pada penerima dvb-t tesis - · pdf fileberbasis ofdm, misalnya dvb-t. sinkronisasi waktu...
TRANSCRIPT
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
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
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.
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.
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
xvii
SECAM Séquentiel Couleur avec Mémoire
T-DMB Terresterial Digital Multimedia Broadcasting
TPS Transmission Parameter Signalling