SINKRONISASI WAKTU DAN FREKUENSI MULTISTAGE PADA PENERIMA DVB-T TESIS NICO SURANTHA NIM :

Transkripsi

1 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 : PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009 i

2 HALAMAN PENGESAHAN Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Multistage pada penerima DVB- T Oleh: Nico Surantha NIM: Program Studi Teknik Telekomunikasi Institut Teknologi Bandung Menyetujui, Tim Pembimbing 17 Juni 2009 Pembimbing I, Pembimbing II, Dr. Ir. Sugihartono NIP: Trio Adiono, ST., MT., Ph.D NIP: ii

3 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. iii

4 ABSTRAKSI Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Multistage pada penerima DVB-T Oleh:Nico Surantha NIM: 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. iv

5 ABSTRACT Multistage Time and Frequency Synchronization for DVB- T Receiver By:Nico Surantha NIM: 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. v

6 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; temanteman lantai 2 PAU ITB: Feni, Anugrah, Anjas serta teman-teman yang lain di PAU yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir. vi

7 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 vii

8 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 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Metode Penelitian... 3 Bab 2 Dasar Teori TV Digital DVB-T Perkembangan DVB... 6 viii

9 2.2.2 Spesifikasi Sistem DVB-T Struktur Frame DVB OFDM C-OFDM Prinsip dasar OFDM dengan DFT Orthogonalitas Guard Interval Kanal Transmisi Additive White Gaussian Noise Multipath Fading Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi pada penerima DVB-T Permasalahan yang Diakibatkan Kesalahan Estimasi Awal Simbol Permasalahan yang Diakibatkan Carrier Frequency Offset (CFO) Pemanfaatan Struktur DVB OFDM untuk Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Symbol Timing Synchronization Carrier Frequency Offset (CFO) Recovery Bab 3 Perancangan Simulasi Integrasi Pengirim-Penerima DVB-T Pendahuluan Perancangan system integrasi DVB-T Data Generator Mapper-Demapper DVB Frame Adaptation-Extraction ix

10 3.2.4 IFFT-FFT Insert-Remove Cyclic Prefix Equalizer Kanal Transmisi Parameter-parameter Simulasi Bab 4 Perancangan dan Pengujian Desain Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Analisis Metoda Coarse Symbol Timing Synchronization Analisis Metoda FFT Window Selection Method Analisis Metoda Fine Symbol Timing Analisis Metoda Estimasi Coarse Fractional CFO Analisis Metoda Estimasi Integer CFO Analisis Metoda Estimasi Fine Fractional CFO Perancangan Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi di Penerima DVB-T Pengujian Performa Rancangan Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi di Penerima DVB-T Bab 5 Kesimpulan & Saran Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA x

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstelasi Sinyal akibat Modulasi Hirarki... 8 Gambar 2.2 Faktor H=1,2,dan 4 pada Modulasi Hirarki... 9 Gambar 2.3 Struktur Frame DVB OFDM Gambar 2.4 Pengaturan Posisi pada Scattered Pilot Gambar 2.5 Perubahan Sinyal Wideband Menjadi Narrow Band yang Orthogonal pada OFDM Gambar 2.6 Skema Sistem OFDM Gambar 2.7 Perubahan dari Frequency Selective Fading menjadi Flat Fading pada OFDM Gambar 2.8 Sinyal Orthogonal Gambar 2.9 Penyisipan Guard Interval secara Periodik Gambar 2.10 Pemodelan Kanal dengan AWGN Gambar 2.11 Kondisi Multipath Fading Gambar 2.12 Distribusi Rayleigh dan Rician Gambar 2.13 Contoh Multipath Delay Profile (a)an Exponentially Decaying Multipath Delay Profile (b)an i.i.d Multipath Delay Profile Gambar 2.14 Tiga Kemungkinan Penentuan FFT Window Akibat Kesalahan Estimasi Awal Simbol Gambar 2.15 Observasi 2N + L symbol untuk mengamati sifat korelasi dari CP Gambar 2.16 Diagram Fungsional Metoda ML[6] Gambar 2.17 Hasil Korelasi dengan Metoda Simplified ML xi

