Luận văn thạc sĩ: Điều chế OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Luận văn thạc sĩ về điều chế OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T. Nghiên cứu chuyên sâu, mã ngành 60 52 02 03, công nghệ điện tử viễn thông.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Nam
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quốc Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Điều Chế OFDM Trong Truyền Hình Số Mặt Đất DVB-T
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• GIỚI THIỆU CHUNG
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM
• 1.1. Giới thiệu chương
• 1.2. Khái niệm , nguyên lý OFDM
• 1.3. Tính trực giao của tín hiệu OFDM
• 1.4. Trực giao của tín hiệu OFDM
• 1.5. ISI, ICI trong hệ thống OFDM
• 1.6. Kênh vô tuyến
• 1.7. Ảnh hưởng đa đường và Fading chậm, nhanh
• 1.8. Độ trễ trải, độ dịch Doppler
• 1.9. Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng
• 1.10. Ưu điểm và hạn chế của hệ thống OFDM
• 1.11. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2 : OFDM TRONG TRUYỀNHÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T
• 2.1. Tổng quan về DVB_T
• 2.2. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T
• 2.3. Lựa chọn điều chế cơ sở
• 2.4. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang
• 2.5. Chèn khoảng thời gian bảo vệ
• 2.6. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T
• 2.7. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT TỈNH QUẢNG TRỊ VÀ MÔ PHỎNG
• 3.1. Lộ trình và mục tiêu số hóa
• 3.2. Các giải pháp thực hiện
• 3.3. Mô phỏng đánh giá
• 3.4. Kết luận
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Luận Văn OFDM DVB T Truyền Hình Số Mặt Đất

Trong bối cảnh kỹ thuật thông tin vô tuyến phát triển vượt bậc, đặc biệt là sự bùng nổ của video, thoại và dữ liệu trên Internet, nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động ngày càng tăng cao. Điều này thúc đẩy nghiên cứu và phát triển các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây thế hệ mới. Các hệ thống này phụ thuộc lớn vào đặc tính kênh truyền, bao gồm fading lựa chọn tần số, băng thông giới hạn, điều kiện truyền thay đổi nhanh và tương tác tín hiệu. OFDM đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền hình kỹ thuật số (DVB). Truyền hình số mặt đất DVB-T, được chọn làm tiêu chuẩn tại Việt Nam, là một ứng dụng quan trọng của công nghệ OFDM. Công nghệ này sử dụng hàng ngàn sóng mang (1705 sóng mang ở chế độ 2K hoặc 6817 sóng mang ở chế độ 8K) cho các luồng dữ liệu QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM, với các tỷ lệ khoảng bảo vệ khác nhau tùy thuộc vào môi trường. OFDM mang lại khả năng chống hiệu ứng đa đường động tốt, tạo ra hai khả năng mới cho truyền hình: thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá và tạo mạng đơn tần (SFN) trên phạm vi rộng. Tỉnh Quảng Trị, thuộc nhóm III, triển khai số hóa từ 2015-2018, với mục tiêu phủ sóng truyền hình số mặt đất và chuyển hoàn toàn sang hạ tầng truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất trước ngày 31/12/2018. Đến năm 2015, 80% hộ gia đình có máy thu hình có thể xem được truyền hình số, trong đó truyền hình số mặt đất chiếm khoảng 55%. Đến năm 2018, mục tiêu là 100% hộ gia đình xem được truyền hình số, với truyền hình số mặt đất chiếm 45% và phủ sóng các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư. Giải pháp đề xuất là sử dụng máy phát hình số kết hợp với máy phát analog, tận dụng hệ thống cáp và anten hiện có, giảm chi phí đầu tư. Luận văn này gồm ba chương: Kỹ thuật OFDM, Ứng dụng OFDM trong DVB-T và Giải pháp số hóa truyền hình số mặt đất tỉnh Quảng Trị và mô phỏng.

