BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
CHU ĐẶNG THÁI SƠN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MIMO
CHO BỘ THU TRUYỀN HÌNH SỐ QUẢNG BÁ DVB
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – Năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
CHU ĐẶNG THÁI SƠN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MIMO
CHO BỘ THU TRUYỀN HÌNH SỐ QUẢNG BÁ DVB
Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG
Hà Nội – Năm 2016
năm 2016
Sinh viên
Chu Đặng Thái Sơn
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn mô tả tiềm năng của công nghệ nhiều anten (MIMO) trong hệ
thống truyền hình số quảng bá (DVB). Tiêu chuẩn DVB đang bị thách thức bởi nhu
cầu ngày càng tăng của các ứng dụng dữ liệu tốc độ cao và vùng phủ sóng trong nhà
lớn hơn. Công nghệ MIMO được xem là một giải pháp then chốt để nâng cao năng
lực hệ thống và độ tin cậy của liên kết mà không cần bất kỳ sự bổ sung nào về băng
thông hay công suất truyền tín hiệu. Viện nghiên cứu của Tập đoàn truyền thông di
động iTEAM đã tích cực tham gia trong quá trình tiêu chuẩn hóa truyền hình di
động thế hệ tiếp theo DVB-NGH (Digital Video Broadcasting – Next Generation
Handheld) về việc sử dụng công nghệ truyền tín hiệu MIMO. Trong nghiên cứu
này, chúng ta mô tả những lợi ích trong việc sử dụng MIMO và ứng dụng của nó
trong tiêu chuẩn DVB, tức là DVB-NGH và DVB-T2. Tiếp theo là các mô tả kỹ
thuật truyền dẫn theo đặc tính kỹ thuật của DVB-NGH, hơn nữa chúng ta cũng đưa
ra các kết quả mô phỏng lý thuyết và mô phỏng lớp vật lý để minh họa cho hiệu
suất của MIMO trong các mô hình kênh truyền khác nhau. Cuối cùng là phân tích
hoạt động của DVB-T2 sử sụng kỹ thuật MIMO để cho thấy khả năng ứng dụng tối
ưu của MIMO trong hệ thống DVB-T2.
ABSTRACT
In this study we describe the potential of multiple antenna technology
(MIMO) system in broadcasting digital television (DVB). DVB is being challenged
by the growing demand of applications and high-speed data coverage in larger
2.1 Sơ lƣợc về hệ thống truyền hình số .................................................... 12
2.1.1
Các đặc điểm chung của hệ thống truyền hình số ................................12
2.1.2 Các tiêu chuẩn truyền hình số tiêu biểu ...................................................13
2.1.3 Xử lý và truyền dẫn tín hiệu truyền hình số .............................................14
2.2 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T ........................... 14
2.2.1 Đặc tính kỹ thuật của DVB-T ..................................................................15
2.2.2 Đặc điểm của mạng truyền hình số mặt đất DVB-T ................................15
2.3 Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T2 ......................... 17
2.3.1 Yêu cầu đặt ra đối với DVB-T2 ...............................................................17
2.3.2 Mô hình cấu trúc hệ thống DVB-T2 ........................................................19
2.3.3 Các đặc tính kỹ thuật của DVB-T2 ..........................................................20
2.3.4 DVB-T2 và định hướng DVB-T3 ............................................................24
2.4 Kết luận chƣơng .................................................................................. 27
CHƢƠNG 3. KỸ THUẬT MIMO TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT................................................................................................................. 28
3.1 Bài toán ứng dụng kỹ thuật MIMO cho các bộ thu DVB ............... 28
3.1.1 Những ưu điểm khi ứng dụng MIMO ......................................................29
3.1.2 Mô hình kênh MIMO NGH .....................................................................31
3.1.3 Đặc điểm hoạt động của MIMO ..............................................................32
3.1.4 Ứng dụng kỹ thuật MIMO trong DVB-NGH ..........................................34
3.2 Hoạt động của DVB-T2 sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM.............. 37
Hình 2.3 Các PLP khác nhau với các lát thời gian khác nhau ..............................20
Hình 2.4 Mô hình MISO .......................................................................................21
Hình 2.5 Mẫu hình pilot phân tán đối với DVB-T (trái) và DVB-T2 (phải) ........22
Hình 2.6 Chòm sao 16-QAM „xoay‟ ....................................................................22
Hình 2.7 DVB-T3 là không khả thi .......................................................................27
Hình 3.1 Tỷ lệ ứng dụng DVB-T2 trên thế giới ...................................................28
Hình 3.2 Xử lý tín hiệu MIMO loại 1 với sự kết hợp của MISO Alamouti và
eSFN ......................................................................................................................35
