Luận văn Phân tích một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn truyền hình số DVB-T2 so với DVB-T

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM VĂN HIỂN PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƢU VIỆT CỦA TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ DVB-T2 SO VỚI DVB-T NGÀNH : CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ THÁI TRỊ HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Phân tích một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Thái Trị. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. . Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Phạm Văn Hiển LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Ngô Thái Trị người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc. Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Phạm Văn Hiển MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T) ............................................................................................................... 3 1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744 .............................. 3 1.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn ............................................................................ 3 1.1.2 Nội dung chính của tiêu chuẩn ................................................................. 3 1.2 Thực hiện bằng cách sử dụng COFDM ........................................................ 9 1.3 Ghép đa tần trực giao OFDM ........................................................................ 9 1.3.1 Nguyên lý OFDM: ..................................................................................... 9 1.3.2 Số lượng sóng mang ................................................................................ 10 1.3.3. Đặc tính trực giao và việc sử dụng DFT/FFT ..................................... 12 1.3.4 Tổ chức kênh trong OFDM ..................................................................... 15 1.3.5. Phương thức mang dữ liệu trong COFDM ........................................... 19 1.4. Mã hóa kênh trong DVB-T.......................................................................... 20 1.4.1. Mã hóa phân tán năng lượng ................................................................ 21 1.4.2. Mã ngoại (outer coding) ......................................................................... 22 1.4.3. Ghép xen ngoại (outer interleaving) ...................................................... 22 1.4.4.Mã hoá nội (inner coding) ....................................................................... 24 1.4.5.Ghép xen nội ............................................................................................ 26 1.5 .Một số khả năng ƣu việt của DVB-T .......................................................... 31 1.5.1 Điều chế phân cấp .................................................................................. 32 1.5.2. Mạng đơn tần SFN ................................................................................. 37 1.6. Kết luận chƣơng I ......................................................................................... 40 CHƢƠNG II. TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 .......... 41 2.1. Những ƣu điểm cơ bản của tiêu chuẩn DVB-T2: ...................................... 41 2.2. Mô hình cấu trúc của hệ thống DVB-T2: ................................................... 42 2.3. Một số tính năng mở rộng của DVB-T2 ..................................................... 44 2.3.1. Các thông số mở rộng của DVB-T2: ...................................................... 44 2.3.2. Giải pháp kỹ thuật cơ bản trong DVB-T2 : ............................................ 44 2.4. Kết luận chƣơng II ....................................................................................... 59 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ CƠ BẢN TẠO NÊN TÍNH ƢU VIỆT CỦA DVB-T2 SO VỚI DVB-T ............................................................ 61 3.1. Kích thƣớc FFT ............................................................................................. 61 3.1.1 Các thông số mở rộng FFT ...................................................................... 61 3.1.2. Kết quả đo kiểm thực tế. .......................................................................... 63 3.2. Mở rộng băng thông ..................................................................................... 64 3.3. Pilot tán xạ ..................................................................................................... 66 3.4. Khoảng bảo vệ - GI. ...................................................................................... 67 3.4.1. Các chế độ điều chế và khoảng bảo vệ - GI. .......................................... 