Cấu trúc tín hiệu DVB-T
và khả năng ứng dụng trong kỹ thuật định vị nguyễn Quang Tuấn
NCS chuyên ngnh Thông tin - Điều khiển giao thông
Đại học Giao thông Tây Nam Trung quốc
Tóm tắt: Mục đích của bi báo l đề xuất một phơng pháp định vị mới bổ sung cho hệ
thống định vị GPS truyền thống. Phơng pháp ny có thể áp dụng với các thiết bị truyền phát
không dây nh điện thoại di động, máy tính xách tay, các thiết bị giám sát, tìm kiếm, cứu hộ
hoạt động trong môi trờng di động hoặc cố định nhng không đủ điều kiện thu tín hiệu từ vệ
tính GPS, đặc biệt l môi trờng trong nh hoặc bị che khuất ở các đô thị, thnh phố lớn
Trong khi đó tại những môi trờng ny lại có thể thu đợc tín hiệu của các hệ thống truyền hình
với cờng độ mạnh v số lợng kênh dịch vụ phong phú. Bi báo đi sâu vo giới thiệu nguyên
lý cơ bản của hệ thống GPS v phân tích nguyên lý cấu trúc tín hiệu truyền hình số DVB-T từ
đó đa ra khả năng ứng dụng của tín hiệu DVB-T trong tính toán định vị m vẫn đảm bảo các
tham số nh độ chính xác v tính linh hoạt. Trên cơ sở đó kết hợp với hệ thống GPS thnh một
hệ thống hon chỉnh hơn, hoạt động đợc trong mọi điều kiện môi trờng.
Summary: The aim of the article is to propose a new positioning (radiolocating) method
besides the GPS traditrional positioning system. The method can be applied to wireless
brocasting devices such as cellphones, laptops, seaching, life-guarding ones working in
mobile or fix environments in which they can not pick up signal from GPS satellite especialy
indoor environment or shadowed ones in urban areas, big cities, whereares, in those
environment picking up the signal of televising system with high intensity and various sevice
channel. The article goes in to details to introduce basic principle of GPS system and analyse
the principle of DVB-T digital televising signal structure, from which it raises the applicapility of
DVB-T signal in positioning amputation and remains guarantecing parameters like accuracy
and flexibility. On that basic, in cooperation with GPS system, it makes a more integrated
system which can work in all the environments.
CT 2