1.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Truyền Hình Số DVB T

Công nghệ truyền hình số DVB-T mang lại nhiều ưu điểm so với truyền hình tương tự. Khả năng chống nhiễu đa đường mạnh mẽ của OFDM cho phép thu sóng di động, điều mà truyền hình tương tự không thể. Mạng đơn tần SFN cũng là một ưu điểm lớn, cho phép phủ sóng rộng hơn với hiệu quả sử dụng tần số cao hơn. Dẫn chứng: “Với khả năng chống hiệu ứng đa đường động rất tốt của OFDM đã tạo ngành truyền hình có hai khả năng mới mà truyền hình tương tự trước đây cũng như truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn không thể đạt được là: - Khả năng thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá. - Khả năng tạo nên một mạng đơn tần trong một phạm vi rộng.”. Việc chuyển đổi sang DVB-T cũng mở ra cơ hội cho các dịch vụ truyền hình đa dạng hơn và chất lượng cao hơn cho người dùng.

1.2. Mục Tiêu Số Hóa Truyền Hình Tại Quảng Trị Đến 2018

Tỉnh Quảng Trị, thuộc nhóm III trong lộ trình số hóa truyền hình, đặt mục tiêu hoàn thành chuyển đổi trước ngày 31/12/2018. Đến năm 2015, mục tiêu là 80% hộ gia đình xem được truyền hình số và đến năm 2018 là 100%. Việc phủ sóng truyền hình số mặt đất cho các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị cũng là một ưu tiên. Dẫn chứng: “Trước ngày 31/12/2018, kết thúc việc phát sóng tất cả các kênh chương trình truyền hình trên hạ tầng truyền dẫn phát sóng tuyền hình tương tự mặt đất để chuyển hoàn toàn sang phát sóng hạ tầng truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất tại Quảng Trị.”. Việc áp dụng các tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh và âm thanh thống nhất cũng góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ.

II. Phân Tích Kỹ Thuật Điều Chế OFDM Giải Pháp DVB T

OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, phân chia băng tần thành nhiều kênh băng hẹp với các sóng mang trực giao. Nguyên lý cơ bản là chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn, phát trên các sóng mang con khác nhau. Khoảng thời gian symbol tăng lên, giảm nhiễu do trải trễ đa đường. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế bằng khoảng bảo vệ. Dẫn chứng: “OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.”. Tính trực giao đảm bảo các tín hiệu được truyền hoàn hảo và tách ra mà không gây nhiễu. Sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT) giúp giảm độ phức tạp tính toán.

2.1. Khái Niệm ISI Và ICI Trong Hệ Thống OFDM

ISI (Inter Symbol Interference) xảy ra do hiệu ứng đa đường, gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước đó. OFDM giải quyết vấn đề này bằng cách có tốc độ symbol thấp hơn so với truyền dẫn đơn sóng mang. Khoảng thời bảo vệ được thêm vào mỗi symbol để chống lại ảnh hưởng của ISI. Dẫn chứng: “Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho Ns sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn Ns lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường.”. ICI (Inter Carrier Interference) xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM, gây mất tính trực giao giữa các sóng mang.

2.2. Kênh Vô Tuyến Ảnh Hưởng Đến Truyền Dẫn OFDM

Kênh vô tuyến ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dẫn thông tin, bao gồm suy hao đường truyền, fading lựa chọn tần số, độ trải Doppler và độ trải trễ đa đường. Các kiểu suy hao bao gồm suy hao trung bình, bóng mờ và fading nhanh. Ảnh hưởng đa đường gây ra fading nhanh. Sự di chuyển giữa trạm phát và thu gây ra độ dịch tần Doppler.. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng có ảnh hưởng khác nhau lên tín hiệu.

