Đồ án tốt nghiệp điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn dvb t

Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 1.1 SƠ ĐỒ KHỐI Trong kỹ thuật truyền hình tương tự để truyền hình ảnh âm tìn hiệu hình ảnh âm phải điều chế Sau đó, tín hiệu điều chế khuyếch anten xạ không gian Tại điểm thu, tín hiệu giải điều chế khơi phục lại hình ảnh âm ban đầu Về ngun tắc chung truyền hình số khơng khác nhiều so với truyền hình tương tự kỹ thuật hoàn toàn khác Chủ yếu tập trung phần điều chế số máy phát hình thu hình Trong năm gần đây, cơng nghệ truyền hình chuyển sang bước ngoặt Q trình chuyển từ cơng nghệ tương tự số sang công nghệ số Trong số ứng dụng tín hiệu số thay hồn tồn cho tín hiệu tượng thực chức mà tín hiệu tương tự khơng thể thực Tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, đọc, ghi nhiều lần mà khơng giảm chất lượng hình ảnh Tuy nhiên, khơng phải tất trường hợp tín hiệu số đạt hiệu cao so với tín hiệu tương tự Mặc dù vậy, xu hướng chung cho phát triển cơng nghệ truyền hình giới nhằm đạt thống chung hệ thống truyền hình kỹ thuật số có chất lượng cao dễ dàng phân phối kênh thông tin Nguyên lý cấu tạo hệ thống thiết bị truyền hình số đưa hình 1.1 SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVBThiết bị phát Tin hiệu TH tương Biến tưđổi A/DTín hiệu TH số Mã hóa kênh Biến đổi tín hiệu Kênh thơng tin Tín hiệu TH tương tự Biến đổi A/D Tín hiệu Giải mã hóa kênh Biến đổi tín hiệu TH số Thiết bị thu Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Đầu vào thiết bị truyền hình số tiếp nhận tín hiệu truyền hình tượng tự Trong thiết bị mã hóa (biến đổi A/D) tín hiệu biến đổi thành tín hiệu truyền hình số Tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị phát Sau qua kênh thơng tin, tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tins hiệu ngược lại với q trình xử lý tín hiệu phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu tương tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa giải mã tín hiệu truyền hình Mã hóa kênh đảm bảo chống sai xót cho tín hiệu kênh thơng tin, thiết bị mã hóa kênh phối hợp đặc tính tín hiệu số với kênh thơng tin Khi tín hiệu truyền hình số truyền theo kênh thơng tin, thiết bị gọi điều chế giải điều chế Khái niệm mã hóa kênh phổ biến phổ đường thông tin mà số khâu truyền hình số, ví dụ máy ghi hình số, điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia cơng tín hiệu truyền hình số v.v… SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- 1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ 1.2.1 Yêu cầu băng tần Yêu cầu băng tần khác rõ tín hiệu số tín hiệu tương tự Tín hiệu số vốn gắn liền với yêu cấu băng tần rộng Ví dụ, với tín hiệu tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu gấp bốn lần tần số sóng mang màu – hệ NTSC 14,4 MHz, thực mã hóa với mã kí tự dài bit, tốc độ dịng bít 115,2 Mbit/s Độ rộng băng tần khoảng 58 MHz Trong tín hiệu tương tự cần băng tần khoảng 4,25 MHz Nếu có thêm bit sửa lỗi yêu cầu băng tần phải tăng thêm Tuy nhiên, thực tế băng tần không sữ dụng cho tín hiệu hình ảnh ngược lại, với tín hiệu số khã cho phép giảm độ rộng tần số lớn Với kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt lên đến 100:1 hay cao Các tính chất đặc biệt tín hiệu hình