phơng pháp vết 8 mức 8 VSB; châu Âu với DVB T tín hiệu đợc điều chế theo phơng
pháp chia tần trực giao OFDM; Nhật bản cũng có hệ thống riêng ISDB T. Tuy nguyên lý điều
chế tín hiệu truyền hình số của các hệ có khác nhau và có các u thế nhất định nhng đều có
đặc trng chung là chúng đều đợc cài các mã đồng bộ trong quá trình điều chế nhằm mục đích
đồng bộ phát thu, loại trừ hiệu ứng đa đờng, chống giao thoa đồng kênh Vậy còn có thể sử
dụng tín hiệu mã xung đồng bộ của DTV vào mục đích định vị hay không? Về lý thuyết có thể
trả lời ngay là đợc. Đây cũng chính là mục đích của bài báo và để đơn giản hoá vấn đề chúng
ta cần đề cập tới mã đồng bộ của DTB-T.
CT 2
II. Nguyên lý v phơng trình cơ bản của hệ định vị ton cầu GPS
Ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20, tại phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng của trờng đại
học John Hopkins đã phát hiện ra khả năng sử dụng vệ tinh để định vị các vật đang chuyển
động (và đạo hàng). Vào năm 1964 hệ thống vệ tinh nhân tạo có quỹ đạo theo kinh tuyến trái
đất đã thực hiện thành công việc tạo ra hệ thống định vị và đạo hàng cho tàu bè trên biển (gọi là
hệ thống Transit) và từ đó mở ra các dịch vụ định vị dân dụng, nhng hệ thống này vẫn còn
nhiều thiếu sót. Tiếp bớc hệ thống này có nhiều hệ thống tơng tự khác của châu Âu và đặc
biệt là nớc Nga xô viết với hệ thống Tsiscada cũng hoạt động theo nguyên tắc tơng tự. Vào
tháng 12 năm 1973 một hệ thống định vị vệ tinh mới đợc thực hiện, đó là hệ thống định vị toàn
cầu vệ tinh đạo hàng theo cự ly và thời gian (Navigation Satellite with Timing and Ranging
Global Positing System) gọi tắt là NAVSTAR/GPS, hiện nay vẫn gọi là GPS. Trải qua hơn 20
năm nỗ lực nghiên cứu phát triển với chi phí khoảng 20 tỷ USD, tới năm 1994 hệ thống này đã
chính thức đợc đa vào sử dụng. Với khả năng cung cấp các thông tin định vị bất cứ lúc nào ở
bất kỳ đâu trên trái đất với độ chính xác cao, chống can nhiễu tốt trên cơ sở toạ độ ba chiều với
thời gian thực và các thông tin thời gian khác Song song với GPS cũng có các hệ thống định
vị tơng tự nh hệ thống Galileo ở châu Âu, GLONASS ở Nga (Global Navigation Satellite
System) với nguyên lý tơng tự, chỉ khác nhau bởi các thông số hệ thống nh vị trí, số lợng
chùm vệ tinh Trong phạm vi bài báo chúng ta chỉ đề cập tới kết cấu và hoạt động của một hệ
thống đại diện đó là hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống GPS
Chùm vệ tinh GPS gồm 21 chiếc công tác và 3 cái dự bị tạo thành 24 vệ tinh phân bố đều
trong một không gian nghiêng (tính góc nghiêng so với xích đạo) 55
0
và chia làm 6 mặt phẳng
quỹ đạo, do đó xích kinh của các mặt phẳng quỹ đạo cách nhau 60
0
, mỗi mặt phẳng quỹ đạo sẽ
phân bố 4 vệ tinh. Các quỹ đạo có thể coi là hình tròn, góc lệch tâm coi bằng 0, bán kính lớn
của quỹ đạo khoảng 26609 km, độ cao bình quân với mặt địa cầu khoảng 20200 km. Hình 4 mô
tả các vệ tinh và quỹ đạo bố trí quanh địa cầu. Cách bố trí nh vậy có thể đạt độ quan sát cực
đại ở mọi vị trí trên địa cầu, tại mọi thời điểm trong ngày (có góc lấp khoảng 5
0
) đều có thể quan
sát đợc 4-9 vệ tinh.
Xử lý dữ liệu
Máy thu
Điều chế,
giải điều
chế
Đ
ồng hồ
chuẩn
Thiết bị cảm ứng
khí tợng
Quan trắc lịch hằng
tinh và thời gian
Hình 2. Phân bố các chòm vệ tinh GPS
2. Tín hiệu GPS
Thành phần tín hiệu GPS bao gồm tải tần, mã đo khoảng cách và điện văn đạo hàng (mã
dữ liệu). Vệ tinh dùng băng 2 với 2 tần số:
a. Tải tần L1: f
L1
= f
0
* 154 = 1575.42 MHz; bớc sóng (= 19.03 cm);
b. Tải tần L2: f
L2
= f
0
* 120 = 1227.6 MHz; bớc sóng (= 24.42 cm);
Hai tần số phát xuống từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly sẽ phát sinh trễ thời gian. Đây là
vấn đề cần giải quyết trong hệ thống GPS.
CT 2
Mã đo xa của vệ tinh cũng bao gồm 2 mã, đó là mã P và mã C/A, điện văn đạo hàng thì
đợc điều chế theo phơng pháp PSK ở tải tần. Sử dụng tín hiệu GPS công suất yếu mà có thể
thu đợc độ tin cậy cao, đồng thời máy thu có thể nhận biết và bám sát đợc 24 vệ tinh. Mã C/A
và mã P là 2 loại mã giả ngẫu nhiên đợc tạo ra tại vệ tinh, có khả năng chống nhiễu và bảo
mật cao.

Tần số cơ bản
f
0
(10.23MHz)
L1
1575.42 MHz
L2
1227.6 MHz
Mã C/A
1.023 MHz
Mã P
10.23 MHz
Mã P
10.23 MHz
50bps
Mã dữ liệu (điện văn đạo hàng hoặc mã P)
Hình 3. Quá trình hợp thnh tín hiệu GPS
Từ vệ tinh phát xuống mặt đất tín hiệu GPS hoàn chỉnh bao gồm L1C/A, L1P, L2P gồm 3
tín hiệu, dĩ nhiên điện văn đạo hàng cũng đồng thời đợc phát theo, vậy vệ tinh là thiết bị chủ
động và các máy thu là bị động, do đó hệ GPS có thể ứng dụng với lợng máy thu coi nh
không hạn chế.
3. Phơng trình định vị: Máy thu thu đợc tín hiệu vệ tinh thông qua xử lý, có thể xác định
đợc lịch hằng tinh, từ đó biết chính xác vị trí không gian của vệ tinh phát (x
i
, y
i
, z
i
), bản thân
trong máy thu cũng trang bị đồng hồ dùng dao động thạch anh (gọi tắt là đồng hồ thu), thời gian

