Nghiên ứu tổng quan truyền hình kỹ thuật số và kỹ thuật nén ảnh

90 Trang 4 Danh mục chữ viết tắt Từ viết tắt 0BTiếng anh đầy đủ Tiếng việt A/D ADC Analog to Digital Biến đổi tơng tự số ADPCM Adaptive Differential Pulse Modulation thích nghi Điều x

Số hoá tín hiệu truyền hình

biến đổi tơng tự - số

Các hệ truyền hình màu hiện nay như PAL, NTSC và SECAM đều thuộc loại hệ truyền hình tương tự, với tín hiệu truyền hình là hàm liên tục theo thời gian Trong quá trình phát và thu, tín hiệu tương tự thường bị ảnh hưởng bởi can nhiễu, dẫn đến giảm chất lượng hình ảnh Ngược lại, tín hiệu video số được tạo ra từ tín hiệu video tương tự và được biểu diễn bằng hai trạng thái logic "0" và "1" Tín hiệu video số có nhiều ưu điểm vượt trội so với tín hiệu video tương tự, đặc biệt là khả năng chống nhiễu cao.

Quá trình biến đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số gồm ba giai đoạn:

Lấy mẫu tín hiệu tơng tự là: Là quá trình rời rạc hoá tín hiệu theo thời gian bằng tần số lấy mẫu fSa

Lượng tử hoá là quá trình rời rạc hóa tín hiệu theo biến độ đã được lấy mẫu, nghĩa là chia biến độ thành nhiều mức khác nhau, với mỗi mức được gán cho một giá trị cụ thể.

Mã hóa tín hiệu là quá trình chuyển đổi tín hiệu thành dạng tín hiệu số theo hệ đếm nhị phân, sử dụng hai trạng thái cơ bản là "0" và "1".

Nhóm các bit tín hiệu số đại diện cho các mẫu đã lượng tử hóa tạo thành tử mã Mỗi mẫu tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân gồm n bit Số bit n dùng để biểu diễn mẫu có mối quan hệ chặt chẽ với m khoảng lượng tử, trong đó m được tính bằng công thức m = 2^n.

Lợng thông tin truyền đi trong một đơn vị thời gian đợc gọi là tốc độ bit C

C= fSa.n = W log2(1+N/S) (bit/s) trong đó :

W: là tốc độ rộng kênh truyền

S/N: Là tỉ số tín hiệu trên nhiều ( tạp trắng)

Công thức Shannon chỉ ra rằng để truyền tín hiệu số với tốc độ C, cần truyền có độ rộng băng tần W bằng khoảng 3C/4 (Hz) ở phía thu Quá trình ngược lại liên quan đến việc biến đổi tín hiệu từ dạng số sang tín hiệu dạng tương tự, đảm bảo truyền tín hiệu hiệu quả và chính xác.

Hình 1.1: Biến đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số.

Đặc điểm của tín hiệu số

+ Các u điểm chính của truyền hình số

Tính chống nhiễu của hệ thống rất cao, với tỉ số tín hiệu trên không phụ thuộc vào số lượng các quá trình điện trong kênh truyền Điều này cho phép tỉ số tín hiệu trên nhiễu có thể vượt trội hơn nhiều so với trường hợp tín hiệu tương tự Để thu tín hiệu một cách hiệu quả, điều kiện cần thiết là khả năng phân biệt giữa có xung và không có xung.

- ít bị ảnh hởng của méo phí tuyến (tính chịu đựng méo phí tuyến tốt hơn)

- Khả năng tạo lại tín hiệu bằng phơng pháp đơn giản hơn so với tín hiệu tơng tự

- Có khả năng lu các tín hiệu trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản và sau đó đọc nó với tốc độ tuỳ ý

- Dễ sử dụng thiết bị kiểm tra và điều khiển cùng máy tính

- Dễ tạo dạng và lấy mấu tín hiệu, do đó dễ thực hiện các kỹ xảo mới trong số lần ghi đọc

- Không cần điều chỉnh thiết bị trong khi khai thác

- Độ ổn định thiết bị cao, việc vận hành thiết bị dễ dàng

- Có khả năng xử lý đồng thời một vài tín hiệu nhờ ghép kênh theo thêi gian

+ Tuy nhiên, tín hiệu số cũng có một số nhợc điểm sau:

Độ rộng băng tần của tín hiệu số (chưa nén) lớn hơn nhiều lần so với độ rộng băng tần của tín hiệu tương tự Do đó, thiết bị và hệ thống truyền dẫn cần phải có băng tần rộng để đáp ứng yêu cầu này.

- Việc kiểm tra chất lợng của tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thờng phức tạp hơn (Phải sử dụng các bộ biến đổi số - tơng tự).

Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình

Biến đổi tín hiệu vide

Trong kỹ thuật truyền hình màu, hình ảnh được biểu diễn thông qua ba màu cơ bản: Đỏ (R), Lục (G) và Lam (B) So với truyền hình đen trắng, nơi hình ảnh được truyền bằng tín hiệu chói, truyền hình màu mang lại trải nghiệm hình ảnh phong phú hơn Ba phương thức truyền hình màu cho phép hình ảnh được truyền đi một cách hiệu quả và sống động.

+ Ba tín hiệu video băng rộng R,G,B

+ Một tín hiệu chói băng rộng và hai tín hiệu màu băng hẹp

+ Một số tín hiệu màu tổng hợp (trong đó các tín hiệu mà đợc điều chế bằng một hoặc hai tải màu)

Khi biến đổi tín hiệu Video tơng tự thành tín hiệu video số, ta có thể dùng hai phơng pháp sau:

Biến đổi tín hiệu màu tổng hợp như PAL, NTSC và SECAM là quá trình chuyển đổi giữa các định dạng video khác nhau Đồng thời, việc chuyển đổi từng tín hiệu video thành phần, bao gồm tín hiệu chói Y và các tín hiệu màu cơ bản R-Y, B-Y hoặc R, G, B, cũng rất quan trọng để đảm bảo chất lượng hình ảnh tối ưu.

Phương pháp biến đổi trực tiếp tín hiệu video tổng hợp có tốc độ bit thấp hơn so với phương pháp số hóa tín hiệu video Tuy nhiên, nó cũng tồn tại nhiều nhược điểm khác.

+ Hiện tợng cam nhiễu chói - màu

+ Khó khăn trong qúa trình xử lý số, tạo kỹ xảo, dựng hình

+ Phụ thuộc vào hệ truyền hình ( NTSC, PAL, SECAM), không tiện cho việc trao đổi chơng trình truyền hình

Tổ chức phát thanh và truyền hình quốc tế khuyến cáo nên áp dụng phương pháp biến đổi tín hiệu video thành phần Để thực hiện điều này, việc chọn tần số lấy mẫu là rất quan trọng.

Công đoạn đầu tiên trong việc chuyển đổi tín hiệu video tương tự thành tín hiệu video số là lấy mẫu tín hiệu Việc chọn tần số lấy mẫu là rất quan trọng, vì đây là một trong những thông số cơ bản của hệ thống truyền hình số Tần số lấy mẫu cần được lựa chọn sao cho hình ảnh nhận được đạt chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền hình có băng tần nhỏ nhất và mạch thực hiện đơn giản.

Hàm số lấy mẫu s(t) tạo ra chuỗi xung có chu kỳ TSa, với thời gian xung τ nhỏ hơn nhiều so với TSa và có biên độ bằng 1 đơn vị, giúp biến tín hiệu thành dạng rời rạc.

T τ sa + 1 ω sa + 2 ω sa + trong đó :

- Xa (t) là tín hiệu vào tơng tự

- s(t) T sa τ { + 2A1.cosωsat + 2A2.cos2ωsat + … }–hàm lấy mÉu

- ωSa = 2πfSs - tÇn sè gãc lÊy mÉu

- fSa tÇn sè lÊy mÉu

Sa n n T πτ πτ ; n =1,2,3 hệ số thành phần Fourier -

Ta biến đổi Fourier hàn số s(t) sang miên tân số

Xs (f) Ts τ Xa(f)+ A1[ Xa(f f- Sa) + Xa(f +fSa)]

Xa (f) là phổ tín hiệu (vào) tơng tự

Ta thấy phổ tín hiệu của (1.4) là phổ tín hiệu rời rạc, là một chuỗi

Xs(f) là phổ tín hiệu vào tương tự, bao gồm chuỗi vô hạn các tín hiệu cách nhau một khoảng fSa Các thành phần trong chuỗi này có biến độ là (An τ / TSa).

Trong trường hợp lý tưởng, phổ tín hiệu An có biên độ đồng nhất bằng 1 Tuy nhiên, trong thực tế, phổ tín hiệu thường đối xứng qua điểm f = 0 và có biên độ giảm dần.

Hình 1.2 Phổ tín hiệu a: Tìm hiểu tơng tự ; b: fsa = 2fgh; c: fsa > 2fgh; d; fsa < 2fgh

Trong trường hợp fSa ≥ 2fgh, phổ tín hiệu vào xa(t) có thể dễ dàng tách ra từ bộ giải mã nhờ vào các mạch lọc thống có tần số giới hạn.

Khi tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2 lần tần số giới hạn của tín hiệu x2(t), hiện tượng chống phổ xảy ra, dẫn đến phổ tín hiệu rời rạc bị lồng vào nhau Điều này khiến việc tái tạo lại tín hiệu một cách chính xác trở nên không khả thi.

Để tạo tín hiệu chính xác, điều kiện cần thiết là phổ tần số không được lồng vào nhau, với tần số lấy mẫu nhỏ nhất fsamin = 2fgh, được gọi là tần số Nyquist Trước khi lấy mẫu, cần hạn chế tần số tín hiệu ở mức fgh.

Nh trên, ta đã biết điều kiện cần thiết khi lấy mẫu tín hiệu là fSa ≥ 2fgh

Trong trường hợp fSa < 2fgh, hình ảnh sẽ xuất hiện hiện tượng nhoè biên và hiệu ứng lới màn hình Do đó, cần chọn tần số lấy mẫu phù hợp để đảm bảo hình ảnh đẹp và tốc độ bit tối thiểu.

Tần số lấy mẫu fSa chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tín hiệu chói (đen trắng), tín hiệu màu cơ bản R, G, B, các tín hiệu màu và tín hiệu video

Khi lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp cho hệ PAL và NTSC, hai hệ thống này sử dụng tần số tải màu fSa, với tần số này gấp hai, ba hoặc bốn lần tần số tải màu cơ bản.

+ fgh/PAL = 13,30085625Mhz + fgh/PAL = 5 hoặc 5.5 Mhz

Lợng tử hoá và số bit biểu diễn mẫu

Lượng tử hoá là quá trình chuyển đổi tín hiệu thành dạng rời rạc theo biên độ, diễn ra sau khi đã thực hiện lấy mẫu Quá trình này bao gồm việc chia biến độ tín hiệu thành nhiều khoảng và sắp xếp các trị số của mẫu Các phương pháp lượng tử hoá được áp dụng để xác định khoảng lượng tử Q.

Tất cả các mẫu có cùng mức biến độ sau khi lượng tử hóa sẽ được biểu diễn bằng một số duy nhất Khi giải mã và khôi phục lại, tất cả các mẫu này sẽ có cùng một giá trị.

Quá trình lượng tử hoá chuyển đổi chuỗi mẫu vô hạn thành chuỗi mẫu hữu hạn Do đó, giá trị các mẫu thu được từ bộ DAC khi khôi phục không hoàn toàn đồng nhất với giá trị tương ứng trước khi lấy mẫu Mỗi mẫu được khôi phục đều có một sai số kèm theo, nằm trong khoảng (0, Q/2).

Dạng tín hiệu sau khi lợng tử hóa:

Khi lương tử hóa tín hiệu video, việc xác định tần số lấy mẫu trên thang lương tử là rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng có thể gặp méo do tín hiệu đầu vào không ổn định và các mức chuẩn trong mạch ADC không ổn định.

Để giải quyết vấn đề này, người ta áp dụng biên bảo hiểm, bao gồm khoảng trống giữa giá trị cực đại và cực tiểu Do ảnh hưởng của méo lượng tử hóa đối với mức đem nhỏ hơn so với mức trắng, biên bảo hiểm phía mức trắng cần phải lớn hơn biên bảo hiểm phía mức đen.

Tín hiệu chói sau khi đợc sửa gamma:

EY = 0,299ER + 0,587 EG + 0,11EB trong đó : ER, EG, EB là các tín hiệu màu cơ bản sau khi sửa gamma

Các tín hiệu hiện màu đợc xác định

ER- Ey = 0,701 ER -0,587 EG -0,11EB

EB- Ey = 0,299 ER -0,587EG -0,886 EB

Hình 1.3: Vị trí các tín hiệu video trong khoảng lợng tử hoá.

Mã hoá tín hiệu rời rạc

Mã hoá tín hiệu là quá trình chuyển đổi tín hiệu đã được lượng tử hoá thành tín hiệu số thông qua việc sắp xếp các mức lượng tử hoá bằng các số nhị phân, ánh xạ các mức này thành hai mức logic "0" và "1" Có hai phương pháp chính trong mã hoá tín hiệu: PCM tuyến tính, truyền các mã nhị phân, và DPCM, truyền tín hiệu số bằng cách liên hợp các trị lượng tử của một vài mẫu.