Hình 3.3 Sơ đồ kỹ thuật ghép kênh: SM (Spatial Multiplexing), eSM (enhanced
Spatial Multiplexing) và PH (Phase Hopping), và sự kết hợp của chúng.............36
Hình 3.4 Sơ đồ khối tổng quan OFDM .................................................................38
Hình 3.5 Bộ thu phát OFDM.................................................................................39
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống MIMO ...................................................................41
Hình 3.7 Ma trận kênh ..........................................................................................42
Hình 3.8 Nguyên lý Alamouti ...............................................................................43
Hình 3.9 Cấu trúc DVB-T2 ...................................................................................44
Hình 3.10 Vị trí của P1 trong khung DVB-T2 ......................................................52
Hình 3.11 Ký tự P1, cấu trúc A-B .........................................................................53
Hình 3.12 Cấu trúc xử lý thu cho cấu trúc A-B ....................................................54
Hình 3.13 Ký tự P1, cấu A-B với dịch tần số .......................................................55
Hình 3.14 Cấu trúc xử lý thu cho cấu trúc A-B với dịch tần số............................55
Hình 3.15 Ký tự P1, cấu trúc C-A-B .....................................................................56
Hình 3.16 Cấu trúc xử lý thu cho cấu trúc C-A-B ................................................56
Hình 3.17 Cấu trúc P1 ...........................................................................................57
Hình 3.18 Sơ đồ khối quá trình tạo ký tự P1.........................................................57
Hình 3.19 Sơ đồ khối cấu trúc tương quan để dò P1 ............................................59
Hình 4.1 Dung lượng ergodic giữa MIMO và SISO.............................................63
Hình 4.2 Dung lượng (bps/Hz) của kênh Rayleigh - Dung lượng tổn hao với xác
Điều khiển tần số tự động
Advanced Television System
Hội đồng về hệ thống truyền
Committee
hình cải biên
ATSC
Công ty cổ phần nghe nhìn toàn
AVG
Audio Visual Global
BCH
Bose-Chaudhuri-Hocquenghem
Bose-Chaudhuri-Hocquenghem
BER
Bit Error Rate
Tỷ số lỗi bit
COFDM
DTT
DiBEG
DPCM
Digital Broadcasting Expert
Group
Differential Pulse Code
Modulation
DVB
Digital Video Broadcasting
EDTV
Enhanced Definition Television
cầu
Nhóm chuyên gia truyền hình số
Điều chế xung mã vi sai
Truyền hình số
Truyền hình độ phân giải mở
rộng
Elementary Stream
Dòng cơ sở
Khung mở rộng dành cho tương
lai
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
Group
ảnh tĩnh
Low Density Parity Check
Mã kiểm tra ngang hành mật độ
(Codes)
thấp
Low Definitiom Television
Truyền hình độ phân giải thấp
Low Priority
Độ ưu tiên thấp
MCM
Multi Carrier Modulation
Điều chế đa sóng mang
MFN
Multiple Frequency Network
ISI
JPEG
LDPC
LDTV
LP
MIMO
MI
NTSC
OFDM
OIRT
Nhóm chuyên gia nghiên cứu về
ảnh động
National Television System
Hội đồng hệ thống truyền hình
Committee
quốc gia Mỹ
Othogonality Fequency Dvision
Ghép kênh phân chia theo tần số
PES
Packetized Elementary Stream
Dòng cơ sở đóng gói
PLP
Physical Layer Pipes
Ống lớp vật lý
Pseudo Random Bit Sequence
Chuỗi bit giả ngẫu nhiên
PRBS
QAM
QPSK
RF
Quadrature Amplitude
Modulation
trung bình
Điều chế biên độ vuông góc
Quadrature Phase Shift Keying
Một đầu vào nhiều đầu ra
SISO
Single Input Single Output
Một đầu vào một đầu ra
TPS
Transmission Parameter
Báo hiệu tham số bên phát
TR
Signalling
Tone Reservation
TS
Transport Stream
Dòng truyền tải
UHF
Ultra High Frequency
Tần số siêu cao (Siêu cao tần)
phương tiện Việt Nam
Đài truyền hình Việt Nam
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Tổng quan về hệ thống DVB
Trong những năm gần đây các dự án DVB đã phát triển rất thành công một
danh sách đáng kể các thông số kỹ thuật cho truyền phát video số (Digital Video
Broadcasting). Thực tế cho thấy rằng, thuật ngữ "Digital Video Broadcasting" thậm
chí đã trở nên quá hạn chế, kể từ khi các thông số kỹ thuật DVB có thể được sử
dụng để phát sóng tất cả các loại dữ liệu cũng như các âm thanh, kèm theo tất cả các
loại thông tin hỗ trợ khác. Một số thông số kỹ thuật nhằm mục đích cài đặt của các
kênh thông tin liên lạc hai chiều, ví dụ, sử dụng lắp đặt truyền hình cáp. Một phát
triển gần đây nhất là các đặc điểm kỹ thuật của Multimedia Home Platform (MHP),
một lớp trung gian cho phép các ứng dụng đã được viết bởi các nhà cung cấp nội
dung khác nhau để chạy trên máy thu và set-top-box của các nhà sản xuất khác nhau
trong một hình thức dự đoán được và có cái nhìn tương tự và cảm nhận được.
