Tìm hiểu các hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số

Lời nói đầu Trong năm gần đây, với sách mở cửa đắn Đảng nhà n ớc kinh tế nớc nhà đà phát triển với tốc độ cao Các thành tựu khoa học kỹ thuật giới đà nhanh chóng thâm nhập vào nớc ta Đặc biệt lĩnh vực điện tử-viễn thông, xuất công nghệ đại, dây chuyền sản xuất có mức ®é tù ®éng hãa cao víi hƯ thèng ®iỊu khiĨn tự động tiên tiến đà tạo điều kiện thúc đẩy thành phần kinh tế nớc phát triển vợt bậc số lợng lẫn chất lợng Sự phát triển không ngừng kỹ thuật số đà xâm nhập vào hầu hết tất lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình không nằm trình Công nghệ số diễn truyền hình ngày không yêu cầu ngày cao chất lợng dịch vụ truyền hình mà sức ép tăng lên nguồn tài nguyên phổ tần số Đối với nớc có công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh, vấn đề trở nên gay gắt hết Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh kinh tế thị trờng đà thúc ép nớc phải nhanh chóng xác lập lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thợng phong thị trờng Hầu hết nớc đà đặt lộ trình chuyển đổi sang số chấm dứt truyền hình tơng tự khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới Đối với Việt Nam, nớc nghèo với đặc thù riêng mình, vấn đề số hoá lại có ý nghĩa khác Về tài nguyên phổ tần, có lẽ vòng 10 đến 15 năm tới, cha bị thúc ép gay gắt nh nớc có ngành truyền hình-viễn thông phát triển Bên cạnh mục đích nâng cao chất lợng phục vụ ngời xem, truyền hình Việt Nam 10 đến 15 năm buộc phải chuyển sang số thiết bị t ơng tự không đợc sản suất Nh vậy, số hoá truyền hình đờng tất yếu mà truyền hình Việt Nam cần phải nhiều khó khăn trớc mắt nh điều kiện kinh tế eo hẹp, công nghiệp trình độ khoa học kỹ thuật non trẻ Trong khuôn khổ đồ ¸n, em ®Ị cËp tíi c¸c vÊn ®Ị cđa qu¸ trình thực số hoá tín hiệu truyền hình tơng tự, đồng thời trình bày khái quát phơng thức truyền dẫn, tiêu chuẩn truyền hình số Bố cục đồ án bao gồm chơng: Chơng1: Giới thiệu chung : trình bày trình phát triển, giới thiệu khái quát hệ thống truyền hình sè Ch¬ng2: Xư lý tÝn hiƯu video : bao gåm số hoá thực nén tín hiệu video Chơng3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá thực nén tín hiệu audio Chơng4: Ghép kênh truyền tải dịch vụ : trình bày trình ghép kênh kênh video, audio,số liệu phụ hay nhiều chơng trình truyền hình Chơng5: Các hệ thống truyền hình số : trình bày hệ thống truyền hình số ATSC, DVB, ISDB Chơng6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày phơng thức dịch vụ truyền dẫn nh qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất Mặc dù thân đà có nhiều cố gắng song trình độ chuyên môn giới hạn, tài liệu tham khảo hạn chế cộng với thời gian thực không dài nên trình thực không tránh đợc sai lầm, thiếu sót Vì điều kiện thực tế không cho phép nên đồ án em dừng lại mức độ lý thuyết Rất mong đợc thông cảm hớng dẫn, bảo thêm thầy cô bè bạn để em hiểu rõ lĩnh vực Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô, bạn bè đà giúp đỡ em trình thực Đặc biệt hớng dẫn tận tình thầy Nguyễn Tiến Khải, thầy đà trực tiếp dẫn, định hớng, tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án Chơng Giới thiệu chung Trong năm gần kĩ thuật số đà có bớc phát triển nhảy vọt với sản phẩm công nghệ cao, giá thành hạ đợc ứng dụng mạnh mẽ vào ngành kĩ thuật khác Trớc kĩ thuật số đợc áp dụng vào kĩ thuật truyền hình, công nghệ kĩ thuật số