ảnh lặp lại, khẵ dự báo làm tăng thêm khẵ giảm băng tần tín hiệu 1.2.2 Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm (S/N) Một ưu điểm lớn tín hiệu số khả chống nhiễu trình xử lý khâu truyền dẫn ghi Nhiễu tạp âm hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỷ lệ S/N toàn hệ thống tổng cộng nguồn nhiễu thành phần gây ra, ln ln nhỏ tỷ lệ S/N khâu có tỷ lệ thấp Với tín hiệu số, nhiễu bit lỗi Nhiễu tín hiệu số khắc phục nhờ mạch sữa lỗi Bằng mạch khơi phục lại dịng bit ban đầu Khi có nhiều lỗi, ảnh hưởng nhiễu làm giảm cách che lỗi Tỷ lệ S/N hệ thống giảm không đổi tỷ lệ lỗi BER (Bit Error Rate) lớn, làm cho mạch sửa lỗi che lỗi tác dụng Khi dịng bít khơng cịn ý nghĩa tin tức Trong đó, với hệ thống tương tự, có nguồn nhiễu lớn tín hiệu sử dụng SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- Tính chất hệ thống số đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hính với chức biên tập phức tạp cần nhiều lần đọc – ghi Vịêc truyền tín hiệu qua nhiều chặng thực thuận lợi với tín hiệu số mà khơng làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình 1.2.3 Méo phi tuyến Tín hiệu số khơng bị ảnh hưởng méo phi tuyến trình ghi truyền Cũng tỷ lệ S/N, tính chất quan trọng việc ghi đọc chương trình nhiều lần, đặc biệt với hệ thống truyền hình nhạy cảm với méo khuyếch đại vi sai hệ NTSC 1.2.4 Chồng phổ (Aliasing) Một tín hiệu số lấy mẫu theo chiều thẳng đứng chiều ngang, nên có khã xẩy chồng phổ hai hướng Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ hai hệ thống số tương tự Độ lớn méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào thành phần tần số vượt tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist Để ngăn ngừa tượng méo chồng phổ theo chiều ngang, sử dụng tần số láy mẫu lớn hai lần thành phần tần số cao hệ thống tương tự 1.2.5 Xử lý tín hiệu Tín hiệu số chuyển đổi xử lý tốt chức mà hệ thống tương tự khơng làm gặp khó khăn Sau biến đổi A/D, tín hiệu cịn lại chuổi số, bit “0” “1”, thao tác công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Khả tăng lên nhờ việc lưu trữ bit nhớ đọc với tốc độ nhanh Các cơng việc tín hiệu số thực dễ dàng là: Sửa lổi gốc thời gian, chuyển đổi tiêu chuẩn, giảm độ rộng băng tần v.v… SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- 1.2.6 Khoảng cách trạm truyền hình đồng kênh Tín hiệu truyền hình số cho phép trạm truyền hình đồng kênh thực khoảng cách gần nhiều so với hệ thống truyền hình tương tư mà khơng bị nhiễu Một phần tín hiệu truyền hình số chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh, phần khả thay xung xóa xung đồng từ mã – nơi mà hệ thống truyền dẫn tương tự gây nhiều lỗi Việc giảm khoảng cách trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, hội cho nhiều trạm phát hình phát chương trình có độ phân giải cao HDTV 1.2.7 Hiệu ứng Ghosts (bóng ma) Hiện tượng xảy hệ thống tương tự tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh hệ thống số giảm tượng truyền hình quảng bá 1.2.8 Ưu điểm truyền hình số Do phát triển nhanh chóng cơng nghệ điện tử với đời vi mạch cỡ lớn, xử lý tín hiệu với tốc độ cao, nhớ có dung lượng lớn bùng nổ công nghệ thông tin năm gần đây, video số, truyền hình số hồn tồn mang tính khả thi bước trở thành thực Cơng nghệ truyền hình số bộc