pada penerima dvb-t tesis - · pdf fileberbasis ofdm, misalnya dvb-t. sinkronisasi waktu...

17
i SINKRONISASI WAKTU DAN FREKUENSI MULTISTAGE PADA PENERIMA DVB-T TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh NICO SURANTHA NIM : 23207023 PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009

Upload: vothuan

Post on 06-Feb-2018

231 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

i

SINKRONISASI WAKTU DAN FREKUENSI MULTISTAGE

PADA PENERIMA DVB-T

TESIS

Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari

Institut Teknologi Bandung

Oleh

NICO SURANTHA

NIM : 23207023

PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI

SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2009

Page 2: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Multistage pada penerima DVB-

T

Oleh:

Nico Surantha

NIM: 23207023

Program Studi Teknik Telekomunikasi

Institut Teknologi Bandung

Menyetujui,

Tim Pembimbing

17 Juni 2009

Pembimbing I, Pembimbing II,

Dr. Ir. Sugihartono Trio Adiono, ST., MT., Ph.D

NIP: 130528321 NIP:132163103

Page 3: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

iii

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS

Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut

Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta

ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut

Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan

atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan

kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.

Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin

Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.

Page 4: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

iv

ABSTRAKSI

Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Multistage pada

penerima DVB-T

Oleh:Nico Surantha

NIM:23207023

Program Studi Teknik Telekomunikasi ITB

Sinkronisasi waktu dan frekuensi adalah salah satu bagian penting dalam sistem berbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan menyebabkan ISI(Inter Symbol Interference). Sinkronisasi frekuensi berfungsi untuk mengestimasi dan mengkompensasi pergeseran frekuensi carrier dari sinyal yang diterima, yang disebabkan ketidaksesuaian antara frekuensi carrier yang dihasilkan osilator di pengirim dengan penerima. Kesalahan dalam estimasi pergeseran frekuensi carrier akan menyebabkan ICI(Inter Carrier Interference).

Tujuan dari pengerjaan tesis ini adalah untuk merancang desain sinkronisasi waktu dan frekuensi, khususnya untuk penerima DVB-T. Untuk mencapai sinkronisasi waktu dan frekuensi yang presisi, penulis merancang proses sinkronisasi di domain waktu dan frekuensi. Sinkronisasi di domain waktu dilakukan dengan menggunakan CP(Cyclic Prefix) dari struktur frame DVB-T. Sinkronisasi di domain frekuensi dilakukan dengan menggunakan Pilot dari struktur frame DVB-T

Hasil Simulasi menunjukkan bahwa rancangan synchronizer yang dirancang penulis dapat mengestimasi pergeseran frekuensi carrier dengan kesalahan kurang dari 1% dari subcarrier spacing. Estimasi Symbol Timing yang dirancang juga dapat mencegah ISI pada sinyal yang diterima. Rancangan sinkronisasi waktu dan frekuensi ini telah diverifikasi performanya di kanal Gaussian, Rician, dan Rayleigh.

Page 5: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

v

ABSTRACT

Multistage Time and Frequency Synchronization for DVB-

T Receiver

By:Nico Surantha

NIM:23207023

Telecommunication Engineering Study Program

Time-and-frequency synchronization is critical point in OFDM based system such as DVB-T. Time Synchronization is performed to estimate the start of symbol. False in symbol start estimation will cause ISI(Inter Symbol Interference). Frequency Synchronization is performed to estimate and compensate the CFO(Carrier Frequency Offset) of the received signal, which is caused by mismatch between carrier frequency that produced by transmitter and receiver oscillator. False in CFO estimation will cause ICI(Inter Carrier Interference ).

The objective of this final project is to build time-and-frequency synchronizer design, especially for DVB-T receiver. In order to achieve high precision of time and frequency synchronization, We employ synchronization in time and frequency domain. Synchronization in time domain is performed by exploiting the CP(Cyclic Prefix) of DVB-T OFDM frame structure. Synchronization in frequency domain is performed by exploiting the pilot of DVB frame structure.

Simulation results shows that proposed synchronizer can achieve CFO estimation with an error smaller than 1% of subcarrier spacing [8]. The Symbol Timing estimation also avoids ISI in the receiver. The proposed design has also been verified in Gaussian, Rician, and Rayleigh Channel.

Page 6: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

vi

KATA PENGANTAR

Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan anugrah-Nya,

penulis dapat menyelesaikan pendidikan Magister di Program Studi Teknik

Telekomunikasi . Buku ini ditulis sebagai laporan atas Tugas Akhir yang dikerjakan

oleh penulis untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Master di Program

Studi Teknik Telekomunikasi ITB.