Để khắc phục hiện tượng méo lượng tử trong PCM tuyến tính, cần sử dụng mã nhị phân 8 bit, tương đương với 256 mức lượng tử Tín hiệu video được biểu diễn bằng số nhị phân nằm trong khoảng từ 0000.0000 đến 1111.1111, phù hợp với tiêu chuẩn studio.

0001.0000 biểu diễn mức đen tín hiệu chói

1110.1011 biểu diễn mức trắng của tín hiệu chói

1000.0000 biểu mức 0 tín hiệu hiệu màu

0001.0000 biểu mức cực tiểu tín hiệu hiệu màu

1110.1111 biểu mức cực đại tín hiệu hiệu màu

1110.1111 biểu mức tín hiệu màu đỏ

1110.1111 biểu mức tín hiệu màu lam

0001.0000 biểu mức tín hiệu màu da cam

Trong trường hợp lấu mẫu tín hiệu video tổng hợp, tần số lấy mẫu đạt 13.5 MHz với tốc độ bit là 108 Mbit/s Ngược lại, khi lấy mẫu từng tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu cho tín hiệu chói cũng là 13.5 MHz, trong khi tần số lấy mẫu cho các tín hiệu màu là 6.75 MHz, dẫn đến tốc độ bit tổng cộng là 216 Mbit/s.

Để truyền các tín hiệu số, kênh truyền cần có độ rộng băng tần lớn hơn 2/3 tốc độ bit, cụ thể là 80 MHz trong trường hợp đầu tiên và 160 MHz trong trường hợp thứ hai.

2) Độ rộng kênh truyền này lớn gấp nhiều lần độ rộng kênh truyền tơng tự

Nh vây, PCM tuyến tính chỉ thích hợp dùng trong các studio và nó cho chất lợng hình ảnh rất tốt

+) Để truyền đợc tín hiệu số với khoảng cách xa, ta cần sử dụng mã tiết kiệm nhằm giảm tốc độ bit.

Nén tín hiệu

Nén tín hiệu số

Nén tín hiệu số, hay còn gọi là mã hoá nguồn, là quá trình giảm số bit cần thiết để biểu diễn dữ liệu, giúp giảm dung lượng dữ liệu và tốc độ bit.

Hình 1.4 Nén và giải nén

NÐn (Mã hoá nguồn) Kênh truyền hoặc lu trữ Giải nén

Quy trình nén tín hiệu được thực hiện ở phía nguồn, tức là tại phần phát, trước khi tín hiệu được truyền qua kênh tới phần thu Tại phần thu, quy trình này được thực hiện ngược lại, bao gồm giải nén hoặc giải mã nguồn tín hiệu.

Mục đích chính nên tín hiệu là:

- Giảm dung lợng lu trữ và giảm băng thông truyền dẫn nhằm tiết kiệm chi phí lu trữ

Giảm kích thước thiết bị lưu trữ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của RAM, thiết bị lưu trữ đắt tiền, đồng thời tiết kiệm chi phí truyền dẫn.

- Có thể truyền đồng thời truyền trên kênh dải hẹp, cho phép truyền cã thêi gian thùc

Để đánh giá mức độ nén tín hiệu, ta có thể sử dụng số lượng bit của tín hiệu trước và sau khi nén, ký hiệu là n1 và n2.

Phần trăm nén (hay độ d thừa dữ liệu tơng đối)

Ngoài ra, có nhiều cách để biểu diễn mức độ nén tín hiệu, bao gồm số lượng bit biểu diễn cho một ký hiệu (symbol), số lượng bit cho một điểm ảnh (pixel), và số lượng bit cho một từ (word).

Bản chất của nén tín hiệu

Theo lý thuyết thông tin, thông tin chứa trong một tín hiệu có thể đợc thành hài phần:

+ Lợng tin hay độ bất định (Entropy) §é d thõa (Redundacy)

Tuỳ theo nội dung thông tin mà Entropy lại có thể đợc chia làm thành phần:

- Thông tin không phù hợp: là thông tin không có giá trị với hệ thống cảm nhận chủ quan của con ngời

- Thông tin cốt lõi: là phần còn lại của Entropy

Entropy của hình ảnh là một chỉ số quan trọng, vì nó xác định số lượng bit tối thiểu cần thiết để biểu diễn một phần tử trong ảnh.

- Nh vây, bản chất của nén tín hiệu là loại đi phần d thừa và chỉ giữ lại những phần thông tin hiệu khác nhau a) Nén không tổn hao

Nén không tổn hao là phương pháp giảm dung lượng dữ liệu bằng cách loại bỏ các phần thừa mà không làm mất đi thông tin quan trọng Khi giải nén, tín hiệu được khôi phục gần như nguyên vẹn, đảm bảo chất lượng hình ảnh không bị ảnh hưởng Ngược lại, nén có tổn hao có thể dẫn đến việc mất mát một phần dữ liệu và ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh.

Nén có tổn hao không chỉ loại bỏ phần dữ liệu thừa mà còn cả thông tin không phù hợp và một phần thông tin ít quan trọng Phương pháp này dẫn đến việc khi giải nén, không thể khôi phục hoàn toàn thông tin ban đầu, mà phải chấp nhận một mức độ méo nhất định.

NÐn audio sè

Âm thanh số là dữ liệu có thể nén bằng cách loại bỏ các phần thừa và thông tin không quan trọng, như những âm thanh mà tai người không nghe được Để tăng tỉ lệ nén, có thể tiếp tục loại bỏ những thông tin ít quan trọng, bao gồm âm thanh ở vùng tần số thấp và cao.

Nén ảnh tĩnh

Thông tin về ảnh tĩnh bao gồm độ chói cho ảnh đen trắng và các giá trị màu R, G, B cho ảnh màu Để tối ưu hóa dung lượng, chúng ta có thể loại bỏ các phần dữ liệu thừa và thông tin không phù hợp, từ đó đạt được tỷ lệ nén cao hơn.

+) Loại bỏ bớt các thông tin về độ màu so với độ chói (vì mắt ngời nhạy với độ chói hơn độ màu)

+) Loại bỏ các tần số không gian quá cao nằm ngoài khả năng phân giải của mắt Để đạt tỉ số nén cao hơn nữa ta có thể:

Giảm lượng màu trong ảnh từ 24 bit với 16,7 triệu màu xuống 16 hoặc 8 bit, hoặc chuyển đổi sang ảnh đen trắng là một phương pháp nhằm giảm độ phân giải màu và độ phân giải của hình ảnh.

NÐn Video sè

Video số là chuỗi các ảnh số liên tiếp theo thời gian, với mỗi ảnh được cấu thành từ nhiều dòng pixel Mỗi pixel được biểu diễn bởi ba màu cơ bản: Đỏ (R), Xanh lục (G) và Xanh dương (B) Tốc độ bit của video thường rất lớn, ví dụ như 270 Mb/s đối với định dạng video CCIR REC - 601 4:2:2 cho truyền hình thông thường, hoặc có thể vượt quá 1 Mb/s cho truyền hình độ phân giải cao (HDTV) Do đó, việc nén video số cần sử dụng phương pháp nén có tổn hao.

Nén video số trớc hết phải loại bỏ tối đa phần d thừa và các thông tin ít quan trọng

+ Độ d thừa không gian giữa các pixel

+ Độ d thừa không gian do các ảnh liên tiếp nhau

+ Độ d thừa phổ do các thành phần màu biểu diễn từng pixel có độ tơng quan cao

+ Độ d thừa thống kê do các ký hiệu xuất hiện trong dòng bit với xác xuất xuất hiện không đều nhau

+ Độ d thừa tâm lý thị giá (thông tin không phù hợp với hệ thống thị giác của con ngời)

Để đạt được tốc độ bit thấp hơn và chấp nhận việc giảm chất lượng tín hiệu, có thể loại bỏ một số thông tin ít quan trọng từ góc độ cảm thụ.

+ Giảm bớt các thành phần tần số cao trong ảnh (dẫn đến giảm độ nét của ảnh)

+ Giảm bớt số lợng pixel trên ảnh (giản bớt độ phân giải không gian ảnh) dẫn đến giảm kích thớc ảnh

+ Giảm bớt số ảnh trong 1 giây (giảm bớt độ phân giải thời gian ảnh) dẫn đến hình ảnh chuyển động không trơn tru

+ Giảm bớt độ phân giải màu dẫn đến màu sắc kém trung thực.

Nguyên lý nén không tổn hao

Nén tín hiệu số không tổn hao, hay còn gọi là mã hoá nguồn, là quá trình chuyển đổi các ký hiệu trong dòng bít nguồn thành dòng các từ mã nhằm giảm tốc độ bít Để đánh giá hiệu quả của phương pháp nén, người ta thường so sánh số bít trung bình dùng để biểu diễn một ký hiệu với entropy; loại mã có hiệu quả nén cao sẽ có số bít trung bình gần giá trị entropy Tuy nhiên, trong mô hình nguồn thông tin rời rạc không nhờ, các ký hiệu thường độc lập thống kê với nhau, trong khi thực tế, chúng lại có mối quan hệ phụ thuộc thống kê Để khắc phục vấn đề này, có thể áp dụng một số phương pháp nhất định.

> Mã hoá khối: mã hoá từng khối ký hiệu nguồn thay vì mã hoá riêng từng ký hiệu độc lập

> Biến đổi kết hợp mã hoá: các ký hiệu nguồn đợc biến đổi sang một dạng khác độc lập theo thống kê với nhau trớc khi mã hoá

Nén tín hiệu số không tổn hao là sự kết hợp giữa mô hình hóa và mã hóa ký hiệu Mô hình hóa bao gồm tập hợp các số liệu và quy tắc xử lý tín hiệu nguồn, giúp xác định mã tương ứng để biểu diễn ký hiệu đó một cách hiệu quả.

Các phơng pháp mã hoá dùng trong nén tín hiệu số không tổn hao +) Mã hoá với độ dài từ mã thay đổi ((VLC)

Trong trường hợp các ký hiệu của nguồn không có xác suất xuất hiện đồng đều, mã hóa độ dài từ mx có hiệu quả nén tốt hơn so với phương pháp mã hóa độ dài cố định Phương pháp VLC sử dụng ít bit cho các giá trị thường xuyên xuất hiện và nhiều bit cho các giá trị ít xảy ra.

+) Mã hoá theo chiều dài (RLC)

Mã hóa RLC rất hiệu quả trong việc xử lý các ký hiệu giống nhau, giúp tối ưu hóa quá trình mã hóa Việc xử lý 64 hệ số của khối 8x8 của hình ảnh qua quét zig zag không chỉ làm tăng chuỗi các giá trị "0" mà còn nâng cao hiệu quả nén dữ liệu.

Một trong những phương pháp nén trong nén MPEG là nén liên ảnh (Inter Frame Compression), thuộc loại nén không tổn hao Điểm quan trọng nhất của phương pháp này là dự đoán sự dịch chuyển vị trí nội dung hình ảnh, điều này ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và hiệu quả của quá trình nén.

Nén tín hiệu số có tổn hao

1.3.7.1 Nguyên lý nén có tổn hao

Sơ đồ khối hệ thống nén và giải nén có tổn hao a: Hệ thống nén có tổn hao b, Hệ thống giải nén có tổn hao

Hình 1.5 Hệ thống nén có tổn hao

1.3.7.2 Các phơng pháp biến đổi : a) Biến đổi dự đoán tuyến tính Biến đổi dự đoán tuyến tính: ánh xạ các ký hiệu thành phần thành các sai số dự đoán có entropy nhỏ hơn Bao gồm một số loại biến đổi sau:

+ DPCM( Differential Pulse Code Modulation): Trong DPCM, sai sè dự đoán là phần sai biệt giữa hai ký hiệu liên tiếp

Dòng bit biến đổi (T) Lợng tử hoá nén

Giải mã (D) Giảu lợng tử hoá (R) Biến đổi ngợc lại(T -1 )

Mã hoá dự đoán là một phương pháp trong đó sai số dự đoán được xác định bằng cách tính toán sự khác biệt giữa pixel hiện tại và giá trị dự đoán Bên cạnh đó, biến đổi Unita, hay còn gọi là mã hoá biến đổi, cũng là một kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực này.

Biến đổi Unita chuyển đổi tín hiệu số trong miền thời gian (như âm thanh) hoặc trong miền không gian 2D (như ảnh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số Những hệ số này có mối tương quan thấp hơn và phổ năng lượng tập trung hơn, giúp dễ dàng loại bỏ thông tin không cần thiết thông qua các phép lượng tử phù hợp.

Một số phép biến đổi Unita điểm hình :

+ Biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) với giải thuật nhanh FFT

+ Biến đổi cosin rời rạcDCT (Discrete Fourier Transform)

- Lợng tử hoá vô hớng: Tức là lợng tử hoá chính:

- Lợng tử hoá véctơ: Là quá trình biều diễn một tập véctơ (mỗi véctơ gồm nhiều giá trị) bằng một số hữu hạn các ký hiệu ở đâù ra

1.3.7.4 Vai trò của bộ lơng tử hoá:

Bộ lượng tử hóa đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả, nhờ vào khả năng lượng tử hóa thông minh các hệ số của phép biến đổi cosin rời rạc.