12 Gambar 2.18 Diagram Fungsional Sistem Simplified ML[7] Gambar 2.19 FFT Window Selection Method Gambar 2.20 Diagram Fungsional Fine Symbol Timing Estimation Gambar 2.21 Estimasi fasa dari hasil korelasi Gambar 2.22 Estimasi Integer CFO Gambar 3.1 Pemodelan Sistem Integrasi Pengirim dan Penerima DVB-T Gambar 3.2 Titik-titik konstelasi untuk tipe modulasi (a).qpsk (b)qam-16 (c)qam Gambar 3.3 Penyisipan CP Gambar 3.4 Equalizer yang Digunakan di Sistem Penerima Gambar 3.5 Interpolasi di domain waktu Gambar 3.6 Susunan Pilot Comb-Type Gambar 3.7 Pilot Averaging Gambar 3.8 Model Kanal Transmisi Gambar 4.1 Kesalahan Estimasi Coarse Symbol Timing di kanal AWGN Gambar 4.2 Kesalahan Estimasi Coarse Symbol Timing di kanal Rician Gambar 4.3 Kesalahan Estimasi Coarse Symbol Timing di kanal Rayleigh Gambar 4.4 (a)tanpa FFT Window Selection Method (b) dengan FFT Window Selection Method Gambar 4.5 BER vs SNR perbanding kinerja dengan dan tanpa FFT Window Selection Gambar 4.6 Skema Sinkronisasi Waktu untuk Simulasi Fine Symbol Timing xii

13 Gambar 4.7 Mean Error estimasi Fine Symbol Timing di kanal AWGN, Rician, Rayleigh Gambar 4.8 MSE estimasi Coarse Fractional CFO di kanal AWGN Gambar 4.9 MSE dari estimasi Coarse Fractional CFO di kanal Rician Gambar 4.10 MSE Estimasi Coarse Fractional CFO di kanal Rayleigh Gambar 4.11 MSE integer CFO Gambar 4.12 MSE dari Estimasi dengan dan tanpa Fine Fractional CFO Recovery di kanal AWGN Gambar 4.13 MSE dari Estimasi dengan dan tanpa Fine Fractional CFO Recovery di kanal Rician Gambar 4.14 MSE dari Estimasi dengan dan tanpa Fine Fractional CFO Recovery di kanal Rayleigh Gambar 4.15 Sistem lengkap Sinkronisasi Waktu dan Frekuensi Gambar 4.16 Kinerja sistem integrasi di kanal AWGN Gambar 4.17 Kinerja Sistem Integrasi di Kanal Rician Gambar 4.18 Kinerja Sistem Sinkronisasi di Kanal Rayleigh Gambar 4.19 Kinerja Sistem Integrasi DVB-T di kanal AWGN untuk berbagai nilai CP Gambar 4.20 Kinerja Sistem Integrasi DVB-T di kanal Rician untuk berbagai nilai CP Gambar 4.21 Kinerja Sistem Integrasi DVB-T di kanal Rayleigh untuk berbagai nilai CP xiii

14 DAFTAR TABEL Tabel 3-1 Posisi Continual Pilot Tabel 3-2 Posisi TPS Tabel 3-3 Multipath Power Delay Profile[1] Tabel 3-4 Parameter Simulasi Tabel 4-1 Parameter Simulasi Coarse Symbol Timing Tabel 4-2 Parameter Simulasi FFT Window Selection Tabel 4-3 Parameter estimasi Fine Timing Tabel 4-4 Parameter Estimasi Coarse CFO Tabel 4-5 Parameter Simulasi Integer CFO Tabel 4-6 Parameter Simulasi Fine Fractional CFO Recovery xiv

15 DAFTAR SINGKATAN ATSC AWGN BER CFO COFDM CP DAB DFT DMB-T DVB DVB-C DVB-H DVB-S EDTV ELG ETSI FEC FFT GI Advanced Television System Commitee Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Carrier Frequency Offset Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Cyclic Prefix Digital Audio Broadcasting Discrete Fourier Transform Digital Multimedia Broadcast-Terresterial Digital Video Broadcasting Digital Video Broadcasting - Cable Digital Video Broadcasting - Handheld Digital Video Broadcasting - Satellite Enhanced- Digital TV European Launching Group European Telecommunications Standards Institute Forward Error Correction Fast Fourier Transform Guard Interval xv

16 HDTV HP ICI IDFT IFFT ISDB-T ISI LOS LP LS ML MSE NLOS NTSC OFDM PAL pds High Definition TV High Priority Inter Carrier Interference Inverse Discrete Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform Integrated Service Digital Broadcasting - Terresterial Inter Symbol Interference Line of Sight Low Priority Least Square Maximum Likelihood Mean Squared Error Non Line of Sight National Television System Commitee Orthogonal Frequency Division Multiplexing Phase Alternating Line power spectral density QAM-16 Quadrature Amplitude Modulation - 16 QAM-64 Quadrature Amplitude Modulation - 64 QPSK SDTV Quadrature Phase Shift Keying Standard Definition TV xvi

17 SECAM T-DMB TPS Séquentiel Couleur avec Mémoire Terresterial Digital Multimedia Broadcasting Transmission Parameter Signalling xvii