BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

KỸ THUẬT GHÉP KÊNH
PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2

NGUYỄN TUẤN ANH

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT GHÉP KÊNH
PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2
NGUYỄN TUẤN ANH
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ NGÀNH: 60520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM MINH VIỆT

HÀ NỘI - 2015





MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU KĨ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO .......................................................................................... 2
1.1. SƠ LƯỢC VỀ OFDM .................................................................................. 2
1.2 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN ĐẾN OFDM.............................................. 3
1.2.1 Hệ thống đa sóng mang .......................................................................... 4
1.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM ................................................... 5
1.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM ........................................................... 5
1.4 TÍNH TRỰC GIAO TRONG OFDM ............................................................ 8
1.5 BIỂU DIỄN TOÁN HỌC CỦA TÍN HIỆU OFDM ..................................... 11
1.5.1 Trực giao .............................................................................................. 11
1.5.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT ........................................................ 12
1.6 CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG OFDM............................................ 14
1.6.1 Điều chế BPSK .................................................................................... 14
1.6.2 Điều chế QPSK .................................................................................... 16
1.6.3 Điều chế QAM ..................................................................................... 18
1.7 ĐÁNH GIÁ KĨ THUẬT OFDM .................................................................. 19
1.7.1 Ưu điểm ............................................................................................... 19
1.7.2 Nhược điểm.......................................................................................... 20
CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN............... 21
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ............................................................................. 21

GIAO OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 .................. 57
4.1 YÊU CẦU ĐẶT RA ĐỐI VỚI TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT MỚI. ........................................................................................................ 57
4.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
DVB-T2 ............................................................................................................ 58
4.3 MÔ HÌNH CẤU TRÚC HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
DVB-T2. .......................................................................................................... 59
4.4 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA DVB-T2 ............................................ 60


4.4.1. Các ống lớp vật lý ( Physical Layer Pipes – PLPs) .............................. 60
4.4.2. Băng tần phụ (1.7Mhz và 10Mhz): ...................................................... 67
4.4.3. Các mode sóng mang mở rộng (8K, 16K, 32K) ................................... 68
4.4.4. MISO dựa trên cơ sở Alamouti (trên trục tần số) ................................. 68
4.4.5. Symbol khởi đầu (P1 và P2) ................................................................ 69
4.4.6. Mẫu tín hiệu Pilot (Pilot Pattern) ......................................................... 69
4.4.7. Phương thức điều chế 256-QAM ......................................................... 70
4.4.8. Chòm sao xoay (Rotated Constellation) ............................................... 71
4.4.9. Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình
(Peak-to -Average Power Ratio – PAPR) ...................................................... 72
4.4.10. Tráo bit, ánh xạ bit lên đồ thị chòm sao ............................................. 73
4.4.11. Tráo tế bào, tráo thời gian .................................................................. 73
4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG IV ......................................................................... 76
CHƯƠNG V: GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CHO TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT TẠI VIỆT NAM ......................................................................................... 78
5.1 SO SÁNH CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA DVB-T VÀ DVB-T2 ............. 78
5.2 KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI TỪ DVB-T SANG DVB-T2 ........................ 79
5.2.1 Lộ trình số hóa truyền hình số mặt đất ................................................. 79
5.2.2 Khả năng chuyển đổi từ DVB-T sang DVB-T2 ................................... 80
5.2.3 Khả năng ứng dụng DVB-T2 tại Việt Nam.......................................... 80