Trong quá trình lượng tử hóa, có thể áp dụng nhiều bít biểu diễn cho các hệ số DCT ở vùng tần số thấp, trong khi sử dụng bít biểu diễn khác cho các hệ số DCT ở vùng tần số cao.

Mức độ lơng tử đợc xác định cho từng Macrobock hoặc một nhóm lớn các Macrobock, đây chính là điểm mạnh của phơng pháp nén MEG.

Mã hoá dự đoán tổn hoa

Về nguyên lý, mã hoá dự đoán tổn hoa chính là bộ mã hoá không tổn hao kế hợp với lợng tử hoá và giải lợng tử hoá

Mã hoá dự đoán tổn hao đợc sử dụng nhiều trong nén ảnh tính và nén viedo

Q: Bộ lơng tử hoá D: Bộ giải mã ký hiệu

R: Bộ giải lơng tử hoá P: Bộ dự đoán

C: Bộ mã hoá ký hiệu

Hình 1.6 a) Bộ mã hoá dự doán tổn hao b) Bộ giải lợng tử hoá b) Mã hoá tổn hao ứng dụng trong nén ảnh và nén video

Hầu hết các loại nén tổn hao được áp dụng trong hệ thống nén ảnh và video Mã hóa dự đoán tổn hao không chỉ được sử dụng cho các pixel trong miền không gian mà còn cho các hệ số biến đổi trong miền tần số Để đạt được tỷ lệ nén cao, mã hóa dự đoán inter ba chiều, thích nghi theo hai hướng, được gọi là dự đoán bù chuyển động, đã được sử dụng rộng rãi.

Các sai số dự đoán cần được kết hợp với lượng tử hoá và mã hoá entropy để giảm tốc độ bít tối đa Sai số lượng tử hoá tương đương với sai số của giá trị pixel hoặc hệ số biến đổi khi khôi phục lại Lượng tử hoá thường gây ra sai số lượng tử dạng ồn trắng, không tương quan với tín hiệu đầu vào.

Sai số lượng tử của lượng tử hoá không đều tỷ lệ với giá trị tín hiệu đầu vào Dù vậy, lượng tử hoá không đều vẫn được áp dụng để giảm thiểu độ dư thừa tâm lý thị giác, đặc biệt hiệu quả trong các hình ảnh phức tạp với nhiều chi tiết và cạnh.

Có thể lược bỏ các sai số dự đoán lớn và tối ưu hóa các sai số dự đoán nhỏ Sai số dự đoán thường tập trung vào giá trị bằng 0, cho thấy sai số nhỏ xuất hiện thường xuyên hơn Vì vậy, sai số dự đoán được mã hóa hiệu quả hơn với VLC Dự đoán chính xác hơn dẫn đến sai số nhỏ hơn, làm giảm hàm mật độ xác suất và tốc độ bít.

+ Ngoài phép dự đoán bù chuyển động, một số dạng biến thể của phép dự đoán phức tạp khác cũng đợc triển khai trong công nghệ nén video.

Mã hoá biến đổi

Mã hoá biến đổi là kỹ thuật chủ yếu được sử dụng trong nén ảnh tĩnh và nén video Hiện nay, phép biến đổi phổ biến nhất là Biến đổi Cosin rời rạc hai chiều (2D-DCT) Một phương pháp khác đáng chú ý là Biến đổi Karhunen-Loeve (TKL).

Biến đổi cosine rời rạc (DCT) là một phép biến đổi tối ưu, tuy nhiên, việc áp dụng thực tế gặp nhiều khó khăn do nó không phải là phép biến đổi cố định và thiếu giải thuật nhanh chóng.

Các hệ số DCT có sự tương quan thấp với nhau và các ma trận cơ bản gắn liền với tần số không gian Phép biến đổi DCT 2D là một phương pháp phân tích có thể thực hiện DCT 1D theo từng dòng pixel, sau đó tiếp tục xử lý.

1 - DCT theo tõng cét pixel

Nhợc điểm của 2D - DCT là tạo ra hiệu ứng khối, nhất là khi tỉ số nÐn cao

Phép biến đổi cosin rời rạc (DCT) đợc biểu thị bằng công thức:

Phép biến đổi ngợc DCT -1 đợc biểu thị bằng: fx,y = 2

DTC chuyển đổi dữ liệu từ dạng biên độ sang dạng tần số, thực hiện các phép tính trong các khối 8x8 mẫu tín hiệu chói Y và các khối tương ứng của tín hiệu màu.

Các hệ số dưới giá trị thành phần một chiều biểu thị tần số cao hơn theo chiều dọc, trong khi các hệ số bên phải của thành phần một chiều thể hiện tần số cao hơn theo chiều ngang Ngoài ra, các hệ số khác tương ứng với các phối hợp khác nhau của tần số theo cả chiều dọc và chiều ngang Với bản chất tín hiệu Video, phép biến đổi DCT cung cấp các giá trị cho các thành phần tần số cao với giá trị rất lớn.

Các phơng pháp sử dụng trong chuẩn nén ảnh JPEG

Giới thiệu chung

Với sự phát triển vượt bậc của máy tính và sự xuất hiện của Internet, nhu cầu tìm kiếm phương pháp nén ảnh nhằm tiết kiệm không gian lưu trữ và tăng tốc độ truyền tải thông tin trên mạng trở nên cấp thiết Trong những năm gần đây, nhiều phương pháp nén ảnh đã và đang được nghiên cứu một cách sâu rộng.

Mục tiêu chính là biểu diễn hình ảnh với số bit tối thiểu nhằm giảm dung lượng kênh truyền và không gian lưu trữ, đồng thời vẫn đảm bảo tính trung thực của ảnh Điều này tương ứng với việc đạt được độ tin cậy cao nhất trong việc biểu diễn hình ảnh với tốc độ bit thấp nhất.

Tốc độ bit được xác định bằng số bit trên mỗi điểm ảnh, với ảnh đen trắng có tốc độ là 8 bit/pixel và ảnh màu là 24 bit/pixel Các kỹ thuật nén hiện đại cho phép giảm dung lượng ảnh từ 30 đến 50 lần so với ảnh gốc, dựa trên tiêu chí lỗi trung bình bình phương (MSE) hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) giữa ảnh gốc và ảnh đã nén.

Các nguyên tắc của nén ảnh

Tính chất chung của tất cả các ảnh số là sự tương quan lớn giữa các pixel liền kề, dẫn đến tình trạng dư thừa thông tin trong việc biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin gây khó khăn cho việc mã hóa ảnh một cách tối ưu Vì vậy, để nén ảnh hiệu quả, cần tìm kiếm các biểu diễn ảnh có tương quan nhỏ hơn nhằm giảm thiểu mức độ dư thừa thông tin Thực tế, có hai loại dư thừa thông tin được phân loại.

Dư thừa trong miền không gian đề cập đến mối quan hệ giữa các giá trị pixel của ảnh, cho thấy rằng các pixel lân cận thường có giá trị tương tự nhau, ngoại trừ những pixel nằm ở rìa biên của ảnh.

- D thừa trong miền tần số: Tơng quan giữa các mặt phẳng màu hoặc dải phố khác nhau

Nghiên cứu về nén ảnh chủ yếu tập trung vào việc giảm số bit cần thiết để biểu diễn hình ảnh, thông qua việc loại bỏ thông tin thừa trong cả miền không gian và miền tần số một cách hiệu quả nhất.

Các kỹ thuật nén ảnh đợc sử dụng

Nén ảnh không mất thông tin là phương pháp giúp khôi phục chính xác ảnh gốc sau khi giải nén Các phương pháp nén này bao gồm mã hoá Huffman, mã hoá thuật toán và một số công nghệ khác, đảm bảo chất lượng hình ảnh không bị suy giảm sau quá trình nén và giải nén.

Nén ảnh có thể dẫn đến việc mất một phần thông tin, khiến ảnh giải nén có sự sai khác nhỏ so với ảnh gốc Các phương pháp nén ảnh bao gồm: lượng tử hóa vô hướng như PCM và DPCM, lượng tử hóa vector, mã hóa biến đổi sử dụng biến đổi cosin rời rạc (DCT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT), cùng với mã hóa băng con.

Hình 1.7 Sơ đồ khối một hệ thống nén ảnh điển hình

Bài viết sẽ phân tích hai phương pháp nén ảnh tĩnh đang được nghiên cứu phổ biến, đồng thời so sánh những ưu và nhược điểm của từng phương pháp.

- Nén dùng biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosin Transform): đang đợc dùng trong chuẩn nén ảnh JPEG hiện nay

- Mã hoá băng con SBC (Subband Coding): Sẽ đợc kết hợp với biến đổiWavelet dùng làm chuẩn nén ảnh JPEG trong tơng lai

Mã hoá biến đổi DCT

Hình 1.8 Sơ đồ mã hoá và giải mã dùng biến đổi DCT

Nguyên tắc chính của phương pháp mã hóa này là chuyển đổi tập hợp các giá trị pixel của ảnh trong miền không gian thành một tập hợp các giá trị khác, từ đó tạo ra ảnh chưa nén Biến đổi lượng tử là một bước quan trọng trong quá trình mã hóa ảnh nén từ ảnh gốc.

Giải lợng tử Biến đổi

DCT ngợc ảnh khôi phục

Biến đổi DCT thuận và nghịch được sử dụng để tạo ra bảng tần số sao cho các hệ số trong tập giá trị mới có tương quan giữa các điểm ảnh gần nhau nhỏ hơn Điều này giúp cải thiện hiệu suất nén dữ liệu hình ảnh, giảm thiểu dung lượng mà vẫn giữ được chất lượng hình ảnh.

Trước khi áp dụng biến đổi DCT, ảnh gốc có kích thước lớn được chia thành các khối vuông 8x8 pixel Mỗi khối này đại diện cho mức xám của 64 điểm ảnh, với các giá trị mức xám là các số nguyên dương từ 0 đến 255.

Việc phân phối này giúp giảm thời gian tính toán các hệ số chung, trong khi biến đổi cosin cho các khối nhỏ sẽ nâng cao độ chính xác trong các phép tính với dấu phẩy tĩnh, đồng thời giảm thiểu sai số do làm tròn.

Biến đổi DCT là một bước quan trọng trong các phương pháp nén hình ảnh, với hai công thức minh hoạ cho phép biến đổi DCT thuận nghịch áp dụng cho mỗi khối ảnh kích thước 8x8 Giá trị x(n1, n2) thể hiện các mức xám của ảnh trong miền không gian, trong khi X(k1, k2) là các hệ số sau biến đổi DCT trong miền tần số.

Sau khi thực hiện biến đổi DCT thuận, mỗi khối 64 điểm ảnh sẽ tạo ra 64 hệ số thực DCT, mỗi hệ số này đại diện cho một trong 64 thành phần tần số không gian hai chiều.

Hệ số với tần số bằng không theo cả hai hướng (k1 và k2 bằng 0) được gọi là hệ số một chiều DC, đại diện cho giá trị trung bình của 64 điểm ảnh trong khối Trong khi đó, 63 hệ số còn lại được gọi là các hệ số xoay chiều AC Hệ số một chiều DC này tập trung phần lớn năng lượng của ảnh.

Bảng 1.9 Các bớc của quá trình mã hoá biến đổi DCT đối

Biến đổi DCT không làm mất thông tin, vì nó là một phép biến đổi tuyến tính chuyển đổi giá trị điểm ảnh từ miền không gian sang các hệ số trong miền tần số Nếu biến đổi DCT thuận nghịch được thực hiện chính xác và các hệ số DCT không bị nén hay mã hóa, ảnh thu được từ quá trình biến đổi DCT ngược sẽ hoàn toàn giống với ảnh gốc.

Lợng tử và giải lợng tử

Sau khi thực hiện biến đổi DCT, 64 hệ số sẽ được lượng tử hoá dựa trên bảng lượng tử gồm 64 phần tử Q(u,v) với 0 ≤ u, v ≤ 7, được định nghĩa theo từng ứng dụng cụ thể Các phân tử trong bảng lượng tử có giá trị từ 1 đến 255, gọi là các bước nhảy cho các hệ số DCT Quá trình lượng tử được coi là việc chia các hệ số DCT cho bước nhảy lượng tử tương ứng, sau đó làm tròn xuống số nguyên gần nhất Công thức (1) thể hiện việc lượng tử với F(u,v) là các hệ số DCT, FQ(u,v) là các hệ số sau lượng tử, và các hệ số này sẽ được đưa vào bộ mã hoá Entropy.

Giới thiệu hệ thống MPEG

Kỹ thuật nén ảnh số là yếu tố then chốt trong các hệ thống viễn thông và multimedia, giúp giải quyết vấn đề băng thông của đường truyền Các phương pháp nén video nhằm tối ưu hóa lượng thông tin cần thiết cho chuỗi bức ảnh mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh không bị giảm sút đối với người xem.

Tín hiệu video thường chứa nhiều thông tin thừa, được phân loại thành hai loại chính: thừa tĩnh bên trong từng khung hình (statistical) và thừa động giữa các khung hình (subjective).

Mục đích của nén video là giảm kích thước tệp bằng cách loại bỏ thông tin thừa và sử dụng các kỹ thuật mã hóa Entropy để tối ưu hóa lượng dữ liệu quan trọng cần lưu trữ và truyền tải.