III. Ứng Dụng OFDM Trong Truyền Hình Số Mặt Đất DVB T

Tiêu chuẩn DVB-T được tiêu chuẩn hóa vào năm 1997, sử dụng sơ đồ truyền dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2. DVB-T cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt cho video, audio và dữ liệu. OFDM được sử dụng vì truyền hình số mặt đất không thể sử dụng điều chế đơn sóng mang do ảnh hưởng của multipath. DVB-T cho phép hai chế độ truyền: 2K (1705 sóng mang con) và 8K (6817 sóng mang con). Dẫn chứng: “Trong truyền hình số mặt đất không thể sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang được vì multipath sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chỉ tiêu kĩ thuật của truyền sóng mang đơn tốc độ cao vì lý do này OFDM đã được sử dụng cho tiêu chuẩn truyền hình mặt đất DVB_T.”. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu được sử dụng để tạo tín hiệu OFDM.

3.1. Các Tham Số Quan Trọng Của Chế Độ Truyền DVB T

DVB-T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang được sử dụng, mode 2K phù hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và các mạng SFN loại nhỏ với 1705 sóng mang con còn mode 8K được sử dụng cho cả hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như các mạng SFN lớn và nhỏ, sử dụng 6817 sóng mang con. Bảng sau so sánh các tham số giữa mode 2K và 8K. Mode 2K: Số lượng sóng mang con (1705), Độ rộng symbol có ích (224 s), Khoảng cách sóng mang (4464hz), Băng thông (7.61Mhz), Khoảng bảo vệ ( T/4, T/8, T/12), Phương thức điều chế (QPSK,16-64QAM) Mode 8K: Số lượng sóng mang con (6817), Độ rộng symbol có ích(896  s), Khoảng cách sóng mang (1116Hz), Băng thông (7.61Mhz), Khoảng bảo vệ (T/4, T/8), Phương thức điều chế (QPSK,16-64QAM)

3.2. Vị Trí Và Nhiệm Vụ Của Các Sóng Mang Trong DVB T

Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame), 4 khung liên tiếp tạo thành siêu khung. Mỗi symbol OFDM chứa sóng mang dữ liệu (video, audio), pilot liên tục, pilot rời rạc và sóng mang TPS (Transmission Parameter Signalling). Dẫn chứng: “Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa: - Các sóng mang dữ liệu (video, audio, .)được điều chế M-QAM. - Các pilot (sóng mang) liên tục: 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): có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. - Các sóng mang thông số phát TPS chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK”. Khoảng thời gian bảo vệ (Tg) được chèn trước mỗi symbol để tránh nhiễu.

IV. Giải Pháp Số Hóa Truyền Hình Quảng Trị Hiệu Quả và Tối Ưu

Giải pháp số hóa truyền hình tại Quảng Trị là sử dụng máy phát hình số cộng với máy phát analog, tận dụng hệ thống cáp và anten hiện có, giảm chi phí đầu tư. Hệ thống kỹ thuật số gọn nhẹ, tiết kiệm điện năng. Mô hình này sử dụng hai bộ điều chế số DVB-T có tín hiệu ra cao tần trên hai kênh liền kề băng tần UHF. Dẫn chứng: “Giải pháp sử dụng máy phát hình số cộng với máy phát analog đầu tư với mức kinh phí thấp nhất, đỡ phức tạp nhất, trước hết tận dụng hệ thống cáp và anten dải rộng hiện có. Hệ thống thiết bị công nghệ kỹ thuật số gọn không chiếm nhiều diện tích, tiêu tốn ít điện năng nhất.”. Tín hiệu phát số dải rộng 16MHz được cộng với tín hiệu analog thông qua bộ cộng kênh để sử dụng chung hệ thống cáp và anten UHF. Mô hình này có nhiều ưu điểm, bao gồm dễ dàng sửa méo tuyến tính và không tuyến tính, và có thể thay đổi chương trình dễ dàng.

