thiết kế mạng truyền hình cáp cho một khu đô thị tại hà nội

Các chương trình có thể thu trực tiếp từ vệ tinh, truyền hình mặt ñất, chương trình radio FM hoặc các chương trình tự sản xuất - Kiểm tra, giám sát: Bao gồm hệ thống monitor ñể kiểm tra

MỤC LỤC

LỜI MỞ ðẦU 6

CHƯƠNG 1: Tổng quan về kỹ thuật truền hình cáp và xử lý tín hiệu truyền hình cáp :

1.1.Tổng quan về kỹ thuật truyền hình cáp 8

1.1.1.Giới thiệu về dịch vụ truyền hình trả tiền 8

1.1.2.MMDS 9

1.1.3.Truyền Hình Cáp 9

1.1.4.Truyền hình qua vệ tinh DTH 10

1.2.Mô hình tổng quát của hệ thống truyền hình cáp 10

1.2.2 Mạng có cấu trúc hoàn toàn cáp ñồng trục (Trunk - Feeder): 12

1.2.3.Mạng kết hợp cáp quang và cáp ñồng trục (HFC- Hybrid Fiber Coaxial) 14

1.2.4 Mạng quang hoá hoàn toàn 17

1.2.5 Băng tần dùng trong hệ thống truyền hình cáp 18

1.3 Xử lý tín hiệu truyền hình cáp 22

1.3.1 Xử lý tín hiệu truyền hình cáp kỹ thuật tương tự 22

1.3.1.1 ðặc ñiểm và hình dạng của tín hiệu Truyền hình ñen trắng 22

1.3.1.2 Phổ tín hiệu hình ñen trắng 25

1.3.1.3 Tín hiệu truyền hình màu 27

1.3.1.4 Kỹ thuật ñiều chế và ghép tín hiệu 27

1.3.2 Xử lý tín hiệu truyền hình cáp kỹ thuật số 27

1.3.2.1 Tín hiệu Truyền hình số 27

1.3.2.2 Số hoá tín hiệu video 28

1.3.2.3.Nén tín hiệu video 30

1.3.2.4 Nén tín hiệu Audio 38

1.3.2.5 Cấu trúc của dòng dữ liệu video MPEG-2: 40

1.3.2.6 Ghép kênh dòng truyền tải nhiều chương trình 45

1.3.3 Mã hoá và ñiều chế tín hiệu Truyền hình cáp kỹ thuật số (DVB-C) 48

1.3.3.1 Mã hoá ngoài (outer coder reed solomon) 50

1.3.3.2 ðiều chế tín hiệu -Ánh xạ byte - biểu trưng trong DVB-C 50

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ TRUYỀN HÌNH CÁP 53

2.1 Cáp ñồng trục 53

2.1.1 Cấu trúc cáp ñồng trục 53

2.1.2 Phân loại cáp ñồng trục 53

2.1.3.Các thông số của cáp ñồng trục: 54

2.1.4.Giới thiệu một số cáp ñồng trục 55

2.2 Cáp quang 58

2.2.1 Cấu trúc sợi quang 58

2.2.2 Các thông số ñặc trưng của sợi quang 59

2.2.3 Các thiết bị ñầu cuối quang 61

2.3 Thiết bị trung tâm (HEAD –END) 61

2.3.1.ðầu thu vệ tinh 62

2.3.2 Các thiết bị ñiều chế và ghép tín hiệu 62

2.3.3 Máy phát quang 64

2.3.4 CMTS và một số thiết bị khác 65

2.4 Thiết bị mạng 65

2.4.1.Node quang 65

2.4.2 Các bộ khuếch ñại ñiện 67

2.4.3.Thiết bị phân nhánh và thiết bị cấp tín hiệu thuê bao 71

CHƯƠNG 3: Thiết kế kỹ thuật mạng truyền hình cáp cho một khu ñô thị: 3.1.Thuyết minh dự án: 76

3.1.1 Giới thiệu công trình 76

3.1.2.Mục tiêu và quy mô công trình 76

3.1.3.Hiện trạng của hệ thống 76

3.2 Nội dung thiết kế kỹ thuật 77

3.2.1.Băng tần hoạt ñộng của hệ thống truyền hình cáp 77

3.2.2.Mô tả mạng cáp 77

3.2.3.Yêu cầu thông số kỹ thuật khuếch ñại 78

3.2.4.Yêu cầu thông số kỹ thuật tại hộp thuê bao: 78

3.2.5.Yêu cầu nguồn cung cấp; 78

3.3 Cơ sở thiết kế và tính toán mạng truyền hình cáp 79

3.3.1 Một số căn cứ: 79

3.3.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật: (Của Việt Nam) 79

3.3.3.Những tiêu chuẩn, ñặc tính kỹ thuật ñể lựa chọn thiết bị 80

3.3.4 Lựa chọn khuếch ñại 86

3.3.5 Các loại Tap và chia tín hiệu 87

3.3.6 Thiết bị chèn nguồn: PI (Power Insert) 89

3.3.7 Các loại Jack 89

3.4.Tiêu chuẩn kỹ thuật khi thiết kế 89

3.4.1 Cách tính mức tín hiệu trong mạng cáp: 90

3.4.2.Tính mức tín hiệu trong hệ thống thiết kế kỹ thuật 91

3.4.3.:Sơ ñồ thiết kế kỹ thuật tổng thể khu ñô thị từ CT1 ÷ CT10 và bản vẽ kỹ thuật tòa nhà CT1 ( Bảng 1 ) 92

3.4.4.Bảng kê vật tư: 92

3.5 Tổ chức thi công 93

3.5.1 Yêu cầu chung: 93

3.5.2 Thi công: 93

3.5.3.Lắp ñặt hệ thống tiếp ñịa: 94

3.6 Một số sự cố thường gặp trong hệ thống mạng cáp và cách khắc phục: 94

3.6.1 Hình ảnh bị nhiễu: 94

3.6.2 Hình ảnh bị nhấp nháy 95

3.6.3 Các kênh không ñồng ñều 95

3.6.4 Hình ảnh bị các vạch xước ngang 95

3.6.5 Có vạch ngang liên tục hết màn hình 95

3.6.6 Mất tín hiệu 96

3.6.7 Bị vằn màu 96

3.6.8 Chất lượng hình ảnh tại thuê bao xấu ñi ñột ngột 96

Kết luận và Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp 97

Tài liệu tham khảo……… 100

NHỮNG CHỮ TIẾNG ANH VIẾT TẮT

1 CATV - Cable Television (Truyền hỡnh cỏp )

2 DTH - Direct To Home( Thu tớn hiệu truyền hỡnh vệ tinh trực tiếp tới gia ủỡnh )

3 DTT - Digital Terrestrial television (Truyền hỡnh mặt ủất kỹ thuật số )

4 DCT - Discrete Cosine Transform (Biến ủổi cosin rời rạc)

5 DPCM - Differential Pulse Code Modulation( ðiều chế xung mó vi sai)

6 MMDS -Multi-point, Multi-channel Distribution ( Truyền hỡnh nhiều kờnh bằng

súng siờu cao tần)

7 MB - Macro Block (Một khối cú kớch thước 64x64 phần tử ảnh )

8 MPEG-2 4: 2: 0 MP @ ML - main profile at high level (nộn chất lượng mức cao)

9 PID - Packet Identification (Gúi nhận dạng )

10 PS -Stream Program (Dũng tớn hiệu chương trỡnh )

11 RLC -Run Length Coding ( Mó cú ủộ dài chạy )

12 TS-Transport Stream (Dũng tớn hiệu truyền tải)

13.VLC- Variable Length Coding (Mó cú ủộ dài biến ủổi )

14 IPTV – Internet Protocol Television ( Truyền hỡnh qua giao thức internet )

15 AGC – Automatic ( Tự ủiều chỉnh hệ số khuếch ủại )

16 BER – Bit Error Rate ( Tỉ số lỗi bớt )

17 CO – Central Office ( Tổng ủài trung tõm )

18 QAM - Synchronous Digital Hierarchy ( Phương thức truyền đồng bộ )

19 DSL - Digital Subscriber Line (Ghép kênh truy nhập đường thuê bao số )

20. DSLAM - DSL Access Multiplexing ( Ghép kênh truy nhập ủường thuờ bao số)

21 HFC - Hybrid Fiber Coaxial ( Mạng kết hợp giữa cỏp quang và cỏp ủồng trục )

LỜI MỞ ðẦU

Những năm gần ñây truyền hình quảng bá không ñáp ứng kịp do tăng nhu cầu thưởng thức các chương trình truyền hình chất lượng cao, nội dung phong phú cũng như sự tiến bộ trong công nghệ, truyền hình cáp ñã tạo những bước phát triển mạnh

mẽ Lợi ích của truyền hình cáp ñối với xã hội như Làm giảm số hộ gia ñình thu sóng truyền hình bằng anten trời, bảo ñảm mỹ quan thành phố và khu dân cư, nâng cao chất lượng hình ảnh, âm thanh; Tăng số kênh phục vụ ñể ñáp ứng nhu cầu, thị hiếu của nhân dân Kết hợp với mạng internet và cung cấp những dịch vụ gia tăng khác