Nên dữ liệu đợc chia thành hai dạng cơ bản

Nén không mất dữ liệu cho phép khôi phục ảnh hoàn toàn giống với bản gốc, nhưng yêu cầu thiết bị lưu trữ và băng thông lớn hơn Các thuật toán nén không mất dữ liệu thường thay thế các ký tự trùng lặp bằng các ký tự đặc biệt ngắn hơn mà không ảnh hưởng đến ý nghĩa của dòng bit dữ liệu Một số ví dụ về nén không mất dữ liệu bao gồm Run Length Encoding (RLE), Huffman Coding, Arithmetic Coding, Shannon-Fano Coding, LZ 78, LZH và LZW.

Dạng nén có mật dữ liệu cho phép khôi phục ảnh không hoàn toàn giống với ảnh gốc, thích hợp cho việc lưu trữ và truyền tải ảnh tĩnh, video qua mạng băng thông hạn chế Các phương pháp nén này thường đạt hệ số nén cao hơn nhờ vào việc sử dụng các phép biến đổi tín hiệu từ miền này sang miền khác Một số ví dụ về biến đổi có mật dữ liệu bao gồm: Differential Encoding, Discrete Cosine Transform (DCT), Vector Quantization, JPEG (Joint Photographic Experts Group) và MPEG (Motion Picture Experts Group).

Việc nén và giải nén tín hiệu video sử dụng kỹ thuật DPCM (Differential Pulse Code Modulation) đã được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn H.120 Các phương pháp nén DPCM tập trung vào việc phát hiện sự tương đồng và khác biệt giữa các điểm ảnh gần nhau nhằm loại bỏ thông tin thừa Tuy nhiên, chất lượng hình ảnh động vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu cần thiết.

Để nâng cao chất lượng ảnh động mà không làm tăng số lượng bit, kỹ thuật mã hóa đã chuyển sang sử dụng các phép biến đổi xử lý đồng thời nhóm pixel, dẫn đến khái niệm về các bộ mã hóa dựa trên khối Với các bộ mã hóa này, mỗi pixel chỉ cần ít hơn 1 bit để mã hóa.

Các bộ mã hoá dựa trên hai nguyên tắc biến đổi chính là Biến đổi Cosine rời rạc (DCT) và Lượng tử hóa vector (VQ) DCT được sử dụng để chuyển đổi các khối ảnh hai chiều kích thước 8x8 từ miền không gian sang miền tần số Kết quả của biến đổi DCT sẽ được tiến hành lượng tử hóa và mã hoá.

Các hệ số DCT sẽ được lượng tử hóa thành các hệ số đơn giản hơn, nhằm mục đích giảm thiểu số bit cần thiết để biểu diễn mỗi hệ số.

Trong bộ mã hóa, có một bảng mã (code book) và bảng chỉ số nội bộ, giúp chọn từ mã (code word) phù hợp nhất cho tập hệ số được tạo ra Quá trình lượng tử hóa cũng làm tròn giá trị của các hệ số ở mức nhỏ hơn, dẫn đến mất tín hiệu Tuy nhiên, chất lượng hình ảnh được khôi phục vẫn đạt mức chấp nhận được cho người xem.

Trong phương pháp VQ, bức ảnh được chia thành các khối kích thước cố định và xây dựng một bảng mã (code book) với các chỉ số tương ứng Thay vì truyền từng khối ảnh, ta chỉ cần gửi các chỉ số tương ứng hoặc chỉ số gần đúng nhất với các khối ảnh cần truyền.

Phương pháp biến đổi DCT hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nén và giải nén ảnh tĩnh theo tiêu chuẩn JPEG, cũng như trong xử lý ảnh động theo tiêu chuẩn MPEG Mặc dù chất lượng nén ảnh động không khác biệt nhiều, nhưng DCT vẫn cho thấy hiệu quả vượt trội trong các quy trình này.

Mã hoá Video

a, Nguyên lý mã hóa Video không co dãn ( Noscalable)

Hình 3.13 Nguyên lý mã hoá và giải mã không co dãn

+ Mã hoá DCT: loại bỏ độ d thừa và thông tin ít quan trọng xét về mặt không gian ( tức là nén không gian)

+ Đánh giá và bù chuyển động: loại bỏ độ d thừa và thông tin ít quan trọng xét về mặt thời gian ( tức là nén thời gian)

+ Mã hoá độ dài biến đổi VLC: loại bỏ độ d thừa xét về mặt xác suất thống kê ( tức là mã hoá entropy)

Frame/Field Đánh giá và bù chuyển động

Bù chuyển động Frame/Field

Véctơ chuyÓn động b, Nguyên lý mã hoá co dãn (scalability)

MPEG-2 cho phép các bộ giải mã với độ phức tạp khác nhau giải mã video từ cùng một dòng bit, đạt được nhiều mức độ phân giải và chất lượng khác nhau.

Muốn vậy dòng bit phải gồm:

Một lớp cơ bản: cho mức chất lợng hay độ phân giải cơ bản

Một hay nhiều lớp nâng cao: nâng cao thêm chất lợng và độ phân giải của Video Có nhiều loại co dãn khác nhau đã đợc triển khai:

- Co dãn không gian: hỗ trợ các độ phân giải không gian khác nhau

- Co dãn SNR: hỗ trợ các mức SNRkhác nhau trên cùng một độ phân giải không gian

- Co dãn thời gian: hỗ trợ các độ phân giải thời gian khác nhau

- Co dãn phân chia dữ liệu hay co dãn tần số: hỗ trợ các mức độ rõ nét của hình ảnh khác nhau

- Co dãn lai: kết hợp hai trong các loại co dãn trên

+ MPEG - 2 mới chỉ hỗ trợ 2 loại co dãn, đó là co dãn không gian và co dãn SNR

Nguyên lý mã hoá và giải mã video co dãn

Hình 1.14 Nguyên lý mã hoá và giải mã Video co dãn.

NÐn Video MPEG

MPEG (Nhóm Chuyên Gia Hình Ảnh Động) được thành lập vào năm 1988 với mục tiêu chuẩn hóa việc nén tín hiệu âm thanh và video MPEG-1 có khả năng nén tín hiệu video xuống còn 1.5 Mbit/s, mang lại chất lượng tương đương với VHS và âm thanh stereo.

Mã hoá video n©ng cao MPEG-2

Mã hoá video không co dãn MPEG-1/2

Giải mã video n©ng cao MPEG-2

Giải mã video không co dãn MPEG-2

Video ra 1 (chÊt lợng, độ phân giải cao)

Video ra 2 (chÊt lợng, độ phân giải cơ bản ) Video vào

( stereo audio) với tốc độ 192 bit/s Nó đợc dùng để lu trữ video và âm thanh trên CD - ROM

Vào những năm 1990, MPEG-2 được phát triển để đáp ứng các tiêu chuẩn nén video cho truyền hình Công nghệ này có khả năng mã hóa tín hiệu hình ảnh với tốc độ từ 3 đến 15 Mbit/s, đồng thời hỗ trợ truyền hình độ nét cao với tốc độ lên tới 15 Mbit/s.

MPEG 2 hỗ trợ mã hóa tín hiệu video với nhiều mức độ phân giải khác nhau, cho phép đạt tốc độ 30 Mbit/s và đáp ứng nhu cầu cho nhiều ứng dụng đa dạng.

Nhiều thuật toán đã được phát triển cho các ứng dụng khác nhau và được tập hợp thành bộ tiêu chuẩn MPEG đầy đủ Việc áp dụng toàn bộ các đặc điểm của chuẩn MPEG-2 cho tất cả các bộ mã hóa và giải mã không cần thiết do sự phức tạp của thiết bị, cũng như chi phí và băng thông của đường truyền.

Trong hầu hết các trường hợp, chúng ta chỉ sử dụng một phần nhất định của chuẩn MPEG 2, thường được gọi là profiles và levels Một profile xác định các thuật toán liên quan đến việc điều chỉnh bitstream và độ phân giải màu, trong khi một level quy định các tiêu chí bắt buộc cho các tham số của bức ảnh, chẳng hạn như kích thước ảnh và số lượng bit.

MPEG-4 đã trở thành tiêu chuẩn quan trọng cho nén hình ảnh trong truyền hình số, ứng dụng đồ họa, video tương tác như game và videoconferencing, cũng như các ứng dụng multimedia tương tác như World Wide Web và phân phối dữ liệu video qua truyền hình cáp và Internet từ năm 1999.

Ngày nay, MPEG-4 đã trở thành tiêu chuẩn công nghệ quan trọng trong sản xuất, phân phối và truy cập hệ thống video Công nghệ này giúp tối ưu hóa dung lượng lưu trữ cho các thiết bị và cải thiện băng thông cho đường truyền tín hiệu video, đồng thời giải quyết hiệu quả cả hai vấn đề này.

MPEG compression integrates four essential techniques: preprocessing, temporal prediction of frame motion in the encoder, motion compensation in the decoder, and quantization coding.

Các bộ lọc tiền xử lý giúp loại bỏ thông tin không cần thiết từ tín hiệu video, đồng thời xử lý những dữ liệu khó mã hóa nhưng không quan trọng cho việc cảm thụ của mắt người.

Kỹ thuật đoán chuyển động dựa trên nguyên tắc rằng các hình ảnh trong chuỗi video có mối liên hệ chặt chẽ theo thời gian Mỗi frame tại một thời điểm nhất định có khả năng tương đồng cao với các frame ngay trước và ngay sau nó.

Các bộ mã hoá sẽ quét từng macro block nhỏ trong mỗi khung hình, sau đó phát hiện những macro block không thay đổi giữa các khung hình khác nhau.

Bộ mã hoá dự đoán sự xuất hiện của các macro blocks dựa trên vị trí và hướng chuyển động của chúng Chỉ những thay đổi giữa các khối trong frame hiện tại và các khối đã được dự đoán mới được gửi tới bộ giải mã Bộ giải mã lưu trữ thông tin không thay đổi từ frame này sang frame khác trong bộ nhớ đệm, và sử dụng chúng để điền vào các vị trí trống trong ảnh khôi phục một cách đồng đều.

Thuật toán nén MPEG sử dụng phép biến đổi DCT cho các khối ảnh 8x8 pixels, nhằm phát hiện và loại bỏ sự thừa về không gian giữa các điểm ảnh trong cùng một bức ảnh một cách hiệu quả.

Khi có sự tương quan chặt chẽ giữa các điểm ảnh trong các bức ảnh liên tiếp, kỹ thuật mã hóa giữa các khung hình (Inter frame coding techniques) sẽ được áp dụng Điều này đặc biệt hữu ích khi hai bức ảnh liên tiếp có nội dung trùng nhau, cho phép sử dụng dự đoán sự dư thừa về không gian để tạo ra kỹ thuật dự đoán bù chuyển động giữa các bức ảnh (Motion compensated prediction between frames).

Trong nhiều sơ đồ nén MPEG, việc kết hợp giữa tiên đoán bù chuyển động theo thời gian và phép biến đổi thông tin không gian là rất quan trọng để đạt hiệu quả nén cao Điều này được thực hiện thông qua phương pháp mã hóa Hybrid DPCM/DCT cho video, giúp tối ưu hóa việc lưu trữ và truyền tải dữ liệu.

 CIF 4:2:2 360 x 288 Tần số quét dọc 30 (29.97)

 QCIF 4:2:2 180 x 144 Tần số quét dọc 30 (29.97)

 1920 x 1152 b CÊu tróc ph©n líp chuÈn MPEG:

+ Lớp chuỗi (Sequence) gồm nhiều nhóm GOP

+ Lớp GOP hay lớp nhóm ảnh : gồm nhiều ảnh

+ Lớp ảnh : gồm nhiều Slice

+ Lớp Slice : gồm nhiều macro block (MB) 16 x 16 pixel

+ Lớp MB : gồm nhiều block 8 x 8 pixel Đối với dạng thức CCIR 601 4:2:2 , 1MB sẽ gồm 4 block Y, 2 block

Cr, 2 block Cb Đối với dạng thức CCIR 601 4:2:0, 1MB sẽ gồm 4 block Y, 1 block Cr,

Lớp Cấu tạo Chức năng

Sequence Gồm nhiều GOP Dòng bit video

Gop Gồm từ 1 đến n ảnh, bắt đầu từ ảnh I Đơn vị truy xuất

Gồm nhiều Slice Đơn vị mã hoá cơ bản

Slice Gồm nhiều MB Đơn vị tái đồng bộ để phục hồi lỗi

(Macro block) Đối với 4:2:0, gồm 4 block Y, 1 block Cr,

1 block Cb Đơn vị bù chuyển động

Block Gồm (8 x 8) pixel Đơn vị tính DCT

(Hình 1.15 Cấu trúc dòng bit MPEG phân lớp)

8 pixel Block pixel 8 c Phân loại ảnh MPEG: ả nh mã hoá Intra:

Nén theo không gian (nén Intra) Nén ảnh I -

Nén ảnh I là phương pháp nén nhằm giảm thiểu thông tin thừa trong miền không gian, sử dụng cả quá trình có tổn hao và không có tổn hao để tối ưu hóa dữ liệu trong ảnh Quá trình này không dựa vào thông tin từ các ảnh trước và sau ảnh đang được xử lý Sơ đồ tổng quát về nén intra minh họa rõ ràng quy trình này.

