TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ Chương 1 của luận văn trình bầy các đặc điểm cơ bản, các vấn đề chủ yếu trong quá trình chuyển đổi tín hiệu Video từ dạng tương tự sang dạng số. 1.1. Giới thiệu Truyền hình đen trắng ra đời từ những năm đầu của thập kỷ XX với nhiều tiêu chuẩn khác nhau: L, M, N, B, G, H, I, D, K. Truyền hình màu với ba hệ: NTSC, PAL, SECAM xuất hiện vào thập kỷ 50 đã tạo nên một bước ngoặt mới trong quá trình phát triển của công nghệ truyền hình. Cả ba hệ đều sử dụng các tín hiệu thành phần là tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu (Y, R-Y, B-Y). Điều khác nhau cơ bản là phương pháp điều chế tín hiệu hiệu màu, tần số sóng mang màu và phương pháp ghép kênh. Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử với sự ra đời của các vi mạch cỡ lớn, các bộ xử lý tín hiệu với tốc độ cao, các bộ nhớ với dung lượng lớn và nhất là sự bùng nổ của công nghệ thông tin trong những năm gần đây, video số, truyền hình số đã hoàn toàn mang tính khả thi và từng bước trở thành hiện thực. Số hoá tín hiệu video thực tế là sự biến đổi tín hiệu video tương tự (Analog) sang dạng số (Digital). Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệ tương tự trên nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên việc chuyển đổi tín hiệu video từ tương tự sang số cũng có nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu. Tín hiệu video, theo tiêu chuẩn OIRT có tần số ≤ 6MHz vì vậy theo tiêu chuẩn Nyquist để đảm bảo chất lượng, tần số lấy mẫu phải lớn hơn 12MHz; với số hoá 8 bít, để truyền tải đầy đủ thông tin một tín hiệu video thành phần có độ phân giải tiêu chuẩn, tốc độ phải lớn hơn 200Mbit/s. Đối với truyền hình độ phân giải cao, tốc độ bit lớn hơn 1Gbit/s. Dung lượng này quá lớn, các kênh truyền hình thông thường không có khả năng truyền tải. Các vấn đề mấu chốt cần xem xét trong quá trình số hoá tín hiệu video bao gồm:  Tần số lấy mẫu  Phương thức lấy mẫu  Tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu (trong trường hợp số hoá tín hiệu thành phần)  Nén tín hiệu video để có thể truyền tín hiệu truyền hình số trên các kênh truyền hình thông thường trong khi vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu theo từng mục đích sử dụng. 1.2. Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền hình số . Sơ đồ khối của một hệ thống truyền hình số có dạng như hình 1.1. Đầu vào của thiết bị sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Trong thiết bị mã hoá (biến đổi AD), tín hiệu hình sẽ được biến đổi thành tín hiệu số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát. Sau đó qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin. Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế. 1.3. Đặc điểm của truyền hình số Đặc điểm của truyền hình số được xem xét thông qua các ưu nhược điểm của nó, vì nó giải thích lý do của việc cần thiết phải thay thế truyền hình Analog sang truyền hình số, những đặc điểm dưới đây chính là tính ưu việt của truyền hình số so với truyền hình tương tự, bao gồm: + Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio (trung tâm truyền hình) mà tỷ số S/N không giảm. Trong truyền hình tương tự thì việc này gây méo tích luỹ (mỗi khâu xử lý đều gây méo). + Thuận lợi cho quá trình ghi, đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng không bị giảm. + Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nhờ máy tính. + Có khả năng lưu tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản và sau đó đọc nó với tốc độ tuỳ ý. + Khả năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ…). + Dễ tạo dạng lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệ truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau. dễ thực hiện những kỹ xảo trong truyền hình. + Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng và không cần điều chỉnh các thiết bị trong khi khai thác. + Có khả năng xử lý nhiều lần đồng thời một số tín hiệu (nhờ ghép kênh phân chia theo thời gian). + Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường. Hiện tượng bóng ma thường xảy ra trong hệ thống truyền hình tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá. + Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ nén có thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất lượng. Từ đó có thể thấy được nhiều chương trình trên một kênh sóng, trong khi truyền hình tương tự mỗi chương trình phải dùng một kênh sóng riêng. + Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm. Do sự phát triển của công nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác này ngày càng phong phú đa dạng và ngày càng mở rộng. Trong đó có sự kết hợp giữa máy thu hình và hệ thống máy tính, truyền hình từ phương tiện thông tin đại chúng trở thành thông tin cá nhân. Tuy nhiên truyền hình số cũng có những nhược điểm đáng quan tâm: + Dải thông của tín hiệu chưa nén tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự. + Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thường phức tạp hơn (phải dùng mạch chuyển đổi số – tương tự). 1.4. Số hoá tín hiệu video 1.4.1. Lấy mẫu tín hiệu Video a. Lựa chọn tần số lấy mẫu Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là lấy mẫu (có nghĩa là rời rạc tín hiệu tương tự theo thời gian). Do đó tần số lấy mẫu là một trong những thông số cơ bản của hệ thống kỹ thuật số. Có nhiều yếu tố quyết định việc lựa chọn tần số lấy mẫu. Tần số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình ảnh nhận được có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền đi với tốc độ bit nhỏ nhất, độ rộng băng tần nhỏ nhất và mạch đơn giản. Để cho việc lấy mẫu không gây méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu thoả mãn định lý lấy mẫu Nyquist - Shannon ƒ sa ≥ 2ƒ max . Trường hợp ƒ sa < 2ƒ max sẽ xảy ra hiện tượng chồng phổ làm xuất hiện các thành phần phụ và xuất hiện méo, ví dụ như hiệu ứng lưới trên màn hình (do các tín hiệu vô ích nằm trong băng tần video), méo sườn xung tín hiệu, làm nhoè biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), các điểm sáng tối nhấp nháy trên màn hình. Trị số f sa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói, tín hiệu màu cơ bản (R, G, B), các tín hiệu hiệu số màu, tín hiệu Video màu tổng hợp. Cuối cùng việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu. * Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp (video composite): Theo định lý lấy mẫu Nyquist - Shannon thì tần số lấy mẫu phải ≥ 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu (sẽ tránh được hiện tượng chồng phổ). Với dải thông video là 6 MHz thì tần số lấy mẫu tối thiểu cho tín hiệu video phải lớn hơn hoặc bằng 12 MHz. Tuy nhiên nếu chọn tần số lấy mẫu ( f sa ) không có quan hệ với tần số sóng mang màu (f sc ) thì có hiện tượng xuyên điều chế giữa f sa và f sc , gây ra méo tín hiệu sau khi khôi phục. Có thể chọn tần số lấy mẫu f sa = 3f sc , tuy nhiên chất lượng không đáp ứng được cho Studio. Tiêu chuẩn tần số lấy mẫu được áp dụng cho video số composite là: f sa = 4f sc . Như vậy tần số lấy mẫu đối với tín hiệu tổng hợp hệ PAL: 4,433 MHz × 4 = 17,7344 MHz Sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao, mỗi mẫu được lượng tử hoá 8 bit hoặc 10 bit sẽ tạo ra dòng bit nối tiếp có tốc độ 141,76 Mbps hoặc 177,2 Mbps. Tín hiệu Video tổng hợp dưới dạng số có chất lượng hạn chế do không thể giải quyết các vấn đề pha tải màu, can nhiễu giữa tín hiệu chói và màu nên không còn được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây. * Lấy mẫu tín hiệu video thành phần (component) Lấy mẫu và mã hoá tín hiệu video thành phần có ưu điểm là loại bỏ được sự phức tạp về tải tần màu và các méo khác mà lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp không thể đạt được. Khuyến nghị 601 của ITU ( ITU-R.BT601/656) đã định nghĩa chuẩn lấy mẫu Video số cho Studio truyền hình của cả hai hệ thống 625 dòng và 525 dòng dựa trên việc số hoá các thành phần Y, C R , C B trong đó C R , C B là các tín hiệu biểu diễn tín hiệu hiệu màu R-Y và B-Y đã qua quá trình chuyển đổi A/D, được biểu diễn chung cho cả PAL và NTSC với C R = 0,71(R-Y) và C B = 0,564(B-Y ). Tần số