đà phát triển mức độ cao hệ thống xử lý liệu hệ thống truyền tin Kết truyền hình số đà phát triển nhanh, thể nhiều u điểm so với truyền hình tơng tự dần chiếm lĩnh u tạo nên cách mạng thực công nghiệp truyền hình Sự dịch chuyển từ dịch vụ truyền hình dựa ứng dụng kỹ thuật tơng tự sang dịch vụ truyền hình dựa ứng dụng kỹ thuật số phát triển cách nhanh chóng Sự dịch chuyển dịch vụ truyền hình phần nhờ kết hội tụ lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, ngành khoa học đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số Tín hiệu đầu vào đầu hệ thống truyền hình, camera đầu thu tơng ứng vốn là tín hiệu tơng tự Nh vậy, có câu hỏi tự nhiên đợc đặt phải số hoá Trong suy giảm tín hiệu tín hiệu tơng tự đợc tích luỹ khả để tái tạo lại chuỗi xung số cách xác dễ dàng Luồng bit số đợc xen kẽ kênh, trình xen kẽ cho phép phát xạ, truyền dẫn, lu trữ , xử lý tÝn hiƯu phơ cïng víi tÝn hiƯu video vµ audio Hơn nữa, kỹ thuật nén số dựa cắt giảm độ d thừa đợc ứng dụng để số hoá dịch vụ video audio cho phép truyền dịch vụ HDTV nhiều dịch vụ truyền hình bình thờng kênh có độ rộng kênh phát hình tơng tự quảng bá Sử dụng phơng pháp số để tạo,lu trữ truyền tín hiệu chơng trình truyền hình kênh thông tin mở khả đặc biệt rộng rÃi cho thiết bị truyền hình Trong số ứng dụng tín hiệu số đợc thay hoàn toàn cho tín hiệu tơng có khả thực đợc chức mà tín hiệu tơng tự hầu nh làm đợc khó thùc hiƯn, nhÊt lµ viƯc xư lý tÝn hiƯu lu trữ So với tín hiệu tơng tự, tín hiệu số cho phép tạo, lu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lợng hình ảnh Tuy nhiên, tất trờng hợp tín hiệu số đạt đợc hiệu cao với tín hiệu tơng tự (ví dụ nh lọc) Mặc dù xu hớng chung cho phát triển công nghiệp truyền hình giới, nhằm đạt đợc thống chung, hệ thống truyền hình hoàn toàn kĩ thuật số có chất lợng cao dễ dàng phân phối kênh thông tin Sự đời đầu ghi băng video số hệ hai ba, chuyển mạch, đồ hoạ chuyển động tạo kỹ xảo đặc biệt sù tho¶ thn sư dơng giao diƯn sè nèi tiÕp năm 1990 đà đẩy nhanh việc cài đặt thiết bị sản xuất chơng trình truyền hình số Việc sản xuất chơng trình truyền hình số sử dụng đầu ghi hình số đà cho phép nhà sản xuất chơng trình chép nhiều lần so với đầu ghi hình tơng tự mà đảm bảo chất lợng Các ứng dụng kỹ thuật số cho phép giảm thời gian cài đặt camera từ vài xuống gần nh tức thời Các hệ thống th viện số làm cho phơng tiện đợc ghi, bảo quản t liệu cách tiện lợi tìm kiếm thông tin nhanh dễ dàng Các lĩnh vực phát quảng bá lại giới tơng tự truyền dẫn trung tâm sản xuất chơng trình truyền dẫn đến đến ngời sử dụng Các ngăn cản cuối đà đợc vợt qua vào đầu năm 1990 với ứng dụng kỹ thuật nén số, nhìn chung đợc xây dựng dựa ứng dụng mà hoá chuyển dạng cosin rời rạc (DCT), sử dụng điều chế biên độ vuông góc (QAM) kỹ thuật điều chế đa mức gần Vào khoảng năm 1990, tổ chức truyền hình Bắc Mỹ với nỗ lực đà tìm phơng tiện phát hình ảnh HDTV kênh truyền hình 6Mhz tại, kênh truyền hình UHF đợc tập trung chủ yếu vào việc sử dụng phơng thức kỹ thuật nén số để đáp ứng đợc yêu cầu hệ thống Các kết mô có tính khả thi thực tế hệ thống khác Bắc Mỹ đà nhanh chóng đợc phát triển nhiều nơi nh Châu Âu nớc vùng châu Thái Bình Dơng Kết trình số hoá hình ảnh truyền hình 525 dòng, 625 dòng tạo dòng số liệu video 270Mbit/s, số hoá hình ảnh HDTV tạo luồng số liệu 1200Mbit/s Một kênh có độ rộng 6, 7, 8Mhz thể mang đợc tốc độ số liệu tối đa cỡ khoảng 