Với sự phát triển của MHP dự án DVB đã bước vào giai đoạn hoạt động thứ
ba của nó. giai đoạn 1 được đặc trưng bởi sự phát triển của hệ thống phát thanh
truyền hình và dữ liệu cho cơ sở hạ tầng cần thiết để có thể truyền phát dữ liệu trên
thực tế. Trong giai đoạn 2 dự án tập trung vào các hệ thống tương tác. Hiện tại giai
đoạn 3 là triển khai phát sóng và dịch vụ tương tác bằng cách cung cấp các giải
pháp cho thị trường đa phương tiện theo hướng mở rộng.
Do sự phức tạp đáng kể của môi trường DVB nên nhiều tài liệu khác nhau
phải được xem xét khi lập kế hoạch dịch vụ, thiết bị. Đối với những người đã tham
gia trong việc phát triển các giải pháp DVB thì các tài liệu kỹ thuật có thể dễ dàng
để hiểu, nhưng ít nhất là cho người mới có thể sẽ phải bỏ qua một số hướng dẫn,
tiêu chuẩn, và chi tiết kỹ thuật hiện có, …v.v
Xử lý băng tần cơ sở
Một trong những quyết định cơ bản đã được thực hiện trong những ngày đầu
cho hình ảnh truyền như thế, ví dụ, biểu tượng của đài, vv Trong [ETS 300 743]
một cơ chế mạnh được mô tả (DVB-SUB) cho phép việc truyền tải tất cả các loại
phụ đề và các yếu tố đồ họa như là một phần của tín hiệu DVB.
[2]
Dịch vụ DVB tương lai sẽ bao gồm một loạt các chương trình thực hiện
thông qua một số lượng lớn các kênh truyền dẫn. Để cho IRD có thể điều chỉnh các
kênh như vậy và để cho các khách hàng DVB có thể thưởng thức sự phong phú của
các chương trình, trợ giúp định hướng mạnh mẽ cần phải được cung cấp như là một
phần của các luồng DVB. "Thông tin dịch vụ SI" được mô tả trong [EN 300 468]
tạo thành tập hợp này của các hỗ trợ, quyền DVB-SI. [ETR 211] bao gồm một tập
hợp các hướng dẫn mô tả SI nên hoặc có thể sử dụng như thế nào. Trong [ETR 162]
mã SI đang được liệt kê trong đó chỉ ra các dịch vụ của các đài truyền hình khác
nhau.
Truyền tải
Thông số kỹ thuật cho việc truyền tải các tín hiệu băng tần cơ sở (như mô tả
trong đoạn trên) thông qua tất cả các loại của các kênh phân phối phát sóng đã được
phân phối trong dự án DVB.
Các đặc điểm kỹ thuật đầu tiên mà có thể hoàn tất được việc phân phối vệ
tinh của tín hiệu DVB [EN 300 421] được gọi là DVB-S. Trong phần này các công
cụ khác nhau cho kênh mã hóa được mô tả lần đầu tiên, mà sau này đã trở thành
quan trọng đối với tất cả các phương tiện truyền thông cung cấp khác. Trong những
tình huống đặc biệt, ví dụ như khi phát sóng tại C-Band trong điều kiện nhiễu rất
nặng, nó có thể hữu ích để thay đổi điều chế từ QPSK, điều chế sử dụng cho DVBS, sang BPSK. Tập hợp các chỉ dẫn mô tả một dẫn xuất DVB-S sử dụng BPSK
được mô tả trong [TR 101 198].