67 3.4.2. Kết quả đo kiểm thực tế. .......................................................................... 72 3.5. Chòm sao xoay. ............................................................................................. 74 3.5.1 Một số thông số chòm sao xoay. .............................................................. 74 3.5.2 Kết quả đo kiểm. ....................................................................................... 76 3.6 Kết luận chƣơng III ....................................................................................... 81 KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO. ..................................................................................... 83 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ATSC Advanced Television System Commitee Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của Mỹ) ACE Active Constellation Extension - mở rộng chòm sao tích cực (dùng trong DVB-T2) BPSK Bi ary Phase Shift Keying - Khoá dịch pha hai mức BCH bose-chaudhuri -hocquenghem CCIR Consultative Committee on International Telegraph and Telephon Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế CCITT Consultative Committee on International Radio Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế CENELEC Comté Européen de Normalisation ELECtrotechnique Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử Châu âu COFDM Coded Orthogonal Freq ency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao có mã CSIF Common Source Intermediate Format Định dạng trung gian cho nguồn chung (dùng trong chuẩn Mpeg) DCT Discrete Cosine Transform - Chuyển đổi cosin rời rạ DFT Discrete Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Modulation - Điều chế xung mã vi sai DQPSK Differential Quadratue Phase Shift Keying Khoá dịch pha vi sai bốn mức DTTB Digital Terrestrial Television Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số mặt đất VB Digital Video Broadcasting - Quảng bá truyền hình số DVB-C DVB – Cable - Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB – Satellite - Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB – Terrestrial - Truyền dẫn truyền hình số mặt đất ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu âu S dòng cơ bản (Elemen ary Stream) FEC Forward Error Correction - Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform - Chuyển đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying - Khoá dịch tần GOP Group Of Pictures - Nhóm ảnh (trong Mpeg) HDTV High Definition TeleVision - Truyền hình phân giải cao I In-phase - Đồng pha (dùng trong QAM) Q Quadrature phase - Vuông pha (dùng trong QAM) IDFT Inverse DFT -DFT ngược IEC International Electrotechnical Commission (part of the ISO) Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế FFT Inverse FFT - FFT gược ISDB-T Intergeted Services Digital Broadcasting – Terrestrial Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (Nhật) O International Standard Organization - Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế LP ow Priority bit stream - Dòng bít ưu tiên thấp PLP Physical Layer Pipes - ống lớp vật lý (dùng trong DVB-T2) LDPC Low Density Parity Check- kiểm tra cường độ ưu tiên thấp (dùng trong DVB-T2) MB Macro Block - Khối macro (dùng trong MPEG-2) ML Main Level (dùng trong MPEG-2) MP Main Profile (dùng trong MPEG-2) MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu chuẩn hình ảnh động MISO (Multiple Input, Si le Outp t) - đa anten p át, một anten thu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao OK On-Off-Keying - Kh á tắt mở PAL Phase Alternating Line Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét) Q M Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadratue Phase Shift Keying - Khoá dịch pha vuông góc RS Reed-Solomon SDTV Standard Definition TeleVision - Truyền hình phân giải tiêu chuẩn SFN Single Frequency Network - Mạng đơn tần số TS Transport Stream - Luồng truyền tải TR Tone Reservation - hạn chế âm sắc UHF Ultra-High Frequency VHF Very-High Frequency VLC Variable Length Coding - Mã có độ dài thay đổi VSB Vestigial sideband - Biên tần cụt DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Sơ đồ puncturing và dãy được truyền sau khi biến đổi nối tiếp song song. .......................................................................................................... 25 Bảng 1.2: Hoán vị các bit theo mode 2k .......................................................... 31 Bảng 2.1: Ví dụ so sánh DVB-T2 với DVB-T tại Anh ..................................... 42 Bảng 2.2: Ví dụ về cấu hình DVB-T2 được ghép bởi 3 ống lớp vật lý ........... 48 Bảng 3.1: Thông số kích thước FFT trong DVB-T2 / 8MHz ......................... 