Trong bản Luận án này trình bày thiết kế mạng truyền hình cáp cho một khu ñô thị tại Hà Nội chỉ mang tính mô hình dựa trên một số khu trung cư, nhà tập thể mà tôi

ñã khảo sát chưa ñược thiết kế mạng truyền hình cáp Các số liệu về căn hộ khu trung

cư là giả thiết

Trong phạm vi ñề tài trình bày phương pháp thiết kế theo cấu trúc mạng HFC

và các kiến thức lý thuyết về kỹ thuật truyền hình cáp như mô hình hệ thống , hệ thống thiết bị , phương pháp phân tích tổng hợp mạng Truyền hình cáp , các kiến thức

về ñiều chế , ghép kênh truyền, cung cấp các kiến thức ñể thiết kế mạng truyền hình cáp, bảo dưỡng mạng truyền hình cáp

NHỮNG CĂN CỨ LỰA CHỌN ðỀ TÀI

1 Căn cứ vào khảo sát thực tế trên ñịa bàn Hà Nội ở một số tòa nhà chung cư, tập thể chưa ñược thiết kế mạng truyền hình cáp

2 Căn cứ vào nhu cầu ñược cung cấp thông tin thông qua dịch vụ Truyền hình trả tiền của các ñơn vị, người dân ngày càng phát triển, ñảm bảo mỹ quan thành phố và khu dân cư

3 Căn cứ vào những ưu ñiểm của dịch vụ Truyền hình cáp so với một số dịch vụ khác

- Cung cấp ña kênh

- Mở rộng tích hợp ñược nhiều ứng dụng trên ñường truyền như Internet, IPTV

- Chất lượng tín hiệu tốt, giá thuê bao rẻ

- Tiện lợi trong việc sử dụng

- Giá thành của hệ thống ñược tiết kiệm

Với các căn cứ, lợi ích trên em ñã chọn ñề tài: Thiết kế kỹ thuật mạng truyền hình cáp cho một khu ñô thị tại Hà Nội

Với sự hướng dẫn khoa học của Thầy Giáo: Tiến sỹ - Nguyễn Vĩnh An

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH CÁP VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU

TRUYỀN HÌNH CÁP

1.1.Tổng quan về kỹ thuật truyền hình cáp

1.1.1.Giới thiệu về dịch vụ truyền hình trả tiền

Trong những năm gần ñây sự cạnh tranh trong lĩnh vực dịch vụ truyền thông, truyền hình ở nước ta ñã phát triển rất mạnh, rất nhiều công ty trong nước, nước ngoài

có cùng ngành nghề kinh doanh, dịch vụ tham gia vào thị trường trong nước ñã tạo ra

sự cạnh tranh quyết liệt như dịch vụ internet, truyền số liệu, dịch vụ ñiện thoại viễn thông, truyền hình trả tiền ñồng thời bằng các hình thức gián tiếp và trực tiếp nhiều công ty nước ngoài cũng ñổ vốn rất mạnh vào các lĩnh vực này gây áp lực cạnh tranh ngày càng gay gắt hơn

Lĩnh vực truyền hình trả tiền ở VN ñã bắt ñầu ñược thực hiện từ những năm

1995 ñến nay, bao gồm dịch vụ truyền hình nhiều kênh truyền dẫn bằng sóng siêu cao tần thường gọi là MMDS (Multi-point, Multi-channel Distribution), tiếp ñến là truyền hình cáp (CATV- Cable Television), sau nữa là truyền hình số vệ tinh (DTH- Direct

To Home)

Truyền hình trả tiền dùng kỹ thuật tương tự ñược sử dụng phần lớn qua các phương thức truyền dẫn cáp ñồng trục, ghép lai cáp quang - ñồng trục(HFC), cáp quang, truyền sóng siêu cao tần (MMDS), qua vệ tinh Band C Từ khi kỹ thuật số phát triển thì truyền hình trả tiền vẫn ñồng thời áp dụng những phương thức trên, ngoài ra truyền hình trả tiền còn áp dụng nhiều phương thức khác như truyền hình thu trực tiếp tại nhà qua vệ tinh band Ku (DTH), truyền hình số mặt ñất DTT (Digital Terrestrial television), truyền hình số sử dụng cáp hai sợi ñồng bằng công nghệ DSL Sau ñây là các hệ thống truyền hình trả tiền tại Việt Nam

1.1.2.MMDS

Những năm ựầu do nhu cầu của người dân tham gia dịch vụ này chưa cao, ựiều kiện ựể cung cấp các chương trình quốc tế chưa thuận lợi nên ắt nhà ựầu tư tham gia vào các dịch vụ này do ựó chưa có sự cạnh tranh về truyền hình trả tiền Dịch vụ MMDS sử dụng hệ thống truyền dẫn vô tuyến siêu cao tần ( 2,5 GHZ Ờ 2,7 GHz), kỹ thuật tương tự, ựược phát từ 9 ựến 12 kênh chương trình chủ yếu là phát chuyển trực tiếp các kênh chương trình quốc tế Dịch vụ MMDS tại Hà Nội và TP HCM ựã thu hút ựược khoảng 30 000 thuê bao, trong ựó chủ yếu là thuê bao người nước ngoài sống tại VN, các cơ quan nghiệp vụ, các cán bộ, học sinh , sinh viên nghiên cứu ngoại ngữ hay văn hoá, khoa học nước ngoài mang lại hiệu quả rất cao về cả kinh tế, chắnh trị

và khoa học kỹ thuật Tuy vậy những năm gần ựây hệ thống này ựã xuống cấp nhiều, chất lượng chương trình bị kém ựi, mặt khác vấn ựề nhà cao tầng theo tốc ựộ xây dựng tăng rất nhanh ựã che khuất, cản trở rất nhiều ựến sự thu sóng của các anten thu Dịch

vụ truyền hình trả tiền bằng hệ thống MMDS ựã ựến thời kỳ chuyển ựổi sang các hệ thống khác như truyền hình cáp và DTH có nhiều ưu ựiểm và chất lượng cao hơn

1.1.3.Truyền Hình Cáp

Từ năm 2000 ựến nay số lượng các ựơn vị muốn tham gia vào cung cấp dịch vụ truyền hình cáp ựã tăng vọt ở hầu hết các ựịa phương trên cả nước, nhiều công ty nước ngoài như Trung Quốc, đài Loan, Hàn Quốc cũng ựã và ựang kết hợp với một số công ty trong nước ựể ựầu tư truyền hình cáp trên các thành phố, thị xã tại VN Nhìn chung do nhu cầu xem truyền hình cáp ở các khu vực này tăng nhiều, tạo hiệu quả cho việc ựầu tư rất lớn nên thị trường truyền hình cáp ựang trở nên sôi ựộng trên phạm vi toàn quốc, tắnh ựến nay ựang có khá nhiều nơi ựã có hệ thống truyền hình cáp như : Hải Phòng; Hải Dương; Hà Nội; Hà Nam; Nam định; Nghệ An; đà Nẵng; Nha Trang;

Tp HCM Trong khi có những nơi ựầu tư truyền hình cáp ựạt hiệu quả cao thì cũng

có một số nơi ựang gặp nhiều khó khăn do tắnh toán chưa hết về nhu cầu, về công nghệ, quy mô ựầu tư như: Kinh phắ ựầu tư quá lớn mà số thuê bao lại rất ắt , chất

lượng tắn hiệu thấp, ựặc biệt vấn ựề cung cấp chương trình rất nghèo nàn, không có khả năng thu hút ựược người xem Thậm chắ có nơi ựang có nguy cơ không thể tiếp tục

duy trì ựược nữa

Hiện nay tại Hà nội có 4 nhà cung cấp dịch vụ truyền hình cáp cùng ựồng thời khai thác và cạnh tranh nhau cả về nội dung lẫn chất lượng tắn hiệu truyền hình và các dịch vụ gia tăng khác