[EN 300 429] mô tả mã hóa kênh và điều chế tín hiệu DVB trên cáp hệ thống
[CATV] (DVB-C). Phần này là cơ sở của [EN 300 473], trong đó việc sử dụng (vệ
tinh) Master Antenna TV (SMATV) cài đặt cho DVB được mô tả (DVB-CS).
dụng các mạng CATV cho việc truyền dữ liệu hai chiều [ETS 300 800] (DVBRCC). Hướng dẫn sử dụng hệ thống này được mô tả trong [TR 101 196]. Trong
[EN 301 199] một dẫn xuất của DVB-RCC được mô tả (DVB-RCL) do đó các dịch
vụ tương tác đang được thực hiện có thể có trong dịch vụ phân bố đa địa phương.
Hướng dẫn cho một phiên bản của một kênh tương tác dựa trên vệ tinh và các bộ
phận đồng trục (DVB-RCCS), có thể được sử dụng trong một số hệ thống phân
phối truyền hình vệ tinh (SMATV), theo [TR 101 201]. Một kênh tương tác thông
qua vệ tinh vừa được phát triển (DVB-RCS) và được mô tả trong [TM 2267].
[5]
Sự đa dạng
Một trong những thế mạnh của công nghệ DVB nằm trong thực tế rằng nó
cho phép truyền point-to-multipoint một lượng rất lớn các dữ liệu ở tốc độ dữ liệu
cao trong khi bảo vệ rất an toàn cho chúng và chống lại được phần lớn các loại lỗi
truyền dẫn thông thường. Những dữ liệu này có thể là âm thanh và video, nhưng
trong nhiều ứng dụng các dữ liệu sẽ được đóng gói thành các tập tin, nội dung của
các trang web "đẩy" cho người nhận hoặc các hình thức khác của thông tin chung
chung. Để kích hoạt việc truyền tải của loại dữ liệu đó, bao gồm khả năng truyền đi
lặp lại cùng một dữ liệu tại các khoảng thời gian định kỳ hoặc bất kỳ, một đặc điểm
kỹ thuật phát thanh truyền dữ liệu (DVB-DATA) đã được tạo ra [EN 301 192]. Tài
liệu này mô tả năm lĩnh vực ứng dụng, cụ thể là "dữ liệu đường ống", "dữ liệu trực
tuyến", đa giao thức đóng gói "một" dữ liệu băng chuyền "và một đối tượng " băng
chuyền ". Một tài liệu hướng dẫn [TR 101 202] mô tả chi tiết việc thực hiện.
Theo yêu cầu của một số đài truyền hình các dự án DVB đã thiết kế một bộ
thông số kỹ thuật cho vệ tinh số Tin tức Gathering (D-SNG). Bộ thông số này bao
gồm [EN 301 210], trong đó mô tả cấu trúc khung, mã hóa kênh và điều chế cho các
kênh truyền dẫn chính từ DSNG đến trung tâm (DVB-DSNG), và [EN 301 222].
Trong tài liệu này sau các kỹ thuật được sử dụng để phối hợp và các kênh thông tin
liên lạc liên kết với một truyền tải DSNG được quy định. [TR 101 221] bao gồm
liên kết truyền tải đáng tin cậy hơn là bằng phương tiện công nghệ MIMO (nhiều
đầu vào nhiều đầu ra) mà không cần bất kỳ băng thông bổ sung hoặc công suất
truyền tín hiệu nào. Hệ thống phát sóng đầu tiên bao gồm MIMO là DVB-NGH (thế
hệ tiếp theo) sự phát triển điện thoại di động của công nghệ phát sóng truyền hình
số mặt đất thế hệ thứ hai, DVB-T2 (Terrestrial 2nd Generation) [1]. Sự phát triển
của nó đã được thúc đẩy bởi sự tăng trưởng liên tục của các dịch vụ đa phương tiện
di động cho các thiết bị cầm tay như máy tính bảng và điện thoại thông minh. Mục
tiêu chính của nó là để cung cấp hiệu suất cao hơn, mạnh mẽ và tăng vùng phủ sóng
trong nhà so với tiêu chuẩn DVB khác hiện có. DVB-NGH dựa trên lớp vật lý của
DVB-T2 và đã được thiết kế như vậy mà nó có thể được đưa vào triển khai DVBT2 hiện có, cho phép tái sử dụng phổ tần và cơ sở hạ tầng. Những cải tiến kỹ thuật
chính của DVB-NGH là:
Sử dụng MIMO (Multiple-input multiple-output) để tăng mật độ truyền dẫn
trong không gian và hiệu quả sử dụng phổ.