61 Bảng 3.2: Các thông số đo với FFT thay đổi 8K và 16K ................................. 64 Bảng 3.3: Tăng lưu lượng dữ liệu kênh truyền tương ứng với các chế độ sóng mang mở rộng ........................................................................................... 65 Bảng 3.4 : Các dạng pilot tán xạ [tham khảo theo TS 102 831] ........................ 67 Bảng 3.5: Độ dài khoảng bảo vệ trong DVB-T2 (kênh 8Mhz) ....................... 69 Bảng 3.6: Tốc độ bit cực đại và cấu hình trong kênh 8MHz,32k,1/128,PP7 71 Bảng 3.7 : Kết quả đo kiểm khi FFT: 32K thay đổi GI ................................... 73 Bảng 3.8 : Kết quả đo kiểm khi FFT: 16K thay đổi GI ................................... 73 Bảng 3.9: Giá trị của góc xoay ......................................................................... 76 Bảng 3.10: Các thông số đo khi chưa xoay chòm sao ..................................... 78 Bảng 3.11: Các thông số đo khi chưa xoay chòm sao ..................................... 80 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống phát hình số mặt đất. ..................... 5 Hình 1.2: Hiện tượng trễ gây xuyên nhiễu giữa các symbol ......................... 11 Hình 1.3: Chèn thêm khoảng bảo vệ .............................................................. 13 Hình 1.4: Chèn thêm các scattered pilot .......................................................... 15 Hình 1.5: Phân chia kênh ................................................................................. 16 Hình 1.6: Ví dụ về đáp ứng kênh thay đổi theo thời gian với hai đường trễ, mỗi cái có một độ dịch tần Doppler khác nhau, cùng với đường tín hiệu chính. Trục z miêu tả đáp ứng kênh. ................................................................ 16 Hình 1.7: Chèn các sóng mạng phụ ................................................................. 17 Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ ......................................................................... 17 Hình 1.9: Dạng tín hiệu minh họa khi có khoảng bảo về. .............................. 18 Hình 1.10: Các sóng mạng đồng bộ. ................................................................ 18 Hình 1.11: Thực hiện mapping dữ liệu lên các symbol .................................. 19 Hình 1.12: Chòm sao cơ sở của DVB-T ........................................................... 20 Hình 1.13: Sơ dồ miêu tả nguyên lý ngẫu nhiên, ............................................ 21 giải ngẫu nhiên chuỗi số liệu. ........................................................................... 21 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của bộ ghép và tách ngoại ................................. 23 Hình 1.15: Các bước trong quá trình ngẫu nhiên, mã ngoại, ghép ngoại (n = 2,3,..8) ................................................................................................................. 24 Hình 1.16: Sơ đồ thực hiện mã chập tốc độ 1/2 .............................................. 25 Hình 1.17 Sơ đồ thực hiện việc ghép nội và mapping theo mô hình không phân cấp và mapping theo mô hình phân cấp ................................................. 29 Hình 1.19: Chòm sao phân cấp DVB-T ........................................................... 33 Hình 1.20: Sơ đồ phủ sóng tượng trưng sử dụng điều chế phân cấp. .......... 35 Hình 1.21: Đồng bộ miền tần số ....................................................................... 38 Hình 1.22: Đồng bộ về mặt thời gian. .............................................................. 39 Hình 2.1: Mô hình cấu trúc DVB-T2 ............................................................... 43 Hình 2.2: Mô hình hệ thống của DVB-T2 ....................................................... 45 Hình 2.3: Vai trò T2-Gateway........................................................................... 46 Hình 2.4: Các Ống lớp vật lý ............................................................................ 48 Hình 2.5: Khung T2 với chế độ M-PLP ........................................................... 50 Hình 2.6: DVB-T2 với chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác nhau ............ 50 Hình 2.7: Mật độ phổ công suất đối với mode 2K và 32K ............................... 52 Hình 2.8: Mô hình MISO ................................................................................. 53 Hình 2.9: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T(trái) và DVB-T2(phải) .. 54 Hình 2.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM ............................................................ 54 Hình 2.11: Chòm sao 16-QAM xoay ................................................................ 55 Hình 2.12: Hiệu quả của chòm sao xoay so với không xoay .......................... 