểm tín hiệu CSMA sử dụng tín hiệu cao tần, dải tần rộng hàng MHz, sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường độ nhỏ chống Fading hiệu FDMA TDMA Việc thuê bao MS Cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khơng cịn vấn đề chuyển giao trở thành mềm Điều khiến dung lượng Cell linh hoạt Hệ thống CDMA áp dụng kỹ thuật nén số TDMA với tốc độ bit thay đổi theo tích cực thoại, nên tín hiệu thoại có tốc độ bit trung bình nhỏ Hệ thống CDMA điển hình IS-95 1.1.3 Sự phát triển công nghệ CDMA Thế kỷ 20 thời kỳ bùng nổ thông tin giới thời kỳ đánh dấu đời kỹ thuật đa truy cập Chúng ta nghe nói đến kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số FDMA với hệ thống AMPS, kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA với ứng dụng rộng rãi mạng GSM Có thể nghe đến kỹ thuật trải phổ với ứng dụng rộng rãi đa truy cập phân chia theo mã CDMA, nhiều người lầm tưởng công nghệ đời sau này, cơng nhận ứng dụng rộng rãi thương mại vào năm 90 Nhưng thực CDMA đặt bối cảnh lịch sử, có nguồn gốc từ chiến tranh giới thứ hai Tại Mỹ, vào năm 1940, nữ diễn viên Hollywood đồng thời nhà sáng chế tài George Antheil, nhạc sĩ dương cầm, chiến tranh giới lần hai nổ ra, đồng thời sáng chế cách điều khiển ngư lơi cách gửi tín hiệu vơ tuyến ngẫu nhiên, nhảy liên tục từ tần số sang tần số khác để tránh khả bị gián đoạn Ý tưởng này, biết đến nhảy tần FH TÀI LIỆU THAM KHẢO (Frequency Hopping) sau trải phổ nhảy tần (FH-SS) Họ sáng chế hệ thống điều khiển nhảy tần mẫu tám mươi tần số, số phím xác đàn dương cầm Mặc dù nhà phát minh cố gắng miệt mài để thúc đẩy việc thực thi kết nghiên cứu từ phịng thí nghiệm hải quân Mỹ loại bỏ xem giải pháp khơng khả thi Phát minh bị chìm vào quên lãng đến năm 1947 kỹ sư phân viện hệ thống điện tử Sylvania Buffalo New York tiếp tục ý tưởng Họ dùng công nghệ vào việc thông tin bảo mật cho Mỹ suốt khủng hoảng tên lửa Cuba vào năm 1962 Sau trở thành công nghệ tuyệt mật cho tồn quyền, qn đội Mỹ vào năm 80 tiết lộ bí mật cơng nghệ mà biết đến công nghệ CDMA Công nghệ sớm gây ý công nghệ Wireless phát triển Công nghệ CDMA kết hợp chặt chẽ với trải phổ, hoạt động việc số hoá đối thoại kèm theo mã biết nơi phát nơi thu, chia tín hiệu thành bit sau kết nối chúng lại Công nghệ ưa dùng qn đội tín hiệu mã hố với hàng triệu kết hợp khác làm cho việc truyền an tồn Cơng nghệ CDMA chứng minh tính hữu dụng cao mạng thông tin di động Cellular cung cấp phương pháp mã hố an toàn cho người sử dụng đồng thời đem lại chất lượng gọi xem tuyệt hảo so với hệ thống GSM hệ thống thông tin di động sử dụng nhiều nơi giới Công nghệ chứng minh ưu bật việc sử dụng phổ tần vơ tuyến cho phép nhiều người sử dụng chia sẻ đồng thời khoảng băng tần mà không gây can nhiễu lẫn nhau, không cơng nghệ trước địi hỏi cấp phát cho người sử dụng tần số vô tuyến riêng Lý thuyết công nghệ CDMA xây dựng từ năm 1952 áp dụng thông tin quân từ năm 1962 nhờ tính bảo mật cao Cùng với phát triển công nghệ bán dẫn lý thuyết thông tin năm 1980, CDMA thương mại hoá từ phương pháp thu GPS Ommi-TRACS, phương pháp đề xuất hệ thống thông tin Cellular Qualcomn - Mỹ năm 1990 TÀI LIỆU THAM KHẢO Công nghệ CDMA hệ thống đa truy cập phân chia theo mã ứng dụng kỹ thuật trải phổ Điều khắc phục nhược điểm hai công nghệ FDMA TDMA trước Mặc dù cơng nghệ CDMA phát triển gần phát triển nhanh chóng riêng địa bàn Châu Mỹ Châu Á - Thái Bình Dương, đến cuối năm 1995 lắp đặt khoảng 11000 trạm gốc Đặc biệt số nước Mỹ, Nhật đặt công nghệ viễn thông CDMA hệ thống viễn thông hệ thứ Hình 1.1.3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.2 Tổng quan kỹ thuật điều chế OFDM 1.2.1 Nguyên lý OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng nguyên lý FDM phép nhiều tin tức gửi qua kênh Radio đơn Tuy nhiên cho hiệu tốt OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thông thường đài phát truyền tần số khác nhau, sử dụng hiệu FDM để trì ngăn cách đài Tuy nhiên khơng có kết hợp đồng trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM DAB DVB-T, tín hiệu thơng tin từ nhiều trạm kết hợp dòng