Hình 1.17 Sơ đồ nén ảnh I

Bảng Huffman b Nguyên lý nén intra:

Tuỳ theo cấu trúc lấy mẫu mà ta có các định dạng MB 4 : 2 : 2 hay 4: 2: 0

- 4: 2: 2 4 block Y, 2 block Cr, 2 block Cb

- 4: 2: 0 4 block Y, 1 block Cr, 1 block Cb

Các giá trị Y, Cr, Cb 8 bit/pixel của từng khối được biến đổi bằng phương pháp DCT hai chiều thành ma trận 8x8, bao gồm 1 hệ số DC và 63 hệ số AC, với độ chính xác lên đến 11 chữ số.

Năng lượng thông tin thường tập trung ở vùng tần số thấp, với hệ số DC và các hệ số AC tần số thấp có giá trị lớn hơn so với các hệ số AC tần số cao.

Các hệ số DCT được lượng tử hóa với các bước lượng tử khác nhau, trong đó các hệ số DC và C ở vùng tần số thấp được lượng tử hóa một cách tinh tế hơn so với các hệ số AC.

Các hệ số DC được mã hóa bằng DPCM so với các hệ số DC trước đó Sau khi lượng tử hóa, các hệ số AC sẽ được sắp xếp theo thứ tự Zig-zag, tạo thành một dãy một chiều gồm 63 phần tử, với phần tử cuối thường là 0.

- Các hệ số AC và DC sau khi lợng tử hoá sẽ đợc mã hoá bằng mã RLC và VLC

- Bộ đệm dùng để chứa tạm thời các bit trớc khi truyền đi với tốc độ không đổi

Khi bộ đệm bị đầy hoặc quá cạn, cần điều chỉnh hệ số thang độ lượng tử để tối ưu hóa việc cấp phát bit cho các hệ số DCT, nhằm cân bằng dòng bit vào bộ đệm.

+ Trong ảnh I có hai loại MB là:

- MB Intra: chỉ sử dụng ma trận lợng tử mặc định

- MG Intra A: Có sử dụng thêm hệ thống thang độ lợng tử.

Nén theo thời gian (nén Inter) - Nén ảnh P, B

Hình 1.18 Sơ đồ nén ảnh P

- Đánh giá bù chuyển động: Đối với mỗi MB b trong ảnh thứ K, tìm trong vùng xung quanh ứng với ảnh thứ K 1 xem có MB gần giống nhất với -

MB b (giả sử là MB c), từ đó xác định đợc vecto chuyển động d = (dx, dy)

- Nh vậy, thay vì truyền đi toàn bộ thông tin trong MB b ta chỉ truyền véc tơ chuyển động d và sai số dự đoán e = b - c b Nén ảnh B:

- ớc lợng chuyển động: Đối với mỗi MB b trong ảnh thứ K, tìm trong vùng xung quanh ứng với ảnh thứ K - 1 và ảnh K + 1 xem có MB gần

ớc lợng bù chuyển động

Bộ dự đoán bù chuyển động

• ảnh hiện tại • ảnh dự đoán ảnh trớc đó

Véc tơ chuyển động ảnh sai biệt +

- + giống nhất với MB b (giả sử là MB c1 và MB c2), từ đó xác định đợc 2 véc tơ chuyển động d1 và d2 tơng ứng

Dự đoán bù chuyển động tạo ra MB dự đoán nh sau: b' = α1c1 + α2c2 với = α1; α2 = 0,05, 1 và α1 + α2 = 1

Ảnh B được mã hóa với số lượng bit ít hơn so với ảnh P, giúp cải thiện khả năng dự đoán và mang lại ảnh khôi phục có SNR tốt hơn Tuy nhiên, quá trình mã hóa và giải mã ảnh B phức tạp và tốn thời gian hơn, đồng thời yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn.

Đối với các loại MB nén Inter, sai số dự đoán sẽ được biến đổi DCT và sau đó được lượng tử hóa bằng cách chia cho ma trận lượng tử và hệ số thang độ lượng tử Quá trình này tiếp tục bằng việc quét zig zag để mã hóa RLC và VLC.

Véc tơ chuyển động sẽ được mã hoá DPCM so với véc tơ chuyển động của khối hình ảnh (MB) trước đó, và thông tin này sẽ được truyền đi dưới dạng thông tin phụ (Side information).

Hệ thống nén tín hiệu MPEG - 2

Sơ đồ nguyên lý hệ thống MPEG - 2

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống MP EG-2 b MPEG - 2 Profile và Level

+ Level: Đặc trng cho mức độ phức tạp về dạng thức Video (độ phân giải về không gian và thời gian)

+ Profile: Đặc trng cho các mức độ phức tạp về công cụ nén (kỹ thuËt nÐn)

* Các tổ hợp Profile và Level

Hình 1.20 Profile và Level c So sánh chức năng mã hoá Video MPEG - 1 và MPEG - 2

Chất lợng hình ảnh VHS Đóng góp, phân bổ

Tốc độ bit Thay đổi

Thay đổi (lên đến 100 Mbps)

Tính co dãn Co dãn không gian, SNR, thêi gian ph©n chia sè liệu

Tính tơng hợp Thuận, ngợc, lên, xuống

Lỗi truyền Bảo vệ lỗi Hồi phục lỗi

Biên tập lỗi Có Có

DCT Không xen kẽ Frame (liên tục) hoặc field (xen kẽ) Đánh giá chuyển động Không xem kẽ Dựa vào frame, fiele, dual

- prime (16x 8) Véc tơ chuyển động Véc tơ chuyển động cho ảnh

Để mã hóa ảnh I và ảnh P, B, ta sử dụng véc tơ chuyển động tương ứng Sau đó, áp dụng quá trình quét các hệ số DCT và quét zigzag để nén dữ liệu Đối với video xem kẽ, quá trình quét zigzag và quét alternate được sử dụng để tăng hiệu quả nén.

Bảng 1.21: So sánh chức năng mã hoá Video MP EG-1 và MPEG-2

NÐn Audio MPEG

a Nguyên lý nén Audio MPEG:

Hình 1.22 Họ nén audio MPEG b Sơ đồ nén audio MPEG

- Biến đổi thời gian tần số: Lọc đa dải dùng để phân bố âm tần v- à các dải con

- Mô hình tâm lý thính giác: Tính toán phổ năng lợng tín hiệu audio, xác định đờng con che lấp

- Ghép kênh: tín hiệu audio su khi đợc lợng tử hoá và mã hoá ghép với các số liệu phụ khác

Hình 1.23 Nguyên lý nén Audio MPEG

TÇn sè lÊy mÉu thấp Đa kênh

Biến đổi thời gian -> tần số (lọc đa dải)

Biến đổi thời gian -> tần số (lọc đa dải)

Biến đổi thời gian -> tần số (lọc đa dải)

Mô hình tâm lý thính giác Audio

Tốc độ bit: 32 448 Kb/s (tổng cộng)ữ

32 subband đều, mỗi subband gồm 1 block 12 mẫu ứng dụng: Philips Digital Compact Cassette với tốc độ 192 Kb/s

Chất lợng tốt hơn với tốc độ thấp, khoảng 128 Kb/s

Tốc độ bit: 32 384 Kb/s (tổng cộng)ữ

24 ms framing @48 Mhz (1157 x 20.83às = 24 ms)

32 subband đều, mỗi subband gồm 1 block 36 mẫu ứng dụng: CD-ROM, DVB, Multimedia

Cho chất lợng tốt hơn với tốc độ bit thấp, khoảng 64 Kb/s Tốc độ bit: 32 320 Kb/s (tổng cộng)ữ

24 ms framing @48 Mhz (1157 x 20.83às = 24 ms)

MPEG-2 nén audio sử dụng 32 subband đều, mỗi subband cho phép tạo ra 18 băng MDCT Công nghệ này được ứng dụng trong ISDN băng hẹp, viễn thông, kết nối vệ tinh và cung cấp audio chất lượng cao trên Internet.

Nén audio MPEG - 2 là sự mở rộng của nén audio MPEG 1 để đáp - ứng những yêu cầu của các ứng dụng mới

Dải chất lợng audio trải rộng từ thấp đến cao: 32 ữ 1066 Kb/s

Mỗi frame của dòng bit audio MPEG - 2 đợc chia làm hai phần: + Phần tơng hợp với MPEG - 1

Mã hoá đợc tới kênh audio kể cả 1 kênh hỗ trợ âm thanh surround

Hỗ trợ các tốc độ lấy mẫu phân nửa: 16, 22.05, 24 (Khz) e So sánh nén audio MPEG 1 và - MPEG - 2

MPEG MPEG Độ phân giải đầu vào 16 bit 16 bit có thể đến 24 bit TÇn sè lÊy mÉu 48; 44.1;32 (Khz) 48; 44.1;32 (Khz)

Tốc độ truyền Tự do và có thể lên đến

Tự do và có thể lên đến

Số lợng kênh truyền Lên đến 2 kênh với các mode: mono, stereo, dual, join stereo

Lên đến 6 kênh: left; right, centre, L suround,

Tơng hợp co dãn Thuận và ngợc, kênh left, right có thể đợc giải mã độc lập

Bảng 1.24: So sánh nén audio MPEG - 1 và MPEG - 1

Giới thiệu chung

Trong hệ thống DVB (Digital Video Broadcasting), kỹ thuật điều chế số đóng vai trò quan trọng, với QPSK và QAM là hai phương pháp chủ yếu được áp dụng Điều này đặc biệt quan trọng trong hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất DVB-T, nơi mà việc sử dụng các kỹ thuật này giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất truyền tải tín hiệu.

Điều chế khoá dịch pha M - PSK (Phase Shift Key)

M-PSK là phương pháp điều chế tín hiệu số, trong đó thông tin được truyền dưới dạng các biểu trưng (symbol) thay vì chuỗi bit Mỗi biểu trưng mang thông tin của 2, 3 hoặc nhiều bit, và chúng được truyền với các độ lệch pha khác nhau Số lượng bit và độ lệch pha của các biểu trưng phụ thuộc vào giá trị M.

Phương pháp điều chế này cho phép pha của sóng mang được xác định bằng một trong M giá trị θi = 2(i - 1) - A, với i = 1, 2, …, M Trong khoảng thời gian T, một trong số M tín hiệu có thể được gửi đi, và E đại diện cho năng lượng tín hiệu trên một biểu trưng, trong khi f0 là tần số của sóng mang Tín hiệu điều chế được thể hiện dưới dạng này.

Xét trờng hợp 4 PSK (M = 4), so đồ điều chế nh hình 3.25 Đối - với trờng hợp này m1(t) và m2(t) là các tín hiệu nhị phân nhận các giá trị ±

1, do đó tín hiệu có dạng:

Mỗi một tín hiệu Si(t) có thể tách ra thành các hàm trực giao cơ sở ϕ1(t) và ϕ2(t): ϕ1(t) = 2 sin(2 ) E 0

Cả ϕ1(t) và ϕ2(t) đều có năng lượng tín hiệu bằng một đơn vị, tạo nên tập tín hiệu M-PSK với đặc điểm 2 chiều M điểm mang thông tin được phân bổ đồng đều trên đường tròn bán kính E, với tâm là điểm gốc tọa độ Vị trí của điểm thông tin được xác định bởi hai thông số tọa độ: m1(t) = cos(i(L)).

(i-1)) theo trục toạ độ ϕ1.Trong đó: i = 1, 2, 3, 4.

Theo trục toạ độ ϕ1 và ϕ1 ta có vị trí các điểm thông tin và đồ thị véc tơ của tín hiệu đợc điều chế nh hình 1.25:

Hình 1.25: Constallation của tín hiệu 4 - PSK §êng giíi hạn phân định

- E ϕ2 m2 dp π/M m4 m3 ϕ1 Điều chế PSK bao gồm họ điều chế:

+ 8 - PSK, 16 PSK…- a) §iÒu chÕ BPSK

- Điều chế BQSK là điều chế số khoá dịch pha nhị phân, loại điều chế số này có sóng mang dịch pha 180 0 (hai trạng thái pha 0 0 và 180 0 )

`Sơ đồ khối điều chế số BPSK:

- Dữ liệu vào là chuỗi số nối tiếp có tốc độ bit R bit/s, dao động nội

Bộ dao động vị trí (LO) sẽ kết hợp với dữ liệu tại bộ trộn MIX, tạo ra tín hiệu sóng mang với hai trạng thái pha 0° và 180° Tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào, thể hiện trạng thái mức logic 1 hoặc 0, hoặc ngược lại.

Cosin a: Sơ đồ bộ điều chế số BPSK b: Giản đồ pha

Sơ đồ tổng quát giải điều chế số BPSK

Hình 1.27: Giải điều chế BPSK

Tín hiệu điều chế số BPSK được trộn với dao động nội, thực hiện so pha và tách lệch pha, sau đó đi qua khối lọc LPF (Low Pass Filter) để tạo ra mức điện áp đưa vào bộ so sánh, nhằm tái tạo lại mức điện áp logic dữ liệu ban đầu Điều chế QPSK (Quadrature PSK) cũng sử dụng phương pháp tương tự để cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.