sai số T là việc cần thiết, nếu một máy thu tại bất kỳ thời điểm nào cũng thu đợc tín hiệu từ 4
vệ tinh thì có thể giải quyết đợc vấn đề này vì chúng ta thấy rõ trong hệ phơng trình xác định
toạ độ máy thu có 4 ẩn số, lúc này hệ phơng trình sẽ có dạng:
()()()
t.CzzyyxxR
2
1
2
1
2
11
+++=

()()()
t.CzzyyxxR
2
2
2
2
2
22
+++=
()()()
t.CzzyyxxR
2
3
2
3
2
33








t
z
,
t
y
,
t
x
.
IV. Cấu trúc tín hiệu DVB-T
Hình 4. Cấu trúc tín hiệu DVB-T
Trên cơ sở nguyên tắc có thể nói, tín hiệu phát DVB-T dựa trên tín hiệu gốc là tín hiệu đã
đợc xử lý theo chuẩn MPEG-2, thông qua các khâu xử lí bổ sung nh: dồn kênh chuyển tải
thích nghi, mã hóa đầu
ra, chèn mã xoắn,mã
hóa lân cận, điều chế
và ánh xạ, phát sóng
dồn kênh chia tần trực
giao (Orthogonal
Frequency Division
Multiplexing) OFDM, độ
rộng băng tần thay đổi
trong khoảng 6, 7 hoặc

u
và giãn cách bảo vệ với thời gian

. Giãn cách bảo vệ bao gồm một
chu kì liên tục của phần sử dụng và đợc gài trớc đó.
Các biểu tợng trong một trang OFDM đợc đánh số từ 0 tới 67.Toàn bộ biểu tợng gồm
có dữ liệu và thông tin tham chiếu. Khi tín hiệu OFDM bao gồm nhiều sóng mang - điều chế
tách biệt, mỗi biểu tợng sẽ cần tính tới việc bị nhân trong ô, tơng ứng với việc mang điều chế
trên một sóng mang trong một biểu tợng.
Việc cộng dữ liệu phát một trang OFDM bao gồm:
- Các ô chủ sóng phân tán;
- Các sóng mang chủ liên tục;
- Các sóng mang TPS.
Các sóng chủ có thể sử dụng cho việc đồng bộ trang, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian,
đánh giá kênh, nhận dạng chế độ phát và cũng có thể dùng theo dõi nhiễu pha.
Các sóng mang đợc danh mục hoá bởi k [K
min
; K
max
] và tách ra với K
min
= 0; K
max
= 1704
trong chế độ 2K, K
max
= 6816 trong chế độ 8K. Không gian giữa các sóng mang kế cận là 1/T
u
,
trong khi không gian giữa các sóng mang K

max
K
min
Kk
k,l,mk,l,m
t
c
f2j
)t(ceRe)t(s (3)
trong đó:

