ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ
TRẦN TRỌNG D ư ợ c
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT COFDM TRONG
TRƯYỂN HÌNH số MẶT ĐÂT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô Tuyến Điện Tử và
Thông Tin Liên Lạc
M ã số: 2.07.00
LUẶN VĂN THẠC SY
NGƯỜI HƯỚNG DẨN KHOA HỌC
TS. NGÔ DIÊN TẬP
ĐAI hC C CxUOC GIA HÀ NÔ»
TRUNG TAM TiỉGNG
TtN.THL? VIE*Ỉ
N o V -l ũ /
'w > Ị
Hà Nội - Năm 2003
MỚ ĐẨU
CHƯƠNG 1 TỔN G QUAN VỂ TRUYỂN h ì n h s ố
1.1 Giới thiệu chung
1.2 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số
1.3 Ưu điểm của truyền hình số

] .4 Ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hiện nay trên thế giới

1.4.1 Chuẩn ATSC
a. Đặc điểm chung
b. Phương pháp điều chế VSB của tiêu chuẩn ATSC

1.4.2 Chuẩn DVB
a. Đặc điểm chung

a. Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng
kháng nhiễu tốt trên kênh Phadinh chọn lọc tần số 30
b. Tính phân tập tần số cao 30
c. Hiệu suất sử dụng phổ cao 31
d. Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống 32
2.4.2 Nhược điểm 32
a.Tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao
32
b. Quá trình đồng bộ 32
CHƯƠNG 3 TRUYỂN HÌNH s ố MẶT ĐẤT
THEO TIÊU CHUẨN DVB-T 34
3.1. Mở đầu 34
3.2 Các khối chức năng chính 37
3.2.1 Khối ghép kênh tạo dòng truyền tải 37
3.2.2 Khối ngẫu nhiên hoá trải năng lượng 38
3.2.3 Mã sửa sai ngoại và trộn ngoại 39
3.2.4 Mã sửa sai nội 40
3.2.5 Trộn nội (inner interleaving) 41
a. Trộn bit (Bit-wiselnterleaving) 41
b. Trộn ký hiệu dữ liệu (Symbol interleaver) 44
3.2.6 Các chòm tín hiệu và ánh xạ 44
3.3 Lưạ chọn các thông số và các chế độ hoạt động

44
3.3.1 Các chế độ hoạt động 45
3.3.2 Lựa chọn các sơ đồ điều chế và mã sửa sai nội 46
3.3.3 Lựa chọn số sóng mang
49
3.3.4 Lựa chọn chế độ điểu chế phân cấp và không phân cấp


68
4.3.2 Chu trình tự động tìm ra nhóm thông số phát

69
4.4 Máy thu hình số mặt đất 70
4.4.1 Giới thiệu 70
4.4.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động 72
a. Sơ đồ khối 72
b. Nguyên lý hoạt động 73
a. Mô tả phần mềm của đầu thu số 74
4.5 Phân tích hoạt động của hộp kênh trong đầu thu hình số

75
4.5.1 Sơ đổ cấu trúc hộp kênh của THOMSON

76
4.5.2 IC giải mã kênh và giải điều chế L64781

77
CHƯƠNG 5 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN DVB-T

79
5.1 Xu hướng phát triển DVB-T trên thế giới 79
5.2 Xu hướng phát triển DVB-T ở Việt Nam 80
5.3 Một số kết quả đo đạc tín hiệu thực tế 88
5.3.1 Giản đổ chòm sao đo từ máy phát số với các thông số khác nhau 88
5.3.2 Phổ tín hiệu số hai kênh liền kề đo tại Hải Phòng 89
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MUC TIT VIET TAT

Discrete Fourier Transform
DQPSK
Difference QPSK
DVB
Digital Video Broadcasting
DVB-C
DVB- Cable
DVB-S
DVB-Satellite
DVB-T
DVB-Terrestrial
EBU European Broadcasting Union
ETSI
European Telecommunication Standards Institude
FDM
Frequency Division Multiplex
FDMA
Frequency Division Multiplex Access
FFT
Fast Fourier Transform
GI
Guard Interval
GPS
Global Possitionning System
HDTV
High Definition Television
HP
High Priority bit stream
HPA
High Power Amplifier

MTS MPEG- Tranport Stream
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplex
OS
Operating System
OSI
Open System Interconnection
PAL
Phase Alternating Line
PAR
Peak to Average Power Ratio
PLL
Phase Lock Loop
PRBS
Pseudo-Random Binary Sequence
PSI
Program Specific Information
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QPSK
Quaternary Phase Shift Keying
RCU
Remote Control Unit
R-S
Reed-Solomon
RTK
Real Time Kernel
S/N
Signal to Noise Ratio
SCL

