Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số trên các phương tiện di động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.26 MB, 102 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________
MAI SỸ TIẾN
Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy
thu truyền hình số trên các phương tiện di động
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN
HÀ NỘI - 2010
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........................................................................... 7
Chương 1 Công nghệ truyền hình số............................................................................. 11
1.1 Giới thiệu..............................................................................................................11
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T.................................................................................12
1.2.1 Nguyên lý OFDM .........................................................................................13
1.2.2 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang ..........................................17
1.2.3 Chèn khoảng thời gian bảo vệ ......................................................................20
1.2.4 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T .....................................21
1.3 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T2...............................................................................23
1.4 Tình hình phát triển truyền hình số mặt đất trên thế giới và Việt Nam ...............24
1.5 Máy thu DVB-T ...................................................................................................28
Chương 2 Anten vi dải và anten mảng vi dải ............................................................... 33
2.1 Giới thiệu chung về anten vi dải ..........................................................................33
2.1.1 Định nghĩa về anten vi dải ............................................................................33
2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của anten vi dải .....................................................34
2.1.3 Các ứng dụng cơ bản của anten vi dải .........................................................35
2.1.4 Trường bức xạ của một anten vi dải .............................................................36
1
2.1.5 Một số mô hình anten vi dải thông thường ...................................................37
2.1.6 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải.........................................................37
2.2 An ten mảng vi dải ...............................................................................................40
2.2.1 Định nghĩa anten mảng vi dải.......................................................................40
2.2.2 Tiếp điện cho anten mảng vi dải ...................................................................41
Chương 3 Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp phần tử hữu hạn............ 43
3.1 Lý thuyết cơ bản về trường điện từ......................................................................43
3.1.1
Phương trình Maxwell và các điều kiện biên ............................................43
3.1.2
Các phương trình thế .................................................................................44
3.1.3
Các điều kiện biên .....................................................................................50
3.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) ........52
3.2.1
Giới thiệu ...................................................................................................52
3.2.2
Nghiệm của phương trình Laplace ............................................................54
3.2.3 Nghiệm của phương trình Poisson...............................................................69
3.2.4
Nghiệm của phương trình sóng .................................................................75
3.2.5
Phương pháp phần tử hữu hạn đối với các bài toán bên ngoài ................79
3.3
Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS..................................................................85
Chương 4Phân tích và thiết kế anten mảng vi dải cho máy thu truyền hình số trên
các phương tiện di động.................................................................................................. 90
4.1 Yêu cầu về thông số của anten.............................................................................90
4.2 Đề xuất mô hình anten ........................................................................................91
4.3 Quá trình thiết kế..................................................................................................92
2
4.3.1 Thiết kế phần tử mảng (anten 1) ...................................................................92
4.3.2 Thiết kế mảngvi dải 2x2 để thu di động tín hiệu DVB-T...............................96
4.4 Nhận xét ...............................................................................................................99