- Chuỗi dữ liệu số vào nối tiếp đợc đa đến bộ đếm chia nhị phân module 2 Sau đó tín hiệu này đợc trộn với dao động có cặp pha I, Q

(inphase, Quadrature), dao động nội LO đợc lấy ra trong cùng thời gian trên tục đồng pha I là sinω0t

Cặp dao động vuông góc được kết hợp với hai đường dữ liệu từ bộ chia nhị phân modul 2 và điều chế BPSK, sử dụng dao động sóng mang trục Cos và Sin Sau đó, hai nhánh điều chế BPSK được tổ hợp, tạo ra tín hiệu đầu ra có độ lệch pha 90 độ.

Quan hệ giữa dữ liệu đầu vào và tín hiệu qua mạch đếm nhị phân module2

Hình 1.29 Bộ đếm chia nhị phân module 2

Chu kỳ TM trên tục I, Q đợc lấy xen kỹ từ dòng bit đầu vào Điều chế QPSK với module 2 cho số trạng thái là 2 2 = 4 (còn đợc gọi là 4φ PSK)

Hình 1.30 Biểu đồ chòm sao

Xét độ lớn của các điểm pha trên biểu đồ chòm sao, theo định lý Pitago ta cã:

Trong đó A là biên độ dao động nội LO

Xét các điểm pha điều chế số, chúng đặc trng cho giá trị dữ liệu vào theo bảng sau:

Dữ liệu vào nối tiÕp

Giá trị bit tơng ứng

I Điều chế QPSK không cân bằng

Trong trường hợp dao động LO không tuần hoàn đều, với biên độ A1 và A2 trên trục sin không bằng nhau, ta sẽ có điều chế số QPSK không cân bằng.

Sơ đồ khối điều chế số QPSK không cân bằng:

Hình 1.32: Điều chế QPSK không cân bằng

A1 = A2 Điều chế QPSK cân bằng

A1 A≠ 2 điều chế QPSK không cân bằng d = A 1 2 + A 2 2

Xét một số trờng hợp tổng quát của điều chế vuông pha (I, Q) không cân bằng

Hình 1.33 Các dạng QPSK không cân bằng

Sai số trong phạm vi máy thu có thể chấp nhận là ±10°, cho phép bộ giải mã trong máy thu nhận dạng nhánh I, Q và tạo ra dạng chòm sao.

Tín hiệu điều chế QPSK được kết hợp với dao động trực pha COS và SIN, sau đó tín hiệu từ hai nhánh trực pha I và Q đi qua mạch lọc thông thấp Tiếp theo, tín hiệu được đưa vào mạch so sánh để tái tạo dữ liệu I và Q, cuối cùng chuyển đổi thành dòng tín hiệu số nối tiếp.

Ta có giải điều chế số QPSK.sau vơi các góc pha điều chế tợng ứng với các bit dữ liệu truyền

Pha Sinω0t + θ Dữ liệu I Dữ liệu Q

Dữ liệu truyÒn nèi tiÕp

Bảng 3.35: Giải điều chế QPSK

Data out c §iÒu chÕ 8 - PSK. Điều chế số 8 - PSK wngsvowis Modul 3 có số trạng thái 2 3 = 8 hay còn gọi là 8φ - PSK

A: Sơ đồ khối điều chế 8 - PSK

Dữ liệu được đưa vào qua mạch đếm chia module 2, sau đó được kết hợp với dao động nội LO ở pha I và Q (Cos, Sin) để tạo ra tổ hợp số trạng thái pha.

B quả điều chế số 8 PSK cho ra 8 trạng thái dịch pha (hình 3.36) Với góc pha - là: θ = (2π/8) = 45 0

1.6.3 §iÒu chÕ M - QAM (Quadrature Amlitude Modulation)

Trong hệ thống điều chế tín hiệu M PSK, các thành phần tín hiệu cần có mối quan hệ nhất định để đảm bảo đường bao tín hiệu là hằng số cố định, dẫn đến các điểm thông tin nằm trên một đường tròn Khi loại bỏ yêu cầu này và cho phép các thành phần cùng pha và cầu phương độc lập, chúng ta có thể áp dụng phương pháp điều chế mới gọi là điều chế biến độ cầu phương (QAM) Phương pháp này cho phép tín hiệu được điều chế cả về pha lẫn biên độ.

Tín hiệu điều chế M - QAM có dạng:

0 t≤ ≤T, E là năng lợng của tín hiệu.

Tín hiệu Si(t) điều chế M - QAM cũng có các hàm trực giao cơ sở có dạng nh đối với điều chế PSK

Điểm thông tin thứ nhất trên đồ thị pha biên độ được xác định bởi hai trục ϕ1(t) và ϕ2(t), với giá trị a(t) và b(t) Các giá trị a(t) và b(t) được tính toán dựa trên ma trận vuông L - L, trong đó L bằng M.

Với QAM 16 mức, ta có: L = 4, vậy ma trận L - L nh sau:

Tín hiệu đợc điều chế QAM có đồ thị chòm sao bao gồm các điểm thông tin, đợc minh hoạ nh hình dới dây trong trờng hợp M = 16

Thành phần theo trục toạ độ ϕ1(t)

Thành phần theo trục toạ độ ϕ2(t)

Hình 1.37: Constellation của tín hiệu 16 - QAM

Trên đồ thị, tọa độ của một điểm thông tin được xác định bởi hai trục ϕ1(t) và ϕ2(t) thông qua giá trị (a(t), b(t)), trong đó (a(t), b(t)) được xác định bởi ma trận 4 x 4 Các cặp bit tuân theo quy luật rằng hai cặp bit kề nhau chỉ khác nhau tối đa 1 bit Từ ma trận vuông 4 x 4, nếu (a(1), b(1)) = (3, 3) thì tọa độ điểm thông tin tương ứng sẽ là điểm -

"0000" ở góc phần t thứ hai Tơng tự nh vậy, ta có thể xác định các điểm thông tin còn lại

Sơ đồ mạch điều chế M - QAM nh sau:

Hình 1.38 : Sơ đồ điều chế M-QAM

Bộ mapper, quết định hệ số 2E

T b(t) tuỳ thuộc vào vị trí của điểm thông tin

Điều chế QAM, hay còn gọi là điều chế APK (Amplitude Phase Keying), là phương pháp điều chế số phần tử biên độ QAM kết hợp hai loại điều chế chính là ASK (Amplitude Shift Keying) và PSK (Phase Shift Keying), mang lại hiệu suất truyền tải dữ liệu cao hơn.

Sơ đồ khối điều chế ASK

Hình 1.39 Sơ đồ khối điều chế ASK và trạng thái truyền sóng mang

Tín hiệu ra của ASK có quan hệ nh sau:

E cosω0t là hàm dao động nội LO d(t) là hàm dữ liệu nhị phân b) Dạng đơn giản của 4 - QAM

1 c) Dạng đơn giản của 8-QAM

Dạng thức điều chế của 8 QAM nh sau:-

H×nh 1.41: §iÒu chÕ 8 - QAM d) §iÒu chÕ 16 - QAM.

Điều chế với mức trạng thái cao như M-Ary-PSK, ví dụ 16 PSK, thường ít được sử dụng do yêu cầu băng thông cao Thay vào đó, điều chế QAM - 16 trạng thái thường được ưa chuộng hơn trong các ứng dụng truyền thông.

- Điều chế 16-QAM đợc thực hiện bằng cách chuyển đổi dùng tín hiệu nối tiếp đầu vào thành dòng tín hiệu song song, sau đó đa qua bộ điều

I chế xung biên độ PAM và cuối cùng điều chế QPSK Kết quả ta có điều chế

Sơ đồ khối điều chế 16-QAM

1.7 §iÒu chÕ PAM (Pulse Ampliture Modulation)

- Điều chế PAM là điều chế xung biên độ thực hiện truyền tải với khối k bit nhị phân thành M mức năng lợng

Hình 1.43 Biểu đồ không gian mức tín hiệu điều chế PAM

So sánh M PSK và M - - QAM

So sánh M-PSK và M-QAM thông qua biểu đồ constellation cho thấy rằng để đạt được xác suất lỗi (BER) tương đương, cần đảm bảo khoảng cách dp = dQ Trong đó, dp và dQ lần lượt là khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định của M-PSK và M-QAM.

M - QAM, chúng ta có thể xác định đợc: dp = 2 Epsin

Nhãm tõng hai bit thành

Ep và EQ đại diện cho năng lượng tín hiệu của các phương pháp điều chế PSK và QAM Để đạt được tỷ lệ lỗi bit (BER) tương đương, cả hai phương pháp điều chế này cần phải có khoảng cách d giống nhau, tức là dp phải bằng dQ.

Với cùng BER cho trớc và cùng M thì:

- Khi M ≤8, điều chế PSK lợi công suất hơn điều chế QAM

- Với M > 8 thì điều chế QAM lợi công suất hơn PSK

Khi M > 8, mức năng lượng cần thiết (EQ) sẽ thấp hơn năng lượng tối thiểu (Ep) để đạt được cùng một tỷ lệ lỗi bit (BER) đã cho Đặc biệt, với M = 16, điều chế QAM mang lại lợi ích về công suất là 1,64 dB so với PSK, và với M = 64, lợi ích này tăng lên tới 6,27 dB.

Đối với các hệ thống dung lượng lớn có tốc độ bít cao, việc tiết kiệm phổ tần là rất quan trọng Do đó, người ta thường sử dụng các sơ đồ điều chế với M cao Hệ thống điều chế M QAM mang lại lợi thế về công suất, vì vậy nó thường được áp dụng trong thực tế.

Khi sử dụng hệ thống có dung lượng vừa hoặc nhỏ, việc chọn mức điều chế M không cần quá lớn Trong trường hợp này, điều chế PSK thường mang lại lợi ích về công suất và ít nhạy cảm với méo phi tuyến từ bộ khuyếch đại công suất Thực tế cho thấy điều chế PSK thường sử dụng các mức M như 2, 4, 8, trong khi điều chế QAM thường có M bằng 4.

16, 64, … ( 4- QAM thì tơng đơng 4 - PSK do constellation của chúng hoàn toàn giống nhau)

Dòng dữ liệu MPEG

Hệ thống MPEG

a Cấu trúc phân lớp hệ thống

Hình 2.1 Cấu trúc phân lớp hệ thống MPEG - 2 Định dạng nguồn Giải định dạng nguồn

Nén/Mã hoá Giải nén/ Giải mã Đóng gói Mở gói

Ghép kênh dòng chơng trình Phân kênh dòng chơng trình

Ghép kênh dòng truyền tải Phân kênh dòng truyền tải

Dòng cơ bản §ãng gãi PES

ES Video, Audio, Dữ liệu

Mã hoá MPEG - 2 Giải mã MPEG - 2 b Phân loại dòng dữ liệu MPEG - 2

+ Dong cơ bản (ES): Dòng Video nén MPEG hoặc dòng Audio nén MPEG hoặc dòng dữ liệu

+ Dòng cơ bản đóng gói hay dòng gói cơ bản (PES): dòng cơ bản Video, Audio hoặc dữ liệu sau khi đã đợc đóng gói thành gói (packet)

Dòng chương trình (PS) là sự kết hợp của kênh Video, Audio và dữ liệu (nếu có) trong một chương trình Nó thường được áp dụng trong lĩnh vực lưu trữ, nơi có môi trường ít nhiễu.

Đặc điểm của các dòng dữ liệu MPEG

+ Dòng cơ bản ES đợc phân thành các gói (Packet) với chiều dài tuỳ ý, có thể dài đến 8 Kbytes b Dòng chơng trình

Chương trình Dong chứa thông tin từ một hoặc nhiều dòng gói cơ bản, kết hợp các kênh thành một dòng duy nhất Nó sử dụng chung một gốc thời gian và bao gồm nhiều gói liên tiếp.

Các gói PS có độ dài linh hoạt mà không bị giới hạn về số lượng và thứ tự của các dòng gói cơ bản Tuy nhiên, các gói trong từng dòng (Stream) được truyền theo đúng trình tự thời gian xảy ra.

- Dòng chơng trình có thể chứa 32 dòng Audio, 16 dòng Video, 16 dòng dữ liệu, sử dụng chung thời gian gốc

- Dòng chơng trình rất nhạy với lỗi, thờng dùng trong thu multimedia, DVD, vì vậy rất dễ bị lỗi nếu mất thông tin vì lý do sau:

Dòng chương trình bao gồm các gói dữ liệu có độ dài thay đổi, bắt đầu bằng một header Một lỗi trong phần header có thể dẫn đến việc mất thông tin toàn bộ gói Do các gói này có thể chứa hàng chục kbyte dữ liệu, sự mất mát thông tin trong một gói có thể làm gián đoạn hoặc mất cả một khung hình.

Hình 2.2 Cấu trúc dòng chơng trình MPEG - 2

Độ dài gói không cố định gây khó khăn cho bộ giải mã trong việc xác định thời điểm kết thúc của một gói và bắt đầu của gói mới Điều này buộc bộ giải mã phải đọc và dịch lại thông tin về độ dài của gói bị lỗi, dẫn đến mất đồng bộ và thông tin, ít nhất là một gói.