- Truyền hình cáp.
Hình vẽ 1.1 chỉ ra sơ đồ của hệ thống truyền hình hiện đại.
Camera
ỉ
c c u
V
Audio
Sản xuất CT
Ghi lưu
Dựng hình
Tạo kỹ xào
MTS (Point-to-Point or Network)
Giải điều
chế RF
QPSK
QAM
Truyền qua vệ tinh, cáp,
măt đất
QPSK
QAM
Điều chế
RF
ATM
Gateway
Mạng băng rộng
Phân kẽnh
truyền tải
TDM
ATM
Gateway

diện tích phủ sóng rộng Song ta thấy truyền hình vệ tinh không thể phát
được các chương trình của các đài địa phương. Truyền hình số mặt đất có thể
giải quyết vấn đề này bằng cách nó thu lại các chương trình từ mạng quốc gia
sau đó thực hiện giải mã và ghép kênh lại trong đó có chèn thêm các chương
trình truyền hình địa phương, các đoạn chương trình quảng cáo và thực hiện
phát sóng số mặt đất [9].
1.2 Các phưong thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình sô
• T r u y ề n q u a c á p đ ồ n g t r ụ c
Để truyền tín hiệu video số có thể sử dụng cáp đồng trục cao tẩn. Tín
hiệu video được số hoá, nén sau đó được đưa vào điều chế. Sóng mang cao tần
được điều chế 64-QAM, 128-QAM và 256-QAM.
Độ rộng băng tần của tín hiệu phụ thuộc vào tốc độ bit của tín hiệu,
phương pháp mã hoá sửa sai và kiểu điều chế.
• T r u y ề n t í n h i ệ u t r u y ề n h ì n h s ô b ằ n g c á p q u a n g
Cáp quang có nhiều ưu điểm trong việc truyền dẫn tín hiệu số:
- Băng tần rộng cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ cao.
- Độ suy hao thấp trên một đơn vị chiều dài.
2
- Xuyên tín hiệu giữa các sợi quang dẫn thấp (-80 đB).
- Thời gian trễ qua cáp quang thấp.
• T r u y ề n t í n h i ệ u t r u y ề n h ì n h s ô q u a v ệ t i n h
Thông tin vệ tinh đặc biệt có ưu thế trong các trường hợp:
- Cự ly liên lạc lớn.
- Liên lạc điểm đến đa điểm trên phạm vi rộng cũng như phạm vi toàn cầu.
Kênh vệ tinh khác với kênh phát sóng trên mặt đất là có băng tần rộng và
sự hạn chế công suất phát. Khuếch đại công suất của các Transponder làm
việc với lượng back off nhỏ trong các điểu kiện phi tuyến, do đó sử dụng điều
chế QPSK là tối ưu. Các hệ thống truyền qua vệ tinh thường làm việc ở dải tần
số cỡ GHz.
• P h á t s ó n g t r u y ề n h ì n h s ô t r ê n m ặ t đ ấ t

nàng thực hiện mạng đơn tần.
1.3 Ưu điểm của truyển hình sỏ
So với truyền hình tương tự thì truyền hình số đòi hỏi tỷ số C/N nhỏ hơn,
có khả năng chống nhiễu tốt hơn.
Bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải có độ tuyến tính cao. Phổ
cao tần của máy phát tương tự hầu như tập trung vào 3 khu vực chính là tần số
mang hình, tần số mang hình cộng với tải tần màu (4,43MHz) và tần số mang
âm thanh, các khu vực khác phổ rất thấp, nghĩa là dải thông cao tần chưa tận
dụng hết. Khác với tương tự, dải phổ cao tần của tín hiệu phát số chứa hàng
ngàn sóng mang tập trung dày đặc trong dải thông 7,61 MHz. Toàn bộ dải
thòng cao tần của máy phát số được tận dụng hết, không còn dư thừa như của
máy phát tương tự (xem hình 1.2).
Một điều khác biệt so với máy phát tương tự là các bộ khuếch đại của
máy phát số yêu cầu phải thật tuyến tính để đảm bảo tính đồng đều cả về biên
độ (hệ số khuếch đại) và về pha của các sóng mang khi phát đi. Nếu không
tuyến tính, chắc chắn sẽ sây ra sai lỗi bit rất lớn cho đầu thu, thậm chí sẽ
không giải mã các chương trình truyền hình được. Vì vậy các hãng máy phát
hiện nay thường sử dụng đèn IOT (Inductive Output Tube) để giải quyết bài
toán tuyến tính cho máy phát số công suất lớn. Một số hãng lại cải tiến máy
phát tương tự công suất lớn dùng đèn Klystron thành máy phát số. Đối với các
4
máy phát bán dẫn (solid State), dù các bộ khuếch đại có làm việc ở chế độ A
thì độ tuyến tính vẫn có thể chưa đạt yêu cầu. Vì vậy người ta phải chú ý đến
hiệu chỉnh làm sao thoả mãn độ tuyến tính.
Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4-8 chương trình truyền
hình với chất lượng cao, đồng đều trong khi một máy phát tương tự như ở ta
đang sử dụng chỉ phát được một chương trình duy nhất theo hệ PAL. Xét về
mặt phổ ta thấy ở tín hiệu tương tự phổ chỉ tập trung năng lượng vào các sóng
mang hình, tiếng và burst màu (xem hình 1.2). Trong khi tín hiệu số bao gồm
hàng ngàn sóng mang tập trung dày đặc vào trong một dải phổ có độ rộng