Selama mengerjakan tesis ini, penulis mendapat banyak dukungan dari berbagai

pihak. Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah

mendukung penulis sehingga penulis dapat merampungkan tesis ini. Penulis

mengucapkan terima kasih secara khusus kepada:

• Keluarga penulis, Bapak Benar Darius Ginting, Ibu Rahel Barus, dan

saudara-saudara kandung dari penulis: Meltha Ryna Ginting, Shona Meilyna

Ginting, Lorenz Rulyna Ginting yang telah mendukung penulis dalam

menyelesaikan tesis ini.

• Bapak Sugihartono dan Bapak Trio Adiono yang telah membimbing penulis

dalam mengerjakan Tesis

• Bapak Suhartono, Bapak Hendrawan, Bapak Endon Bharata, dan Bapak

Tutun Juhana atas kesediannya menjadi penguji dalam sidang tesis.

• Seluruh dosen dan staf Program Studi Teknik Telekomunikasi ITB , atas

pengetahuan dan kemudahan yang diberikan kepada penulis dalam

menyelesaikan tugas akhir.

• Pihak Laboratorium IC Design PAUME ITB atas fasilitas yang diberikan

kepada penulis dalam mengerjakan tugas akhir.

• Teman-teman tim DVB: Esha, Fatimah, Annisa, Andies, Willy, Fikri; teman-

teman lantai 2 PAU ITB: Feni, Anugrah, Anjas serta teman-teman yang lain

di PAU yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas

akhir.

Page 7: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

vii

• Keluarga di Bandung, Bapak Darwin Ginting dan keluarga, Bapak Martin

Barus dan keluarga besar yang telah mendukung penulis dalam menjalani

masa kuliah.

• Teman-teman di Program Magister Teknik Telekomunikasi 2007 yang telah

memberikan dukungan moril kepada penulis

• Teman-teman Permata GBKP Bandung Pusat yang telah memberikan

keceriaan, selalu mendoakan, dan mendukung penulis secara moril.

Akhir kata, penulis berharap buku ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Bandung, Juni 2009

Nico Surantha

Page 8: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

viii

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................................... ii

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ....................................................................... iii

Abstraksi ..................................................................................................................... iv

Abstract ........................................................................................................................ v

Kata Pengantar ............................................................................................................ vi

DAFTAR ISI ........................................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. xi

DAFTAR TABEL .................................................................................................... xiv

DAFTAR SINGKATAN ........................................................................................... xv

Bab 1 Pendahuluan .................................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang .............................................................................................. 1

1.2 Rumusan Masalah ......................................................................................... 2

1.3 Tujuan Penelitian .......................................................................................... 2

1.4 Batasan Masalah ........................................................................................... 3

1.5 Metode Penelitian ......................................................................................... 3

Bab 2 Dasar Teori ................................................................................................... 5

2.1 TV Digital ..................................................................................................... 5

2.2 DVB-T .......................................................................................................... 6

2.2.1 Perkembangan DVB .............................................................................. 6

Page 9: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

ix

2.2.2 Spesifikasi Sistem DVB-T .................................................................... 7

2.2.3 Struktur Frame DVB OFDM ............................................................... 10

2.3 C-OFDM ..................................................................................................... 11

2.3.1 Prinsip dasar OFDM dengan DFT ....................................................... 12

2.3.2 Orthogonalitas ..................................................................................... 14

2.3.3 Guard Interval ...................................................................................... 15

2.4 Kanal Transmisi .......................................................................................... 16

2.4.1 Additive White Gaussian Noise .......................................................... 16

2.4.2 Multipath Fading ................................................................................. 17

2.5 Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi pada penerima DVB-T ........................ 20

2.5.1 Permasalahan yang Diakibatkan Kesalahan Estimasi Awal Simbol ... 20

2.5.2 Permasalahan yang Diakibatkan Carrier Frequency Offset (CFO) .... 22

2.5.3 Pemanfaatan Struktur DVB OFDM untuk Sinkronisasi Waktu dan

Frekuensi ........................................................................................................... 23

2.5.4 Symbol Timing Synchronization ......................................................... 25

2.5.5 Carrier Frequency Offset (CFO) Recovery ......................................... 31

Bab 3 Perancangan Simulasi Integrasi Pengirim-Penerima DVB-T ..................... 35

3.1 Pendahuluan ................................................................................................ 35

3.2 Perancangan system integrasi DVB-T ........................................................ 35

3.2.1 Data Generator ................................................................................... 36

3.2.2 Mapper-Demapper .............................................................................. 36

3.2.3 DVB Frame Adaptation-Extraction ..................................................... 38

Page 10: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

x

3.2.4 IFFT-FFT ............................................................................................. 40

3.2.5 Insert-Remove Cyclic Prefix ................................................................ 40

3.2.6 Equalizer .............................................................................................. 41

3.2.7 Kanal Transmisi ................................................................................... 44

3.3 Parameter-parameter Simulasi .................................................................... 46

Bab 4 Perancangan dan Pengujian Desain Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi .... 47