Hình 2.3 Cấu trúc dòng truyền tải MPEG-2

+ Thông tin đợc chia thành các gói truyền tải (transport packet) có độ dài cố định 188 byte

+ Gói truyền tải có chứa các thông tin về định thì, đồng bộ và cơ chế sửa Jiter đảm bảo độ tin cậy trên đờng truyền dài, có nhiễu

Kích thước gói truyền tải cố định giúp dễ dàng chuyển đổi dòng truyền tải TS thành các tế bào (cell) trong mạng ATM (Asynchronous Transfer Mode).

+ Dòng truyền tải chứa thông tin của một hay nhiều chơng trình có thời gian gốc khác nhau hoặc chỉ là sự kết hợp các PES

Có 2 phơng pháp thờng đợc sử dụng để ghép kênh số liệu từ nhiều vùng khác nhau thành một dòng nh sau:

- Ghép kênh phân chia thời gian (TDM Time Division Multiplexing) -

Về nguyên lý, TDM gán các khe thời gian một cách tuần hoàn cho các dòng sơ cấp Audio, Video và số liệu

Ghép kênh gói (Packet Multiplexing) là một phương pháp ghép kênh hiệu quả, trong đó các dữ liệu từ dòng sơ cấp Audio, Video và dữ liệu khác được đan xen vào nhau theo một trình tự tuần hoàn hoặc không tuần hoàn Quá trình này cho phép các gói dữ liệu nối tiếp nhau để hình thành một dòng ghép kênh thống nhất, giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu và tăng cường hiệu suất của hệ thống truyền thông.

Hình 2.4 Sơ đồ ghép kênh gói chơng III

Truyền tín hiệu truyền hình số

Việc áp dụng kỹ thuật số trong truyền tín hiệu video yêu cầu tiêu chuẩn số cho hiệu truyền hình, nhằm đảm bảo chất lượng hình ảnh thu được không kém so với tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình số có thể được truyền qua nhiều phương thức khác nhau.

Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cạp đồng trụ c.

Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang

Truyền tín hiệu truyền hình số bằng viba

Truyền tín hiệu truyền hình số bằng vệ tinh

Tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng hình ảnh, chúng ta có thể lựa chọn phương thức truyền tốc độ và độ rộng tín hiệu phù hợp để đảm bảo hiệu quả truyền tải.

3.2 các phơng thức truyền hình tính hiệu truyền hình số

3.2.1 Truyền tín hiệu truyền hình số băng cáp đồng trục

Tín hiệu truyền hình tương tự được số hóa và biểu diễn dưới dạng mã nhị phân, không truyền trực tiếp qua cáp trong băng tần cơ bản Tín hiệu truyền hình số trong cáp ở băng tần cơ bản không cần điều chế, nhưng có thành phần một chiều do việc sử dụng các mạch hồi tiếp dòng xoay chiều Do đó, cần phải biến đổi tín hiệu số để tối ưu hóa đặc trưng cho kênh truyền, thường sử dụng mã tuyến tính.

Kênh truyền tín hiệu video số cần có độ rộng lớn hơn nhiều lần so với kênh truyền tín hiệu video tương tự, với độ rộng tối thiểu bằng 3/4 tốc độ bit của tín hiệu Độ rộng kênh truyền phụ thuộc vào phương pháp mã hóa và phương pháp ghép kênh truyền Phân tích phổ công suất của tín hiệu được mã hóa tuyến tính cho thấy cực đại mật độ phần nằm ở tần số gần bằng 1/2 tần số giới hạn của kênh, cụ thể là f0 = fz/2, f2 là tần số giới hạn kênh.

Để truyền tín hiệu video số, có thể sử dụng cáp đồng trực cao tầm, tuy nhiên, số lượng kênh có thể ảnh hưởng đến chất lượng truyền, ví dụ như trong trường hợp có nhiều nhiệt Ngược lại, nếu có nhiều tuyến tính của kênh, suy giảm theo tần số sẽ không xảy ra trong trường hợp truyền số các thông số tới hạn Độ dài của đường truyền tín hiệu số có thể được kéo dài bằng cách tái tạo tín hiệu số ở các đoạn trung bình, sử dụng nhữn g công nghệ truyền tín hiệu tương tự.

Chiều dài của các đoạn trung chuyển phụ thuộc vào loại cáp sử dụng và tốc độ bit của tín hiệu truyền Thông thường, chiều dài này dao động từ 2 đến 3 km Để đạt được chất lượng truyền tín hiệu truyền hình cao, yêu cầu cáp có chiều dài phù hợp với các tiêu chuẩn chất lượng từ 10^-8 đến 10^-7.

2500 km, cần phải bảo đảm mức lỗi trên đoạn trung chuyển là 10 11 ữ 10 -10

Việc khôi phục tín hiệu ở cuối mỗi đoạn trung chuyển cần đảm bảo tín hiệu có cùng dạng với tín hiệu đầu vào, chỉ khác biệt về thời gian Điều này phụ thuộc vào giá trị nhiễu, đặc tính thống kê của nhiễu, và đặc điểm của mạch tách tín hiệu đồng hồ Để giảm méo tín hiệu, có thể sử dụng mạch tách tín hiệu đồng hồ chất lượng cao và mạch nhớ để ghi tín hiệu theo nhịp tín hiệu đồng hồ, từ đó đọc ra với độ ổn định cao.

Mạch khôi phục tín hiệu là một phần quan trọng trong mã tuyến tính, bao gồm các thành phần như mạch tiền khuếch đại có AGC, mạch tách tín hiệu đồng hồ, mạch quyết định, mạch ra và mạch nguồn Trong đó, mạch tiền khuếch đại đóng vai trò chính trong việc tạo ra tín hiệu phù hợp để khôi phục lại thông tin.

Mạch tiền khuếch đại cần có dải động lớn và khả năng xử lý biến đổi lớn ở đầu vào tối đa Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ lên đường cặp trong mạch khôi phục, việc sử dụng mạch tự điều khuyếch AGC là cần thiết Đầu ra của mạch tiền khuếch đại được kết nối với mạch tách tín hiệu đồng hồ, vì mã tuyến tính không chứa thành phần phổ ở tần số đồng hồ, nên mạch tách chuyển đổi mã tuyến tính thành mã cơ cấp (nhị phân) để tái hiện tần số đồng hồ.

các phơng thức truyền hình tính hiệu truyền hình số

Truyền tín hiệu truyền hình số băng cáp đồng trục

Tín hiệu truyền hình tương tự được số hóa và biểu diễn dưới dạng mã nhị phân, không truyền trực tiếp qua cáp trong băng tần cơ bản Tín hiệu truyền hình số trong cáp không cần điều chế, nhưng có thành phần một chiều do sử dụng mạch hồi tiếp dòng xoay chiều Do đó, cần phải biến đổi tín hiệu số để đảm bảo đặc trưng tối ưu cho kênh truyền, thường sử dụng mã tuyến tính.

Để truyền tín hiệu video số hiệu quả, có thể sử dụng cáp đồng với tầm cao, tuy nhiên, số lượng kênh có thể ảnh hưởng đến chất lượng truyền, như hiện tượng nhiễu Ngược lại, nhiều tuyến tính của kênh không xảy ra trong trường hợp truyền số các thông số tới hạn Độ dài của đường truyền tín hiệu số có thể được kéo dài bằng cách tái tạo tín hiệu số ở các đoạn trung gian, sử dụng phương pháp truyền tín hiệu tương tự.

Chiều dài của các đoạn trung chuyển phụ thuộc vào loại cáp sử dụng và tốc độ bit của tín hiệu truyền Thông thường, chiều dài này dao động từ 2 đến 3 km Để đạt được chất lượng truyền tín hiệu truyền hình cao, với chỉ số lỗi kênh từ 10^-8 đến 10^-7, cáp cần có chiều dài phù hợp.

2500 km, cần phải bảo đảm mức lỗi trên đoạn trung chuyển là 10 11 ữ 10 -10

Việc khôi phục tín hiệu ở cuối mỗi đoạn trung chuyền cần đảm bảo tín hiệu ra có dạng tương tự như tín hiệu đầu vào, chỉ khác về mặt thời gian Điều này phụ thuộc vào giá trị nhiễu, đặc tính thống kê của nhiễu và đặc điểm của mạch tách tín hiệu đồng hồ Để giảm thiểu méo tín hiệu, có thể áp dụng mạch tách tín hiệu đồng hồ chất lượng cao và mạch nhớ, giúp ghi tín hiệu theo nhịp của tín hiệu đồng hồ và đọc ra với độ ổn định cao.

Mạch khôi phục tín hiệu tuyến tính bao gồm các thành phần chính như mạch tiền khuếch đại có AGC, mạch tách tín hiệu đồng hồ, mạch quyết định, mạch ra và mạch nguồn Trong đó, mạch tiền khuếch đại đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra tín hiệu phù hợp để phục hồi tín hiệu một cách hiệu quả.

Mạch tiền khuếch đại cần có dải động lớn và khả năng xử lý biến độ lớn tốt để tối ưu hóa đầu vào Để giảm thiểu ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ lên đường cặp trong mạch khôi phục, việc sử dụng mạch tự điều khuyếch AGC là cần thiết Một đầu ra của mạch tiền khuếch đại được kết nối với mạch tách tín hiệu đồng hồ Do mã tuyến tính không chứa thành phần phổ ở tâm số đồng hồ, mạch tách sẽ chuyển đổi mã tuyến tính thành mã cơ cấp (nhị phân) để tái hiện tần số đồng hồ một cách chính xác.

Tín hiệu được dẫn tới mạch cộng hưởng với hệ số phẩm chất Q từ 100 đến 1000, tạo ra đầu ra cho động sin có tần số đồng hồ Tín hiệu đồng hồ tiếp tục được đưa vào mạch cắt để tạo ra dạng xung vuông 50%, hoặc chuỗi vi sái tín hiệu, trong đó phần dương biểu hiện moment quyết định của tín hiệu, tức là moment đồng bộ với tín hiệu đồng hồ, trong khi phần âm thể hiện thời gian xung.

Tín hiệu số trong các khoảnh khắc quyết định được so sánh với tri chuẩn thích hợp thông qua tín hiệu đồng hồ, từ đó đưa ra quyết định về khoảnh khắc trong tín hiệu ra Dạng tín hiệu được xác định nhờ mạch ra từ bộ khôi phục tín hiệu, nơi động mạch chuyển đổi tín hiệu bằng xung từ mạch huyết định sau khoảng thời gian thích hợp bằng tín hiệu đồng hồ Nguồn một chiều có độ ổn định cao được cấp từ xa và chuyển tới điểm khôi phục tín hiệu qua cáp đồng trục.

Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh

Tín hiệu truyền hình có thể truyền qua vệ tinh bằng hai cách:

Truyền tơng tự nhờ điều tần(FM)

TruyÒn sè nhê ®iÒu chÕ PSK

Hệ thống số vượt trội hơn hệ thống tương tự khi tốc độ bit dưới 50 Mbit/s Theo quy định của WARC, việc truyền tín hiệu truyền hình qua vệ tinh ở băng tần Ku (12 GHz) cho phép tốc độ khoảng 36 Mbit/s Để truyền tín hiệu số hiệu quả, cần sử dụng mã tiết kiệm và có thể kết hợp hai kênh truyền, giúp tăng tốc độ bit gấp đôi Các hệ thống truyền hình số thường hoạt động ở dải tần cm (băng Ku).

Phát từ mặt đất lên vệ tinh: 14ữ 14.5 GHHz

Phát từ vệ tinh xuống mặt đất : 11.7 12.5 Ghz.ữ

Để thu nhận hai tín hiệu phát sóng trên hai kênh vệ tinh, cần tạo pha ban đầu cho hai tải tần Nếu không khôi phục được pha ban đầu, thông tin thu nhận sẽ bị sai lệch, đặc biệt trong trường hợp điều chế trực tiếp Để khắc phục hiện tượng này, người ta sử dụng điều chế DPCM, trong đó tín hiệu số được ánh xạ qua vì sai.

Pha của tải tần không phụ thuộc vào pha ban đầu và yêu cầu xác định khoảng cách điều chế Phương pháp này có thể được áp dụng trong truyền đồng bộ, nơi sự thay đổi pha xảy ra tại các thời điểm nhất định Sự dịch pha trong tín hiệu điều chế diễn ra tại các vị trí cuối của một phần tử và đầu của phần tử tiếp theo, với pha có thể xuất hiện ở nhiều giá trị tức thời khác nhau của tải tần.

Truyền tín hiệu truyền hình số bằng viba

Trong mạng thông tin ISDN, ngoài đường cáp vệ tinh, còn có đường vi ba (Radio line) để truyền tín hiệu Việc truyền tín hiệu bằng vi ba thường được thực hiện trong dải tần decimetre (dm) với tần số GHz Quá trình dịch tần cơ bản của tín hiệu lên tần cao được thực hiện thông qua hai lần điều chế.

+ Dịch tín hiệu lên trung tần

+ Dịch tín hiệu trung tần lên cao tần

Trong quá trình điều chế đầu tiên, tín hiệu số được tạo ra từ mạch ACD thông qua việc điều chế trực tiếp tải tần Ba phương pháp điều chế chính được sử dụng bao gồm AM (điều biên), FM (điều tần) và PSK (khóa dịch pha).