[7]
Sử dụng thời gian tần số cắt TFS (time frequency slicing) để tăng tính phân
tập của tần số và ghép kênh thống kê hiệu quả hơn.
Sử dụng việc xen mã chập trong miền thời gian để làm tăng tính phân tập.
Cải thiện mã LDPC với tỷ lệ mã thấp hơn cho khả năng truyền dẫn.
Cải thiện sự mạnh mẽ của tín hiệu so với DVB-T2.
Sử dụng việc nén header mạnh mẽ RoHC (robust header compression) để
giảm kích thước header khi đóng gói IP.
Thêm vào thành phần vệ tinh trong profile lai (truyền hình mặt đất + vệ tinh)
Khả năng mở rộng nội dung Video SVC (scalable video content) với nhiều
ống vật lý MPLPs (multiple physical layer pipes) chỉ gây sự suy giảm nhẹ
các dịch vụ.
Tăng hiệu quả truyền tải của các dịch vụ nội hạt trong mạng đơn tần SFN
(single frequency networks).
anten, cũng như các lợi ích mà MIMO tạo ra đối với các hệ thống truyền thông nói
chung và truyền hình phát sóng nói riêng nên đề tài luận văn tập trung nghiên cứu
chỉ giới hạn với các vấn đề sau:
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền hình số mặt đất.
[9]
Nghiên cứu tiềm năng ứng dụng kỹ thuật đa anten (MIMO) trong hệ thống
truyền hình số mặt đất.
Nghiên cứu các giải pháp ứng dụng MIMO cho DVB-T và đưa ra một số kết
quả thực nghiệm so sánh đánh giá hiệu quả.
Thảo luận về một số ứng dụng liên quan của kỹ thuật đa anten trong DVB.
1.4 Phương pháp nghiên cứu đề tài
Dựa trên các tài liệu giới thiệu, phân tích về DVB và MIMO để mô tả tổng
quan các hệ thống
Phân tích các mô hình ứng dụng MIMO cho DVB
Đưa ra một số mô hình thực nghiệm để đánh giá tính hiệu quả và khả năng
ứng dụng của các mô hình.
1.5 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Đưa ra vấn đề và giới thiệu được một cách tổng quan về các hệ thống DVB
và lợi ích của MIMO
Đề xuất các mô hình ứng dụng, phân tích đánh giá khả năng trong từng hệ
thống.
Đưa ra các so sánh, đánh giá trên kết quả thực nghiệm để đi đến kết luận về
tính tối ưu của kỹ thuật đa anten trong hệ thống DVB.
Ý nghĩa thực tiễn:
thực hiện thông qua cáp đồng trục, cáp quang, vệ tinh hay truyền hình số mặt đất.
2.1.1 Các đặc điểm chung của hệ thống truyền hình số
Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tín hiệu
tương tự, tín hiệu số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng lớn. Đối với tín
hiệu số tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu bằng bốn lần tần số sóng mang màu
như đối với hệ NTSC là 14,4MHz nếu thực hiện mã hoá với những mã 8 bit,
tốc độ bit sẽ là 115,2 Mbit/s độ rộng băng tần khoảng 58 MHz.
Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu
trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi. Nhiễu tạp âm trong hệ
thống tương tự có tính chất cộng, tỷ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do tổng
cộng các nguồn nhiễu thành phần gây ra. Vì vậy luôn nhỏ hơn tỷ lệ S/N của
khâu có tỷ lệ thấp nhất. Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các
mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban
đầu. Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng
cách che lỗi.
Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và
truyền cũng như đối với tỷ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghi
đọc chương trình nhiều lần đặc biệt với các hệ thống truyền hình nhạy cảm
với các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC.
[12]
Copyright: Tài liệu đại học ©