20Mbit/s Do yêu cầu phải nén số liệu với tỷ lệ 60:1 dịch vụ truyền hình HDTV Vào năm 1991, báo cáo công việc đợc làm Mỹ, nớc Bắc Âu, Anh, Pháp,ý, Nhật nớc khác đà phơng thức giảm tốc độ bit với tỷ lệ 60:1 đợc áp dụng cho hình ảnh HDTV hình ảnh truyền hình thông thờng Kết cho thấy hình ảnh truyền hình có độ phân giải cao HDTV đợc truyền kênh tơng đối hẹp với tốc độ bit từ 15 đến 25Mbits/s dịch vụ truyền hình analog thông thờng có thể ®ỵc trun víi tèc ®é 1,5 - 12Mbit/s t thc vào chất lợng dịch vụ Sử dụng tiêu chuẩn, kỹ thuật điều chế đa mức truyền kênh truyền hình HDTV nhiều kênh truyền hình thông thờng kênh truyền hình dải VHF UHF có băng thông 6, 8Mhz Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 phát triển chuẩn giao tiếp chung hệ thống vệ tinh số, cáp phát quảng bá mặt đất đà mở bớc ngoặt Nhóm làm việc 11/3 ITU đà đa khuyến nghị thành phần chung hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất Những chi tiết phục vụ quảng bá vệ tinh số, cáp đợc chấp thuận số vùng lÃnh thổ theo khuyến nghị ITU chuẩn theo vùng địa lý Những ứng dụng kỹ thuật số truyền hình đà đem lại công nghệ truyền hình số với nhiều u điểm Công nghệ truyền hình số đà bộc lộ mạnh tuyệt đối so với công nghệ truyền hình tơng tự nhiều lĩnh vực: Chất lợng dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âm trung thực tín hiệu số nhạy cảm với dạng méo xảy đờng truyền, có khả phát lỗi sửa sai (nếu có) Tính linh hoạt, đa dạng trình xử lý tín hiệu Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng kỹ thuật nén độ tin cậy hệ thống cao Mật độ chơng trình đợc gia tăng, khả cung cấp nhiều dịch vụ kênh dịch vụ truyền hình tại, hiệu sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệu sử dụng tần số Có tính phân cấp, ví dụ: dòng liệu đợc sử dụng để truyền chơng trình truyền hình có độ phân giải cao vài chơng trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn Khả truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau, có khả cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khán giả cá nhân tạo thị trờng đa dạng Tiết kiệm lợng,với công suất phát sóng, diện phủ sóng rộng so với công nghệ tơng tự Khoá mà đơn giản Hoàn toàn có khả hoà nhập vào môi trờng truyền thông đa phơng tiện Truyền hình đà đáp ứng nhu cầu toàn thể nhân loại việc cập nhật thông tin, giải trí Thế giới đà bớc vào kỉ nguyên thời đại thông tin hội tụ phơng tiện truyền thông Tuy nhiên, với hệ thống truyền hình quảng bá tơng tự, hội nhập công nghệ truyền hình vào hệ thống đa phơng tiện khó khăn Để theo kịp xu hớng phát triển ngành công nghiệp truyền thông kĩ thuật truyền hình cần có cải tiến công nghệ toàn hệ thống từ ghi, dựng, truyền dẫn phát sóng Các tổ chức quốc tế đà thống tiêu chuẩn truyền hình số để tạo đà phát triển cho hệ thống Trớc vấn đề trên, truyền hình số ngày thể rõ u điểm chắn dần thay hệ thống truyền hình tơng tự tơng lai không xa để kết hợp với mạng truyền thông khác tạo thành giới thông tin số đa phơng tiện phục vụ cho ngời cách hữu hiệu Để dịch vụ truyền hình số phát triển nhanh chóng bắt buộc phải có hợp chuẩn mà hoá kênh, mà hoá nguồn, phơng thức điều chế, nhận dạng trong, chống lỗi sửa sai Số hoá toàn hệ thống truyền hình có nghĩa chuyển tín hiệu tơng tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình Việc số hoá hệ thống truyền hình (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM) chủ yếu khâu phân tích ảnh