Sơ đồ khối của một trạm đầu cuối thực tế:

Sm (Serviece Multiplexing): Ghép tín hiệu nghiệp vụ

SD (Serviece Demultip lexing): Tách tín hiệu nghiệp vụ TCC(Tele - Control Command): Điều khiển ra lệnh từ xa trạm trung gian

TB Sw(Stand - By Swiching) Chuyền mạch d phòng

RF (Radio - Frequency): Tần số vô tuyến

Hình 3.1 minh họa sơ đồ một trạm viba số đầu cuối Để giảm thiểu nhiễu và tối ưu hóa tần số kênh truyền với công suất đã định, người ta thường áp dụng điều chế pha nhiễu trị PSK và giải mã liên kết hiệu quả.

Về lý thuyết, số lượng thông tin được phát trong một băng tần và công suất xác định tỷ lệ thuận với giá trị điều chế Tuy nhiên, hiệu ứng từ các kênh lân cận, sự điều chế qua lại giữa các kênh, và các thông số không ổn định của Modem có thể ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải thông tin.

Auxiliary Equipent (Thiết bị phụ - Ngh vụ )

Giá trị trung tần phụ thuộc vào tốc độ bit của tín hiệu số và trị điều chế trong đó các hệ thống thờng gặp:

Hệ thống trung tần 750.Mhz cho tín hiệu số tốc độ 100Mb/s

Hệ thống trung tần 750.Ghz cho tín hiệu số tốc độ 200Mb/s.

Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang

Cáp quang mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với cáp đồng trục trong việc truyền dẫn tín hiệu số Đầu tiên, cáp quang có độ tổn thất thấp, cho phép cự ly tái tạo xa mà vẫn giữ được chất lượng tín hiệu, mặc dù chi phí thiết bị có thể cao hơn Thứ hai, cáp quang cung cấp dải thông lớn, giúp truyền dẫn dung lượng lớn hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng Cuối cùng, kích thước của cáp quang nhỏ gọn hơn, thuận tiện cho việc lắp đặt và bố trí.

Giảm chi phí lắp đặt ®êng èng Nguồn - cát Ngăn ngừa xuyên âm Khó đầu nối

Nguyên liệu phong phú Cần có các đờng dây

Chii phí sản xuất rẻ Cần có các nguồn cho bộ tiếp phát Đánh giá Đờng truyền dẫn tuyệt vêi

Có thể giải quyết bằng các tiến bộ công nghệ mới

Cáp quang hiện nay được sử dụng phổ biến trong các mạng truyền dẫn tín hiệu số như thoại, âm thanh, truyền hình và dữ liệu Hệ thống truyền dẫn cáp quang bao gồm hai phần chính: bộ chuyển đổi E/O để phát tín hiệu và bộ chuyển đổi O/E để thu tín hiệu Nguồn phát quang thường sử dụng là LED quang hoặc laser diode.

Hình 3.2 Sồ đồ khối hệ thống thông tín quang a) Bộ biến đổi E/O

- Nhiệm vụ chủ yếu củ E/O là biến đổi tìn hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng để truyền qua cáp sợ quang

Công suất bức xạ của laser diode phụ thuộc vào dòng kích thích chạy qua lớp chuyển P-N Đặc trưng này thể hiện mối quan hệ giữa công suất bức xạ và dòng điện, cho thấy sự tăng trưởng của công suất khi dòng kích thích tăng lên.

-Sơ đồ đặc trng dòng công suất bức xạ laser diode với tín hiệu kích - thích đợc trình bày ở hình 3.3

Hình 3.3 Đặc trng dòng công suất của laser diode-

Khi dòng điện qua laser diode tăng lên, đường đặc trưng công suất biến đổi thành hai vùng tuyến tính rõ rệt, được phân cách bởi dòng ngưỡng.

Vùng thí nghiệm đầu tiên tương ứng với dòng kích thích nhỏ, nơi laser diode chỉ phát huỳnh quang giống như một diode phát quang (LED) Khi dòng kích thích đạt đến giá trị ngưỡng, bức xạ cưỡng bức bắt đầu vượt trội so với quá trình hấp thụ Khi dòng kích thích vượt quá dòng ngưỡng, dao động laser bắt đầu xuất hiện, dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của công suất bức xạ laser, tỷ lệ thuận với sự gia tăng của dòng kích thích.

Một trong những đặc trưng quan trọng của laser diode là sự thay đổi công suất theo nhiệt độ, tạo thành một đặc trưng công suất phụ thuộc vào nhiệt độ Để sử dụng laser diode một cách hiệu quả, cần có một mạch ổn định công suất ra Phương pháp kiểm soát dòng điện áp hoặc dòng xung phù hợp với sự thay đổi ánh sáng đầu ra được áp dụng để tách phần công suất ánh sáng từ laser diode Sau đó, phần công suất này được so sánh với mức chuẩn để điều chỉnh dòng thiên áp, đảm bảo công suất ánh sáng đạt mức quy định trước.

Hình 3.4 Cấu hình cơ bản của mạch ổn định đầu ra ánh sáng

Mạch cấp dòng thiến áp LD

PD Đầu ra ánh sáng

Bộ tách ánh sáng ®Çu Đầu vào b) Bộ biến đổi O/E

Bộ biến đổi O/E chuyển đổi tín hiệu ánh sáng từ sợi quang thành tín hiệu điện Tùy thuộc vào yêu cầu của tín hiệu đầu ra, O/E thực hiện các chức năng như khuếch đại và giải mã để khôi phục tín hiệu giống như tín hiệu đầu vào đã được chuyển đổi từ E/O để truyền đi.

Hình 3.5 Cấu hình của bộ lặp quang

Hình 3.6 nguyên tắc của bộ lặp lại hình dạng quang

Cường độ ánh sáng khi đi vào mạch O/E bị suy giảm và méo sau khi truyền qua cáp sợi quang, do đó, các phần tử thu ánh sáng như APD và PIN PD được sử dụng để chuyển đổi thành tín hiệu điện ban đầu Một vấn đề quan trọng trong quá trình này là giảm thiểu tạp ấn phát sinh trong việc chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện từ các tín hiệu quang Cả PIN PD và APD đều không có chức năng khuếch đại dòng quang, nhưng các linh kiện chuyển đổi có thể hoạt động với điện áp thấp trong mạch điện và đạt được tốc độ cao hơn.

Các tín hiệu điện từ ánh sáng của cáp quang thường rất yếu và bị méo sau khi biến đổi, dẫn đến việc tái tạo chúng trở nên khó khăn.

Để khôi phục tín hiệu ánh sáng bị biến dạng và đánh giá sự tồn tại của chúng, cần có một bộ tạo lại dáng sóng, được gọi là mạch khuyếch đại cân bằng hoặc mạch tái tạo lại dạng sóng Khi sử dụng cáp quang với dải thông rộng, mạch khuyếch đại cân bằng cần trang bị bộ lọc chuyên dụng để giảm thiểu sự can thiệp giữa các tín hiệu và giảm mức tạp âm.

- Thiết kế cự ly giữa các bộ lặp tín hiệu:

Khi sử dụng hệ thống truyền dẫn số, việc xác định SNRR là cần thiết nếu đã biết đặc trưng và hệ số lỗi Để làm điều này, cần xác định công suất quang của ánh sáng phía thu bằng cách xem xét tỷ lệ suy giảm của SNR Bên cạnh đó, có thể sử dụng phương trình để tính cự ly giữa các bộ lặp lại L(km) khi các tham số đã được cho trước.

+ Độ suy hao đờng dây (độ suy hao của cáp) (kể cả đầu nối(dB/ km)

+ Công suất quang phía phát P

+ Suy hao của bộ đầu nối P tại điểm phát

+ Độ d phòng hệ thống Pm

+ Độ dự phòng đờng dây Oc

Để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, người sử dụng bộ thu quang photodiode dựa trên hiệu ứng quang-điện, với công thức L = Ps - (Pd + Pm + Pc)/a.

Các thông số cơ bản của photodiode:

Đặc trưng I-V của photodiode là yếu tố quan trọng trong việc xác định chế độ làm việc của bộ tách sóng quang và tiến khuếch đại Các yêu cầu đối với bộ O/E cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

+ Có độ nhạy thu cao đối với bớc sống công tác

+ Có thời gian đáp ứng cao

+ Có dòng tối nhỏ(dòng tồn tại trong bộ thu khi không có ánh sáng chiếu vào)

+ Tạp âm bộ thu nhỏ để đảm bảo tỉ số S/N.

Các phơng thức mã hoá đờng truyền

Giới thiêu chung

Truyền dẫn tín hiệu số, đặc biệt là truyền hình số (video và audio), không chỉ cần nén tín hiệu để giảm băng thông mà còn áp dụng các phương pháp mã hóa và điều chế để đảm bảo tín hiệu được truyền và thu một cách chính xác.

Mã hoá tín hiệu số

Mã đờng truyền có 3 đích chính :

Để hạn chế thành phần một chiều DC và tần số thấp, cần thiết phải chuyển đổi tín hiệu từ mạch này sang mạch khác thông qua áp hoặc tụ điện.

+ Thuận lợp trong việc tái tạo lại nhịp ở đầu thu

Các loại mã đờng truỳen

Mã AMI (Alternate Mark Inversion) ¦u ®iÓm:

+ Loại bổ đợc thành một chiều và thành phần số thấp

+ Tính duy nhất đối với mạch giải mã

Có khả năng phát hiện sai nhầm

Khả năng phát hiện sai nhầm kém mã AMI

+ Không loại bỏ hoàn thành phần một chiều DC và thành phần tầm số thÊp

+ Loại bỏ đợc thành phần một chiều và thành phần tần số thấp + Tính duy nhất đối với mạch gỉải mã

+ Có khả năng phát hiện sai nhầm

+ Bể rộng phổ tăng gấp đôi so với mã AMI b) Mã sửa sai(FEC)

Một trong những ưu điểm nổi bật của tín hiệu số là khả năng phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền tín hiệu Mã sửa sai (FEC) có thể được phân loại thành hai loại chính.

Phần III của luận văn học viên tập chungtrình bày và tìm hiểu các kỹ thuật, các quy chuẩn quốc tế trong vấn đề truyền tín hiệu truyền hình số có thể đợc truyền bằng các phơng thức sau:

* Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp đồng trục

* Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh

* Truyền tín hiệu truyền hình số bằng Vi Ba

* Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang

Các phương thức mã hóa và đường truyền đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng hình ảnh thu được Tùy thuộc vào yêu cầu về chất lượng, chúng ta có thể lựa chọn phương thức truyền có tốc độ và băng thông phù hợp để tối ưu hóa tín hiệu.

Kết luận phần III của luận văn nhấn mạnh việc nghiên cứu các kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc tế trong truyền tín hiệu truyền hình số, với các phương pháp truyền dẫn đa dạng.

• Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp đồng trục

• Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh

• Truyền tín hiệu truyền hình số bằng vi ba

• Truyền tín hiệu truyền hình số

Các phương thức mã hóa đường truyền rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng ảnh thu được Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, chúng ta có thể lựa chọn phương thức truyền, tốc độ truyền và độ rộng băng thông tín hiệu phù hợp để đạt được hiệu quả tối ưu.

Công nghệ truyền hình số vượt trội hơn hẳn công nghệ tương tự nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Tín hiệu số ít bị ảnh hưởng bởi méo trên đường truyền, có khả năng phát hiện và sửa lỗi hiệu quả Nó sử dụng dải thông cao, cho phép truyền tải nhiều loại thông tin khác nhau, đồng thời tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ mã hóa đơn giản Những tính năng này cho thấy công nghệ truyền hình số mang lại những khả năng mà công nghệ tương tự không thể có được.

Để công nghệ truyền hình số trở nên khả thi, tín hiệu video số cần được nén, giúp truyền tải hiệu quả qua các kênh truyền hình thông thường.

Tiêu chuẩn nén MPEG-2, với các profile và levels, đã được nghiên cứu và chứng minh là vượt trội hơn so với nhiều thuật toán nén khác, trở thành tiêu chuẩn Quốc tế cho nén tín hiệu Video.

MPEG-2 4:2:2P@ML, ra đời năm 1996, với cấu trúc GOP và tốc độ bit khác nhau, đã đáp ứng nhu cầu sản xuất và phát sóng chương trình truyền hình Tốc độ bit 50Mbit/s và cấu trúc GOP chỉ dùng ảnh I của MPEG-2 4:2:2P@ML là chuẩn nén lý tưởng cho sản xuất hậu kỳ Trong khi đó, MPEG-2 4:2:0 MP@ML lại là lựa chọn tối ưu cho truyền hình trực tiếp qua vệ tinh (DTH) nhờ vào tốc độ bit thấp, tiết kiệm băng thông và chất lượng hình ảnh đảm bảo tiêu chuẩn phát sóng quảng bá.

Công nghệ số và truyền hình số đang trở thành xu hướng không thể thay đổi, và việc lựa chọn giải pháp tối ưu là điều cần thiết Bài viết này đã trình bày tổng quan về hệ thống truyền hình số và kỹ thuật nén ảnh.

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo Tiến sĩ Đỗ Hoàng Tiến cùng các thầy cô giáo thuộc khoa Điện tử – Viễn Thông, Đại học Bách khoa.

Hà Nội, đã giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian học tập và làm việc để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp này./.