của các mạng dữ liệu. Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác
cùng lớp. ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio và dữ
liệu phụ.
Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với mã hoá sửa lỗi, ghép
dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương
thích với dạng thức ATM. Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức truyền hình
phán giải cao (HDTV) và truyền hình tiêu chuẩn (SDTV). Đặc tính truyền tải
và nén dữ liệu của ATSC theo MPEG-2. Tiêu chuẩn ATSC có một số đặc điểm
như bảng 1 .1 .
6
Bảng 1.1: Đặc điểm cơ bản của A TSC.
Tham số Đặc tính
Video
Nhiều dạng thức ảnh (nhiều độ phân giải khác nhau). Nén ảnh
theo MPEG-2, từ MP @ ML tới HP @ HL.
Audio
Âm thanh Surround của hệ thống Dolby AC-3.
Dữ liệu phụ
Cho các dịch vụ mở rộng (thí dụ hướng dẫn chương trình,
thông tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới máy tính)
Truyền tải
Dạna đón^ gói truyền tải đa chương trình. Thủ tục truyền tải
MPEG-2
Truyền dẫn RF
Điều chế 8 -VSB cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất
b. Phương pháp điều chếVSB của tiêu chuẩn ATSC
Phương pháp điều chế VSB bao gồm hai loại chính: Một loại dành cho
phát sóng mặt đất (8 -VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cáp tốc độ
cao (16-VSB). Cả hai đều sử dụng mã Reed - Solomon, tín hiệu pilot và đồng
bộ từng đoạn dữ liệu. Tốc độ ký hiệu (Symbol Rate) cho cả hai đều bằng

thời điểm thích hợp và được gọi là một ký hiệu COFDM (COFDM Symbol).
Do số lượng sóng mang lớn, mỗi sóng mang lại chỉ truyền tải một phần
của dòng bit nên chu kỳ của một ký hiệu khá lớn so với chu kỳ của một bit
lhông tin. Trên thực tế chu kỳ của một ký hiệu có thể lên đến 1 ms. Thiết bị
thu không chỉ giải mã các ký hiệu được truyền một cách riêng lẻ mà còn thu
thập các sóng phản xạ từ mọi hướng, do vậy đã sử dụng sóng phản xạ như tín
hiệu có ích góp phần làm tăng lượng ký hiệu COFDM nhận được tại đầu thu.
Loại tín hiệu phản xạ đặc trưng của mạng đơn tần là tín hiệu tới từ một đài
phát lân cận nào đó phái cùng ký hiệu COFDM. Tín hiệu này không thể phân
biệt được với tín hiệu phản xạ truyền thống và vì vậy cũng sẽ được xử lý như
mọi tín hiệu phản xạ khác nếu chúng tới máy thu trong khoảng thời gian bảo
vệ Tg, khoảng Tg càng lớn thì khoảng cách tối đa giữa các máy phát hình
càng lớn. Tuy nhiên về góc độ lý thuyết thông tin Tg có giá trị càng nhỏ càng
tốt bởi lẽ Tg là khoảng thời gian không được sử dụng để mang thông tin hữu
ích nên To lớn sẽ làm giảm dung lượng của kênh.
Các sóng mang riêng biệt mang thông tin (video, audio, số liệu ) được
điều chế QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM. Việc lựa chọn kỹ thuật điều chế sẽ
ánh hưởng trực tiếp đến dung lượng của kênh truyền cũng như khả năng chống
8
tạp và can nhiễu. Tỷ lệ mã sửa sai góp phần cải thiện chất lượng hệ thống. Ta
sẽ trở lại các vấn đề này trong các chươne sau.
1.4.3 Chuẩn ISDB-T
Hệ thống chuyên dụng cho phát thanh truyền hình số mặt đất đã được
hiệp hội ARIB đưa ra và được hội đồng công nghệ viễn thônơ của Bộ Thông
tin Bưu điện thông qua như một bản dự thảo tiêu chuẩn cuối cùng ở Nhật Bản.
Bản thông số kỹ thuật mô tả chi tiết hệ thống truyền hình số mặt đất sử
dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T). Hệ thống này có thể truyền dẫn các chương
trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp. ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn
mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh. Hệ thống sử dụng phương
pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền đa chương trình với các