1.1.4.Truyền hình qua vệ tinh DTH

Dịch vụ truyền hình trả tiền thu trực tiếp từ vệ tinh (DTH) ựược đài THVN gấp rút triển khai và ựưa vào khai thác ựầu năm 2005 đây sẽ là dịch vụ chiếm ưu thế nhất, nó vừa trực tiếp cung cấp tới từng khách hàng xem truyền hình trên cả nước một cách rất nhanh chóng, ngay cả ựến các vùng sâu, vùng xa, cả biên giới hay hải ựảo xa xôi Hệ thống DTH ựồng thời còn là nguồn cung cấp các chương trình truyền hình cho các hệ thống truyền hình cáp tại các tỉnh, các trạm phát lại truyền hình khác đài THVN ựang ựầu tư mạnh vào khâu SX chương trình truyền hình trong nước, tăng cường các chương trình có nội dung hấp dẫn và thu hút người xem, còn ựối với các chương trình truyền hình quốc tế ựã mua bản quyền sẽ ựược dịch, thuyết minh và phát phụ ựề vào một số kênh chương trình cho phù hợp với yêu cầu của nhân dân, một số khác sẽ thực hiện phát chậm ựể kiểm duyệt

Hiện nay hệ thống DTH của đài truyền hình Việt Nam liên doanh với Pháp có rất nhiều gói kênh chương trình trong và ngoài nước ựa dạng

1.2.Mô hình tổng quát của hệ thống truyền hình cáp

1.2.1 Hệ thống thiết bị truyền hình cáp

Hệ thống thiết bị trung tâm (Master Headend)

Hệ thống thiết bị trung tâm bao gồm các thiết bị như máy thu vệ tinh , máy phát quang , các bộ ñiều chế tín hiệu , CMTS , các Hub và một số thiết bị khác Hệ thống thiết bị trung tâm có nhiệm vụ :

- Cung cấp và quản lý các chương trình truyền hình trên mạng cáp thông qua việc thu các nguồn tín hiệu truyền hình sau ñó qua quá trình xử lý tín hiệu như : chèn quảng cáo, key chữ, mã hoá, ñiều chế tín hiệu và chuyển sang mạng phân phối tín hiệu Các chương trình có thể thu trực tiếp từ vệ tinh, truyền hình mặt ñất, chương trình radio

FM hoặc các chương trình tự sản xuất

- Kiểm tra, giám sát: Bao gồm hệ thống monitor ñể kiểm tra chất lượng cũng như nội dung các chương trình truyền trên mạng cáp, hệ thống chuyển ñổi nguồn tín hiệu , hệ thống ñiều hành toàn bộ hoạt ñộng của trung tâm thu phát và mạng phân phối tín hiệu

-Cung cấp các dịch vụ gia tăng như : Hệ thống cung cấp các dịch vụ internet, truyền số liệu, truyền hình theo yêu cầu

Hệ thống mạng phân phối tín hiệu

Hệ thống mạng phân phối tín hiệu bao gồm các thiết bị : Nốt quang , các bộ khuếch ñại ñiện , các bộ chia trong nhà , ngoài trời, các bộ chèn nguồn và một số các thiết bị khác Hệ thống thiết bị mạng phân phối tín hiệu có nhiệm vụ phân phối , truyền dẫn các tín hiệu truyền hình cũng như các dữ liệu từ trung tâm tới các thuê bao và ngược lại Hệ thống phân phối tín hiệu ñược chia thành 2 phần chính là truyền dẫn bằng phương thức cáp quang và cáp ñồng trục, có thể truyền dẫn ñồng thời hai dạng tín hiệu là analog và digital trên hệ thống

• Hệ thống truyền dẫn cáp quang: ðược thiết kế dưới dạng mạch vòng hoặc mạch hình sao tuỳ thuộc vào yêu cầu ñộ an toàn của hệ thống cũng như phạm vi truyền dẫn tín hiệu Nguồn tín hiệu cần truyền dẫn tại trung tâm sẽ ñược chuyển ñổi từ tín hiệu ñiện sang tín hiệu quang nhờ máy phát quang, sau ñó ñược truyền dẫn trên mạng cáp quang tới các khu vực có nhu cầu Tại ñây, nguồn tín hiệu quang ñược chuyển ñổi sang tín hiệu ñiện nhờ các bộ chuyển ñổi quang ñiện hay gọi là Node quang sau ñó truyền dẫn trên mạng cáp ñồng trục tới các thuê bao

• Hệ thống truyền dẫn cáp ñồng trục: Tín hiệu từ các Node quang sẽ ñược phân phối tới các ñiểm thuê bao nhờ hệ thống cáp ñồng trục, các bộ khuếch ñại tín hiệu RF và các bộ chia tín hiệu ñể phân phối cho các khách hàng Hệ thống truyền dẫn cáp ñồng trục sẽ ñược thiết kế với dung lượng cung cấp tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng dịch vụ của các thuê bao truyền hình cáp

1.2.2 Mạng có cấu trúc hoàn toàn cáp ñồng trục (Trunk - Feeder):

DC

TV

TV TV

TV

AMP

Tap

Tap

Mạng truyền dẫn sử dụng hoàn toàn cáp ñồng trục còn ñược gọi là mạng Feeder Cấu trúc mạng bao gồm cáp chính (Trunk) làm xương sống, các nhánh cáp phụ rẽ ra từ thân cáp chính ñược gọi là cáp nhánh (Feeder) và phần kết nối từ cáp nhánh ñến thuê bao gọi là cáp thuê bao (Drop) ðể chia tín hiệu từ cáp chính ñến các cáp nhánh, người ta sử dụng các bộ chia chính (Splitter) Tín hiệu ñược trích từ cáp nhánh ñể dẫn ñến thuê bao nhờ bộ trích tín hiệu (Tap)

Trunk-Trên ñường ñi của tín hiệu, người ta lắp ñặt các bộ khuếch ñại tại các vị trí thích hợp

ñể bù lại phần tín hiệu bị suy hao

ðể cấp nguồn cho bộ khuếch ñại, người ta sử dụng hai phương pháp là: cấp nguồn trực tiếp và cấp nguồn từ xa Trong phương pháp cấp nguồn trực tiếp, bộ khuếch ñại sử dụng ñiện lấy từ mạng ñiện sở tại Trong phương pháp cấp nguồn từ xa, nguồn cung cấp cho bộ khuếch ñại ñược chèn vào cáp ñồng trục bằng các bộ chèn nguồn sau ñó dẫn ñến bộ khuếch ñại

- Do sử dụng các bộ khuếch ñại ñể bù suy hao nên nhiễu ñường truyền tác ñộng vào tín hiệu cùng với nhiễu nội bộ của bộ khuếch ñại tích tụ lại theo chiều dài ñường truyền dẫn ñến càng xa trung tâm, chất lượng tín hiệu càng giảm

- Theo kinh nghiệm của các nhà ñiều hành mạng cáp, trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch ñại và các thiết bị ghép nguồn cho chúng Các thiết bị này nằm rải rác trên mạng, vì thế việc ñịnh vị, sửa chữa và khắc phục chúng không thể thực hiện nhanh ñược, làm ảnh hưởng ñến chất lượng phục vụ khách hàng

- ðối với mạng hai chiều, các bộ khuếch ñại cần tích hợp phần tử khuếch ñại cho tín hiệu ngược dòng, tức là số phần tử tích cực trên mạng tăng lên dẫn ñến ñộ ổn ñịnh của mạng giảm

ðây là công nghệ của những năm 80 trở về trước và thường chỉ ñược áp dụng ở Trung quốc

1.2.3.Mạng kết hợp cáp quang và cáp ñồng trục (HFC- Hybrid Fiber Coaxial)

Mạng truyền hình cáp hữu tuyến kết hợp cáp quang và cáp ñồng trục Hybrid Fiber Coaxial) sử dụng ñồng thời cáp quang và cáp ñồng trục ñể truyền dẫn tín hiệu Việc truyền tín hiệu ñược chia làm hai giai ñoạn Giai ñoạn 1: tín hiệu ñi từ trung tâm ñến các nút quang sử dụng cáp quang Giai ñoạn 2: tín hiệu ñi từ nút quang ñến thuê bao sử dụng cáp ñồng trục