đầu vào máy phát hình (điều chế, sửa xử lý tín hiệu) Số lợng máy thu hình lớn, nên việc số hoá hệ thống truyền hình phải đợc thực qua giai đoạn (ngoại trừ hƯ thèng trun h×nh míi, vÝ dơ hƯ thèng trun hình chất lợng cao HDTV) Sử dụng hệ thống số truyền hình đòi hỏi phải biến đổi video t ơng tự (từ camera truyền hình studio) thành tín hiệu video số Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự đầu vào máy phát hình Các thông số hệ thống số phải đợc chọn cho chất lợng hình ảnh tốt so với hệ thống số tơng tự Đó giai đoạn sử dụng hỗn hợp truyền hình tơng tự truyền hình số Các ứng dụng kĩ thuật số vào ngành truyền hình có số nguyên tắc kỹ thuật tiến trình riêng biệt bao gồm : Sự phát triển phơng thức nén số liệu , hình ảnh, âm tơng thích với nhu cầu hệ thống phát hình số cung cấp mức thích hợp hiệu hệ thống Phải có nhận dạng ghép kênh hình ảnh, âm thanh, số liệu , đặc điểm mà hoá kênh điều chế đáp ứng yêu cầu hệ thống Tìm hiểu phổ khía cạnh đặt kế hoạch dịch vụ truyền hình số bao gồm vùng phủ sóng cho thu khác điều kiện môi trờng khác Khả cung cấp hệ thống phát số dải VHF UHF cho phép khả hoạt động đồng thời với dịch vụ truyền hình tơng tự tồn Tuỳ theo phơng pháp biến đổi tín hiệu mà đặc ®iĨm cđa hƯ thèng trun h×nh sè cịng thay ®ỉi theo Cấu trúc,nguyên lý cấu tạo hệ thống thiết bị truyền hình số tổng quát nh sau: Tín hiệu hình Gia công tơng tự ADC Gia công số Gia công tơng tự ADC Gia công số Ghép kênh Mà hoá chống nhiễu Đồng Tín hiệu tiÕng Xư lý tÝn hiƯu TÝn hiƯu phơ §iỊu chÕ Tín hiệu đo kiểm tra Phát Môi trờng truyền dẫn Tín hiệu hình Giải điều chế Giải mà hoá kênh Phân kênh Chọn đồng Gia công số ADC Gia công tơng tự Gia công số ADC Gia công tơng tự Tín hiệu tiếng Phát đồng Xử lý tín hiệu Tín hiệu phụ Đo kiểm tra Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Đầu vào thiết bị truyền hình số tiếp nhận tín hiệu truyền hình t ơng tự Trong thiết bị mà hoá (biến đổi A/D), tín hiệu hình đợc biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, tham số đặc trng tín hiệu đợc xác định từ hệ thống truyền hình đà đợc lựa chọn Tín hiệu truyền hình số đợc đa tới thiết bị phát Sau qua kênh thông tin đợc đa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngợc lại với trình xử lý phía phát Giải mà tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tơng tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mà hoá giải mà tín hiệu truyền hình Mà hoá kênh đảm bảo chống sai sót cho tín hiệu kênh thông tin Thiết bị mà hoá kênh phối hợp đặc tính tín hiệu số vói kênh thông tin Khi tín hiệu số đợc truyền theo kênh thông tin, thiết bị biến đổi đợc gọi điều chế giải điều chế Khái niệm mà hoá kênh đợc phổ biến đờng thông tin mà số khâu hệ thống truyền hình số ví dụ nh máy ghi hình số, điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số Chơng2 Xử lý tín hiệu video 2.1 / Số hoá tín hiệu video Số hoá tín hiệu video việc thực biến đổi tín hiệu video tơng tự sang dạng số Có hai phơng pháp biến đổi: Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp thành tín hiệu video số tổng hợp Tín hiệu tơng tự Lọc thông thấp Tín hiệu số Lấy mẫu Lợng tử Mà hoá Đồng Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu video màu tổng hợp Biến đổi riêng tín hiệu video màu thành phần thành tín hiệu video thành phần số: Tín hiệu tơng tự Tín hiệu sè EB - Ey Läc th«ng thÊp ER - Ey Ey Lấy mẫu Lợng tử Mà hoá Lọc thông thấp Lấy mẫu