lộ mạnh tuyệt đối so với công nghệ tương tự nhiều lĩnh vực: - Tín hiệu số nhạy cảm với dạng méo sảy đường truyền - Có khã phát lỗi sửa sai (nếu có) -Tính linh hoạt, đa dạng q trình xử lý tín hiệu - Hiệu sử dụng dải thơng cao, có khả truyền nhiều chương trình kênh RF SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- - Tính phân cấp, ví dịng liệu sử dụng để truyền chương trình có độ phân giải cao vài chương trình có độ phân giải tiêu chuẩn - Khả truyền tải nhiều dạng thông tin khác - Tiết kiệm lượng với công suất phát sống, diện tích phủ sóng rộng so với cơng nghệ tương tự - Khóa mã đơn giản - Dễ dàng thích nghi với bước phát triển sang truyền hình độ phân giải cao phát với chất lượng CD tương lai - Thị trường đa dạng, có khả cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khán giả nhiều cá nhân - Chi phí khai thác thấp - Hồn tồn có khả hịa nhập vào xa lộ thơng tin 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VIDEO Số hóa tín hiệu truyền hình thực chất việc biến đổi tín hiệu truyền hình máu tương tự sang số Có hai phương pháp biến đổi là: + Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp + Biến đổi riêng tng tín hiệu video màu thành phần Việc lựa chọn phương pháp biến đổi video phụ thuộc vào nhiều yếu tố yêu cầu khả thuận lợi xử lý tín hiệu yêu cầu truyền dẫn phát sóng … 1.3.1 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 hình 1.2 Tín hiệu video tương tự lấy mẫu (rời rạc hóa) với tần số láy mẫu lần tần số sóng mang màu (4fSC), vào khoảng 17,72 MHz tín hiệu PAL Mỗi SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- mẫu tín hiệu lượng tử hóa 10 bit, cho ta chuỗi số liệu 177 Mbit/s ( trường hợp bit chuổi số liệu có tốc độ 142 Mbit/s) Tín hiệu hình tổng hợp Lọc thơng thấp Lấy mẫu Lượng tử hóa Tín hiệu tổng hợp số Mã hóa Đồng Hình 1.2 Biến đổ AD tín hiệu màu tổng hợp Biến đổi tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm dải tần Nhưng biến đổi tín hiệu video tổng hợp số có nhược điểm tín hiệu tổng hợp tương tự tượng can nhiễu màu chói Tín hiệu tổng hợp gây khó khăn viêc xử lý, tạo kỹ xảo truyền hình v.v… 1.3.2 Tín hiệu video số thành phần Tín hiệu video số thành phần chuyển đổi tín hiệu video tương tự thành phần sang số, quy định theo tiêu chuẩn quốc tế CCIR 601 ( ITU (R) – 601) Tín hiệu video số thành phần quen gọi tiêu chuẩn D-1 tiêu chuẩn 4:2:2.Hình 1.3 minh họa trình chuyển đổi từ tương tự sang số tín hiệu video thành phần Đối với tiêu chuẩn 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 mã hóa 8/10 bit, cho ta tốc độ bit 216/270 Mb/s Lượng tử hgóa 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 dòng số 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, dựng, tạo kỹ xảo v.v… Hơn nữa, chất lượng hình ảnh khơng chịu tác động can nhiễu chói, màu tín hiệu tổng hợp SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB- Với phát triển công nghệ điện tử, chip tốc độ cao đời, cho phép truyền toàn chuỗi video số thành phần nối tiếp dây dẫn Video số nối tiếp có ưu điểm Tín hiệu hình thành phấn Tín hiệu thành phần số EB - EY Lọc thơng thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa EB - EY ER - EY Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa ER - EY EY Lọc thơng thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa EY Đồng Hình 1.3 Biến đổi AD tín hiệu màu thành phần  Không bị nhiễu ký sinh, không méo, tỉ số tín hiệu/tạp âm cao  Chuyển đổi tín hiệu đơn giản  Có thể cài tín hiệu Audio chuổi số liệu video số Như vậy, cần sợi cáp truyền tín hiệu video audio Khâu thiết kế, lắp đặt khai thác thiết bị, nhờ đơn giản thuận tiện nhiều 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 khuyến khích sử dụng Các kỹ thuật phương pháp sử dụng rộng rãi hình thành nên tiêu chuẩn thống cho truyền hình số CHƯƠNG 2: SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVBSỐ HĨA TÍN HIỆU VIDEO VÀ AUDIO 2.1 SỐ HĨA TÍN HIỆU VIDEO 2.1.1 Lấy mẫu tín hiệu video Lấy mẫu tín hiệu video bước thể thể tín hiệu sang số thời điểm lấy mẫu chọn tọa độ điểm Quá trình biến đổi phải tương đương mặt tin tức – có nghĩa tín hiệu sau lấy mẫu phải mang đầy đủ thơng tin tín hiệu video vào Biên độ tín hiệu video lấy mẫu với chu kỳ T, thu chuổi xung hẹp với tần số lấy mẫu tính f sa = 1/T (trong fsa tần số lấy mẫu – T chu kỳ lấy mẫu) Quá trình lấy mẫu tương đương với trình điều biên tín hiệu (f 0) sóng mang có tần số tần số lấy mẫu fsa Quá trình điều biên tạo biên biên Sóng lấy mẫu có dạng hình chữ nhật, phổ bao gồm thành phần tần số lấy mẫu hài hình 2.1 Hình Biên độ 2.1 Phổ f0 fsa-f0 fsa fsa+f0 2fsa-f0 2fsa 2fsa-f0 3fsa-f0 3f0 3fsa+f0 tần số tín hiệu lấy mẫu Thực tế, lấy mẫu tín hiệu video dựa sở định lý Nyquits – Shanaon: “Tín hiệu x(t) liên tục khoảng thời gian có phổ hạn chế cắt ω c hoàn toàn xác định dãy giá trị tức thời lấy cách đoạn T = T sa ≤ 1/2fC Với fC = ωc/2π”.” Hàm xác định khoảng (t0, t0 + Δt) hoàn toàn xác định từ mẫu rời rạct) hoàn toàn xác định từ mẫu rời rạc x(kΔt) hoàn toàn xác định từ mẫu rời rạct) theo biểu thức: SV: Lê xuân Phú Đồ án tốt nghiệp T Điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn DVB X (t )   x(k t ) (sin C (t  k t ) /C (t  k t )) k   Trong đó: k = 0, ±1, ±2… Về mặt tốn học mở rộng phía tần số âm cho trị số âm k Với khoảng lấy mẫu Δt) hoàn toàn xác định từ mẫu rời rạct nhỏ π”./ωc: Δt) hoàn toàn xác định từ mẫu rời rạct ≤ π”./ωc Trong ωc tần số cao phổ hàm x(t) Tín hiệu lấy mẫu chứa tồn lượng thơng tin mang tín hiệu gốc nếu: + Tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức khơng có phần tử có tần số nằm ngồi tần số fc + Tần số lấy mẫu phải lớn hai lần fc tức fsa ≥ 2fc Tín hiệu video có đặc trưng riêng nên việc thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquist, q trình lấy mẫu cịn phải thỏa mãn yêu cầu cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích hệ thống… Q trình phải xác định đượctần số lấy mẫu cấu trúc lấy mẫu nhằm thỏa mãm tiêu chất lượng hình ảnh, tính tương thích hệ thống truyền hình, tốc độ bit thích hợp mạch thực đơn giản 2.1.2 Lượng tử hóa tín hiệu video Bước trình biến đổi A/D lượng tử hóa Trong q trình này, biên độ tín hiệu chia thành mức gọi mức lượng tử Các mẫu có từ q trình lấy mẫu có biên độ mức lượng tử Giá trị lượng tử Q xác định theo biểu thức Q = 2N N số bít biểu diễn mẫu Tín hiệu nhận giá trị xấp xỉ tín hiệu ban đầu nguyên nhân q trình lượng tử hóa xác định giá trị số rời rạc cho mẫu Có hai phương pháp lượng tử lượng tử hóa tuyến tính có bước lượng tử lượng tử hóa phi tuyến có bước lượng tử khác SV: Lê xuân Phú