Television

System Hội đồng về hệ thống truyền hình

Commitee

cải biên

Audio Visual Global

Công ty cổ phần nghe nhìn toàn
cầu

BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân


Fequency Ghép kênh phân chia theo tần số

DiBEG Digital Broadcasting Expert Group

Nhóm chuyên gia truyền hình số

DPCM

Điều chế xung mã vi sai

Differential Pulse Code Modulation

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số

EDTV

Enhanced Definition Television

Truyền hình độ phân giải mở rộng

ES

Elementary Stream

FEC


HDTV

High Definitiom Television

Truyền hình độ phân giải cao

HP

High Priority

Độ ưu tiên cao


ICI

Inter-Carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

IFFT

Inverse Fast Fourrier Transform

Biến đổi nhanh Fourrier ngược


LDTV

Low Definitiom Television

Truyền hình độ phân giải thấp

LP

Low Priority

Độ ưu tiên thấp

MCM

Multi Carrier Modulation

Điều chế đa sóng mang

MFN

Multiple Frequency Network

Mạng đa tần

MI

Modulator Interface

Giao diện điều chế

Mltiplexing

trực giao

Organization Internatinal Radio and Tổ chức phát thanh truyền hình
Television

quốc tế

PAL

Phase Alternative Line

Đảo pha theo từng dòng

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh/công suất


trung bình
PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

PES


Radio Frequence

Tần số vô tuyến

SDTV

Standard Definition Television

Truyền hình độ phân giải tiêu
chuẩn

SFN

Single Frequence Network

Mạng đơn tần

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TPS

Transmission Parameter Signalling

Báo hiệu tham số bên phát


VSB

Vestigal Side Band

Điều biên cụt

VTC

Vietnam Television Corporation

Tổng Công ty Truyền thông đa
phương tiện Việt Nam

VTV

Vietnam Television

Đài truyền hình Việt Nam


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh ......................................... 23
Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng ................................................................. 26
Bảng 4.1: Ví dụ về cấu hình DVB-T2 được ghép bởi 3 ống lớp vật lý ................... 64
Bảng 5.1: DVB-T2 sử dụng tại UK so với DVB-T ................................................ 78
Bảng 5.2: Dung lượng dữ liệu DVB-T2 so với DVB-T trong mạng SFN ............... 79
Bảng 5.3: Các tham số phát sóng của truyền hình An Viên .................................... 83



khác nhau .............................................................................................................. 40
Hình 3.3 Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR
khác nhau ............................................................................................................. 43
Hình 3.4 Bám đuổi pha DPLL ............................................................................... 47
Hình 3.5 Pilot trong gói OFDM ............................................................................. 51
Hình 3.6 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM .................................................... 52
Hình 3. 7 Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC ........................................................ 53
Hình 4.1: Mô hình cấu trúc hệ thống DVB-T2 [7].. ............................................... 59
Hình 4.2: Mô hình hệ thống của DVB-T2 .............................................................. 61
Hình 4.3: Vai trò T2-Gateway ............................................................................... 62
Hình 4.4: Các Ống lớp vật lý ................................................................................. 64
Hình 4.5: Khung T2 với chế độ M-PLP ................................................................. 66
Hình 4.6: DVB-T2 với chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác nhau ...................... 66
Hình 4.7: Mật độ phổ công suất đối với mode 2K và 32K ..................................... 68
Hình 4.8: Mô hình MISO....................................................................................... 69
Hình 4.9: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T(trái) và DVB-T2(phải) ............ 70
Hình 4.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM .................................................................. 71
Hình 4.11: Chòm sao 16-QAM xoay ..................................................................... 71
Hình 4.12: Hiệu quả của chòm sao xoay so với không xoay .................................. 72
Hình 4.13: Tráo tế bào ........................................................................................... 74
Hình 4.14: Tráo thời gian ...................................................................................... 75
Hình 5.1: Cấu hình tổng thể hệ thống mạng SFN theo tiêu chuẩn DVB-T2 của AVG ... 84
Hình 5.2: Bản đồ phủ sóng toàn quốc của AVG .................................................... 85
Hình 5.3: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 tại Hà Nội của VTV ..................................... 87
Hình 5.4: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 tại Tp. HCM của VTV ................................. 88


MỞ ĐẦU
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho

1.1. SƠ LƯỢC VỀ OFDM
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin
vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được
nhắc đến dưới cái tên: đa tần . Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong
bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn
chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ
thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử
lý tín hiệu và vi điện tử.
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
2


conchồng 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.


Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8)
1.2.1 Hệ thống đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên
nhiều sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia
một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng
mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với
nhau theo kiểu FDM.

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang

4


1.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông
tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau.
Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu
ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong
không gian, thời gian.

…
f1

f2

fn

f


Tần số
(a)
Tiết kiệm băng thông

Tần số
(b)

Hình 1.4 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng
mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát
đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện
biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do
đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường
(multipath) giảm xuống.

6


OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm
được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được
truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả
các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với
nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này
chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang
(ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có
khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm


xf(n)
Chèn dải
bảo vệ

IDFT

y(n)

Y(k)
DFT

h(n)
P/S

Kênh

yf(n
Loại bỏ
dải bảo vệ

AWGN

S/P

+

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel).

chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên
một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều
được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),
thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang
độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của
1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (InterCarrier-Interference) cũng làm mất đi tính trực giao .

8


Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
Processing ). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi
DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo
định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau
hay là tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với
nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.

Hình 1.6 Tích 2 vectơ trực giao bằng 0
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không
(ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây ). Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ
âm của dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0. Quá trình tích phân
có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó diện tích
của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
ଶగ௞

‫׬‬଴

(1.1)


1.5 BIỂU DIỄN TOÁN HỌC CỦA TÍN HIỆU OFDM
1.5.1 Trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng
mang con được chồng lấp 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: fn(t), n=0, 1, …, N-1, t1 ≤ t ≤ t2 . Tập
sóng mang con này sẽ trực giao khi:
t2

∫t

1

 0, n ≠ m
f n (t ) f m* (t )dt = 
K , n = m

(1.2)

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 2πf n t )
với j = − 1 và

(1.3)

f n = f 0 + n∆f = f 0 + n / T

(1.4)



i + 0,5 



s (t ) = Re  ∑ d i + N / 2 exp  j 2π  f c −
(
t
−
t
)


 , ts ≤ t ≤ ts + T
s
T
N




i = − 2


(1.5)

s(t ) = 0 , t < t s ∧ t > t s + T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế ký tự OFDM trên như sau: