Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mã hóa và xử lý tín hiệu trong truyền hình số,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Phương pháp mã hóa xử lý tín hiệu truyền hình số Method of coding and signal processing in digital television Nguyễn Văn Hùng, Đinh Nguyễn Ngọc Tân Trường Đại học Giao thông Vận tải – Cơ sở II e-Mail: nguyenhungktvtk50@gmail.com Tóm tắt số nâng cao việc xem truyền hình ngang với Hệ thống truyền hình số sử dụng ngày chất lượng chiếu phim, âm ngang với chất rộng rãi trong sống với chất lượng dịch vụ ngày tốt Để đáp ứng nhu cầu , lượng CD với hàng trăm kênh truyền hình hệ thống truyền hình số sử dụng phương xem nhiều chương trình truyền hình với chất pháp xử lý mã hóa để phù hợp với tín hiệu lượng cao Đối với nhà phát sóng truyền audio video Nội dung trình bày hình, việc chuyển dịch lên mơi trường số làm giảm phương pháp mã hóa xử lý tín hiệu truyền việc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả cung hình số, bao gồm mã chuẩn nén cấp ứng dụng Internet cho thuê bao mở Abstract lĩnh vực mới, hội thương mại Digital television system is using widely in life with Trên năm mươi năm qua, truyền hình sử dụng tín hiệu the quality and better services To meet that demand, tương tự phương tiện truyền dẫn phát digital TV system is using the processing method and sóng, Việc chấm dứt truyền hình tương tự phát encryption to match the audio and video signals The triển truyền hình số địi hỏi phải đầu tư máy thu contents of this article will talk about the methods of hình số, máy phát hình số, thiết bị sản xuất hậu coding and signal processing in digital television, kỳ số cho chương trình truyền hình, Điều dẫn đến including the codes and the compression phải sử dụng mặt số chung, mở Chữ viết tắt A/D Analog to digital converter ADC Analog-Digital Converter CD Compact disk D/A Digital to analog converter DAC Digital-Analog Convert DCT Discrete Cosine Transform JPEG Joint Photographic Experts Group MPEG Moving Picture Experts Group hội cho thị trường dân dụng RLC Run-length and level coding Phần mở đầu nhiều dịch vụ mới, Truyền hình số cho thuê bao Truyền hình số có tốc độ truyền liệu cao, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú người xem truyền hình lướt qua Internet máy thu hình Nhờ có kỹ thuật nén, phát sóng nhiều chương trình truyền hình kênh sóng (truyền hình tương tự phát sóng chương trình /1 kênh sóng) Nội dung Trên giới, nhà điều hành cáp, vệ tinh, mặt Phần I: Phương pháp mã hóa Phương pháp mã hóa tín hiệu đảm bảo thích hợp đất chuyển động đến môi trường số Hầu hết với hệ thống truyền hình số chia theo nhà phân tích công nhgiệp dự báo việc phương pháp: chuyển dịch lên truyền hình số tiến hóa  Giảm tốc độ liệu không tổn thất (evolution) cách mạng (revolution),  Giảm tốc độ liệu có tổn thất làm thay đổi cách sống hàng trăm triệu gia đình giới Các công ty cho hội tụ 1.1 Giảm tốc độ liệu không tổn thất Nén không tổn thất cho phép khôi phục lại thông tin máy tính cá nhân, máy thu hình (TV sets) Internet liệu gốc giãn (ngược lại với nén) Một số phương bắt đầu điều dẫn đến chuyển hóa cực pháp nén khơng tổn hao tiêu biểu đại máy tính, người tiêu dùng, kỷ nguyên 1.1.1 Mã hóa Huffman Các tập tin máy tính lưu dạng kí tự có chiều dài không đổi bits Trong nhiều tập tin, xác suất xuất kí tự nhiều kí tự khác, từ ta thấy dùng vài bit để biểu diễn cho kí tự có xác suất xuất lớn dùng nhiều bit để biểu diễn cho kí tự có xác suất xuất nhỏ tiết kiệm độ dài tập tin cách đáng kể Ví dụ, để mã hố chuỗi sau Sơ đồ khối mã hóa dự đốn có tổn thất khác với mã hóa khơng tổn thất có thêm lượng tử hóa Quá trình lượng tử hóa làm trịn giá trị en tới mức lượng tử gần hiệu nén hệ thống mã hóa sai số ảnh nén ảnh gốc phụ thuộc vào số mức lượng tử sử dụng coder 1.2.2-Mã hóa DCT  "ABRACADABRA"  Nếu mã hoá chuỗi dạng mã nhị phân bit ta có dãy bit sau: 0000100010100100000100011000010010000001000 101001000001 1.1.2 Mã hóa Entropy(Entropy coding) Định lý phát biểu rằng: chữ  Biến đổi DCT: biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosine Transform) DCT biến đổi liệu từ miền không gian sang miền tần số Biến đổi DCT thực phạm vi khối 8×8 mẫu tín hiệu chói Y khối tương ứng tín hiệu hiệu màu (UV IQ) DCT hai chiều: Biến đổi DCT hai chiều (2-D) dùng cho khối ảnh có kích thước 8×8 Q trình biến đổi thuận DCT (Forward DCT) dùng tiêu chuẩn JPEG định nghĩa sau: mã hoá số nhị phân, chiều dài từ mã trung bình, lớn với entropy Người ta định nghĩa entropy là: Trong pi xác suất tin thứ i Giá trị log2(1/pi) hiểu nội dung thông tin đơn vị bit Entropy lượng tin trung bình tin Gọi chiều dài từ trung bình n, định lý xác định công thức sau: n ≥ H 1.2 Giảm tốc độ liệu tổn thất 1.2.3-Giải mã DCT 1.2.1 Phương pháp mã dự đốn có tổn hao H Sơ đồ khối giải mã tín hiệu JPEG H sơ đồ khối mã hóa dự đốn có tổn thất Các bảng đưa tới khối giải mã entropy khối lượng tử ngược Dữ liệu mang tin tức ảnh đưa qua giải mã entropy, giải mã DPCM RLC Các hệ số DC AC sau giải mã sau xếp theo thứ tự để tạo block hệ số DCT giống phía coder 2.1.1.2-Chuẫn nén MPEG Công nghệ nén MPEG kết hợp nén Phần II: phương pháp xử lý tín hiệu ảnh nén liên ảnh Nén ảnh: loại nén nhằm giảm bớt thơng tin dư 2.1 Tín hiệu số Tín hiệu số dạng tín hiệu đặc trưng mức giá thừa miền không gian Nén ảnh sử dụng “0” hay “1” mạch số làm việc với hai mức giảm bợt liệu ảnh giá trị Nén liên ảnh: tính chất tín hiệu video  Chuyển đổi DAC (digital to ananlog có chứa thơng tin dư thừa miền thời gian Điều converter: Đây q trình lấy tín hiệu số (ở có nghĩa với chuỗi liên tục ảnh, lượng dạng nhị phân) chuyển thành tín hiệu analog thơng tin chứa đựng ảnh thay đổi từ với mức điện áp hay dòng điện tỉ lệ với giá ảnh sang ảnh khác Tính tốn chuyển dịch vị trị số ngõ vào trí nội dung hình ảnh phần quan trọng  Chuyển đổi ADC (analog to digital hai q trình có tổn hao khơng có tổn hao để nén liên ảnh converter): Là q trình chuyển đổi tín hiệu Tiêu chuẩn MPEG-1, mục tiêu mã hóa từ tương tự sang số gọi tắt A\D tín hiệu audio video với tốc độ bit 1,5Mbit/s trình ngược D\A, phức tạp Tiêu chuẫn thứ hai MPEG-2 với công cụ mã D\A thời gian chuyển đổi nhiều, dài hóa khác nhau, nhằm lưu trữ ảnh động vào đĩa với dung lượng bit thấp 2.1.1-nén video Tín hiệu video sau số hóa bit có tốc độ 2.1.2 Nén video Các kỹ thuật mã hóa nguồng sử dụng 216Mbit/s Để truyền kênh nhằm làm giảm lượng thông tin dư thừa video, truyền hình thơng thường tín hiệu video số cần phải kỹ thuật che sử dụng cảm nhận âm phép “nén” đảm bảo chất lượng hình loại bỏ phần tín hiệu nghe tạo ảnh nên phương pháp nén dịng tín hiệu audio hệ 2.1.1.1-Chuẫn nén MPEG Tiên chuẩn JPEG dùng cho nén ảnh tĩnh đơn sắc thống chung màu thực bốn mode mã hóa     2.1.2.1 Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 Là hệ thống nén video audio để lưu giữ Mã hóa tuần tự: ảnh mã hóa theo kiểu chương trình với tốc đố 1.5 Mbit/s thành phần audio quét từ trái qua phải, từ xuống dựa theo tiêu chuẩn xác định lớp để mã hóa tín hiệu khối DCT PCM với tần số lấy mẫu 32; 44,1; 48 kHz Mã hóa lũy tiến: ảnh mã hóa kiểu quét phức hợp theo chế độ phân giải không 2.1.2.2-Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 Đây tiêu chuẩn nén mở rộng MPEG-1 gian cho ứng dụng kiểu băng ứng dụng mới, tiêu chuẩn nén MPEG-2 audio có hẹp thời gian truyền dẫn dài thể áp dụng cho nhiều tốc độ khác từ 32 đến Mã hóa khơng tổn thất: ảnh đảm bảo 1066 Kbit/s, với chất lượng âm biến đổi tùy khơi phục xác cho giá trị mẫu theo ứng dụng khung MPEG-2 audio chia làm nguồn Thông tin không cần thiết bị cắt bỏ phần, dịng bit tương thích với chuẩn nên cho hiệu nén thấp so với có MPEG-1 (384 kbit/s cho lớp II) dòng bit mở phương pháp nén có tổn thất rộng với lớp II, tốc độ 64kbit/s cho kênh Mã hóa phân cấp: ảnh mã hóa chế độ audio, q trình mã hóa phối hợp kênh audio phân giải không gian phức hợp, để tạo thành dịng bit có tốc độ 320 kbit/s ảnh có phân giải thấp truy Mã hóa MPEG-2 audio cho phép nén đồng thời xuất hiển thị mà không cần giải nén kênh, tropng có kênh sử dụng tín hiệu audio tần ảnh có độ phân giải khơng gian số thấp, nhằm phục vụ cho chương trình mang cao hiệu ứng âm đặc biệt Để đạt kết trên, lớp tương ứng lựa chọn nhiều chương trình audio, video mở rộng với tính chất khác Tần số lấy mẫu truyền hình độ phân giải cao kèm với âm gỉam nửa mức tần số lấy mẫu  Tài liệu tham khảo chuẩn nén MPEG-1, tức 16; 22,5 24 khz Hoàng Ninh; Hoàng Gia Khánh; Trịnh Duy Kết luận Thăng; Nguyễn Tiên: Giáo trình truyền hình Từ trình bày trên, mã hóa âm chất lượng cao ứng dụng thực tế Mục tiêu xây Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Kim Sách: Truyền hình số & HDTV dựng tiêu chuẩn mã hóa tín hiệu âm để sử Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội, dụng độc lập kèm với hình ảnh, với tốc độ bit 1995 khoảng 64 đến 192Kbit/s Truyền hình số chắn kèm liệu âm có nén với tốc độ bit thấp Sự lựa chọn tiêu chuẩn mã hóa phải dựa nhiều yếu tố, sử dụng loại mã cho phù hợp với tiên chuẩn truyền hình số Một nội dung cần bàn luận nhiều có lẽ Andrew F Inglis: Video Engineering McCraw-Hill Companies, Inc, 1993 Đề tài nghiên cứu sinh viên NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………… Ngày tháng năm 201 ThS Trần Xuân Trường Trang Đề tài nghiên cứu sinh viên LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám đốc Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải-cơ sở II, môn Điện-Điện tử tạo cho chúng em có dịp để nghiên cứu, tìm hiểu trình bày vấn đề khoa học mà chúng em quan tâm Chúng em xin cảm ơn Thầy Ths Trần Xuân Trường người trực tiếp hướng dẫn đề tài nghiên cứu chúng em Nhân dịp này, xin chân thành cảm ơn ơng: Ngơ Thái Trị, Đỗ Hồng Tiến, Vũ Đức Lý, Nguyễn Kim Sách, Hoàng Ninh, Hoàng Gia Khánh, Trịnh Duy Thăng, Nguyễn Tiên; Ông Michael Robin Michel Poulin, Arch C.Luther tác giả tài liệu mà chúng tơi tham khảo q trình nghiên cứu biên soạn Nhóm sinh viên thực Trang Đề tài nghiên cứu sinh viên LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, hệ thống truyền hình số sử dụng rộng rãi dần thay hệ thống tương tự Hệ thống tryền hình số muốn truyền tải tín hiệu với tốc độ cao phải đảm bảo sử dụng loại mã phương pháp thích hợp với hệ thống truyền hình số Để hiểu rõ điều để bổ sung vào tủ sách học tập sinh viên, chúng em tìm hiểu trình bày về: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ” Nội dung bao gồm: Chương 1: Tổng quan tín hiệu số Chương 2: Phương pháp mã hóa cho tín hiệu đảm bảo thích hợp với hệ thống truyền hình số Chương 3: Phương pháp xử lý cho tín hiệu đảm bảo thích hợp với hệ thống truyền hình số Trong trình nghiên cứu, tìm hiểu dù có nhiều cố gắng xong nhóm chúng em khơng tránh khỏi khó khăn, thiếu sót sai lầm Mong nhận ý kiến đóng góp Thầy để nội dung hồn chỉnh Nhóm sinh viên thực Trang Đề tài nghiên cứu sinh viên MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN TÍN HIỆU DIGITAL 1.1- Giới thiệu truyền hình số 1.2- Tiêu chuẩn tryền hình số 1.3- Đặc điểm truyền hình cáp digital CHƯƠNG - PHƯƠNG PHÁP MÃ HĨA CHO CÁC TÍN HIỆU ĐẢM BẢO THÍCH HỢP VỚI CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ 11 2.1- Giảm tốc độ liệu không tổn thất 11 2.1.1- Mã Hóa Huffman 11 2.1.2- Mã hóa Entropy 13 2.2- Giảm tốc độ liệu tổn thất 20 2.2.1- Phương pháp mã dự đoán có tổn hao 21 2.2.2- Mã hóa DCT 22 2.2.3- Giải mã DCT 31 CHƯƠNG - PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHO CÁC TÍN HIỆU ĐẢM BẢO THÍCH HỢP VỚICÁC HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ 32 3.1- Tín hiệu 32 3.1.1- Tín hiệu số 32 3.1.2- Các phương pháp xử lý tín hiệu 32 3.2- Tín hiệu video số 45 3.3- Tín hiệu audio số 47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN 50 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Trang Đề tài nghiên cứu sinh viên CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A/D Analog to digital converter BER Bit Error Rate CATV Community Antena Television CD Compact disk ADC Analog-Digital Converter DAC Digital-Analog Convert DC Digital Compression DCT Discrete Cosine Transform DVB Digital Video Broadcasting END Equivalent Noise Degradation EOB End or Block GOP Group of Picture JPEG Joint Photographic Experts Group MPEG Moving Picture Experts Group RLC Run Length Coding Trang Đề tài nghiên cứu sinh viên CBP:chỉ rõ block mã hóa I B B P B B Ảnh Chuẩn I Dự đốn hai chiều Nhóm ảnh (GOP) N= khoảng cách hai ảnh I Hình 3.1.2.1-2 Cấu trúc ảnh Mpeg  Nguyên lý nén MPEG Cách hoạt động mã hóa phụ thuộc vào loại hình ảnh, mã hóa thời điểm xét Tiêu chuẩn nén MPEG kết hợp nén ảnh nén liên ảnh Dạng thức đầu vào Rec-60 4:2:2 4:2:0 nén liên ảnh trước tạo ảnh khác biệt đầu cộng ảnh sau lại nén ảnh qua bước biến đổi DCT, lượng tử hóa, mã hóa Cuối ảnh trộn với vector chyển động đưa đến khuếch đại đệm thu ảnh nén Trang 37 Đề tài nghiên cứu sinh viên Hình 3.1.2.1-3 Sơ đồ khối q trình mã hóa MPEG Ảnh thứ nhóm phải mã hóa ảnh loại I Trong trường hợp này, sau lấy mẫu lần đầu, tín hiệu video truyền đến block biến đổi DCT cho MB riêng, sau đến block lượng tử hóa entropy Tín hiệu từ lượng tử hóa đưa đến lượng tử hóa ngược, sau lưu vào nhớ ảnh Bộ nhớ ảnh bao gồm ảnh xuất giải mã sau giải mã ảnh truyền loại I Trong trường hợp mã hóa ảnh loại P, mạch nén chuyển động làm việc Trên sở so sánh ảnh xét ảnh nhớ, xác định vecto chuyển động, sau dự báo ảnh Sự chênh lệch ảnh xét dự báo ảnh lại biến đổi DCT, lượng tử hóa mã hóa entropy Cũng trường hợp ảnh loại I, tín hiệu từ lượng tử hóa giải lượng tử hóa biến đổi DCT ngược cộng với dự báo ảnh xét lưu vào nhớ Bằng cách này, lôn nhớ tồn ảnh giống giải mã ảnh xét Trang 38 Đề tài nghiên cứu sinh viên Quá trình giải mã Hình 3.1.2.1-4 Giải mã MPEG Giai đoạn tách mã hóa entropy Sau tách số liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT) khỏi vector chuyển động số liệu giải lượng tử hóa biến đổi DCT ngược trường hợp ảnh loại I bắt đầu nhóm ảnh chuỗi, nhận ảnh đầu hoàn chỉnh cách Nó lưu nhớ ảnh sử dụng ảnh Trong trường hợp ảnh loại P thực giải lượng tử hóa biến đổi DCT ngược với việc sử dụng vector chuyển động lưu vào nhớ ảnh sớm Trên sở đó, xác định dự báo ảnh xét Ta nhận ảnh sau cộng dự báo ảnh kết biến đổi DCT ngược Ảnh lưu vào nhớ để sử dụng chuẩn giải mã ảnh  Với MPEG-2 MP@ML nén tín hiệu truyền hình xuống cịn 3-5Mbit/s, phù hợp đáp ứng tính kinh tế cho phát quảng bá chương trình truyền hình tiêu chuẩn (SDTV) Cịn HDTV sử dụng MPEG-2, MP@ML MPEG-2 4:2:2P@HL  Với MPEG-2 4:2:2P@HL Có tốc độ bit 50Mbit/s đáp ứng hai chuẩn video 4:2:2 4:2:0 Hệ thống có đặc điểm sau Trang 39 Đề tài nghiên cứu sinh viên  Có độ mềm dẻo cao tính khai thác hỗn hợp  Chất lương cao MP@ML  Độ phân giải màu tốt MP@ML  Xử lý hậu kỳ sau nén giải nén  Nén giải nén nhiều lần  Nhóm ảnh nhỏ, thuận tiện cho cơng nghệ dựng hình  Có khả biểu thị tất dịng tích cực tín hiêu video  Có khả biểu thị thơng tin khoảng thời gian xóa mành  Chuẩn nén MPEG-4 MPEG-4 đời 10/1998, dùng cho  Truyền hình số  Các ứng dụng đồ họa tương tác (hai chiều)  Đa phương tiện tương tác hai chiều ba chiều, phân phối nội dung truy cập nội dung  MPEG-4 sử dụng tốc độ (video) thấp: 5-64Kbit/s 3.1.2.2- Nén Audio Các kỹ thuật mã hóa nguồng sử dụng nhằm làm giảm lượng thông tin dư thừa video, Các kỹ thuật che sử dụng cảm nhận âm phép loại bỏ phần tín hiệu khơng thể nghe tạo nên phương pháp nén dịng tín hiệu audio hệ thống chung Các kỹ thuật nén số liệu audio bao gồm  Mã hóa dự đốn miền thời gian: phương pháp sử dụng sai số mẫu liền Thông tin audio biểu diễn truyền dòng bit với tốc độ giảm xuống  Mã biến đổi miền tần số: kỹ thuật sử dụng mẫu audio PCM tuyến tính từ miền thời gian sang dải băng tần khác miền tần số Trang 40 Đề tài nghiên cứu sinh viên  Phương pháp nén không thông tin: phương pháp loại bỏ dư thừa thống kê tồn tín hiệu audio cách dự đốn trước giá trị tín hiệu từ mẫu trước Hệ số nén phương pháp đạt 2:1 cho tín hiệu audio phức tạp Kỹ thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật mã hóa miền thời gian: thuật toán DPCM hay ADPCM, mã hóa entropy sử dụng cho mục đích Hình 3.1.2.2-1 Hệ thống mã hóa điểm động khối số liệu audio Các giá trị nhị phân từ trình biến đổi A/D nhóm thành khối số liệu, miền thời gian (tại đầu A/D) miều tần số (tại đầu biền đỏi DCT) Các giá trị nhị phân khối số liệu cân cho giá trị lớn không vượt qúa giá trị cho phép Hệ số cân chung cho tất giá trị khối  Phương pháp nén có thơng tin Hệ số nén phương pháp đạt từ 2:1 đến 20:1 phụ thuộc vào độ phức tạp q trình mã hóa u cầu chất lượng âm sau giải nén Đây kỹ thuật nén có tính chất cảm thụ Ngun lý chung loại bỏ thành phần khơng cảm thụ tín hiệu audio Bao gồm kỹ thuật: kỹ thuật masking(che) thành phần tín hiệu miền thời gian miền không gian; che lỗi lượng tử hài có gây cảm thụ âm Trang 41 Đề tài nghiên cứu sinh viên cho mức lỗi nhỏ mức che, mã hóa phối hợp ứng dụng cho hệ thống audio nhiều kênh  Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 Là hệ thống nén video audio để lưu giữ chương trình với tốc đố 1.5 Mbit/s Thành phần audio theo tiêu chuẩn xác định lớp để mã hóa tín hiệu PCM với tần số lấy mẫu 32; 44,1; 48 kHz Bộ mã hóa MPEG audio sau Hình 3.1.2.2-2 Cấu trúc mã hóa audio MPEG Hình 3.1.2.2-3 Cấu trúc giải mã audio MPEG Trang 42 Đề tài nghiên cứu sinh viên H ì n h 2 d Dạng dòng số liệu lớp audio MPEG Lớp I ứng với tốc độ 32 đến 448 Kbit/s, sử dụng chủ yếu băng ghi số Lớp II ứng với tốc độ số 32 đến 384 Kbit/s, sử dụng chủ yếu đĩa CD, tiêu chuẩn nén audio số truyền thơng đa phương tiện Lớp III có tốc độ 32 đến 320 Kbit/s thường sử dụng ứng dụng nén với hệ số nén cao mạng ISDN băng hẹp, truyền thông từ xa, đường truyền vệ tinh qua mạng internet  Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 Đây tiêu chuẩn nén mở rộng MPEG-1 ứng dụng mới, tiêu chuẩn nén MPEG-2 audio áp dụng cho nhiều tốc độ khác từ 32 đến 1066 Kbit/s, với chất lượng âm biến đổi tùy theo ứng dụng Khung MPEG-2 audio chia làm phần, dòng bit tương thích với chuẩn MPEG-1 (384 kbit/s cho lớp II) dòng bit mở rộng Với lớp II, tốc độ 64kbit/s cho kênh audio, trình mã hóa phối hợp kênh audio để tạo thành dịng bit có tốc độ 320 kbit/s Trang 43 Đề tài nghiên cứu sinh viên Mã hóa MPEG-2 audio cho phép nén đồng thời kênh, có kênh sử dụng tín hiệu audio tần số thấp, nhằm phục vụ cho chương trình mang hiệu ứng âm đặc biệt Để đạt kết trên, lớp tương ứng mở rộng với tính chất khác Tần số lấy mẫu giảm nửa mức tần số lấy mẫu chuẩn nén MPEG-1, tức 16; 22,5 24 Khz Nén MPEG-2 audio cho khả sử dụng nhiều kênh (tốc độ bit mở rộng kênh lên đến Mbit/s) phục vụ cho ứng dụng tốc độ cao) Các số liệu chèn vào khoảng chứa số liệu phụ cấu trúc khung audio MPEG-2 Ưu điểm hai tiêu chuẩn MPEG  Dòng bit MPEG-1 mở rộng thành dịng MPEG-2 cách dễ dàng  Từ dòng bit MPEG, giải mã MPEG-1 tách tín hiệu mono tín hiệu stereo tín hiệu MPEG-2 cịn lại Trang 44 Đề tài nghiên cứu sinh viên  Trong hệ thống MPEG đồng thời truyền (ngồi tín hiệu audio) nhiều thơng tin phụ, ví dụ thông tin RDS (Radio Date System = Hệ thống lịch đài), lời hát, thông tin loại chương trình, thơng tin fax modem Dịng số liệu phụ thay đổi q trình phát sóng Nó liên kết hai chiều phía phát thu (tương tác) Hệ thống tương tác cho phép thu chương trình riêng mà yêu cầu  MPEG-1 dùng rộng rãi với kỹ thuật chuyên dụng, ví dụ truyền phân phối số, Audio, Multimedia, dựng kinh tế số  Tiêu chuẩn MPEG sử dụng rộng rãi, cho phép phát số mặt đất qua vệ tinh DAB (Digital Audio Broadcasting) DBV cho truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp phát sóng mặt đất kỹ thuật số 3.2- Tín hiệu Video số 3.2.1- Tín hiệu Video số tổng hợp Tín hiệu Video số tổng hợp thực chất chuyển đổi tín hiệu video tương tự tổng hợp sang video số Tín hiệu video tương tự lấy mẫu (rời rạc hóa) với tần số lấy mẫu lần tần số sóng mang màu (4fsc ) vào khoảng 17,72 MHz tín hiệu PAL Mỗi mẫu tín hiệu lượng tử hóa 10 bit, cho ta chuỗi số liệu 177 Mbit/s (trong trường hợp bit, chuỗi số liệu có tốc độ 142 Mbit/s) Tín hiệuVideo tổnghợp analog Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Đồng Mã hóa Tín hiệVideo tổ hợp digital Hình 3-2-1 Biến đổi A/D tín hiệu màu tổng hợp Trang 45 Đề tài nghiên cứu sinh viên Tín hiệu video số tổng hợp có ưu điểm dãi tần Nhưng tín hiệu video tổng hợp số có nhược điểm tín hiệu tổng hợp tương tự tượng can nhiễu chói màu Tín hiệu tổng hợp gây khó khăn việc xử lý, tạo kỹ xảo truyền hình vv 3-2-2 Tín hiệu Video số thành phần Tín hiệu video số thành phần chuyển đổi từ tín hiệu video tương tự thành phần sang số, quy định theo tiêu chuẩn quốc tế CCIR 601 (hoặc ITU (R)–601) Hình minh họa trình chuyển đổi tương tự sang số tín hiệu video thành phần Đối với tiệu chuẩn này, tín hiệu chói lấy mẫu với tần số 13,5 MHz, hai tín hiệu màu lấy mẫu với tần số 6,75 MHz Mỗi mẫu lượng tử hóa 8/10 bit, cho ta tốc độ bit 216/270 Mbps Lượng tử hóa bit cho ta 256 mức 10 bit cho ta 1024 mức với tỉ số tín hiệu tạp âm (S/N) cao Biến đổi tín hiệu video thành phần cho ta dịng số có tốc độ bit cao tín hiệu số tổng hợp Tuy nhiên, dịng tín hiệu thành phần số cho phép xử lý dễ dàng chức Ghi dòng, tạo kỹ xảo v.v…Hơn nữa, chất lượng ảnh khơng chịu ảnh hưởng can nhiễu chói, màu tín hiệu tổng hợp Với phát triển cơng nghệ điện tử, chip có tốc độ cao đời, cho phép truyền toàn chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp dây dẫn Video số nối tiếp có ưu điểm Khơng bị nhiễu ký sinh, khơng méo, tỉ số tín hiệu/ tạp âm cao/ Chuyển đổi tín hiệu đơn giản Có thể cài tín hiệu Audio chuỗi số liệu Video số Như cần sợi cáp truyền tín hiệu audio video Khâu thiết kế, lắp đặt khai thác thiết bị, nhờ đơn giản thuận tiện nhiều Trang 46 Đề tài nghiên cứu sinh viên Tín hiệu Video thành phần analog EB – EY Lọc thơng thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa Tín hiệu Video thành phần digital EB -EY ER – EY Lọc thơng thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa ER –EY Lọc thơng thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa EY EY Đồng Hình 3-2-2 Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần Mặc dù hai phương pháp số hóa tín hiệu tổng hợp thành phần nghiên cứu áp dụng kỹ thuật truyền hình số Tuy nhiên, nhờ tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu thành phần đuợc khuyến khích sử dụng Các kỹ thuật phương sử dụng rộng rãi hình thành nên tiêu chuẩn thống cho truyền hình số 3.3-Tín hiệu audio digital Đầu năm 1980 thiết bị audio số dần chiếm lĩnh thay thiết bị audio tương tự phát sóng sản xuất Với ưu điểm tín hiệu audio số : Độ méo tín hiệu nhỏ cách lý tưởng (0,01%) Dải động âm lớn gần mức tự nhiên (>90 dB) Đáp tuyến tần số phẳng (± 0,5 dB) Việc tìm kiếm liệu nhanh chóng, dễ dàng Độ bền ổn định lâu dài v.v… Trang 47 Đề tài nghiên cứu sinh viên Kết cải thiện chất lượng ghi vàxử lý tín hiệu âm thanh, đồng thời đáp ứng nhu cầu lưu trữ hệ thống sản xuất chương trình máy tính Một tiêu chuẩn audio số đời với liên kết hai Hiệp hội kỹ thuật audio AES (Audio Engineering Society) Hiệp hội truyền truyền hình châu Âu EBU (European Broadcasting Union) xây dựng tảng cho phát triển thiết bị ghi âm thiết studio, nơi tín hiệu xử lý phân phối hồn tồn số Ngồi ra, hạn chế tượng méo tín hiệu âm hai trình biến đổi tương tự – số ngược lại, từ chất lượng tín hiệu âm nâng cao rõ rệt Thiết bị Audio số này, có đặc điểm tín hiệu vào tương tự, dùng thay trực tiếp thiết bị số hoạt động môi trường tương tự Tuy nhiên kỹ thuật sản xuất truyền dẫn có xu hướng tiến tới số hóa tồn phần, tồn q trình ghi, xử lý truyền dẫn làm việc môi trường số Cuối cùng, giao thức cho tồn q trình truyền dẫn, rõ tài liệu tiêu chuẩn AES/EBU, phát triển thừa nhận thiết bị audio số từ phía phát đến phía thu Hai lý cho thấy xử lý tín hiệu âm theo công nghệ số thực cần thiết Chất lượng tái tạo hệ thống audio số không phụ thuộc vào phương tiện mà phụ thuộc vào chất lượng trình chuyển đổi A/D ngược lại Việc chuyển đổi audio sang số mở nhiều hội mà tín hiệu analog khơng đáp ứng Các thông số kỹ thuật đặc trưng ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu Tỉ số tín hiệu tạp âm (S/N) tỉ số mức điện áp hữu ích mức điện áp tạp âm đo dB Dải động kênh truyền dẫn cho biết tỉ lệ mức điện áp cực đại cực tiểu mà không bị ảnh hưởng tạp âm, biểu thi dB Giá trị cực đại phụ thuộc vào khả điều chế hệ thống, giá trị cực tiểu phụ thuộc vào tạp âm toàn kênh Trang 48 Đề tài nghiên cứu sinh viên Tín hiệu truyền thường bị giới hạn dải tần số, tùy thuộc vào chất lượng kênh Trên kênh truyền lý tưởng, tín hiệu đầu phải biến đổi tuyến tính với tín hiệu đầu vào Nếu khơng méo tín hiệu, thường có hai loại méo: méo tuyến tính méo phi tuyến Tín hiệu Audio tương tự truyền qua số thiết bị máy ghi băng từ tính máy quay đĩa phải chịu biến đổi tần số chuyển động học không đồng băng đĩa Hiện nay, mạng thơng tin phát triển audio số cách dễ dàng nhựng khoảng cách không xác định mà không gây tổn hao Phát số (DAB) tận dụng kỹ thuật để loại bỏ can nhiễu, giảm âm, vấn đề thu nhiều đường truyền phát audio tương tự Đồng thời, tận dụng dải thơng cách có hiệu Thiết bị số có chương trình tự tìm lỗi thiết lập sẵn Khi đó, máy lỗi thân khơng cịn cần sử dụng máy tạo dao động để tìm kiếm tín hiệu Do thiết bị số rẻ thiết bị tương tự nhiều Tóm lại, để thiết bị số hịa nhập vào mơi trường tương tự, tín hiệu tương tự cần phải chuyển đổi sang số ngược lại Tín hiệu Audio số thực trở nên hấp dẫn tín hiệu Audio tương tự qua biến đổi (A/D) để tạo thành tín hiệu số có sai lệch không đáng kể, phức tạp trình số hóa giải quyết, định dạng số phù hợp cho ứng dụng truyền dẫn ghi Audio Trang 49 Đề tài nghiên cứu sinh viên KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN Từ trình bày trên, mã hóa âm chất lượng cao ứng dụng thực tế Mục tiêu xây dựng tiêu chuẩn mã hóa tín hiệu âm để sử dụng độc lập kèm với hình ảnh, với tốc độ bit khoảng 64 đến 192Kbit/s Truyền hình số chắn kèm liệu âm có nén với tốc độ bit thấp Sự lựa chọn tiêu chuẩn mã hóa phải dựa nhiều yếu tố, sử dụng loại mã cho phù hợp với tiên chuẩn truyền hình số Một nội dung cần bàn luận nhiều có lẽ lựa chọn nhiều chương trình audio, video truyền hình độ phân giải cao kèm với âm Hiện tại, hệ thống truyền hình số sử dụng phương pháp chuẩn nén trình bày đáp ứng nhu cầu truyền phát liệu, với nội dung chương trình phong phú Tin rằng, tương lai với phát triển công nghệ chất lượng truyền tải truyền hình số nâng cao, để phục vụ nhu cầu không ngừng tăng lên người Trang 50 Đề tài nghiên cứu sinh viên DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Ninh, Hoàng Gia Khánh, Trịnh Duy Thăng, Nguyễn Tiên, Giáo trình truyền hình Nguyễn Kim Sách, (1995), Truyền hình số & HDTV, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Kim Sách (1996), Xử lý ảnh video số, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Ngô Thái Trị (1998), Truyền hình số Michael Robin & Michael Poulin (1998), Digital Television Fundamentals, MsCraw-Hill Companies, Inc Andrew F Inglis (1993), Video Engineering, McCraw-Hill Companies, Inc Jerry C.Whitaker (1993), DTV: The Revolution in Electronic Imaging, McCraw-Hill Companies, Inc Trang 51