Lợng tử Mà hoá Lọc thông thấp Lấy mẫu Lợng tử Mà hoá Đồng EB - Ey ER - Ey Ey Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu video màu thành phần Việc lựa chọn phơng pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộc vào nhiều yếu tố: yêu cầu khả thuận lợi xử lý tín hiệu, yêu cầu truyền dẫn phát sóng Số hoá tín hiệu video tổng hợp có u ®iĨm lµ tèc ®é bÝt thÊp, ®iỊu ®ã cịng cã nghĩa dung lợng cần để lu trữ nhỏ hơn, lợi dải tần Tuy nhiên tín hiệu video số tổng hợp bộc lộ nhiều nhợc điểm trình xử lý số, tạo kĩ xảo, dựng hình mang đầy đủ khiếm khuyết video tơng tự tợng can nhiễu chói - màu Số hoá tín hiệu video thành phần khắc phục đợc nhợc điểm số hoá tín hiệu video tổng hợp nhng lại tạo dòng số có tốc độ bit cao Với phát triển công nghệ điện tử nh ngày nay, chíp có tốc độ cao đời cho phép truyền toàn chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp dây dẫn đà tạo thuận lợi cho trình xử lý số tín hiệu video thành phần Mặc dù hai phơng pháp đợc nghiên cứu áp dụng kĩ thuật truyền hình số nhng nhờ tính chất u việt nên phơng pháp biến đổi tín hiệu video thành phần đợc khuyến khích sử dụng Các kĩ thuật phơng pháp đợc sử dụng rộng rÃi hình thành nên tiêu chuẩn thống cho truyền hình số Video số thành phần đợc coi phơng pháp số hoá sử dụng nh tơng lai studio hoàn toàn số Chính phần xử lý tín hiệu video em trình bày kĩ thuật xử lý tín hiệu video thành phần Quá trình chuyển đổi tín hiệu video thành phần từ tơng tự sang số gồm nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu, phải qua nhiều công đoạn có số mấu chốt nh: tần số lấy mẫu, phơng thức lấy mẫu, tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu chói tín hiệu màu, lợng tư ho¸,m· ho¸ 2.1.1 / LÊy mÉu TÝn hiƯu video có đặc trng riêng nên việc thoả mÃn định lý lấy mẫu Nyquist, trình lấy mẫu phải thoả mÃn yêu cầu cấu trúc lấy mẫu, tính tơng thích hệ thống Quá trình phải xác định đợc tần số lấy mẫu, cấu trúc lấy mẫu nhằm đạt đợc tiêu chất lợng hình ảnh,tính tơng thích hệ truyền hình, tốc độ bít thích hợp mạch thực đơn giản Việc chọn tần số lấy mẫu tối u khác với thành phần tín hiệu khác đồng thời phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu Cấu trúc lấy mẫu phân bổ toạ độ điểm lấy mẫu Vị trí điểm lấy mẫu đợc xác định dựa dòng,mành thời điểm lấy Cấu trúc lấy mẫu phù hợp với tần số lấy mẫu cho phép khôi phục hình ảnh tốt Có ba dạng liên kết vị trí điểm lấy mẫu đợc sử dụng phổ biÕn cho cÊu tróc lÊy mÉu tÝn hiƯu video: CÊu trúc trực giao Các mẫu đợc xếp dòng kề thẳng hàng theo chiều đứng.Cấu trúc cố định theo mành Hình 2.3: Cấu trúc trực giao Cấu trúc quincunx mành Các mẫu dòng kề thuộc mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng nhng mẫu thuộc mành lại dịch nửa chu kì lấy mẫu so với mẫu mành thứ hai Hình 2.4: Cấu tróc “ quincunx “ mµnh CÊu tróc “ quincunx “ dòng Các mẫu dòng kề mành lệch nửa chu kì lấy mẫu Các mẫu dòng mành lệch so với mẫu dòng với mành cịng mét nưa chu k× lÊy mÉu H×nh 2.5: CÊu tróc “ quincunx “ dßng Víi cÊu tróc trùc giao độ phân giải ảnh bị giảm, cần sử dụng tốc ®é bit lín Víi cÊu tróc “quincunx” mµnh sÏ xt nhấp nháy điểm ảnh, phổ tần mành bị dịch so với phổ mành lồng với phổ tần gây méo chi tiết ảnh hình ảnh có sọc đờng thẳng đứng Còn cấu trúc quincunx dòng xuất vòng tròn theo chiều ngang (méo đờng biên) nhiên không xảy lồng phổ biên với phổ Tóm lại cấu trúc trực giao cho chất lợng ảnh cao