liệu ghép kênh đơn Sau liệu truyền sử dụng khối OFDM tạo từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu sóng mang Các sóng mang chống lấp miền tần số, khơng gây can nhiễu sóng mang (Inter - Carrie Interference (ICI)) chất trực giao điều chế Với FDM tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM đóng gói trực giao sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu phổ Tất hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thơng tin tạo thành dạng truyền hiệu kênh thông tin Một phạm vi rộng sơ đồ điều chế phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng tin dạng sóng analog digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: Điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial Side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thơng tin số bao gồm khố dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK) điều chế QAM TÀI LIỆU THAM KHẢO OFDM cịn có tên gọi khác " Điều chế đa sóng mang trực giao" (OMCM- dựa nguyên tắc phân chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp, truyền nhiều sóng mang trực giao Cơng nghệ trung tâm nghiên cứu CCETT ( Centre Commun d'Étude en dédiffution et Téléccomunication) Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng cơng nghệ OFDM trải liệu cần truyền nhiều sóng mang, sóng mang điều chế tiêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống sóng mang lọc riêng biệt để bảo đảm khơng có chồng phổ, khơng có tượng giao thoa ký hiệu ISI sóng mang phổ lại chưa sử dụng với hiệu cao Với OFDM, khoảng cách sóng mang chọn cho sóng mang trực giao chu kỳ ký hiệu tín hiệu khơi phục mà khơng giao thoa hay chồng phổ Hình 1.2.1 1.2.2 Đa sóng mang (Multicarrier) TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 Hình 1.2.5.2b: Chức khoảng bảo vệ chống lại ISI Khoảng bảo vệ chống lại ảnh hưởng thay đổi nhanh multipath loại bỏ ảnh hưởng ISI Tuy nhiên thực tế thành phần multipath có khuynh hướng suy giảm chậm theo thời gian, dẫn đến ISI khoảng bảo vệ tương đối dài sử dụng 1.3 Ưu điểm – nhược điểm công nghệ OFDM 1.3.1 Ưu điểm : - Hiệu sử dụng phổ cao, khả chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt hệ thống không dây) dễ lọc bỏ nhiễu (nếu kênh tần số bị nhiễu, tần số lân cận bị bỏ qua, không sử dụng) - Tốc độ truyền Uplink Downlink thay đổi dễ dàng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng - Các sóng mang riêng hoạt động tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ ký tự tương ứng kéo dài TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 - Hệ thống OFDM loại bỏ hồn tồn nhiễu liên ký tự (Intersymbol InterferenceISI) độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn trễ truyền dẫn lớn kênh - Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng phân tập tần số (frequency selectivity) chất lượng hệ thống giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang - Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản 1.3.2 Nhược điểm: - Một vấn đề OFDM có cơng suất đỉnh cao so với cơng suất trung bình Khi tín hiệu OFDM điều chế RF, thay đổi diễn tương tự biên độ sóng mang, sau tín hiệu truyền mơi trường tuyến tính, nhiên độ tuyến tính khó giữ điều chế công suất cao, méo dạng tín hiệu kiểu hay diễn khuyếch đại công suất phát Bộ thu thiết kế khơng tốt gây méo dạng trầm trọng Méo dạng gây hầu hết vấn đề trải phổ, gây nhiễu hệ thống truyền tần số RF kề - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu ISI lại làm giảm phần hiệu suất đường truyền, thân chuỗi bảo vệ không mang thơng tin có ích - Do u cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ, hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Doppler dịch tần (frequency offset) dịch thời gian (time offset) sai số đồng - Ảnh hưởng sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả chịu đựng tốt sai số thời gian nhờ khoảng bảo vệ symbol Với kênh truyền khơng có delay hiệu ứng đa đường, time offet khoảng bảovệ mà khơng tính trực giao, gây xoay pha sóng mang mà thơi Nếu lỗi time offset lớn khoảng bảo vệ hoạt động hệ thống suy giảm nhanh chóng Nguyên