4.1. Ưu Điểm Của Mô Hình Sử Dụng Bộ Điều Chế Số DVB T

Mô hình này sử dụng hai bộ điều chế số DVB-T có tín hiệu ra cao tần trên hai kênh liền kề. Ưu điểm bao gồm: * dễ dàng sửa méo tuyến tính và không tuyến tính, *có thể thay đổi chương trình dễ dàng. Dẫn chứng: “i) sửa méo tuyến tính và không tuyến tính của toàn hệ thống chuyển tiếp các chương trình truyền hình số rất dễ dàng, vì có sử dụng các bộ điều chế số (có phần mềm hiệu chỉnh để bù sửa méo). ii) tín hiệu đưa vào máy phát hình số là dòng truyền tải (Transport Stream) chứa các chương trình đã nén và ghép. Dòng truyền tải có thể là tín hiệu nối tiếp không đồng bộ ASI (Asynchronous Serial Interface), hoặc có thể là tín hiệu song song (gọi là tín hiệu LVDS, Low Voltage Difference Signal).”.

4.2. Các Giải Pháp Hỗ Trợ Quá Trình Số Hóa Truyền Hình

Quá trình số hóa truyền hình cần có các giải pháp đồng bộ bao gồm *Thông tin, tuyên truyền, *Thị trường và dịch vụ, *Tổ chức bộ máy và đào tạo nguồn nhân lực, *Công nghệ và tiêu chuẩn và *Tài chính.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kỹ thuật truyền hình tương tự truyền thống đang bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất sử dụng băng thông và khả năng chống nhiễu trong môi trường truyền sóng phức tạp. Theo Quyết định số 2451/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, lộ trình số hóa truyền hình mặt đất đặt mục tiêu đến năm 2015 đảm bảo 80% hộ gia đình trên cả nước xem được truyền hình số, trong đó truyền hình số mặt đất chiếm khoảng 55%, đồng thời phủ sóng truyền dẫn các kênh thiết yếu tới 60% dân cư. Đến năm 2018, mục tiêu này được nâng lên 100% hộ gia đình và diện phủ sóng đạt 80% dân cư trước khi tắt sóng tương tự hoàn toàn vào ngày 31 tháng 12 năm 2018.

Vấn đề cốt lõi mà nghiên cứu giải quyết là hiện tượng fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký hiệu (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI) do hiệu ứng đa đường (multipath) gây ra trong môi trường vô tuyến. Nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) ứng dụng trong tiêu chuẩn DVB-T trên dải thông 8 MHz tại địa bàn tỉnh Quảng Trị giai đoạn 2014 - 2018. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu năng kỹ thuật của OFDM và xây dựng giải pháp kỹ thuật kết hợp máy phát số với máy phát analog sẵn có.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao dung lượng kênh truyền từ 4,98 Mbit/s lên đến 31,67 Mbit/s, tiết kiệm khoảng 50% băng thông so với công nghệ phân chia tần số truyền thống FDM. Giải pháp tận dụng 100% hệ thống cáp và anten băng rộng hiện có, giảm thiểu tối đa chi phí đầu tư ban đầu cho các đài truyền hình địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM kết hợp với tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T do Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) ban hành năm 1997. Về bản chất toán học, OFDM phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền song song trên hàng nghìn sóng mang con trực giao. Điều kiện trực giao được đảm bảo khi khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo chu kỳ ký tự hữu ích, tức delta f = 1/TU. Việc biến đổi dữ liệu giữa miền tần số và miền thời gian được thực hiện thông qua cặp thuật toán IFFT và FFT.