55 Hình 2.13: Tráo tế bào ...................................................................................... 57 Hình 2.14: Tráo thời gian ................................................................................. 59 Hình 3.1: Mối liên hệ giữa kích thước FFT và GI .......................................... 62 Hình 3.2: Phổ tín hiệu DVB-T2 lý thuyết với khoảng bảo vệ - GI=1/8 (kênh 8Mhz với chế độ sóng mang mở rộng 8K, 16K, 32K) ..................................... 65 Hình 3.3: Đồ thị chòm sao 256-QAM .............................................................. 68 Hình 3.4: GI biểu diễn theo miền thời gian .................................................... 70 Hình 3.5: Tốc độ bit cực đại với các chế độ Khoảng bảo vệ khác nhau ......... 72 Hình 3.6: Biểu đồ chòm sao của điều chế 16-QAM ........................................ 74 Hình 3.7: Biểu đồ chòm sao xoay của điều chế 16-QAM ............................... 75 Hình 3.8: Cơ sở của bộ điều chế mã hóa xen bit với trễ và ánh xạ xoay ....... 76 Hình 3.9: Chòm sao khi chưa xoay .................................................................. 77 Hình 3.10: Chòm sao khi đã xoay .................................................................... 79 1 MỞ ĐẦU Với sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật, các nghành công nghệ trong đó có công nghệ điện tử viễn thông đã có sự phát triển vượt bậc trong ba thập kỷ vừa qua đem lại nhiều thành tựu phát minh ứng dụng trong sản xuất, trong đời sống xã hội. Công nghệ truyền hình là một bộ phận quan trọng trong lĩnh vực điện tử viễn thông, nó có những ứng dụng rộng rãi to lớn trong phát triển văn hóa đời sống tinh thần xã hội. Trong hơn một thập kỷ qua chúng ta đã chứng kiến sự chuyển đổi mạnh mẽ của công nghệ truyền hình từ phương thức tương tự xang công nghệ số. Ở Việt Nam quá trình chuyển đổi này thực sự ngoạn mục với sự phổ cập từng bước trong lĩnh vực truyền hình quảng bá và truyền hình trả tiền. Từ đầu những năm 90 cho đến nay nghành truyền hình đã ứng dụng các thành tựu về công nghệ truyền hình số trong truyền dẫn vệ tinh, phát triển mạng truyền hình cáp và phổ cập hệ thống truyền hình số mặt đất. Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền hình, chuẩn truyền hình số DVB-T là chuẩn phát sóng truyền hình số mặt đất đã được triển khai thành công, được nhiều nước chấp nhận. Tuy nhiên, từ sau sự ra đời của chuẩn DVB-T thì các nghiên cứu về kỹ thuật truyền dẫn vẫn tiếp tục được triển khai . Mặt khác, nhu cầu về phổ tần cao càng khiến cho việc gia tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên mức tối đa càng cấp thiết. Từ đó đã phát triển lên chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 là DVB-T2. Chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2 với rất nhiều ưu điểm vượt trội so với DVB-T mà ở đó có rất nhiều thông số để mỗi nhà mạng có thể lựa chọn tùy vào mục tiêu của mình cũng như địa hình, địa điểm khác nhau. Đó là lý do em chọn đề tài: “Phân tích các nhân tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của tiêu chuẩn Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai (DVB-T2) so với DVB-T” Bố cục luận văn bao gồm ba chương, trong chương I: Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T, trong chương II: Trình bày một số nội dung chính của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T2. Chương III: Một số yếu tố cơ bản tạo nên tính ưu việt của DVB-T2 so với DVB-T 2 Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, được sự hướng dẫn khoa học tận tình của TS.Ngô Thái Trị, luận văn đã được hoàn thành.Do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, thêm vào đó luận văn của em là vấn đề tương đối mới nên không thể tránh khỏi những sai sót. Kính mong được sự đóng góp của các thầy, các cô cùng các bạn. 3 CHƢƠNG I TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU (DVB-T) 1.1 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ETSIEN 300744 Tiêu chuẩn phát thanh truyền hình số mặt đất ETSI EN 300744 được Uỷ ban kỹ thuật phát thanh truyền hình Châu Âu JTC nghiên cứu và đề xuất. Tiêu chuẩn này đã được Dự án truyền hình số Châu Âu (DVB project) thông qua ngày 11 tháng 6 năm 1999, công bố và ngày 30 tháng 9 năm 1999. Thành lập tháng 9 năm 1993, đến nay DVB đã có hơn 200 thành viên thuộc 30 nước trên thế giới, nhiệm vụ của nó là thiết lập môi trường dịch vụ truyền hình số sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-2. JTC được thành lập năm 1990, là một tổ chức kết hợp của Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu Âu (EBU), Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử Châu Âu (CENELEC) và Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI). 1.1.1 Phạm vi của tiêu chuẩn Tiêu chuẩn này mô tả hệ thống truyền dẫn cho