4.1 Analisis Metoda Coarse Symbol Timing Synchronization .........................47

4.2 Analisis Metoda FFT Window Selection Method ....................................... 50

4.3 Analisis Metoda Fine Symbol Timing ........................................................ 53

4.4 Analisis Metoda Estimasi Coarse Fractional CFO ................................... 54

4.5 Analisis Metoda Estimasi Integer CFO ...................................................... 57

4.6 Analisis Metoda Estimasi Fine Fractional CFO ........................................ 59

4.7 Perancangan Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi di Penerima DVB-T ...... 62

4.8 Pengujian Performa Rancangan Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi di

Penerima DVB-T ................................................................................................... 63

Bab 5 Kesimpulan & Saran ................................................................................... 68

5.1 Kesimpulan ................................................................................................. 68

5.2 Saran ........................................................................................................... 69

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 71

Page 11: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstelasi Sinyal akibat Modulasi Hirarki .............................................. 8

Gambar 2.2 Faktor α=1,2,dan 4 pada Modulasi Hirarki ............................................. 9

Gambar 2.3 Struktur Frame DVB OFDM ................................................................ 10

Gambar 2.4 Pengaturan Posisi pada Scattered Pilot ................................................. 11

Gambar 2.5 Perubahan Sinyal Wideband Menjadi Narrow Band yang Orthogonal

pada OFDM ............................................................................................................... 12

Gambar 2.6 Skema Sistem OFDM ............................................................................ 13

Gambar 2.7 Perubahan dari Frequency Selective Fading menjadi Flat Fading pada

OFDM ........................................................................................................................ 14

Gambar 2.8 Sinyal Orthogonal .................................................................................. 15

Gambar 2.9 Penyisipan Guard Interval secara Periodik ........................................... 16

Gambar 2.10 Pemodelan Kanal dengan AWGN ....................................................... 17

Gambar 2.11 Kondisi Multipath Fading ................................................................... 18

Gambar 2.12 Distribusi Rayleigh dan Rician ............................................................ 18

Gambar 2.13 Contoh Multipath Delay Profile (a)an Exponentially Decaying

Multipath Delay Profile (b)an i.i.d Multipath Delay Profile ..................................... 19

Gambar 2.14 Tiga Kemungkinan Penentuan FFT Window Akibat Kesalahan

Estimasi Awal Simbol ............................................................................................... 21

Gambar 2.15 Observasi 2N + L symbol untuk mengamati sifat korelasi dari CP .... 24

Gambar 2.16 Diagram Fungsional Metoda ML[6] .................................................... 27

Gambar 2.17 Hasil Korelasi dengan Metoda Simplified ML .................................... 28

Page 12: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xii

Gambar 2.18 Diagram Fungsional Sistem Simplified ML[7] ................................... 28

Gambar 2.19 FFT Window Selection Method ........................................................... 29

Gambar 2.20 Diagram Fungsional Fine Symbol Timing Estimation ......................... 30

Gambar 2.21 Estimasi fasa dari hasil korelasi ........................................................... 32

Gambar 2.22 Estimasi Integer CFO .......................................................................... 33

Gambar 3.1 Pemodelan Sistem Integrasi Pengirim dan Penerima DVB-T ............... 36

Gambar 3.2 Titik-titik konstelasi untuk tipe modulasi (a).QPSK (b)QAM-16

(c)QAM-64 ................................................................................................................ 37

Gambar 3.3 Penyisipan CP ........................................................................................ 40

Gambar 3.4 Equalizer yang Digunakan di Sistem Penerima .................................... 41

Gambar 3.5 Interpolasi di domain waktu .................................................................. 42

Gambar 3.6 Susunan Pilot Comb-Type ..................................................................... 42

Gambar 3.7 Pilot Averaging ...................................................................................... 43

Gambar 3.8 Model Kanal Transmisi ......................................................................... 44

Gambar 4.1 Kesalahan Estimasi Coarse Symbol Timing di kanal AWGN ............... 48

Gambar 4.2 Kesalahan Estimasi Coarse Symbol Timing di kanal Rician ................. 48

Gambar 4.3 Kesalahan Estimasi Coarse Symbol Timing di kanal Rayleigh ............. 49

Gambar 4.4 (a)tanpa FFT Window Selection Method (b) dengan FFT Window

Selection Method ....................................................................................................... 51