Khung lý thuyết phân tích kênh vô tuyến bao gồm các mô hình suy hao đường truyền với số mũ suy hao dao động từ 1,8 đến 3,3 tùy thuộc môi trường đô thị hay nông thôn. Hiện tượng fading nhanh được khảo sát qua độ trải trễ đa đường từ dưới 0,1 micro giây trong nhà đến 3 micro giây tại khu vực thành thị. Độ dịch tần Doppler cực đại được xác định từ 4 Hz đối với vận tốc di chuyển 5 km/h đến 83 Hz khi vận tốc đạt 100 km/h trên tần số sóng mang 900 MHz. Các phương thức điều chế cơ sở được khảo sát bao gồm QPSK (2 bit/ký tự), 16-QAM (4 bit/ký tự) và 64-QAM (6 bit/ký tự), kết hợp điều chế phân cấp với tham số anpha bằng 4.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số kết hợp phân tích thực nghiệm trên hệ thống truyền dẫn thực tế. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập từ mô hình tính toán đáp ứng xung kênh truyền đa đường với cỡ mẫu 100.000 ký tự OFDM trên các dải tỷ số tín tạp (SNR) từ 0 dB đến 30 dB. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng cho các cấu hình phát ở chế độ 2K (1705 sóng mang) và chế độ 8K (6817 sóng mang).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng kết hợp giải tích toán học là nhằm đánh giá chính xác tỷ lệ lỗi bit (BER) trong các điều kiện nhiễu Rayleigh và fading phẳng mà không làm gián đoạn hệ thống phát sóng thực tế. Dữ liệu thứ cấp được tổng hợp từ các văn bản quy hoạch tần số quốc gia và thông số kỹ thuật thiết bị phát sóng UHF từ năm 2013 đến 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kỹ thuật chèn khoảng bảo vệ (Guard Interval) với các tỷ lệ 1/4, 1/8, 1/16 và 1/32 chu kỳ ký tự hữu ích đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu ISI và ICI khi độ trễ truyền sóng nhỏ hơn độ dài khoảng bảo vệ. Thời gian ký tự hữu ích đạt 224 micro giây ở chế độ 2K và 896 micro giây ở chế độ 8K, giúp máy thu khôi phục chính xác tín hiệu phản xạ.

Thứ hai, tốc độ truyền dẫn dữ liệu đạt dải biến thiên rộng từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trên kênh 8 MHz. Khi áp dụng điều chế 64-QAM với tỷ lệ mã sửa sai 7/8 và khoảng bảo vệ 1/32, hệ thống đạt tốc độ cực đại 31,67 Mbit/s, tăng hơn 535% dung lượng so với cấu hình QPSK tỷ lệ 1/2 với khoảng bảo vệ 1/4.

Thứ ba, việc bố trí hệ thống sóng mang pilot gồm 177 pilot liên tục và 524 pilot rời rạc ở chế độ 8K (so với 45 pilot liên tục và 131 pilot rời rạc ở chế độ 2K) được điều chế BPSK với mức công suất cao hơn 2,5 dB so với sóng mang dữ liệu, tạo điều kiện cho bộ thu ước lượng kênh và tự động hiệu chỉnh tần số (AFC) chính xác.

Thứ tư, giải pháp phát sóng số ghép hai kênh liền kề 29 và 30 trên băng tần UHF với độ rộng dải thông 16 MHz qua bộ cộng kênh Combiner cho phép truyền tải đồng thời luồng dữ liệu 8 chương trình tiêu chuẩn và chương trình địa phương với mức suy hao công suất dưới 1,5 dB.

Thảo luận kết quả

Khả năng kháng nhiễu vượt trội của hệ thống xuất phát từ việc chia nhỏ băng thông thành các kênh hẹp có đáp ứng tần số phẳng, biến đổi hiện tượng fading lựa chọn tần số thành fading phẳng trên từng sóng mang con. So với các hệ thống đơn sóng mang truyền thống vốn đòi hỏi bộ cân bằng kênh phức tạp, hệ thống OFDM sử dụng bộ chia ghép IFFT/FFT giúp giảm thiểu đáng kể số lượng phép tính và phần cứng xử lý.