lấy mẫu tín hiệu chói được chọn chung, bằng bội số nguyên của tần số dòng cho cả hai hệ 625 dòng & 525 dòng. Tần số lấy mẫu của tín hiệu chói Y: f Sa luminance = 858 f h 525 = 864f h 625 = 13,5 MHz. Tần số lấy mẫu tín hiệu màu tuỳ thuộc theo chuẩn lấy mẫu, biểu thị tỷ lệ lấy mẫu giữa các tín hiệu thành phần Y, C R và C B . Cấu trúc lấy mẫu trực giao các tín hiệu Y, C R, C B theo chuẩn lấy mẫu 4:4:4 ; 4:2:2 ; 4:2:0 ; 4:1:1. Cấu trúc này được mô tả ở hình vẽ dưới. [3] Hình 1.2. Các chuẩn lấy mẫu tín hiệu số Trong tiêu chuẩn này, các mẫu được lượng tử và biểu diễn bằng 8 bit hoặc 10 bit/mẫu. Lượng tử hoá 8 bit ta có 256 mức lượng tử và 10 bit là 1024 mức lượng tử, các mức này được qui định khoảng bảo vệ cần thiết phù hợp với từng thành phần tín hiệu video. Tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn lấy mẫu 4: 2: 2 (PAL) Khi lấy mẫu 10 bit: (864 + 432+ 432) × 625 ×25×10 = 270 (Mbit/s) Với hệ PAL 625 dòng: có 576 dòng tích cực, mỗi dòng tín hiệu chói được biểu diễn bằng 720 mẫu ta có tốc độ dòng dữ liệu tích cực theo chuẩn lấy mẫu 4: 2: 2. [3] Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360+ 360) ×576 ×25× 8 = 166 (Mbit/s) Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360+ 360) ×576 ×25×10 = 207 (Mbit/s) Chuẩn 4:2:2 cho chất lượng hình ảnh cao nên được sử dụng là chuẩn trong sản xuất chương trình (Studio), chuẩn 4:1:1 có chất lượng màu kém hơn so với 4:2:2 nhưng có tốc độ bit thấp hơn nên được sử dụng làm các chương trình thời sự, khoa học giáo dục Trong công đoạn phát sóng sử dụng chuẩn 4:2:0, chất lượng hình khi phát sóng tương đương với sử dụng thiết bị Betacam Analog. Tuy nhiên tốc độ bit lớn sẽ đòi hỏi bộ nhớ lớn khi lưu trữ và dải thông rộng khi truyền dẫn. Do đó cần phải nén dòng bit video, tức là cần phải biểu diễn dòng bit video với tốc độ bit thấp hơn mà chất lượng hình ảnh không bị suy giảm hoặc suy giảm ở mức chấp nhận được. b. Cấu trúc lấy mẫu. Để khôi phục chính xác hình ảnh thì tần số lấy mẫu phải là bội của tần số dòng. Khi này, điểm lấy mẫu trên các dòng quét kề nhau sẽ thẳng hàng với nhau và tránh được các méo đường biên gây ra. Như vậy, việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc vào toạ độ các điểm lấy mẫu. Có 3 dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video:  Cấu trúc trực giao.  Cấu trúc “quincunx” mành.  Cấu trúc “quincunx” dòng. 1.4.2. Lượng tử hoá a. Khái niệm Lượng tử hoá là bước tiếp theo trong quá trình biến đổi AD, là quá trình mà biên độ tín hiệu được chia thành các mức- gọi là mức lượng tử, khoảng cách giữa hai mức lượng tử kề nhau được gọi là bước lượng tử. Số giá trị lượng tử Q được xác định theo biểu thức: N Q 2= (2.4) N – là số bit biểu diễn mỗi mẫu. Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu bởi vì tất cả các giá trị nằm trong một mức lượng tử đều có một giá trị như nhau- đó chính là mức lượng tử Q. Biên độ Mức lượng tử Q Q Q Q Q Q n+5n+4n+3n+2n+1n Thời gian T T T T T T T T Q Lỗi lượng tử Các mẫu Hình 1.3: Quá trình lượng tử hoá Quá trình lượng tử hóa gây ra sai số lượng tử, đây là một nguồn nhiễu không thể tránh khỏi trong các hệ thống số, nhiều trường hợp nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác và tin cậy của tín hiệu. Biểu thức sai số lượng tử có dạng là: e q = x - Q(x) trong đó: e q : là sai số lượng tử. x: là giá trị các mẫu tín hiệu trước khi lượng tử. Q(x): là giá trị các mẫu tín hiệu sau khi lượng tử. e q phụ thuộc vào tính thống kê của tín hiệu đầu vào và độ rộng các bước lượng tử. Theo định nghĩa sai số trung bình bình phương (MSE) ta có [ ] xx N i d q dxfxQxMSE i d i )()( 1 2 1 ∑ ∫ = −= + = 12 2 ∆ Trong lượng tử hoá tuyến tính, giả sử các lỗi có phân bố đều [...]