nhân symbol trước đến FFT bao gồm phần nội dung symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference) - Ảnh hưởng sai lệch đồng tần số: Một vấn đề lớn OFDM dễ bị ảnh hưởng offset tần số Giải điều chế tín hiệu OFDM gây sai TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 tốc độ bit Điều làm cho tính trực giao subcarrier bị (kết ICI xoay pha không sửa chữa thu) Sai số tần số diễn chủ yếu theo nguồn chính: lỗi dao động hiệu ứng Doppler Bất kỳ bất đồng phát thu gây offset tần số Offset bù cách dùng bám tần số, nhiên khắc phục mà thôi, hoạt động hệ thống bị ảnh hưởng Sự di chuyển tương đối thu phát gây dịch chuyển Doppler tín hiệu Điều hiểu offset tần số môi trường truyền tự do, khắc phục bù dao động Một vần đề quan trọng hiệu ứng Doppler trải Doppler, gây nên di chuyển phát thu môi trường đa đường Trải Doppler gây nên vận tốc tương đối thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo trình "điều chế tần số" cho tín hiệu Q trình diễn ngẫu nhiên subcarrier mơi trường bình thường, lượng lớn phản xạ đa đường xảy Trải Doppler khó bù làm suy giảm chất lượng tín hiệu CƠNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) 2.1 DVB DVB cụm viết tắt “Digital Video Broadcast” (truyền hình số), tiêu chuẩn mở công nhận quốc tế cho công nghệ truyền hình số Các tiêu chuẩn DVB trì dự án DVB (DVB Project www.dvb.org), liên doanh cơng nghiệp quốc tế có 270 thành viên, phát hành ETSI (European Telecommunication Standards Institute), CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) EBU (European Broadcasting Union) Sự tương tác chuẩn phụ (sub-standards) mô tả Digital Video Broadcasting (DVB) - A Guideline for the Use of DVB Specifications and Standards Nhiều khía cạnh DVB mang tính chất khởi đầu, bao gồm yếu tố việc mã hóa video audio theo chuẩn MPEG Các hệ thống phân phối liệu DVB sử dụng nhiều phương pháp, chuẩn phụ DVB: TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 • Vệ tinh: DVB-S, DVB-S2, DVB-SH • Cáp: DVB-C, DVB-C2 • Kỹ thuật số mặt đất (digital terrestrial): DVB-T, DVB-T2 Truyền hình số mặt đất cho di động (handheld): DVB-H, DVB-SH • Microwave: sử dụng DTT (DVB-MT), MMDS (DVB-MC), và/hoặc chuẩn MVDS (DVB-MS) 2.2 DVB-T (Digital Video Broadcast - Terrestrial)[1] 2.2.1 Giới thiệu DVB-T chuẩn kỹ thuật phát triển DVB Project, quy định cấu trúc khung, mã hóa kênh điều chế tín hiệu cho truyền hình số mặt đất (DTT - Digital Terrestrial Television) Phiên công bố vào tháng năm 1997, 12 năm sau đó, trở thành tiêu chuẩn áp dụng rộng rãi phổ biến hệ thống DTT tồn cầu Nó hệ thống linh hoạt, cho phép thiết kế nhiều mạng đáp ứng nhiều dịch vụ đa dạng, HDTV, SDTV đa kênh, cho phép khả thu tín hiệu cố định, di động, điện thoại chí thiết bị cầm tay khác Ngoài ra, DVB Project tạo thành công tiêu chuẩn kỹ thuật DTT hệ – chuẩn DVBT2 2.2.2 Cách hoạt động DVB-T giống với hệ thống truyền tải mặt đất khác chỗ sử dụng phương pháp điều chế OFDM Phương pháp sử dụng lượng lớn sóng mang, có khả truyền tải tín hiệu mạnh ổn định môi trường truyền dẫn khắc nghiệt DVB-T hệ thống có tính linh hoạt cao, nhờ vào đặc điểm kỹ thuật sau: • • • • • Hỗ trợ phương pháp điều chế (QPSK, 16QAM, 64QAM) tốc độ FEC (Forward Error Correction) khác lựa chọn Guard Interval Chọn 2k 8k sóng mang Hoạt động kênh băng thông 6, Mhz (với video 50Hz 60Hz) Bằng cách kết hợp thông số thiết kế mạng DVB-T cho phù hiệu yêu cầu nhà điều hành mạng, cân độ mạnh, ổn định tín hiệu với dung lượng truyền tải Các mạng thiết kế để phục vụ cho nhiều loại dịch vụ: TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 SDTV, radio, dịch vụ tương tác, HDTV, chí phát liệu dạng IP cách sử dụng phương pháp đóng gói đa giao thức Tuy ban đầu khơng phải thiết kế cho di động, hiệu DVB-T đáp ứng việc thu nhận di động, mà cịn định hình tảng cho số dịch vụ thương mại Việc sử dụng thu phân tập với antenna giúp tăng khoảng 5dB nhà mong đợi giúp giảm lỗi truyền liệu xe khoảng 50% Hệ thống DVB-H phụ vụ cho mobile TV xây dựng dựa hiệu chứng minh DVB-T dành cho di động Sử dụng phương pháp điều chế OFDM với khoảng guard interval phù hợp, DVB-T cung cấp công cụ giá trị cho nhà điều hành mạng – SFN (Single Frequency Network) SFN mạng số đầu phát hoạt động tần số Một SFN bao phủ quốc gia, ví dụ Tây Ban Nha, sử dụng để tăng cường độ phủ sóng nhà cách sử dụng “gap-filler” đơn giản Một khía cạnh kỹ thuật khác DVB-T cần đề cập dung lượng cho việc điều chế phân cấp Sử dụng kỹ thuật này, luồng liệu hoàn toàn riêng biệt điều chế thành luồng tín hiệu DVB-T Một luồng có độ ưu tiên cao (High Priority – HP) gắn vào luồng có độ ưu tiên thấp (Low Priority – LP) Nhờ vậy, máy phát hướng đến loại máy nhận khác với loại dịch vụ hoàn tồn khác Ví dụ, dịch vụ mobile TV địi hỏi nhiều điều kiện thu sóng khó khăn ưu tiên luồng HP, dịch vụ HDTV sử dụng antenna cố định đặt luồng LP ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 3.1 Lý DVB-T sử dụng OFDM Việc phát triển tiêu chuẩn DVB khởi đầu vào năm 1993 tiêu chuẩn DVB-T tiêu chuẩn hoá vào năm 1997 Viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu (ESTI: European Telecommunication Standards Institute) Hiện tiêu chuẩn nước châu âu nhiều nước khác giới thừa nhận Năm 2001 đài truyền hình Việt Nam định chọn làm tiêu chuẩn để phát sóng cho truyền hình mặt đất năm tới DVB sơ đồ truyền dựa tiêu chuẩn MPEG-2, phương pháp TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 phân phối từ điểm tới nhiều điểm video audio số chất lượng cao có nén Nó thay có tăng cường tiêu chuẩn truyền hình quảng bá tương DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt để phối hợp video, audio dịch vụ liệu Trong truyền hình số mặt đất khơng thể sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang multipath làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tiêu kĩ thuật truyền sóng mang đơn tốc độ cao Vì lý OFDM sử dụng cho tiêu chuẩn truyền hình mặt đất DVB-T DVB-T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang sử dụng Bảng Mô tả thông số mode làm việc DVB-T Tham số Mode 2K Mode 8K Số lượng sóng mang 1705 6817 Độ rộng symbol có ích(TU) 224µs 896 µs Khoảng cách sóng mang (1/TU) 4464hz 1116Hz Băng thông 61Mhz 61Mhz Khoảng bảo vệ ∆ T/4, T/8, T/12 T/4, T/8 Phương thức điều chế QPSK, 16-64QAM QPSK, 16-64QAM Kiểu 2K phù hợp cho hoạt động truyền đơn lẻ cho mạng SFN loại nhỏ có khoảng cách truyền giới hạn; sử dụng 1705 sóng mang Kiểu 8K Proramme MUX sử dụng cho hoạt động truyền đơnTransport cho mạng SFN loại nhỏ lớn; lẻ Bộ mã hố Video sử dụng 6817 sóng Audio Để giảmMUX ảnh hưởng khơng phẳng kênh nhỏ Bộ mã hố mang Bộ mã hố số liệu dùng nhiều sóng mang tốt Tuy nhiên số sóng mang nhiều, mạch phức tạp n liệukhhác hơn, giai đoạn đầu công nghệ chế tạo chip chưa hoàn thiện chip điều chế MPEG-2 đắt người ta thường dùng mode 2k cơng nghệ chế tạo chip đơn giản rẻ Về cấu trúc máy phát số DVB-T máy phát hình tương tự giống điểm Phân Ghép Ghép khác biệt phần điều chế Hình 3.1 biểu diễn sơ đồMã điều chế DVB-T khối Mã Định vị tán lượng Thích ứng khung IFFT xen hố xen hố ngồi ngồi trong Chèn Lọc khoảng FIR bảo vệ (Mapper) TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 IF RF Khuếch Hình 3.1: Sơ đồ khối điều chế số DVB-T đại BPF Tất đài phát mạng phát xạ DVB_T thông qua hệ thống định vị tồn cầu GPS ( Global Positioning System) khố tần số xác làm cho tất máy phát sử dụng tần số phát thời gian Nguyên lý hệ thống trình bày hình 3.2 Máy thu Tín hiệu từ vệ tinh vệ tinh số Bơ trộn nhiều đường Máy thu vệ tinh số A Bộ mã hoá V MPEG-2 A Bộ mã hoá V MPEG-2 Bộ điều chế số Bộ biến tần lên VHF UHF Hình 3.2.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 3.3 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, 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 đặn cách khoảng fU=1/TU, với TU khoảng symbol hữu dụng , điều kiện trực giao sóng mang hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao, hình 3.3 biểu diễn hình ảnh phổ tín hiệu 16 sóng mang trực giao dải thơng kênh truyền dẫn phổ tín hiệu RF máy phát số DVB-T có dải thơng 8MHz Các thành phổ máy phát số DVB-T(gồm hàng nghàn sóng mang con) chiếm hết dải thơng 8MHz Hình 3.3 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 phổ tín hiệu RF thực tế 3.