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 101
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Mai Sỹ Tiến
Sinh ngày: 18/10/1982
Nơi sinh: Tam Điệp – Ninh Bình
Học viên: Lớp cao học Điện tử 2 – Khóa 2008-2010
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi nghiên cứu viết ra. Tất cả các tài liệu
tham khảo tôi đã ghi đầy đủ trong luận văn này. Tôi xin chịu trách nhiệm trước Pháp
luật về lời cam đoan này
4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ATSC
Advanced Television Service Committee
COFDM
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing
CPE
Common Phase Error
BPSK
Differential Binary Phase Shift Keying
DAC
Digital to Analog Converter
DVB
The Digital Video Broadcasting Project
DVB-T
Digital Video Broadcasting – Terrestrial
DVB-T2
Digital Video Broadcasting - Second Generation Terrestrial
FFT
Fast Fourier Transform
HDTV
High Definition Television
ICI
Inter – Carrier Interference
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
ISDB-T
Intergrated Service Digital Broadcasting Terrestrial
ISI
Intra/Inter Symbol Interference
TPS
Transmission Parameter Signalling
5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Vận tốc dòng dữ liệu của máy phát hình DVB-T
Bảng 1.2 So sánh các chế độ truyền dẫn của DVB-T và DVB-T2
Bảng 1.1 So sánh giữa phương pháp mô-men và phương pháp phần tử hữu hạn
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình1.1 Sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T
Hình 1.2 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế
Hình 1.3 Đồ thị chòm sao điều chế 16 QAM
Hình 1.4 Đồ thị chòm sao 64 QAM
Hình 1.5 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)
Hình 1.6 Phân bố các Pilot của DVB-T
Hình 1.7 Phân bố các Pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao
Hình 1.8 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ
Hình 1.9 Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ
Hình 1.10 Máy phát hình số DVB-T
Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu truyền hình số DVB-T
Hình 1.12 Bộ thu tín hiệu DVB-T
Hình 2.1 Cấu tạo của một anten vi dải
Hình 2.2 Điện trường của anten nhìn từ trên xuống
Hình 2.3 Trường điện của anten nhìn theo chiều ngang
Hình 2.4 Một số cấu hình anten vi dải dạng miếng khác nhau
Hình 2.5 Mô hình anten được tiếp điện bằng đường truyền vi dải
7
Hình 2.6 Mô hình anten vi dải được tiếp điện bằng cáp đồng trục
Hình 2.7 Mô hình anten vi dải được tiếp điện sử dụng dạng ống dẫn sóng đồng phẳng
Hình 2.8 Anten mảng vi dải
Hình 2.9 Feed nối tiếp
Hình 2.10 Feed song song
Hình 3.1 Điều kiện biên của E và B
Hình 3.2 Những phần tử hữu hạn điển hình: (a) Một chiều, (b) Hai chiều, (c) Ba chiều
Hình 3 .3 (a) Miền nghiệm; (b) Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn của miền nghiệm
Hình 3 .4 Phần tử tam giác điển hình; các nút địa phương đánh số 1-2-3 phải được
thực hiện theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, biểu thị bởi mũi tên
Hình 3.5 Hàm trạng thái và cho một phần tử tam giác
Hình 3.6 Rời rạc hóa miền nghiệm không đồng nhất.
Hình 3.7 Tổng hợp ba phần tử i-j-k tương ứng với cách đánh số địa phương (1-2-3)
của phần tử trong hình 3.4
Hình 3.8 Miền nghiệm đối xứng qua trục
Hình 3.9 (a) Cách chia miền nghiệm thành các phần tử hữu hạn và vô hạn; (b) phần tử
vô hạn điển hình
Hình 3.10 Vật thể phát xạ (hoặc tán xạ) được bao bởi một biên hấp thụ
Hình 3.11 Mô hình mô phỏng
Hình 4.1 Mô hình thu tín hiệu DVB-T khi oto di chuyển
Hình 4.2 Mô hình anten mảng vi dải pha
Hình 4.3 Các kích thước cần tính toán của anten 1
8
Hình 4.4 Hình dạng, kích thước anten 1
Hình 4.5 Hệ số tổn hao ngược của anten 1
Hình 4.6 Đồ thị phương hướng của anten 1 tại tần số 666MHz
Hình 4.7 Hình dạng, kích thước anten 2
Hình 4.8 Feed tiếp điện cho anten 2
Hình 4.9 Hệ số tổn hao ngược của anten 2
Hình 4.10 Đồ thị phương hướng của anten 1 tại tần số 666MHz
9
LỜI NÓI ĐẦU
Truyền hình từ lâu đã trở thành món ăn tinh thần không thể thiếu của mỗi gia
đình. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ truyền hình số với nhiều ưu điểm vượt
trội so với công nghệ truyền hình tương tự đã làm thỏa mãn nhu cầu thông tin giải trí
của đông đảo khán giả. Đặc biệt truyền hình số mặt đất DVB-T có khả năng thu di
động, vì vậy việc chế tạo anten thích hợp để thu tín hiệu DVB-T di động được đặt ra
cho các nhà nghiên cứu
Trong luận văn này đã đề xuất mô hình, tính toán, thiết kế anten mảng vi dải
ứng dụng cho thu truyền hình số di động, sử dụng phần mềm Ansoft HFSS (tính toán
trường điện từ theo phương pháp phần tử hữu hạn) để mô phỏng. Mô hình anten cuối
cùng có băng thông bao chùm dải tần từ 400MHz đến 800MHz, bức xạ đẳng hướng
trong toàn bộ băng tần.
Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo Ts. Đào Ngọc Chiến, người đã trực tiếp
định hướng luận văn, giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình.
Tôi cũng xin cám ơn các bạn trong phòng nghiên cứu và phát triển truyền thông Tầng 6
– Thư viện Điện tử Tạ Quang Bửu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã góp ý và
chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành luận văn của mình.