... trong truyền hình số người ta thường dùng phương pháp điều chế xung mã vi sai hơn cả 1.6 Phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Truyền hình quảng bá tiết kiệm được bộ nhớ và tiết kiệm kênh truyền Một kênh truyền hình quảng bá truyền thống khi truyền tín hiệu truyền hình số có thể truyền được trên 6 chương trình và mỗi chương trình có thể kèm theo 2 đến 4 đường tiếng Ứng dụng kỹ thuật truyền hình. .. truyền dẫn DVB Sau khi xác định các tiêu chuẩn của phát truyền hình số DVB, do các sự truyền tải Multimedia khác nhau, lĩnh vực ứng dụng khác nhau nên DVB đã được tổ chức và phân chia thành một số hệ thống, cụ thể là hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB-S; hệ thống quảng bá truyền hình số cáp DVB-C (Cable); hệ thống quảng bá truyền hình số vi ba DVB-M (Microwave); hệ thống quảng bá truyền hình. .. hình số mặt đất DVB-T (Terrestrial); hệ thống truyền hình số theo mạng tương tác DVB-I (Interact); hệ thống truyền hình số hệ thống cộng đồng DVB-CS (Community System)… 1.6.1 Hệ thống quảng bá truyền hình số qua cáp DVB-C DVB-C: Hệ thống truyền dẫn qua cáp sử dụng độ rộng kênh truyền 7-8MHz, điều chế QAM với 64 trạng thái, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 38,1 Mb/s Trong mạng truyền hình. .. tinh số A Tivi thụng thường V Hỡnh 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hỡnh số 1.6.3 Hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất DVB-T Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộng kênh 7-8MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s Người ra sử dụng phương pháp điều chế số mã hoá ghép kênh theo tần số trực giao COFDM do sự truyền tải của hệ thống quảng bá truyền hình số trên... 128-QAM; 256-QAM vệ tinh số Mỏy thu Mạng hữu tuyến Bộ giải điều chế số Mỏy phỏt Tớn hiệu từ vệ tinh Mỏy thu vệ tinh số Bộ giải điều chế số Hỡnh 1.5 Sơ đồ khối hệ thống truyền hỡnh số qua c ỏp Hình 1.5 là sơ đồ của hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến Nguồn tín hiệu truyền hình lấy nguồn từ vệ tinh thì cần một máy thu vệ tinh số IRD (Integrated Receiver Coder) để thu các chương trình khác nhau... dùng đầu nối thu CATV ở trước thì mạng truyền hình hữu tuyến có thể được chia thành phương thức truyền tải tương tự và phương thức truyền tải số Trong phương thức truyền tải tương tự thì số đường truyền đạt và số lượng máy thu bằng nhau, do tín hiệu đầu ra của máy thu vệ tinh số IRD là AV cho nên cần phải dùng các bộ điều chế tương tự với các kênh tần khác nhau để truyền tải tín hiệu tới hộ dùng Tớn hiệu... bị Video số cũng như thiết bị truyền dẫn số cần phải có dải thông rất lớn so với trường hợp tín hiệu Video tương tự Trong truyền hình số người ta thường lấy tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu số màu để đánh giá chất lượng hình ảnh ƒsY : ƒsc:R-Y : ƒsc:B-Y 4 : 4 : 4 4 : 2 : chất lượng cao nhất 2 chất lượng cao 4 : 1 : 1 chất lương trung bỡnh 2 : 1 : 1 (dựng cho thoại truyền hỡnh... hình 1.6 Thông tin âm tần và thị tần và các tín hiệu số trước tiên sẽ đi qua bộ nén số MPEG-2 (ENC) tiến hành việc nén biên mã, tín hiệu truyền hình số với tốc độ trên 200Mb/s được nén xuống còn 6Mb/s, dòng số liệu MPEG-2 bị nén nhiều đường sẽ được đưa vào bộ trộn nhiều đường số tiến hành việc trộn, ở ngõ ra sẽ nhận được dòng mã MPEG-2 có tốc độ cao hơn Căn cứ vào yêu cầu, các chương trình truyền hình. .. Tớn hiệu từ vệ tinh thu vệ tinh số Mỏy Bộ trộn nhiều đường Tớn hiệu từ vệ tinh Mỏy thu vệ tinh số AV Bộ mó húa MPEG - 2 AV Bộ điều chế số Bộ nõng tần Bộ mó húa MPEG - 2 VHF UHF Hỡnh 1.8 Sơ đồ khối hệ thống DVB-T Kết luận chương 1 Những nội dung đã trình bày trong chương 1 cho ta cái nhìn tổng thể về các vấn đề của truyền hình số, vai trò của việc lựa chọn tần số lấy mẫu, số bit lượng tử, các loại mã và... chuẩn nén dùng cho truyền hình số: MPEG-1, 2, 3, 4, 7… (Moving Picture Experts Group) Chương trình quảng bá truyền hình số (digital video broadcasting DVB) chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-2, nó có phương thức sửa mã sai; căn cứ vào các chương trình Multimedia, sẽ chọn lựa các phương thức điều chế tương ứng và biên mã của các đường thông tin Hiện nay có ba tiêu chuẩn truyền hình số là DVB (Châu Âu), . phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác. thống truyền dẫn DVB 1.6. Phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Truyền hình quảng bá tiết kiệm được bộ nhớ và tiết kiệm kênh truyền. Một kênh truyền