(HFC-Mạng HFC có thể ñược triển khai theo nhiều cấp ñộ tuỳ theo quy mô của mạng

Hình vẽ: Mạng kết hợp cáp quang và ñồng trục Với quy mô của mạng lớn, có thể sử dụng sơ ñồ hình vòng kín với một hay nhiều tầng (như hình vẽ) Trong sơ ñồ này, mạch vòng thứ nhất ñược gọi là mạng truyền dẫn (Transport Segment), mạch vòng thứ hai ñược gọi là mạng phân phối (Distribution Segment) và mạng từ nút quang ñến thuê bao gọi là mạng truy nhập (Access Segment) ðộ an toàn của mạng ñược tăng lên nhờ cầu trúc hình vòng kín

Ngoài ra, tuỳ theo ñịa hình cụ thể, có thể kết hợp linh hoạt giữa hai sơ ñồ hình sao

và hình tròn kín

Mạng truyền dẫn bao gồm hệ thống cáp quang và các HUB sơ cấp Nhiệm vụ của

nó là truyền dẫn tín hiệu từ Headend ñến các khu vực xa Các HUB sơ cấp có chức năng thu phát tín hiệu quang ñến các nút quang và chuyển tín hiệu quang tới các HUB khác

Mạng phân phối bao gồm hệ thống cáp quang, các HUB thứ cấp và các nút quang (Optical Node) Tại các nút quang, tín hiệu quang từ HUB ñược chuyển thành tín hiệu

RF sau ñó dẫn ñến thuê bao và ngược lại

Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp ñồng trục, các thiết bị chia tách, và các khuếch ñại cao tần, có nhiệm vụ truyền tải tín hiệu cao tần giữa nút quang và thuê bao.Như ñã phân tích trong phần mạng có cấu trúc hoàn toàn cáp ñồng trục, việc sử dụng các phần tử tích cực trong mạng truy nhập có nhiều ñiểm không tốt

Ngày nay, xu hướng trên thế giới ñang chuyển dần sang sử dụng mạng truy nhập thụ ñộng Theo ñó không sử dụng bất cứ phần tử tích cực nào Không sử dụng các bộ khuếch ñại cao tần mà chỉ sử dụng các thiết bị chia tách tín hiệu thụ ñộng Một mạng HFC chỉ sử dụng các phần tử thụ ñộng ñược gọi là mạng HFC thụ ñộng hay HFPC (Hybrid Fiber Passive Coaxal)

Ưu ñiểm

- Sử dụng cáp quang ñể truyền tín hiệu, mạng HFC sẽ có ñược các ưu ñiểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu ñiện từ, chống lão hoá và ăn mòn hoá học tốt

- Với công nghệ sản xuất hiện ñại ngày nay, các sợi quang cho phép truyền các tín hiệu có tần số rất lớn ðây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể ñáp ứng mọi yêu cầu về dải thông ñường truyền mà không một phương tiện truyền dẫn nào khác có thể

có dược

- Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu ñược sử dụng hai bước sóng quang là 1310nm và 1550nm ðây là hai bước sóng có suy hao tín hiệu rất nhỏ: 0,3dB/Km cho bước sóng 1310nm và 0,2dB/Km cho bước sóng 1550nm So sánh với cáp ñồng trục, ở tần số 1GHz, loại có suy hao thấp nhất cũng phải là 43dB/Km ta thấy

ưu ñiểm hơn hẳn của cáp sợi quang

- Tín hiệu truyền trên sợi quang là tín hiệu quang vì vậy không bị ảnh hưởng của các nhiễu ñiện từ từ môi trường, dẫn ñến ñảm bảo ñược chất lượng tín hiệu trên ñường truyền

- ðược chế tạo từ các chất trung tính là plastic và thuỷ tinh, cáp sợi quang là các vật liệu không bị ăn mòn và vì thế tuổi thọ của sợi quang cao

- Do không sử dụng các bộ khuếch ñại tín hiệu mà hoàn toàn chỉ sử dụng các thiết bị thụ ñộng nên tín hiệu ñến thuê bao sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu tích tụ ở các bộ khuếch ñại và như thế nâng cao ñược chất lượng tín hiệu ñến thuê bao

- Các sự cố mạng sẽ giảm nhiều khi sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ ñộng từ ñó nâng cao ñộ ổn ñịnh và chất lượng phục vụ của mạng

- Giảm ñược nhiều chi phí từ việc không sử dụng các thiết bị tích cực như chi phí nguồn cung cấp, bộ chèn nguồn, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa

1.2.4 Mạng quang hoá hoàn toàn

Một mạng truyền dẫn ñược quang hoá hoàn toàn từ nhà cung cấp dịch vụ ñến tận các thuê bao là ước mơ của mọi nhà cung cấp dịch vụ truyền hình cũng như viễn thông nhờ ưu ñiểm tuyệt vời của cáp quang Tuy nhiên, việc triển khai một mạng quang hoàn toàn tại thời ñiểm hiện nay gặp một số nhược ñiểm sau:

- Một ñiều quan trọng nữa là hiện nay các thiết bị ñầu cuối truyền hình cáp tại thuê bao hoàn toàn không có ñầu vào quang, vì vậy muốn thu ñược chương trình cần phi có thiết bị thu quang và chuyển ñổi quang sang tín hiệu RF ðây là trở ngại lớn vì thiết bị này chưa có sẵn trong dân dụng và giá thành rất cao

- Khi so sánh giữa phương án sử dụng cáp ñồng trục hoàn toàn với phương án sử dụng kết hợp cáp quang và cáp ñồng trục cho thấy với quy mô mạng còn nhỏ, có dung lượng khoảng từ 5000 thuê bao trở lại thì cáp ñồng trục hoàn toàn sẽ có chi phí thấp hơn và vẫn ñảm bảo chất lượng Mạng có quy mô lớn từ 10000 thuê bao trở lên thì sử dụng mạng kết hợp HFC giá thành thấp hơn và chất lượng tín hiệu sẽ tốt hơn, quy mô mạng càng lớn thì phương án mạng HFC sẽ càng hiệu quả

1.2.5 Băng tần dùng trong hệ thống truyền hình cáp

Dải tần sử dụng trong truyền hình cáp khoảng từ 5-862 MHz Trong ñó dải tần

từ 5-65 MHz ñược dùng cho chiều ngược (upstream) - từ khách hàng ñến nhà cung cấp dịch vụ TH cáp và dải tần từ 87-862 MHz ñược dùng cho chiều ñi (downstream- từ nhà cung cấp dịch vụ TH cáp ñến khách hàng ðường ñi và về trên thực tế là ñược truyền trên cùng một sợi cáp theo hai hướng: từ HE/Hub ñến thuê bao và từ thuê bao ngược trở lại HE/Hub Tín hiệu ñường ñi (downstream) mang thông tin từ HE /HUB ñến thuê bao như tín hiệu video, thoại, dữ liệu Internet ðường ngược (Upstream) mang thông tin từ thuê bao ñến HE/HUB như tín hiệu từ các bộ STB, modem Vì vậy mạng HFC ñược cấu trúc không ñối xứng (non-symmetrical), có nghĩa là một hướng

sẽ mang dung lượng nhiều hơn hướng kia

Tần số Tiếng (MHZ)

Tên chương trình VCTV

Chương trình MMDS

1.3.1 Xử lý tín hiệu truyền hình cáp kỹ thuật tương tự

1.3.1.1 ðặc ñiểm và hình dạng của tín hiệu Truyền hình ñen trắng

Tín hiệu truyền hình ñen trắng bao gồm tín hiệu hình ảnh ñen trắng , các xung ñồng bộ chung, các xung tắt , các tín hiệu dùng cho ño lường , tín hiệu âm thanh Tín hiệu hình là ñơn cực tính bởi vì ñộ chói có giá trị dương , biến ñổi từ không ñến

giá trị cực ñại và do ñó tín hiệu hình tương ứng cũng có một cực tính hoặc là dương hoăc là âm Nếu ứng với ñiểm trắng của ảnh tín hiệu có ñiện áp lớn nhất ,ứng với ñiểm ñen tín hiệu có ñiện áp nhỏ nhất thì gọi là tín hiệu cực tính dương Nếu ngược lại thì gọi là tín hiệu có cực tính âm nói một cách khác tín hiệu hình có chứa thành phần một chiều ( giá trị trung bình ) Trị trung bình của tín hiệu ñối với mỗi dòng tỷ lệ với

ñộ chói trung bình của dòng tín hiệu ñó, trị trung bình của tín hiệu ñối với mỗi ảnh tỷ

lệ với ñộ chói trung bình của ảnh ñó , ñối với ảnh ñứng yên thì ñộ chói trung bình không thay ñổi do ñó trị trung bình của tín hiệu không thay ñổi ðối với ảnh ñộng hay chuyển từ cảnh này sang cảnh khác ñộ chói trung bình của ảnh luôn thay ñổi nhưng tốc