(nS)
1/4
47.25
94.5
189
1/8
23.625
47.25
94.5
1/16
11.8125
23.625
47.25
1/32
5.90625
11.8125
23.625
Mã hoá sửa sai nội
Mã hóa chập (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)
Mã hoá sửa sai ngoại
Mã Reed Solomon (204, 188)
9
Đặc điểm của hệ ÌSDB-T
- ISDB-T sử dụng ghép xen thời gian, trong khi DVB-T không sử dụng kỹ
thuật này.
+ ưu điểm : Tăng hiệu quả chống can nhiễu xung.
+ Nhược điểm : Tăng thời gian trễ và tăng độ phức tạp của máy thu.
- ISDB-T sử dụng phân đoạn tần số.
Việc phân đoạn tần số này sẽ làm sai nguyên tắc của một kênh truyền
hình số là một kênh băng rộng trong đó các dịch vụ được đặt ở các mức khác

Rất tốt
Rất tốt
Thu di động
Không Có
Có
Các chế độ (hay nhóm thông số phát)
1 12 0 Chưa biết
Tiếng Bồ Đào Nha
Không
Đã dùng Chưa biết
Hiệu quả sử dụng phổ
Kém
Rất tốt
Rất tốt
HDTV
Có Có
Có
Dolby AC3 Có Có
Có
SDTV
Có Có
Có
Tích hợp phần mềm
Kém
Rất cao
kém
Khả năng hoạt động với các hệ thống số
khác (DVB-S, DVB-C, GSM,W )
Không Có
Không

thực tế, trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và kết quả thử nghiệm của nhiều nước
khác, nhiều nhà khoa học Việt Nam đã đưa ra những ý kiến về việc khuyến
cáo chọn chuẩn truyền hình số cho Việt Nam, mọi ý kiến đều cho rằng nên
chọn chuẩn Châu Âu (DVB-T).
11
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT COFDM
2.1 Mở đầu
Kỹ thuật ghép kênh phán chia íheo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với
các phương thức mã kênh truyền đã tạo ra những ưu điểm nổi bật như: truyền
thông tốc độ cao, ổn định, chống Phadinh đa đường, khả năng chống nhiễu tốt
đậc biệt là chống ISI trên những môi trường khác nhau hữu tuyến cũng như vô
tuyến, với hiệu quả sử dụng phổ tần cao đã trở thành một kỹ thuật quan
trọng, được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ thống khác nhau với các chỉ
liêu kỹ thuật cao. Hiệp hội truyền thông Châu Âu EBƯ cũng đã lựa chọn kỹ
thuật này cho quá trình điều chế cho phát thanh số, truyền hình số mặt đất, đó
là hai chuẩn DAB, DVB-T. Trong chương này ta tìm hiểu kỹ thuật OFDM kết
hợp với kỹ thuật mã kênh truyền (mã sửa sai) để tạo ra kỹ thuật COFDM trong
chuẩn DVB-T.
2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Kỹ thuật OFDM đã được nghiên cứu và đưa ra từ đầu những năm 60 và là
một đề tài nghiên cứu quan trọng của phòng thí nghiệm Bell-Mỹ. Tuy nhiên,
đây mới chỉ là mô hình điều chế tương lự (hình 2.1). Vì vậy, mô hình này đòi
hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn
định tần số rất cao. Chính bởi nhũng yêu cầu rất khắt khe đó, đã làm cho việc
thực hiện theo kỹ thuật này gặp rất nhiều khó khăn và đã hạn chế chất lượng
cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ trên thực tế.
Nơi Phát Kênh truyền Nơi thu
Hình 2.1: Mô hình điểu chếFDM tương tự
12
Đến năm 1971, có một đóng góp rất quan trọng phải kể đến trong việc