Gambar 4.5 BER vs SNR perbanding kinerja dengan dan tanpa FFT Window

Selection .................................................................................................................... 51

Gambar 4.6 Skema Sinkronisasi Waktu untuk Simulasi Fine Symbol Timing ........ 53

Page 13: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xiii

Gambar 4.7 Mean Error estimasi Fine Symbol Timing di kanal AWGN, Rician,

Rayleigh ..................................................................................................................... 53

Gambar 4.8 MSE estimasi Coarse Fractional CFO di kanal AWGN ...................... 55

Gambar 4.9 MSE dari estimasi Coarse Fractional CFO di kanal Rician ................. 56

Gambar 4.10 MSE Estimasi Coarse Fractional CFO di kanal Rayleigh ................. 56

Gambar 4.11 MSE integer CFO ................................................................................ 58

Gambar 4.12 MSE dari Estimasi dengan dan tanpa Fine Fractional CFO Recovery

di kanal AWGN ......................................................................................................... 60

Gambar 4.13 MSE dari Estimasi dengan dan tanpa Fine Fractional CFO Recovery

di kanal Rician ........................................................................................................... 60

Gambar 4.14 MSE dari Estimasi dengan dan tanpa Fine Fractional CFO Recovery

di kanal Rayleigh ....................................................................................................... 61

Gambar 4.15 Sistem lengkap Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi ............................. 62

Gambar 4.16 Kinerja sistem integrasi di kanal AWGN ............................................ 64

Gambar 4.17 Kinerja Sistem Integrasi di Kanal Rician ............................................ 64

Gambar 4.18 Kinerja Sistem Sinkronisasi di Kanal Rayleigh .................................. 65

Gambar 4.19 Kinerja Sistem Integrasi DVB-T di kanal AWGN untuk berbagai nilai

CP .............................................................................................................................. 65

Gambar 4.20 Kinerja Sistem Integrasi DVB-T di kanal Rician untuk berbagai nilai

CP .............................................................................................................................. 66

Gambar 4.21 Kinerja Sistem Integrasi DVB-T di kanal Rayleigh untuk berbagai

nilai CP ...................................................................................................................... 66

Page 14: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 3-1 Posisi Continual Pilot ................................................................................ 39

Tabel 3-2 Posisi TPS ................................................................................................. 39

Tabel 3-3 Multipath Power Delay Profile[1] ............................................................. 46

Tabel 3-4 Parameter Simulasi ................................................................................... 46

Tabel 4-1 Parameter Simulasi Coarse Symbol Timing .............................................. 50

Tabel 4-2 Parameter Simulasi FFT Window Selection ............................................. 52

Tabel 4-3 Parameter estimasi Fine Timing ............................................................... 54

Tabel 4-4 Parameter Estimasi Coarse CFO ............................................................... 57

Tabel 4-5 Parameter Simulasi Integer CFO .............................................................. 59

Tabel 4-6 Parameter Simulasi Fine Fractional CFO Recovery ................................ 62

Page 15: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xv

DAFTAR SINGKATAN

ATSC Advanced Television System Commitee

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

CFO Carrier Frequency Offset

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

CP Cyclic Prefix

DAB Digital Audio Broadcasting

DFT Discrete Fourier Transform

DMB-T Digital Multimedia Broadcast-Terresterial

DVB Digital Video Broadcasting

DVB-C Digital Video Broadcasting - Cable

DVB-H Digital Video Broadcasting - Handheld

DVB-S Digital Video Broadcasting - Satellite

EDTV Enhanced- Digital TV

ELG European Launching Group

ETSI European Telecommunications Standards Institute

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

GI Guard Interval

Page 16: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xvi

HDTV High Definition TV

HP High Priority

ICI Inter Carrier Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISDB-T Integrated Service Digital Broadcasting - Terresterial

ISI Inter Symbol Interference

LOS Line of Sight

LP Low Priority

LS Least Square

ML Maximum Likelihood

MSE Mean Squared Error

NLOS Non Line of Sight

NTSC National Television System Commitee

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAL Phase Alternating Line

pds power spectral density

QAM-16 Quadrature Amplitude Modulation - 16

QAM-64 Quadrature Amplitude Modulation - 64

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

SDTV Standard Definition TV

Page 17: PADA PENERIMA DVB-T TESIS - · PDF fileberbasis OFDM, misalnya DVB-T. Sinkronisasi waktu berfungsi untuk mengestimasi awal dari simbol. Kesalahan dalam mengestimasi awal simbol akan

xvii

SECAM Séquentiel Couleur avec Mémoire

T-DMB Terresterial Digital Multimedia Broadcasting

TPS Transmission Parameter Signalling