Các dữ liệu thực nghiệm về tỷ lệ lỗi bit có thể được trực quan hóa qua biểu đồ quan hệ BER theo SNR và biểu đồ chòm sao tín hiệu. Kết quả cho thấy khi SNR đạt từ 16 dB đến 20 dB trong điều chế 16-QAM, tỷ lệ BER giảm mạnh xuống dưới ngưỡng 10 mũ trừ 4, đảm bảo luồng truyền tải MPEG-2 và MPEG-4 không bị vỡ hình. Điều này chứng minh tính khả thi của việc triển khai mạng đơn tần (SFN) trên phạm vi toàn tỉnh Quảng Trị mà không lo hiện tượng giao thoa đồng kênh.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp hạ tầng phát sóng bằng cách tích hợp máy phát hình số DVB-T với máy phát hình analog hiện có thông qua bộ cộng kênh 16 MHz cho kênh 29 và kênh 30. Giải pháp này cần hoàn thành trước quý 4 năm 2015 do Đài Phát thanh - Truyền hình tỉnh chủ trì nhằm tiết kiệm hơn 40% kinh phí so với việc đầu tư cột tháp và anten mới.

Thứ hai, triển khai đồng bộ mạng đơn tần SFN sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS để khóa tần số và thời gian phát sóng chính xác tại 100% các trạm phát chính và trạm phát lại. Mục tiêu đến năm 2017 đạt độ phủ sóng 80% dân cư vùng đồng bằng và 60% vùng miền núi do Sở Thông tin và Truyền thông phối hợp với các doanh nghiệp truyền dẫn phát sóng thực hiện.

Thứ ba, chuẩn hóa thiết bị thu phát theo lộ trình áp dụng chuẩn nén MPEG-4 AVC thay cho MPEG-2. Đến ngày 31 tháng 12 năm 2015, yêu cầu 100% thiết bị phát hình số chuyển sang hỗ trợ luồng truyền tải ASI/LVDS đa chương trình, đồng thời kiểm soát nhập khẩu máy thu hình tích hợp bộ giải mã DVB-T2/MPEG-4 từ năm 2016.

Thứ tư, đào tạo và chuyển giao công nghệ cho đội ngũ kỹ thuật viên địa phương. Tổ chức tối thiểu 4 đợt tập huấn chuyên sâu về cấu hình tham số TPS, xử lý tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) và đo kiểm chất lượng phát sóng vô tuyến trong giai đoạn 2015 - 2018.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư điện tử viễn thông và truyền dẫn phát sóng: Luận văn cung cấp chi tiết sơ đồ khối bộ điều chế DVB-T, thuật toán IFFT/FFT và giải pháp phối ghép phần cứng cao tần để ứng dụng trực tiếp vào quá trình vận hành, bảo dưỡng trạm phát.

Nhóm cán bộ quản lý và hoạch định chính sách số hóa: Tài liệu là căn cứ thực tiễn về lộ trình chuyển đổi hạ tầng truyền hình, quy hoạch băng tần UHF 16 MHz và phương án tối ưu hóa ngân sách công cho các đề án cấp tỉnh.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Viễn thông: Đề tài đóng vai trò như tài liệu học thuật chuyên sâu về xử lý tín hiệu số, mô hình hóa kênh truyền đa đường, phân tích độ trải trễ và kỹ thuật điều chế nâng cao.

Nhóm doanh nghiệp sản xuất và phân phối thiết bị truyền hình: Doanh nghiệp có thể khai thác các thông số về chòm sao tín hiệu, tỷ lệ mã sửa sai Reed-Solomon (204, 188) và định dạng luồng dữ liệu để phát triển thiết bị giải mã Set-top Box đạt chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật OFDM khắc phục hiện tượng truyền sóng đa đường như thế nào? OFDM chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành hàng nghìn sóng mang con tốc độ thấp, làm tăng thời gian ký tự hữu ích lên 224 micro giây hoặc 896 micro giây. Việc chèn thêm khoảng bảo vệ dài hơn độ trải trễ của môi trường giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các ký tự liên tiếp.

Tại sao chuẩn DVB-T lại sử dụng hai chế độ phát sóng 2K và 8K? Chế độ 2K với 1705 sóng mang phù hợp cho máy phát đơn lẻ hoặc mạng đơn tần quy mô nhỏ có khoảng cách trạm ngắn. Chế độ 8K với 6817 sóng mang cho phép khoảng bảo vệ lớn hơn, thích hợp cho mạng đơn tần diện rộng nhằm phủ sóng đồng thời các vùng địa hình phức tạp.