Hà Nội ngày 20 tháng10 năm 2010
10
Chương 1
Công nghệ truyền hình số
1.1 Giới thiệu
Ra đời vào cuối thập kỷ 90, truyền hình số mặt đất đang ngày càng được chấp
nhận, phát triển rộng rãi và trở thành xu thế không thể thay đổi của truyền hình thế giới
trong tương lai. Tại Việt Nam việc thử nghiệm truyền hình số ở nhiều quy mô khác
nhau được tiến hành khẩn trương trong nhiều năm qua và đã thu được những kết quả
rất quan trọng. Những kết quả thử nghiệm đã giúp Chính phủ quyết định ứng dụng
rộng rãi công nghệ truyền hình số mặt đất DVB-T theo tiêu chuẩn Châu Âu tại Việt
Nam từ tháng 3 năm 2005
Truyền hình số mặt đất có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình analog như:
khả năng chống nhiễu cao, có khả năng phát hiện và sửa lỗi, chất lượng chương trình
trung thực, ít bị ảnh hưởng nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng hình
thường gặp ở truyền hình analog; truyền được nhiều chương trình đồng thời trên một
kênh sóng, điều này giúp cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và tiết kiệm kinh
phí đầu tư, chi phí vận hành...
Đặc điểm của truyền hình số mặt đất:
- Một máy phát số mặt đất có thể phát sóng đồng thời nhiều chương trình truyền hình:
Đây là đặc điểm kỹ thuật ưu việt nhất của truyền hình số, mang lại hiệu quả cao trên
nhiều phương diện: Tiết kiệm kinh phí đầu tư: một máy phát phát được đến 13 chương
trình truyền hình thay việc phải đầu tư nhiều máy phát chỉ cần đầu tư 1 máy, tiết kiệm
cả kinh phí đầu tư các thiết bị phụ trợ và các hệ thống anten, tiết kiệm nhà đặt máy,
Tiết kiệm kinh phí vận hành: tiền điện, nhân công, bảo dưỡng. Tiết kiệm phổ tần số
11
Một kênh tần số 8MHz phát được đến 14 chương trình thay vì 1 chương trình như
truyền hình tương tự.
- Chất lượng hình ảnh và âm thanh trung thực: Tín hiệu thu từ truyền hình số mặt đất
DVB-T cho ra chất lượng hình ảnh có độ sắc nét cao, màu sắc đẹp, âm thanh trong trẻo
như nghe đĩa nhạc CD. Đặc biệt hình ảnh của truyền hình số mặt đất không có các hiện
tượng bóng ma và can nhiễu công nghiệp như trong truyền hình tương tự.
- Điều kiện thu xem thuận lợi: Với công nghệ truyền hình số mặt đất DVB-T, chỉ cần
sử dụng TV và anten thông thường cùng với bộ chuyển đổi Digital/Analog (đầu thu
số).
- Cho phép thu di động, tích hợp các chương trình phát thanh, dữ liệu: Truyền hình số
DVB-T cho phép truyền đồng thời cả tín hiệu truyền hình, phát thanh và các dịch vụ
truyền dữ liệu khác.
- Cho phép tách / ghép chương trình trên cùng một hạ tầng truyền dẫn phát sóng: Khả
năng này của truyền hình số vừa phù hợp với nhu cầu phủ sóng toàn quốc vừa đáp ứng
nhu cầu ghép chương trình truyền hình truyền hình địa phương để phủ sóng trên địa
bàn tỉnh.
- Khả năng thiết lập mạng đơn tần: Với truyền hình số DVB-T có thể thiết lập mạng
phát hình gồm nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng. Các máy phát cách nhau một
khoảng cách cho phép nhất định để hình thành một mạng, gọi là mạng đơn tần.
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T
Trên thế giới có 3 tiêu chuẩn truyền dẫn tín hiệu số mặt đất là DVB-T (Châu
âu), ATSC (Mỹ), ISDB-T(Nhật). Sau đây đi sâu vào tiêu chuẩn DVB-T
Về cấu trúc máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự giống nhau nhưng
điểm khác biệt là phần điều chế. Thế hệ máy phát số DVB-T ra đời đã khắc phục được
12
các nhược điểm của thế hệ máy phát tương tự như khả năng mang nhiều chương trình
trong một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu đa đường và thu di động...