m,l,k
(t) =
()
ss
s
T.m.68
s
T.lt
Tu
'k
2j
T).lm.68l(tT).m.68l(
0
e
+++





trang m.
Để thực hiện tính toán định vị các thiết bị thu sẽ thu tín hiệu phát và tiến hành giải điều chế,
nhận dạng các đỉnh xung đồng bộ liên quan,khai triển thời gian các vấn đề cụ thể này sẽ đợc
trình bày trong các bài viết khác. Trong phạm vi bài viết này chúng ta chỉ tập trung giới thiệu về
mặt nguyên lý chung xây dựng hệ thống.
V. Nguyên lý định vị của hệ thống định vị sử dụng tín hiệu đồng bộ DVB-T
Dựa trên các xung đồng bộ gói của gói tín hiệu cơ sở, về lý thuyết thì máy thu có thể xác
định thời điểm các đỉnh xung đồng bộ tới thông qua khai triển thời gian. Đồng thời theo hệ
phơng trình cơ bản của phép định vị toàn cầu, chỉ cần máy thu thu đợc tín hiệu của ít nhất 3
đài phát là có thể xác định đợc toạ độ bản thân, các tín hiệu của đài phát truyền hình có u
điểm là cờng độ mạnh, không chịu ảnh hởng của hiệu ứng Doppler, không bị trễ do xuyên
qua tầng điện ly và băng thông hẹp (đối với hệ thống DVB-T thông thờng nằm trong khoảng
6,7 hoặc 8 MHz).Do đó trong các điều kiện bị che khuất nh trong nhà hoặc giữa các khu nhà
cao tầng thì vẫn có thể nhận đợc tín hiệu từ các đài phát truyền hình với mức độ chấp nhận
đợc. Tuy nhiên do bản thân đồng hồ của đài phát lẫn đồng hồ của thiết bị thu cũng không thật
chính xác do đó cần bổ sung cho hệ thống một trạm hiệu chỉnh có thiết bị chuẩn thời gian chính
xác, sai số của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của đồng hồ trạm hiệu chỉnh
(yêu cầu trạm hiệu chỉnh trang bị đồng hồ đồng bộ Cesium với sai số 10
-13
). Trạm hiệu chỉnh có
nhiệm vụ thu các tín hiệu từ đài phát truyền hình, đa ra giá trị hiệu chuẩn thời gian, sau đó phát
tới các máy thu, căn cứ vào thông tin hiệu chỉnh, các máy thu có thể trực tiếp tính toán vị trí toạ
độ của mình, hoặc gửi tín hiệu tới trạm hiệu chỉnh, tại đây sẽ tiến hành tính toán xác định vị trí
của máy thu. Phơng pháp này còn có u điểm là vị trí các đài phát truyền hình là cố định, có
thể lu trong bộ nhớ của các máy thu, đơn giản hoá quá trình tính toán cho các thiết bi tính. Về
lý thuyết lúc này hệ phơng trình xác định toạ độ có dạng:
CT 2
1
2
1

2
, R
3
- khoảng cách từ máy thu (MT) tới đài phát có sai số do không đồng bộ đồng hồ,
đợc xác định bằng khoảng thời gian xung truyền từ đài phát tới MT và phép đo giả cự
ly;
x, y, z - toạ độ MT;
k, v, c là kinh độ, vĩ độ, cao độ của các đài phát (đã đợc biết trớc);
(t
i
với i = 1, 2, 3 - sai số đồng bộ đồng hồ của MT với các đài phát, đợc xác định thông qua
tín hiệu chuẩn từ trạm hiệu chỉnh. Lúc này có thể dùng các phơng pháp giải phơng
trình nh các máy định vị thông thờng để tiến hành tính toán vị trí của MT.
Mô hình hệ thống đợc biểu diễn nh hình 5. Đ
ài phát TH s
ố

Đài phát TH số
Đài phát TH số
Máy thu
Trạm hiệu chuẩn CT 2


Tài liệu tham khảo
[1] "ATSC Digital Television Standard With Ammendment no.1" ATSC. ATSC Document A/53, Sep.1995.
[2] "Digital Video Broadcasting(DVB), Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital
Terrestrial Television" European Broadcasting Union, ETSI EN 300 744 v1.3.1, Jan.2001.
CT 2
[3] J. G. Proakis, "Digital Communications", 3rd ed, McGraw-Hill,1995.
[4] A. J. Van Dierendonk, "GPS Receivers" Global Positioning System: Theory and Applications,1995
[5] T. G. Manickam,R. J. Vaccaro and D. W. Tufts,"A least-squares algorithm for multipath time-delay
estimation", IEEE Trans. Signal Processing, vol 42, Nov.1994.
[6] L. Q. Yu "GPS weixing daohang dingwei yuanli yu fangfa" kexue chu ban she.2003.
[7] G.Yan "Jiaotong kongzhi gongcheng gaiyao" xinan jiaotong daxue. 2003.
[8] Dr. Frank van Diggelen. Global Inc "Indoor GPS theory & Implementation" IEEE Position, Location
&Navigation Symposium, 2002
[9] Matthew Rabinovitz, Jame. J. Spilker "A New Positioning System Using TV Synchronization Signals"
IEEE Transactions on broadcasting, Vol.51, No.1, March 2005.
[10] Ollie Luba, Larry Boyd and Art Gower, Lockheed-Martin Corporation "GPSIII System Operation
Cocepts" IEEE 2004.
[11] Kris Maine, Paul Anderson and Frank Bayuk, Tha Aerospace Corporation "Communication
Architecture for GPSIII" Aerospace Conference Proceeding, IEEE 2004.
[12] Michael Wright, Dion Stallings and Dr. Derrek Dunn, Electronic and Computer Technology, North
Carolina Agricultural and Technical State University "The Effectiveness of Global Positioning System
Electronic Navigation" Proceeding IEEE Southeast Con 2003Ă