(2.3)
T
K h ô n ơ mất tính tổng quát, giả sử Củn = 0 và Tn = —
1 N - \ Im k & f.T
^ i itf> r'
(2.4)
So sánh (2.4) với phép biến đổi Furier rời rạc ngược của N điểm rời rạc
tại N đầu ra của bộ IFFT là:
Với N là kích thước của bộ IFFT/FFT
Ta thấy giữa (2.4) và (2.5) có một sự tương đương và điều này có ý nghĩa
rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống. Từ đó ta hoàn toàn có thể thực hiện
việc xử lý OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử dụng các
bộ dao động tần số cao mà vẫn đảm bảo được tất cả những điều kiện mà một
hệ OFDM tương tự yêu cầu. Trong đó, điều kiện quan trọng nhất đó là tính
trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con. Hình 2.2 mô tả tính trực
giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. Điều kiện trực giao được thoả mãn
khi khoảng cách tần số giữa các sóng mang con A f là:
T : là khoảng thời gian kéo dài của một symsoỉ OFDM hay còn gọi là chu
kỳcỉia mỗi ký hiệu OFDM.
(2.5)
A / =
2n T NTo
Trong đó:
14
To : là elm kỳ lấy mẫu tín hiệu OF DM của mỗi một kỷ hiệu OF DM.
Hìnli 2.2: Dạng phổ của túi hiệu OFDM.
2.3 Kỹ thuật CO FD M
Như đã phân tích ở trên, mô hình xử lý OFDM tương tự đã gặp phải rất
nhiều khó khăn trong khi thực hiện trong các hệ thống thực tế bởi những yêu
cầu rất khắt khe của mô hình này. Vì thế, việc đưa ra ý tưởng thực hiện xử lý

2.3.2 Bộ mã kênh
Trong các hệ vô tuyến thông tin truyền đi có thể chịu tác động của nhiễu,
phađinh điều này làm thay đổi thông tin được truyền đi. Quá trình mã kênh
(mã sửa lỗi) được sử dụng nhằm khắc phục hạn chế này. Sau đây ta sẽ tìm
hiểu qua kỹ thuật mã kênh được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-T.
Việc mã kênh là quá trình thêm các dư thừa một cách có chọn lọc vào dữ
liệu truyền đi nhằm chống lỗi. Khi thêm các dư thừa vào thông tin gốc, dải
thông cần thiết cho nguồn dữ liệu có tốc độ cố định sẽ tăng lên. Tuy nó làm
giảm hiệu suất dải thôns của đường truyền khi SNR cao nhưng đổi lại sẽ có
16
c á c kết quả tốt của BER khi SNR thấp. Những mã có khả năng tìm và sửa lỗi
được gọi là mã sửa lỗi. Có hai loại mã sửa lỗi chính là mã khối và mã chập.
a. Mã khôi và mãReed-Solomon U5]
Trong mã khối, các bit kiểm tra (parity bits) được thêm vào các bit thông
tin để tạo thành từ mã (code words) hoặc khối mã (code blocks). Từ k bit
thông tin người ta thêm vào (n-k) bit dư thừa để tạo thành n bit mã. Mã đó
Ngoài tỷ lệ mã, còn có một số thông số quan trọng được xác định dưới đây.
*** Khoảng cách của một mã.
Gọi dịj là số phần tử cùng vị trí khác nhau của hai từ mã c, và Cj. Nếu mã
là nhị phân thì khoảng cách được gọi là khoảng cách Hanming. Khoảng cách
tối thiểu dmin là khoảng cách nhỏ nhất trong các khoảng cách trên:
*** Trọng lượng của một mã
Là số phần tử khác không trong một từ mã.
Quá trình mã hóa và giải mã được thực hiện dựa trên các tính toán trên
trường hữu hạn (trường Galois). Một trường hữu hạn F là một tập hữu hạn các
phần tử với hai phép toán cộng và nhân thoả mãn các tính chất sau:
+ F là nhóm giao hoán với phép cộng, có phần tử đơn vị của phép cộng là
không: 0 .
+ Tập các phần tử khác không của F là nhóm giao hoán với phép nhân.
Phần tử đơn vị của phép nhân là 1.

d(x) — c n__\x +CfJ_ 2* 2/+ 1-*
Đa thức kiểm tra là:
Đa thức mã RS là:
/1-1
C(x) = d(x) + p(x)= Ỵ^CịX1
i= 0
Đa thức sinh của mã RS sửa được t lỗi có dạng:
g(x) = (x + a)(x + a 2) (x + a 2t ) = Ỵ J gịX1
/= 0
18

Trích đoạn Xu hướng phát triển DVB-T ở Việt Nam

---