Ghép kênh chương
trình
Mã hóa Video
Mã hóa Audio
Mã hóa dữ liệu
Ghép kênh dòng
truyền tải
1
Bộ chia tín
hiệu
2
n
Nén MPEG-2 hoặc MPEG-4
Ngẫu nhiên
hóa dữ liệu
Mã ngoài
Tráo
ngoài
Mã trong
Ngẫu nhiên
hóa dữ liệu
Mã ngoài
Tráo
ngoài
Mã trong
Tráo
trong
Ánh xạ
Tương thích
khung
Chèn Pilot &
TPS
Khối công suất
OFDM
Khoảng bảo vệ
D/A
Phách lên cao
tần
Khuếch đại
Hình1.1 Sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T
1.2.1 Nguyên lý OFDM
Máy phát số DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM - ghép tần số trực giao có mã
sửa sai như một phương thức điều chế dữ liệu. OFDM là một dạng đặc biệt của hệ
thống điều chế đa sóng mang dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu thành các
13
luồng dữ liệu con lên các sóng mang. Các sóng mang được điều chế với tốc độ bit thấp
và với số lượng sóng mang lớn sẽ mang được luồng dữ liệu có tốc độ bit cao.
Ý tưởng đầu tiên của OFDM xuất phát từ khi xem xét sự suy yếu xảy ra trong
phát sóng các kênh mặt đất. Đáp ứng của kênh không tương đồng với từng dải tần nhỏ
do có nhiều tín hiệu nhận được (tín hiệu chính + tín hiệu phản xạ), nghĩa là sẽ không
còn năng lượng đủ để thu hoặc sẽ thu được nhiều hơn một tín hiệu. Để có thể lập lại
được những dữ liệu đã mất ở bên thu cần mã hóa dữ liệu trước khi phát.
a. Tính trực giao của các sóng mang.
Việc sử dụng số lượng lớn sóng mang tưởng như không có triển vọng lắm trong
thực tế, và không chắc chắn, vì sẽ cần rất nhiều bộ điều chế, giải điều chế và các bộ lọc
đi kèm theo. Và cũng có vẻ như sẽ cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang
này. Nhưng vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được
đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/ TU, với TU là khoảng symbol hữu ích. Đây
chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần
số trực giao. Các thành phần phổ của máy phát số DVB-T (gồm hàng ngàn sóng mang)
chiếm hết dải thông 8MHz .
Hình 1.2 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế
Về mặt toán học, việc trực giao sẽ như sau: sóng mang thứ k được biễu diễn:
14
ψ k (t ) = e jkω
Ut
với
ωU =
τ +TU
∫τ ψ
k
(t )ψ l (t )dt = 0 ,
k
(t )ψ l (t )dt = TU ,
τ +TU
∫τ ψ
2π
TU , và điều kiện trực giao mà sóng mang phải thoả mãn là:
k ≠l
k =l
Về ý nghĩa vật lý: khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không
nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cao tần khác gây
nhiễu.
Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi
vào điểm bằng không của sóng mang khác. Vì các sóng mang được đặt rất gần nhau
nên tổng cộng dải phổ cũng chỉ như ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng được điều
chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng.
Có nhiều nguyên nhân gây ra sự suy giảm tính trực giao và do đó sẽ gây ra
nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI). Chúng có thể là các lỗi xảy ra trong việc lấy
mẫu tần số của máy thu hay phase-noise trong các bộ tạo dao động nội. Tuy nhiên
trong thực tế, những ảnh hưởng này có thể được giữ ở mức giới hạn có thể chấp nhận
được.
b. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang phải sử dụng nhiều mạch điều chế cầu phương và
các bộ lọc nhưng chúng ta đã tránh được điều này dựa trên phép biến đổi FFT. Bản
chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng
15
mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục. Tuỳ thuộc
vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gán cho một tần số sóng
mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định. Nhờ bộ định vị (Mapper) và
điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào
biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Vị trí của mỗi
điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha
của các sóng mang. Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biễu diễn các sóng
mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời
gian rời rạc. Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị
phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng
một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi DA để nhận được
tín hiệu trong băng tần cơ bản.
Quá trình xử lý ở phía thu sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế
phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping)
xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu
đã truyền.