ñộ biến ñổi rất chậm do ñó thành phần một chiều biển ñổi rất chậm khoảng từ 2- 3Hz Thành phần một chiều còn gọi là thành phần biến ñổi chậm Tín hiệu hình là tín hiệu ñơn cực tính , có tính chất như tín hiệu xung , nên khi ño lường không ño theo trị số hiệu dụng mà ño mức cực ñại và cực tiểu Có thể nói tín hiệu hình là tín hiệu không có chu kỳ , chỉ trong trường hợp ñặc biệt khi truyền ảnh không di ñộng thì tín hiệu có chu

kỳ, khi truyền các sọc thẳng ñứng bất ñộng thì chu kì của ảnh chính bằng chu kỳ dòng

Trong quá trình chuyển ñổi , tín hiệu bị ngắt quãng qua mỗi dòng Tia ñiện tử làm nhiệm vụ chuyển ñổi ảnh quang thành tín hiệu ñiện quét lên bia thành từng dòng , khi hết một dòng tia ñiện tử trở lại ñầu dòng ñể quét dòng tiếp theo Mỗi chu kỳ quét ñược chia thành hai phần - quét thuận và quét ngược Thời gian quét thuận chiếm khoảng 800/0 Thời gian quét thuận là thời gian mang thông tin về ảnh còn thời gian quét ngược là thời gian không mang thông tin về ảnh , vì vậy trong thời gian quét ngược người ta truyền xung thông tin tắt dòng (xung tắt dòng) hình 2.1 : Trong ñó

Td là chu kì của một dòng quét

Tdth là thời gian quét thuận của một dòng quét

Ta là chu kì của một ảnh

Tang là thời gian quét ngược của ảnh

Tdth là thời gian quét thuận của một dòng quét

Ta là chu kì của một ảnh

Tang là thời gian quét ngược của ảnh

Cũng tương tự như vậy ñối với ảnh khi tia ñiện tử quét hết một ảnh tức là quét hết một lượt qua tất cả các dòng của ảnh từ trên xuống dưới , tia ñiện tử phải chuyển ñộng ngược lại từ dựới lên trên ñể chuẩn bị quét ảnh sau Thời gian tia ñiện tử chuyển ñộng ngược lên trên gọi là thời gian quét ngược của ảnh Trong khoảng thời gian này tín hiệu không mang tín tức về ảnh nên ñể truyền xung tắt mặt Xung tắt mặt có tác dụng làm tắt tia ñiện tử của ống thu trong thời gian quét ngược của ảnh Thời gian quét ngược của một ảnh cỡ từ 23- 30 chu kì dòng

Như vậy xung tắt dòng xuất hiện sau mỗi dòng , và xung tắt mặt xuất hiện sau mỗi ảnh Mức ñỉnh của xung tắt ñược chọn quá mức ñen ñể bảo ñảm an toàn hoàn toàn tắt tia ñiện tử trong ống thu trong thời gian quét ngược nên mức tắt còn gọi là mức quá ñen Mức trắng là mức ứng với ñiểm trắng của ảnh

Trong thời gian quét ngược , còn truyền xung ñồng bộ , xung này ñược dùng ñể khống chế bộ quét trong máy thu hình ñể cho tia ñiện tử trong ống thu làm việc ñồng

bộ với tia ñiện tử trong ống phát Xung ñồng bộ ñược ñặt trên ñỉnh của xung tắt

Hình vẽ: Hình dạng tín hiệu hình không ñầy ñủ

(hình 2.2)

Trong ñó ñỉnh của xung tắt dòng là xung ñồng bộ dòng , ñỉnh của xung tắt mặt

là xung ñồng bộ mặt và cả các xung ñồng bộ dòng Xung ñồng bộ mặt có ñộ rộng bằng 2,5 hay 3 chu kì dòng Tín hiệu hình ñã ñươc cộng cả xung tắt và xung ñồng bộ gọi là tín hiệu hình ñầy ñủ

Trường hợp ảnh có nội dung phức tạp ñộ chói biến ñổi từ trái sang phải và từ trên xuống dưới, tần phổ tín hiệu hình chiếm hết từ tần số thấp nhất ñến tần số cao nhất, ngoài ra còn chứa các thành phần biến ñổi từ tần số 0 ñến vài Hz.Trường hợp ảnh ñộng, tín hiệu hình có thể coi là tín hiệu không có chu kì Trường hợp ảnh tĩnh, tín hiệu hình là tín hiệu có chu kì , tính chu kì ở ñây là do nguyên lí quét quyết ñịnh Tần

số lặp lại của tín hiệu hình bằng tần số ảnh Nếu là quét cách dòng thì có thể tính gần ñúng tần số lặp lại của tín hiệu hình bằng tần số mặt Bởi vì nội dung ảnh chẵn và ảnh

lẻ khác nhau rất ít do ñó tấn phổ của tín hiệu hình có chứa tần số mặt và các hài của

nó

Nếu coi thời gian quét mặt bằng không, xung tắt mặt ñược coi như bộ phận của tín hiệu hình có mức chói xác ñịnh thì ñối với ảnh tĩnh có ñộ chói chỉ biến thiên theo ngang, tín hiệu hình sẽ lặp lại theo chu kì tần số dòng do ñó phổ của tín hiệu hình là phổ gián ñoạn gồm các thành phần tần số dòng và các hài bậc cao của nó cho ñến hài tần số fc nếu ñộ chói biến thiên theo cả chiều dọc và chiều ngang thì hai bên của mỗi hài tần số dòng, ñều có các biên tần,về mặt lí thuyết có thể chỉ ra rằng tần phổ của tín hiệu hình là phổ gián ñoạn theo tần số

1.3.1.3 Tín hiệu truyền hình màu

Tín hiệu truyền hình màu sử dụng trong truyền hình cáp tương tự như sử dụng trong truyền hình mặt ñất, có hình dạng và phổ tần tuỳ thuộc vào tiêu chuẩn truyền hình Tín hiệu truyền hình màu bao gồm tín hiệu hình ñen trắng, tín hiệu màu, các tín hiệu ñồng bộ, tín hiệu xoá, tín hiệu kiểm tra

1.3.1.4 Kỹ thuật ñiều chế và ghép tín hiệu

ðầu tiên nhờ camera truyền hình tín hiệu ảnh dạng quang học ñược chuyển thành tín hiệu ñiện có mức theo tiêu chuẩn, sau ñó ñược xử lý hậu kỳ nhờ các thiết bị dựng hình Kết quả sau khâu sản xuất chương trình truyền hình ta có ñược tín hiệu video ñạt tiêu chuẩn Tương tư như vậy tín hiệu âm thanh cũng ñược xử lý tiền kỳ và hậu kỳ Tín hiệu âm thanh và hình ảnh ñược ghép với nhau theo tần số và tiếp tục ñược dời tần (ñiều chế) lên miền tần số cao, sau ñó thực hiện truyền dẫn phát sóng

• Kỹ thuật ñiều chế sử dụng trong Truyền hình cáp kỹ thuật tương tự

Trong truyền hình cáp tín hiệu truyền hình ñược ñiều chế hoàn toàn giống như

kỹ thuật ñiều chế sử dụng trong truyền hình mặt ñất có nghĩa là ñiều chế FM ñối với âm thanh chỉ khác ở chỗ sử dụng trung tần tiếng 5,5 MHz và ñiều chế AM ñối với tín hiệu Video

• Kỹ thuật ghép sử dụng trong truyền hình cáp

Kỹ thuật ghép theo tần số có nghĩa là các kênh sóng ñược phân ñịnh theo thang tần số có ñộ rộng theo tiêu chuẩn - cụ thể là các kênh sóng cách nhau 8 MHz Trong kỹ thuật Truyền hình cáp các kênh sóng ñược sử dụng ở các băng sóng VHF, UHF

1.3.2 Xử lý tín hiệu truyền hình cáp kỹ thuật số

1.3.2.1 Tín hiệu Truyền hình số

Trong hệ thống truyền hình số nói chung và hệ thống truyền hình cáp nói riêng thì khâu xử lý tín hiệu ñầu tiên là khâu chuyển ñối tín hiệu Truyền hình từ dạng tương

tự sang dạng số Qúa trình chuyển ñổi tín hiệu Truyền hình từ dạng tương tự sang dạng số ñược thực hiện theo các trình tự như sau:

1.3.2.2 Số hoá tín hiệu video

Lấy mẫu tín hiệu Video

Tín hiệu video tương tự ñược chia thành 2 loại chính: Tín hiệu video thành phần (component video) và tín hiệu video tổng hợp (composite video).Có 2 dạng thức lấy mẫu: Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp (PAL, NTSC) và lấy mẫu tín hiệu video thành phần : Y, R-Y và B-Y

Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp ( video composite) Theo ñịnh lý lấy mẫu Nyquist

-Shannon thì tần số lấy mẫu phải ≥ 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu (sẽ tránh ñược 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 ñiều chế giữa f sa và f sc , gây ra méo tín hiệu sau khi khôi phục Có thể chọn tần số lấy mẫu fsa = 3fsc, tuy nhiên chất lượng không ñáp ứng ñược cho Studio Tiêu chuẩn tần số lấy mẫu ñược áp dụng cho video số composite là: fsa = 4fsc

Như vậy tần số lấy mẫu ñối với tín hiệu tổng hợp hệ PAL: 4,433.MHz × 4 = 17,7344 MHz Sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao, mỗi mẫu ñược lượng tử hoá 8 bit hoặc 10 bit sẽ tạo ra dòng bit nối tiếp có tốc ñộ 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 ñề pha tải màu, can nhiễu giữa tín hiệu chói và màu nên không còn ñược sử dụng rộng rãi trong những năm gần ñây

Lấy mẫu tín hiệu video thành phần (component)

Lấy mẫu và mã hoá tín hiệu video thành phần có ưu ñiểm là loại bỏ ñược sự phức tạp về tải tần màu và các méo khác mà lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp không thể ñạt ñược Theo khuyến nghị 601 của ITU ( ITU-R.BT601/656) việc số hoá tín hiệu của cả hai hệ thống 625 dòng và 525 dòng dựa trên việc số hoá các thành phần Y, CR CB, với

CR= 0,71(R-Y) và CB = 0,564(B-Y ) Tần số lấy mẫu tín hiệu chói ñược 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:

fSa luminance = 858 fh 525 = 864fh 625 = 13,5 MHz

Tần số lấy mẫu tín hiệu màu tuỳ thuộc theo chuẩn lấy mẫu ( tỷ lệ lấy mẫu giữa tín hiệu chói và các tín hiệu màu) Cấu trúc lấy mẫu trực giao các tín hiệu Y, CR CB theo chuẩn lấy mẫu 4:4:4 ; 4:2:2 ; 4:2:0 ; 4:1:1 Cấu trúc này ñược mô tả ở hình vẽ dưới Trong tiêu chuẩn này, các mẫu ñược 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 ñược qui ñịnh khoảng bảo vệ cần thiết phù hợp với từng thành phần tín hiệu video.Tốc ñộ 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 ñược biểu diễn bằng 720 mẫu ta có tốc ñộ dòng dữ liệu tích cực theo chuẩn lấy mẫu 4: 2: 2 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 ñược 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 ñộ bit thấp hơn nên ñược sử dụng làm các chương trình thời sự, khoa học giáo dục Trong công ñoạn phát sóng sử dụng chuẩn 4: 2: 0, chất lượng hình khi phát sóng tương ñương với sử dụng thiết bị Betacam Analog Tuy nhiên tốc ñộ bit lớn sẽ ñòi hỏi bộ nhớ lớn khi lưu trữ và dải thông dải rộng khi truyền dẫn Do ñó cần phải nén dòng bit video, tức là cần phải biểu diễn dòng bit video với tốc ñộ bit thấp hơn mà chất lượng hình ảnh không bị suy giảm hoặc suy giảm ở mức chấp nhận ñược

Lượng tử hoá & mã hoá

Lượng tử hoá là quá trình biến ñổi biên ñổi tín hiệu tương tự thành một tập hợp các mức rời rạc hữu hạn Khoảng cách giữa hai mức kề nhau ñược gọi là bước lượng

tử Số các mức lượng tử ñược xác ñịnh theo biểu thức: n

N = 2 với n :là số bit biểu

diễn 1 mẫu Có 2 phương thức lượng tử : Lượng tử hoá tuyến tính- các bước lượng tử ñều bằng nhau và Lượng tử hoá phi tuyến- các bước lượng tử khác nhau Quá trình lượng tử tín hiệu tương tự sẽ tạo ra sai số , gọi là sai số lượng tử (eq) là sự khác nhau giữa tín hiệu ñầu ra ñã lượng tử Q(x) so với ñầu vào (x) eq = x - Q(x)

Với nguồn tín hiệu video có phân bố ngẫu nhiên thì sai số lượng tử phụ thuộc vào

số bit biểu diễn mẫu, khoảng cách giữa các bước lượng tử, tính thống kê của nguồn tín hiệu Sai số lượng tử (eq) là một nguồn nhiễu (nhiễu lượng tử) không thể tránh khỏi trong hệ thống số Với các ứng dụng trong truyền hình người ta sử dụng lượng tử hoá

8 bit, 10 bit hoặc 12bit Hầu hết các thiết bị có chất lượng cao ñều sử dụng lượng tử hoá 10bit/mẫu ( 210 = 1024 mức lượng tử )

Sau quá trình lượng tử hoá là quá trình mã hoá các mẫu ñể tạo thành chuỗi dữ liệu nhị phân gồm các bit 0 và 1

1.3.2.3.Nén tín hiệu video

Tín hiệu Video ñã từng ñược nén từ những năm 1950 Cùng với sự ra ñời của hệ truyền hình mầu (PAL,NTSC và SECAM), ba tín hiệu (R,G,B) với tổng bề rộng dải thông 15MHz ñã ñược nén xuống còn ~5MHz Kỹ thuật nén thực hiện bằng công nghệ Analog nên ñạt ñược tỷ lệ nén thấp Kỹ thuật nén sử dụng công nghệ số ñạt hệ

số nén rất cao

Các phương pháp nén tín hiệu video số

Nén video về cơ bản là một quá trình loại bỏ các thông tin dư thừa trong tín hiệu Video Việc loại bỏ ñộ dư thừa về cảm nhận của hệ thống thị giác con người, ñộ dư

thừa về mặt không gian - gọi là loại nén không tổn hao (lossless compression) ðể

có hiệu quả nén cao hơn, nghĩa là có tỷ số nén cao hơn, người ta loại bỏ các thông tin

ít quan trọng và chấp nhận một mức ñộ suy giảm nhất ñịnh của chất lượng hình ảnh,

ñây là phương pháp nén có tổn hao (lossy compression).Nén không tổn hao cho tỷ

lệ nén không cao ( thường tỷ lệ nén chỉ ñạt 2:1) Số lượng dữ liệu giảm phụ thuộc vào

nội dung của ảnh ñược nén, kết quả sau nén là tốc ñộ bit thay ñổi Các kỹ thuật nén không tổn hao bao gồm:

-Sử dụng phép biến ñổi thuận DCT (Discrete Cosine Transform) biểu diễn các giá trị ñiểm ảnh (picxel) bằng các hệ số DCT

- Áp dụng mã hoá RLC (Run Length Coding) Kỹ thuật này dựa vào sự lặp lại cùng

giá trị mẫu dữ liệu ñể tạo ra các mã ñặc biệt chỉ thị ñiểm bắt ñầu và kết thúc các giá trị ñược lặp lại

-VLC (Variable Length Coding) còn ñược gọi là mã hoá Huffman và mã hoá

Entropy dựa trên xác suất các giá trị biên ñộ giống nhau trong một ảnh, gán một

mã ngắn cho các giá trị có xác suất xuất hiện cao nhất và các từ mã dài cho các xác suất xuất hiện còn lại trong ảnh

-Trong các quá trình trên, tín hiệu không tích cực (ví dụ như thông tin xoá dòng, mành) ñược loại bỏ, như vậy tốc ñộ dòng bit gốc là tốc ñộ của nội dung vùng ảnh tích cực Thông tin nhận biết khoảng xoá dòng và xoá mành ñược thay bằng các từ

mã ñồng bộ ngắn hơn

Nén có tổn hao ñược thực hiện bằng cách loại bỏ các thông tin không quan

trọng của hình ảnh và giữa các ảnh ñể tăng hiệu quả nén Nén có tổn hao có thể ñạt

tỷ lệ nén từ 2:1 ñến 100:1 và kết quả là có tổn hao dữ liệu và giảm chất lượng ảnh sau khi giải nén vì có sự làm tròn và giảm dữ liệu trong ảnh và giữa các ảnh Tốc

ñộ dữ liệu trong các hệ thống nén có ñộ tổn hao là sự thoả hiệp về yêu cầu chất lượng hình ảnh Kỹ thuật nén có tổn hao bao gồm:

- Áp dụng lấy mẫu băng con cho các tín hiệu: Các ảnh ñược chia thành các tổ hợp

khối lớn MB (Macro Block), mỗi MB lại ñược chia thành 4 khối (Block) con không

chồng nhau Kích thước của block ñược qui ñịnh là 8×8 pixel

- Lượng tử hoá các hệ số DCT và làm tròn

- Sử dụng phương pháp ñiều chế xung mã vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation): Chỉ truyền các phần chênh lệch giữa các mẫu Thực hiện truyền 1 giá

trị mẫu ủầy ủủ theo chu kỳ Cỏc thành phần tần số cao của tớn hiệu ủược lượng tử hoỏ thụ và biểu diễn bằng cỏc tớn hiệu vi sai Sau ủú nộn cỏc dữ liệu này bằng cỏch

mó húa Entropy, sử dụng cỏc mó khụng tổn hao Huffman, RLC, quỏ trỡnh này sẽ

cho phộp biểu diễn một khối cỏc Bytes của ủiểm ảnh (pixel) bằng số lượng bit nhỏ

và giảm tốc ủộ dữ liệu hiệu quả và kinh tế nhất

Nộn video số MPEG

MPEG là từ viết tắt cho Nhúm những chuyờn gia nghiờn cứu về hỡnh ảnh chuyển ủộng MPEG (Moving Picture Expert Group) ủược thành lập vào năm 1988 bởi cỏc tổ chức ISO, IEC cú nhiệm vụ nghiờn cứu soạn thảo tiờu cỏc chuẩn nộn Audio, Video số MPEG cú tớnh linh hoạt cao, với tốc ủộ bit truyền cú thể ủược ủiều chỉnh ủể thỏa món yờu cầu ứng dụng Chuẩn MPEG-2 4: 2: 0 MP @ ML (main profile at high level )

ủược chọn là chuẩn tớn hiệu ủầu vào của hệ thống truyền dẫn DVB

Nộn video số theo tiờu chuẩn MPEG-2

VLC Buffer

Điều khiển tốc độ bit

Scaling Factor

Block Entropy Classes

tử hóa

DC ITU.Re.601

Nén ảnh I (Intra-Picture):Là kỹ thuật nén trong ảnh nhằm giảm bớt thông tin dư thừa

trong miền không gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không

có tổn hao ñể giảm bớt dữ liệu trong ảnh Quá trình này không sử dụng thông tin của ảnh trước và sau ảnh ñang xét và co tất cả các thông tin cần thiết ñể tái tạo lại ảnh sau giải mã Vì mang ñầy ñủ các thông tin cho quá trình tái tạo lại ảnh nên tỉ lệ nén ñạt ñược rất thấp

+ 1 Macroblock bao gồm 4 khối (block) các mẫu (samples) Mỗi block có kích

thước 8× 8 = 64 mẫu Cấu trúc của macroblock phụ thuộc vào phương thức quét ảnh Nếu quét liên tục thì các block bao gồm các mẫu từ các dòng liên tục Trong trường hợp nếu quét xen kẽ, trong một block chỉ có các mẫu của một nửa ảnh

+ DCT Là quá trình xử lý giá trị các khối dữ liệu các pixel thành các khối hệ số trong miền tần số Quá trình biến ñổi DCT thuận cho quá trình mã hoá ñược xác ñịnh như sau:

16

v ) 1 k 2 ( 7

0 j

7

0

u ) 1 j 2 ( 4

) v ( C ) u ( C

Cos.Cos

)k,j()

v,u

(

π +

∑ ∑

=

Áp dụng cho quá trình giải mã: biến ñổi ngược

trong ñó: f(j,k) - các mẫu gốc trong khối 8x8 pixel

F(u,v) - các hệ số của khối DCT 8x8 0< u <7 , 0 <v <7

C(u), C(v) :

16

v)1k2(7

0u

70

u)1j2(v

,u4

1 C ( u ) C ( v ) F Cos Cos )

∑ ∑

=

Hình 2.7 Hai cách quét các hệ số DCT

(a) Quét zigzag (b) Quét lần l−ợt thay đổi

+ Lượng tử hoỏ(Quantizer) là bước tiếp theo trong quỏ trỡnh mó hoỏ ảnh loại I là

lượng tử hoỏ cỏc hệ số F(u,v) Cỏc hệ số tương ứng với tần số thấp cú cỏc giỏ trị lớn hơn, và như vậy nú chứa phần năng lượng chớnh của tớn hiệu, do ủú phải lượng tử hoỏ với ủộ chớnh xỏc cao Ngược lại, ủối với cỏc hệ số tương ứng với tần số cao và cú cỏc giỏ trị nhỏ, thỡ cú thể biểu diễn lại bằng tập giỏ trị nhỏ hơn hẳn cỏc giỏ trị cho phộp hay

là lượng tử hoỏ ớt mức hơn (thụ hơn)

Lượng tử hoỏ ủược thực hiện bằng việc chia hệ số F(u,v) cho a(u,v) trong ủú a(u,v)

là giỏ trị trong bảng lượng tử húa Cỏc hệ số cú tần số thấp ủược chia cho cỏc số nhỏ, ngược lại cỏc hệ số tần số cao ủược chia cho cỏc số lớn Kết quả ta nhận ủược bảng F’(u,v) mới, trong ủú phần lớn cỏc hệ số cú tần số cao sẽ bằng 0

+ Quột cỏc hệ số DCT Cỏc hệ số DCT ủược lượng tử húa, sau ủú thực hiện

quột zigzag hoặc quột lần lượt thay ủổi Cỏch quột lần lượt thay ủổi (alternate) biến

ủổi mức pixel ủến pixel theo chiều ủứng của cỏc ảnh gốc, cho kết quả giải tương quan tốt hơn Hỡnh 2.7 là hai cỏch quột cỏc hệ số DCT

Trong tiờu chuẩn nộn MPEG-2: quột Zigzag ủược ỏp dụng cho hỡnh ảnh quột liờn tục ( ảnh frame) Kiểu quột lần lượt thay ủổi (alternate) ủược ỏp dụng cho cỏc Block

của hỡnh ảnh quột xen kẽ ( ảnh Field)

+ MP hoá độ dài chạy RLC và mP hóa độ dài thay đổi VLC được thực hiện bằng bảng

mP Huffman nhằm giảm tốc độ bít Quá trình giải mP ảnh loại I dựa trên cơ sở thực hiện thuật toán ngược với quá trình đP nói ở trên, sử dụng phép biến đổi DCT ngược

+ Bộ đệm (Buffer) Từ mP VLC được tạo với tốc độ thay đổi, phụ thuộc vào mức độ phức tạp của ảnh, và được ghi vào bộ nhớ đệm Dòng dữ liệu được đọc ra từ bộ nhớ đệm với tốc độ không đổi Cơ chế điều khiển bộ nhớ đệm là đảm bảo bộ nhớ

không dưới ngưỡng (underflow) hoặc không tràn (overflow) bằng cách thay đổi hệ số thang độ (scanning factor) dùng cho bảng trọng số Nếu bộ nhớ sắp đầy, thì sẽ lượng tử

hóa thô hơn để tạo it bit hơn bằng cách tăng hệ số thang độ của bộ lượng tử, do vậy

điều hoà được dòng bit đi vào bộ đệm

N én ảnh loại P (nén liên ảnh)

ảnh loại P (Predicted-Picture): Là các ảnh dự đoán được từ ảnh I hoặc ảnh P

trước đó nhờ sử dụng các thuật toán dự đoán bù chuyển động ( nén liên ảnh ) Nén

ảnh P cho hệ số nén cao hơn ảnh I và có thể sử dụng làm một ảnh so sánh cho việc bù chuyển động cho các ảnh P và B khác Hình 2.8 mô tả nguyên lý đánh giá chuyển

động và bù chuyển động cho ảnh loại P

Macro Block

16 x16 pixel

Motion Vector

Hình 2.8 Đánh giá chuyển động

Vùng dò

Để dự đoán chính xác thì cần so sánh từng pixel (phần tử nhỏ nhất của ảnh) của 2

ảnh liên tiếp Nhưng nếu thực hiện như vậy thì ta lại phải truyền một số lượng đồ sộ các vector chuyển động Nếu so từng vùng lớn thì chất lượng hình ảnh thấp MPEG đP chọn vùng dự đoán bù chuyển động là 16x16 pixel (1 Macroblock) MP hoá ảnh loại P

dựa trên việc truyền các vector chuyển động và các mẫu ảnh chênh lệch Trong hầu hết các trường hợp , phương pháp này cho phép nén số liệu với tỷ lệ nén lớn hơn phương pháp mP hoá ảnh loại I

N én ảnh B

ảnh B là ảnh dự đoán hai chiều (Bi-directional predicted picture) được mP hoá sử

dụng phép nội suy giữa các ảnh I và ảnh P ở trước và sau đó (nén liên ảnh) ảnh B không được sử dụng để mP hoá các ảnh tiếp theo Các ảnh B cho tỉ lệ nén cao nhất Phương pháp mP hoá ảnh loại B cũng giống như phương pháp mP hoá ảnh P Tuy nhiên điểm khác nhau là ở chỗ đối với mỗi macroblock ảnh loại B sẽ tìm các macroblock giống nhau của các pixel trong 2 ảnh trước và sau Mỗi macroblock ta

Xác

định vector chuyển

Hình 2.9 Ước lượng chuyển động và bù chuyển động dự đoán ảnh P

ảnh trước đó

nhận được 2 vector chuyển động Trong trường hợp này, ta sẽ có dự báo ảnh tốt hơn, và

do đó mức độ nén số liệu sẽ cao hơn so với trường hợp các ảnh loại P

H ình 2.10 Sơ đồ khối quá trình mP hoá MPEG

C ác đặc tính và mức (Profiles & Levels)

Chuẩn nén MPEG-2 có 4 level và 5 Profile (Có 4 mức và 5 cấp chất lượng )

Khái niệm Level trong chuẩn nén MPEG-2 cho ta biết độ phân giải của ảnh, Profile

là khái niệm cho biết cấp chất lượng bộ công cụ nén (thể hiện tỷ lệ lấy mẫu các tín hiệu video thành phần và tốc độ bit dữ liệu ) Trong thực tế ứng dụng, các nhà chế tạo đP chọn sẵn một số thoả hiệp giữa các mức Level và các Profile cho người sử dụng Điểm khác nhau chính của các Level và các Profile trong chuẩn MPEG-2 với các thông số

cấu trúc lấy mẫu, độ phân giải, tốc độ bit cực đại và các ảnh mP hoá được mô tả trong bảng sau:

Giữa các Profile có sự tương thích cao dần, nghĩa là các bộ giải mP của các Profile cấp cao hơn có khả năng giải mP tất cả các Profile ở cấp đó và các cấp thấp hơn Kết hợp giữa các Profile và các Level ta có các tốc độ bit với độ phân giải khác nhau, và một sự kết hợp quan trọng nhất giữa Profile và LeveMó hoỏ ủộ dài chạy RLC và mó húa ủộ dài thay ủổi VLC ủược thực hiện bằng bảng mó Huffman nhằm giảm tốc ủộ bớt Quỏ trỡnh giải mó ảnh loại I dựa trờn cơ sở thực hiện thuật toỏn ngược với quỏ trỡnh ủó núi

ở trờn, sử dụng phộp biến ủổi DCT ngược

+ Bộ ủệm (Buffer) Từ mó VLC ủược tạo với tốc ủộ thay ủổi, phụ thuộc vào mức ủộ phức tạp của ảnh, và ủược ghi vào bộ nhớ ủệm Dũng dữ liệu ủược ủọc ra từ

bộ nhớ ủệm với tốc ủộ khụng ủổi Cơ chế ủiều khiển bộ nhớ ủệm là ủảm bảo bộ nhớ

khụng dưới ngưỡng (underflow) hoặc khụng tràn (overflow) bằng cỏch thay ủổi hệ số thang ủộ (scanning factor) dựng cho bảng trọng số Nếu bộ nhớ sắp ủầy, thỡ sẽ lượng

tử húa thụ hơn ủể tạo it bit hơn bằng cỏch tăng hệ số thang ủộ của bộ lượng tử, do vậy ủiều hoà ủược dũng bit ủi vào bộ ủệm

1.3.2.4 Nộn tớn hiệu Audio

Tiờu chuẩn nộn audio MPEG-1 (ISO/IEC 11172-3) thường ủược biết dưới tờn MUSICAM gồm 3 lớp mó húa I, II, III tương ứng với hiệu quả nộn và ủộ phức tạp tăng dần, ủược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau, ủặc biệt là trong Phỏt thanh -Truyền hỡnh Tiờu chuẩn nộn audio MPEG-2 (ISO/IEC 13818-3) là bước phỏt triển mở rộng dựa trờn cơ sở MPEG-1 Phương thức nộn Dolby AC3 ứng dụng trong HDTV số cũng là biến thể từ Audio MPEG-2 ðối với lĩnh vực truyền hỡnh tiờu chuẩn MPEG-2

cú ưu ủiểm nổi bật là ủảm bảo khả năng ủồng bộ giữa Audio và Video sau khi phõn kờnh và giải nộn ðặc tớnh kỹ thuật của audio MPEG-1 và MPEG-2 ủược túm tắt trong bảng sau

Bảng -ðặc tính kỹ thuật của audio MPEG-1 và MPEG-2

Tần số lấy mẫu 48 , 44.1 , 32 (KHz) 48 , 44.1, 32 , 24 , 22.05 , 16 KHz Tốc ñộ bit Tự do và có thể lên ñến

448 Kbps

Tự do và có thể lên ñến 256 Kbps

Số lượng kênh Lên ñến 2 kênh với các

mode: mono, stereo, dual

Lên ñến 6 kênh: Left, Right, Center,

L Surround, R Surround và LEF

mã ñộc lập

Nguyên lý nén audio MPEG chủ yếu dựa vào khả năng bị hạn chế(masking) của hệ

thống thính giác ñược trình bày trên hình vẽ dưới

- Mô hình cảm thụ thính giác (Psychoacoustic Model): Khối này mô phỏng hiệu

ứng che lấp, làm cơ sở cho việc cấp phát bit cho các mẫu một cách hợp lý, tăng hiệu quả nén Audio Có hai dạng che lấp :

Băng lọc hóa, mã hóa Lượng tử

Phân phối bit

Mô hình cảm thụ

Ghép kênh

Tín hiệu vào

Dòng bit mã hoá

Dòng mã hoá

Phân phối dòng bit

Hình vẽ: Bộ mã hoá cảm thụ audio cơ bản

+ Che lấp về phổ : Khi tồn tại cùng một lúc hai âm thanh có tần số khác nhau, âm thanh có mức lớn hơn có thể che lấp âm thanh có mức nhỏ hơn Do ñó, ñường cong

“ngưỡng nghe thấy” sẽ luôn luôn thay ñổi tuỳ thuộc vào phổ của các mẫu âm thanh ñang xét Chỉ có các ñoạn vạch phổ nằm trên ñường cong này mới thực sự ñược mã hóa

+ Che lấp về thời gian : Tai người chỉ cảm nhận âm thanh sau khi âm thanh ñó bắt ñầu khoảng 200ms, và có cảm tưởng âm thanh còn kéo dài 200ms nữa khi âm thanh ñã dứt Ngoài ra thính giác cũng không phân biệt ñược khoảng ngừng nhỏ hơn 50ms giữa hai âm thanh giống nhau ñi liền nhau

+ Các bộ lọc dãy 32 băng con (Filter bank 32 Subband): Khối này biến ñổi số liệu

Audio trong miền thời gian thành số liệu của 32 băng con trong miền tần số Dựa theo hiệu ứng che lấp, ñộ dư thừa trong các số liệu này sẽ ñược loại bỏ Phổ tín hiệu ñược chia thành các băng tần con có ñộ rộng bằng nhau (32 băng trong MPEG-Layer I và II) Mỗi tín hiệu băng con sau ñó ñược lượng tử hóa ñều

+ Cấp phát bit, lượng tử và mã hoá (Bit/Noise Allocation Quantizing and Coding) Lựa

chọn dải xấp xỉ ngưỡng nghe và cấp phát bit trên cơ sở năng lượng phổ tín hiệu Audio

và mô hình tâm sinh lý nghe Lượng tử hoá các phần cần thiết trong số liệu của 32 băng con với số bit thích hợp và sử dụng mã hóa số liệu PCM

+ ðịnh dạng dòng bit (Bit stream formatting) : Có nhiệm vụ ñịnh dạng lại dòng bit

theo tiêu chuẩn của MPEG

+ Bộ ghép kênh dữ liệu Audio: Nhận dữ liệu lượng tử hóa và cộng các thông tin vị trí bit và hệ số thanh ñộ cho quá trình giải mã hiệu quả

1.3.2.5 Cấu trúc của dòng dữ liệu video MPEG-2:

Cấu trúc phân lớp