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T Bản chất q 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 bit chuỗi bit đầu vào gán cho tần số sóng mang, sóng mang tải số lượng bit cố định Nhờ định vị (Mapper) điều chế M-QAM, 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 thơng 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 3.3 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 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 vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng tổ hợp bit cộng lại để khơi phục dịng liệu truyền 3.5 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 chòm 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 3.4 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 Biểu diễn chòm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 1000 1010 1001 1011 -6 0010 1101 1111 1100 1110 -6 0101 0110 -4 0111 -4 0001 4 0000 0011 0100 Hình 3.5 Biểu diễn chịm điều chế phân cấp 16-QAM với α = 3.6 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 phát-Transmission 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 3.6 biểu diễn phân bố sóng mang DVB-T theo thời gian tần số TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 Hình 3.6 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 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 không điều chế QAM, mà điều chế BPSK với mức công suất lớn 2,5 dB so với sóng mang khác Hình 3.7 biểu diễn phân bố sóng mang pilot rời rạc liên tục với múc cơng suất lớn sóng mang liệu 2,5 dB TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Hình 3.7 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 chịm 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 Hình 3.7 biểu diễn vị trí pilot sóng mang TPS điều chế BPSK Hình 3.8 Phân bố pilot DVB-T biểu đồ chòm TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 3.7 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 Hình 3.9 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(multi path) 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: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu 1/32Tu Khi chênh lệch thời gian tia sóng đến đầu thu khơng vượt q khoảng thời gian bảo vệ Tg, máy thu hồn tồn khắc phục tốt tượng phản xạ (xem hình 3.10) TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 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 Hình 3.10 Các tia sóng đến thời khoảng bảo vệ 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 dịng 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 3.1 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 Bảng 3.2: Tổng vận tốc dòng liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 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 hố riêng biệt, giao thoa ảnh hưởng đến vài sóng mang tối thiểu hố âm nhiễu Vì vậy, 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] DVB Fact Sheet: Digital Terrestrial Television, DVB Project < http://www.dvb.org/>, tháng năm 2011 [2] Nguyễn Minh Hùng, ĐATN: Ứng dụng công nghệ OFDM truyền hình số, khoa Điện Tử - Viễn Thơng, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, năm 2008 [3] Nguyễn Vĩnh Phát, ĐATN: Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất DVB-T, khoa Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, năm 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 ... 29 ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T .30 3.1 Lý DVB-T sử dụng OFDM 30 3.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB-T 32 3.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T ... vụ HDTV sử dụng antenna cố định đặt luồng LP ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 3.1 Lý DVB-T sử dụng OFDM Việc phát triển tiêu chuẩn DVB khởi đầu vào năm 1993 tiêu chuẩn DVB-T tiêu... ĐATN: Ứng dụng cơng nghệ OFDM truyền hình số, khoa Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, năm 2008 [3] Nguyễn Vĩnh Phát, ĐATN: Kỹ thuật OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất DVB-T,