c. Lựa chọn điều chế cơ sở
Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm
sao. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16QAM hay 64QAM mỗi
sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit. Tuy nhiên với công
suất phát cố định, khi có nhiều bit dữ liệu trong một symbol thì các điểm trong chòm
sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần có sự cân đối
giữa tốc độ và mức độ lỗi. Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số liệu đầu
vào được tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở. Mỗi nhóm
bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tương ứng với một điểm
trên biểu đồ chòm sao
16
Im(z)
7 •
•
•
•
•
•
•
•
100000 100010 101010 101000 001000 001010 000010 000000
5 •
•
•
•
•
•
•
•
100001 100011 101011 101001 001001 001011 000011 000001
3 •
•
•
•
•
•
•
•
100101 100111 101111 101101 001101 001111 000111 000101
1 •
•
•
•
•
•
•
•
100100 100110 101110 101100 001100 001110 000110 000100
Im {z}
-7
•
-5
•
-3
•
-1
•
-1 1
•
•
3
•
5
•
7
110100 110110 111110 111100 011100 011110 010110 010100
0000
•
0001
•
0011
•
0010
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
-3
•
•
•
•
•
-5
•
•
•
•
•
-7
•
•
•
•
110101 110111 111111 111101 011101 011111 010111 010101
1000
•
1100
•
0100
•
1001
1011
•
1010
1101
1111
1110
•
•
0101
0111
•
•
•
•
Re {z}
•
110001 110011 111011 111001 011001 011011 010011 010001
110000 110010 111010 111000 011000 011010 010010 010000
0110
•
Hình 1.4 Đồ thị chòm sao 64 QAM
Hình 1.3 Đồ thị chòm sao điều chế 16 QAM
1.2.2 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang
Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame). Cứ 4 khung liên tiếp
tạo thành một siêu khung. Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang
thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát Transmission Parameter Signalling - TPS carriers). Lý do của việc hình thành các siêu
khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte
trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ cấu hình tham số phát, điều này
tránh việc phải chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol
OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng
ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K)
17
Rc(z)
nằm dày đặc trong dải thông 8 MHz (Việt Nam chọn dải thông 8MHz, có nước chọn
7MHz).
Hình 1.5 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)
Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa:
- Các sóng mang dữ liệu (video, audio, ...) được điều chế M-QAM. Số lượng các sóng
mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K.
- Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Các
pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao để
đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha.
- Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131 pilot với
2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. Chúng không có vị trí cố định trong miền
tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8MHz. Bên máy thu khi nhận được các
thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đáp ứng kênh" tốt nhất và
thực hiện việc hiệu chỉnh.
18
- Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều
chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác.
Hình 1.6 Phân bố các Pilot của DVB-T
- Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm
thông số phát được điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chòm sao, chúng nằm trên trục
thực. Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong
chế độ 2K. Các sóng mang TPS này không những có vị trí cố định trên biểu đồ chòm
sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz.
Hình 1.7 Phân bố các Pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao
19
1.2.3 Chèn khoảng thời gian bảo vệ
Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ
có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI).
Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg
trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố
định.
Hình 1.8 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ
Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của
máy thu TU. Như vậy đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo
vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol. Miễn là trễ không vượt quá đoạn
bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và
tiêu chuẩn trực giao được thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo
vệ. Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đường
(multi path) của máy thu. Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phía
phát. Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB: 1/4
TU, 1/8 TU, 1/16 TU và 1/32 TU.
20
Tia tới
Tia phản xạ 1
Tia phản xạ 2
Nhiễu đồng kênh
Tín hiệu thu được
g
Hình 1.9 Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ
Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng
thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ. Thực
chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu
ích, vì vậy, cùng chế độ phát, Tg càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng ít, số lượng
chương trình sẽ giảm. Nhưng Tg càng lớn khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ
xa đến càng hiệu quả. Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao và với thông số
khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T. Các
máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát cùng một kênh sóng, rất thuận lợi cho quy
hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số
1.2.4 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T
Thông thường, thông tin trên một kênh cao tần 8MHz của máy phát DVB-T phụ
thuộc vào tổng vận tốc dòng dữ liệu mà nó có khả năng truyền tải và có thể thấy các
tham số phát như kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) và khoảng
thời gian bảo vệ (Guard interval) sẽ quyết định khả năng này. Bảng 1 thống kê tổng
vận tốc dòng dữ liệu máy phát DVB-T có thể truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67
Mbit/s trên một kênh cao tần 8MHz với các nhóm thông số phát khác nhau.
21
Bảng 1.1 Vận tốc dòng dữ liệu của máy phát hình DVB-T
Kiểu
điều chế
Tỉ lệ
Khoảng bảo vệ
mã
(Trường hợp kênh 8Mhz)
trong
QPSK
16QAM
64QAM
1/4
1/8
1/16
1/32
½
4,98
5,53
5,85
6,03
2/3
6,64
7,37
7,81
8,04
¾
7,46
8,29
8,78
9,05
5/6
8,29
9,22
9,76
10,05
7/8
8,71
9,68
10,25
10,56
½
9,95
11,06
11,71
12,06
2/3
13,27
14,75
15,61
16,09
¾
14,93
16,59
17,56
18,10
5/6
16,59
18,43
19,52
20,11
7/8
17,42
19,35
20,49
21,11
½
14,93
16,59
17,56
18,10
2/3
19,91
22,12
23,42
24,13
¾
22,39
24,88
26,35
27,14
5/6
24,88
27,65
29,27
30,16
22
7/8
26,13
29,03
30,74
31,67
Máy phát số DVB-T còn một thông số nữa là chế độ phát 2K hoặc 8K. Chế độ
phát 2K sử dụng 1705 sóng mang, trong đó có 1512 sóng mang dữ liệu và 193 sóng
mang tham số phát và các pilots. Chế độ phát 8K sử dụng 6817 sóng mang, trong đó có
6048 sóng mang dữ liệu và 769 sóng mang tham số phát và các pilot. Trong chế độ 8K
số lượng sóng mang dữ liệu gấp 4 lần trong chế độ 2K nhưng thời gian để truyền hết số
lượng sóng mang này cũng gấp 4 lần nên tổng vận tốc dòng dữ liệu cũng bằng chế độ
2K.
1.3 Kỹ thuật truyền dẫn DVB-T2
Sự ra đời của tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai hay còn gọi là
DVB-T2 (phục vụ cho việc phát truyền hình HDTV) đã làm tăng đáng kể hiệu quả sử
dụng băng thông. Một trong nhưng thay đổi đổi mặt kỹ thuật là DVB-T2 sử dụng mã
sửa sai LDPC (loại mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp). Thay vì chế độ 2K và 8K trong
DVB-T, DVB-T2 cho phép sử dụng nhiều chế độ biến đổi FFT khác như là 1k, 2k, 4k,
8k, 16k, 32k. Những chế độ biến đổi FFT tốc độ thấp DVB-T2 thiết kế để sự dụng khi
thiết lập mạng đơn tần SFN. Trong DVB-T2, ta có thể sử dụng phương thức điều chế
256-QAM, loại điều chế này cho phép ánh xạ 8 bit lên mỗi chòm sao, tương đương
mỗi sóng mang con chứa được 8 bit thông tin. DVB-T sử dụng một số lượng mào đầu
đầu lớn chiếm 8% dung lượng dành cho các tín hiệu Pilot, nó được sử dụng vào việc
ước lượng kênh truyền và đồng bộ khung. Trong khi đó DVB-T2 có 8 sự khác biệt về
các mẫu tín hiệu Pilot, nó chiếm một dung lượng rất nhỏ trong phần mào đầu do vậy
tiết kiệm được băng thông một cách đáng kể. Sử dụng các bộ mã hóa kết hợp mạnh
hơn LDPC/BCH và kỹ thuật quay chòm sao nhằm tạo nên tính đa dạng trong điều chế
tín hiệu, hỗ trợ việc thu tín hiệu có tỷ lệ mã sửa sai lớn.
23
Bảng 1.2 So sánh các chế độ truyền dẫn của DVB-T và DVB-T2
DVB-T
FEC
DVB-T2
Convolutional Coding + LDPC + BCH 1/2, 3/5, 2/3,
Reed Solomon 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6
3/4, 5/6, 7/8
Modes
QPSK, 16QAM, 64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM,
256QAM
Guard Interval
1/4, 1/8, 1/16, 1/32
1/4, 19/256, 1/8, 19/128,
1/16, 1/32, 1/128
FFT size
2k, 8k
1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k
Scattered Pilots
8% of total
1%, 2%, 4%, 8% of total
Continual Pilots
2.6% of total
0.35% of total
1.4 Tình hình phát triểntruyền hình số mặt đất trên thế giới và Việt Nam
Hiện nay, đang thịnh hành 3 tiêu chuẩn cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất là
DVB-T của châu Âu, ATSC của Mỹ và ISDB-T của Nhật Bản. Số liệu thống kê cho
thấy cho tới nay, trong tổng số 38 nước chọn lựa tiêu chuẩn phát hình số mặt đất, đã có
32 nước chọn tiêu chuẩn DVB-T của châu Âu (chiếm 84%), 5 nước chọn tiêu chuẩn
ATSC của Mỹ (chiếm 13%) và duy nhất Nhật Bản sử dụng công nghệ ISDB-T. Trong
các hệ phát hình số mặt đất, tiêu chuẩn châu Âu DVB-T tỏ ra có nhiều ưu điểm và
được hầu hết các nước trên thế giới chấp nhận.
24