Giải pháp kết hợp máy phát số và analog tại Quảng Trị mang lại lợi ích gì? Giải pháp này tận dụng toàn bộ cột anten và cáp truyền sóng UHF sẵn có trên dải thông 16 MHz của kênh 29 và 30. Cách tiếp cận này giúp giảm khoảng 40% chi phí đầu tư ban đầu, rút ngắn thời gian lắp đặt và không làm gián đoạn chương trình phát sóng tương tự.

Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật OFDM là gì và xử lý ra sao? Hạn chế chính là tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao, dễ gây méo phi tuyến khi qua bộ khuếch đại công suất cao tần. Kỹ thuật viên cần sử dụng phần mềm bù sửa méo số tích hợp trong bộ điều chế và điều chỉnh độ lùi công suất đầu ra (OBO) hợp lý.

Các sóng mang pilot trong khung DVB-T đóng vai trò gì? Các pilot liên tục và phân tán được điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với sóng mang dữ liệu. Chúng đóng vai trò làm tín hiệu tham chiếu cố định giúp đầu thu tự động cân bằng kênh, hiệu chỉnh độ trượt pha và bù sai lệch tần số Doppler.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán lý thuyết và ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao trong truyền hình số:

• Hệ thống hóa cơ sở toán học của kỹ thuật OFDM, chứng minh khả năng tiết kiệm 50% băng thông và khả năng loại bỏ hoàn toàn nhiễu ISI, ICI trong môi trường đa đường.
• Xác định rõ ràng các tham số kỹ thuật then chốt của chuẩn DVB-T ở chế độ 2K (1705 sóng mang) và chế độ 8K (6817 sóng mang) với dải tốc độ dữ liệu từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s.
• Đề xuất mô hình kỹ thuật ghép máy phát số DVB-T và máy phát analog trên hai kênh liền kề 29 và 30 dải rộng 16 MHz, tối ưu hóa hạ tầng sẵn có tại tỉnh Quảng Trị.
• Xây dựng lộ trình chuyển đổi kỹ thuật số bám sát Quyết định 2451/QĐ-TTg, bảo đảm mục tiêu phủ sóng truyền hình số đến 100% hộ gia đình trước năm 2018.
• Cung cấp cơ sở dữ liệu mô phỏng BER tin cậy, làm tiền đề cho việc nghiên cứu và nâng cấp lên các chuẩn truyền hình số thế hệ tiếp theo như DVB-T2.

Các đài truyền hình địa phương và đơn vị viễn thông cần nhanh chóng áp dụng các giải pháp kỹ thuật và mô hình ghép kênh được đề xuất trong công trình này để hoàn thiện hạ tầng số hóa phát sóng đúng tiến độ quy định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1. Giới thiệu chung. Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960.

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.

Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao. Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau.

Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả. Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường.

Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 15 những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi. Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể.

Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống không dây như IEEE802. Khái niệm,nguyên lý OFDM. OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.1: Phổ sóng mang 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. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý.

Bởi vì khoảng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 16 thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.10 Tần số (a) Khoảng thông tiết kiệm Tần số (b) Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông .Tuy nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.

Tính trực giao của tín hiệu OFDM. Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 17 Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: f n (t ) , n=0,1,.

Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi: t2  0 , nm  f (t ).1) t1 , nm Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là: f n (t )  exp( j 2f n t ) (1.3) f0là tần số offset ban đầu Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (1.4) j 2 (n  m) / T = 0 với n≠m Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức (1. Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m.

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2− t1là bội số của T. OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. TX Power Frequency (carrier spacing) (a) TX Power Frequency (carrier spacing) (b) Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier (a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 19 Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.

Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tại các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(  fT). Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu.

Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các subcarrier. Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích thước khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub- channel. May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation).