truyền hình kỹ thuật số

Truyền hình kỹ thuật số 1 Lời nói đầu Trong xã hội hiện đại thì thông tin, tri thức chính là những nhân tố quan trọng nhất trong đời sống kinh tế xã hội của từng quốc gia nói riêng và toàn thế giới nói chung. Chính vì thế nên mỗi nớc đều dành một sự đầu t thích đáng cho nghiên cứu và phát triển công nghệ để làm đòn bẩy cho sự phát triển của các nghành kinh tế quốc dân khác. Ngay từ khi mới ra đời truyền hình đã chứng tỏ là một phơng tiện thông tin đại chúng rất quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội. Nó không chỉ là một công cụ thông tin phổ biến kiến thức, giải trí đơn thuần mà đã trở thành phơng tiện không thể thiếu trong mỗi gia đình. Truyền hình cung cấp tin tức về các sự kiện chính trị, văn hoá thể thao, thông tin kinh tế xã hộitừ khắp nơi trên thế giới đến từng cá nhân, từng giờ, từng phút. Truyền hình là cầu nối quan trọng giữa con ngời với thế giới bên ngoài. Cùng với sự ra đời của kỹ thuật số thì công nghệ truyền hình đã có một sự phát triển nhảy vọt về chất bằng việc số hoá tín hiệu truyền hình. Công nghệ truyền hình số ra đời có nhiều u điểm hơn hẳn so với truyền hình tơng tự nh : tính chống nhiễu cao, chất lợng âm thanh, hình ảnh tốt và đồng đều, dàn dựng đợc nhiều kỹ xảo phức tạp mà truyền hình tơng tự không thể thực hiện đợc, có thể ghi nhiều hay lu trữ trong thời gian dài không làm ảnh hởng đến chất lợng hình ảnh. Bên cạnh đó là sự phát triển của nghành công nghệ điện tử tin học nói chung cũng là một sự hỗ trợ đắc lực để truyền hình ngày càng hoàn thiện hơn, phục vụ tốt hơn cho nhu cầu ngày cang cao của con ngời trong xã hội hiện đại. Có thể nói truyền hình số là tơng lai của công nghệ truyền hình. 2 Phần I : Giới thiệu chung về truyền hình số 1 Chơng I : Truyền hình số và những vấn đề trên con đờng chuyển đổi công nghệ Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mới mà tất cả các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số. Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu đợc qua hệ thống ống kính, thay vì đợc biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tơng tự nh hình ảnh quang học nói trên (cả về độ chói và màu sắc) sẽ đợc biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tơng tự_số. 1.1. Một số vấn đề trong biến đổi tín hiệu truyền hình. Trong quá trình biến đổi tín hiệu truyền hình, có một số vấn đề chủ yếu đợc đặt ra: 1.1.1. Lựa chọn độ phân giải cho một hình ảnh số: Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân biểu diễn một ảnh số là một trong những chỉ tiêu chất lợng của kỹ thuật số hoá tín hiệu truyền hình. Nó phản ánh độ sáng, tối , màu sắc của hình ảnh đợc ghi nhận và chuyển đổi. Về nguyên tắc, độ dài của từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lợng, nó đợc xem nh độ phân giải của quá trình số hoá. Tuy nhiên, độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định là đủ thoả mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay cũng nh khả năng phân biệt của mắt ngời xem. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bít. 1.1.2. Lựa chọn tần số lấy mẫu . Giá trị tần số lấy mẫu đơng nhiên phản ánh độ phân tích của hình ảnh số. Nhng mục đích của sự lựa chọn là tìm đợc một số giá trị tối u giữa một bên là chất lợng và một bên là tính kinh tế của thiết bị. Tần số lấy mẫu cần đợc xác định sao cho hình ảnh nhận đợc có chất lợng cao, tín hiệu truyền với tốc độ bít nhỏ và mạch thực hiện đơn giản. Có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến việc lựa chọn tần số và tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu (trong biến đổi tín hiệu video thành phần). Tần số lấy mẫu tín hiệu truyền hình phụ thuộc hệ thống truyền hình màu. Nếu lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp, nhất thiết tần số lấy mẫu phải là một bội số của tần số sóng mang màu. Thông thờng: f sa = 3ữ4 f sc Với : f sa : Tần số lấy mẫu f sc : Tần số sóng mang màu 3 Nếu không thoả mãn điều này, sẽ xuất hiện thêm các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa f sa và f sc hoặc hài của f sc trong phổ tín hiệu lấy mẫu, đặc biệt thành phần tín hiệu (f sa - 2f sc ) sẽ gây méo tín hiệu video tợng tự đợc khôi phục lại từ tín hiệu số. Loại méo này đợc gọi là méo điều chế chéo (intermodulation). Méo điều chế chéo không xuất hiện nếu biến đổi tín hiệu video thành phần. Do vậy, nếu biến đổi tín hiệu video thành phần, khái niệm tần số lấy mẫu là bội số nguyên lần tần số sóng mang màu là không cần thiết. Có thể chọn tần số lấy mẫu cho tín hiệu tổng hợp nh sau: f sa = 3f sc f sa = 4f sc PAL 13,3 MHz 17,7 MHz NTSC 10,7 MHz 14,3 MHz Theo các nghiên cứu cho thấy, sẽ có rất nhiều lợi ích nếu chọn tần số lấy mẫu là số nguyên lần tần số dòng: f sa = nf H . Với tần số dòng của các hệ truyền hình hiện nay : * Tiêu chuẩn 625/50: f H = 15625 MHz. * Tiêu chuẩn 525/60: f H = 15734,25 MHz. thì tần số f = 13,5 MHz là tần số duy nhất là bội số chung của tần số dòng cho cả hai hệ truyền hình. 13,5 MHZ = 864 x f H đối với 625 dòng. = 858 x f H đối với 525 dòng. Một điều vô cùng may mắn là : theo nghiên cứu của các tổ chức quốc tế, khi tần số lấy mẫu tới gần phạm vi 13 MHz, chất lợng ảnh khôi phục sẽ rất tốt, nếu tần số lấy mẫu giảm nhỏ hơn 13 MHz, chất lợng ảnh giảm đi rõ rệt. Bởi vậy, tần số lấy mẫu f sa = 13,5 MHz là tần số đợc các tổ chức quốc tế thừa nhận hiện nay. Về tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu, có một số tiêu chuẩn nh sau: Bảng I.1.1: Tần số lấy mẫu tín hiệu Vide o 4 Y C R C B 14 7 7 12 6 6 4 4 4 4 2 2 4 2 0 4 1 1 2 1 1 Hai tổ hợp đầu không đợc sử dụng vì không có sự liên hệ với tần số dòng. Dạng thức đợc sử dụng phổ biến nhất là 4:2:2. Có nghĩa là tần số lấy mẫu tín hiệu chói gấp hai lần tần số lấy mẫu các tín hiệu hiệu màu. Trong tiêu chuẩn truyền hình số quốc tế Rec_601 do tổ chức ITU_R qui định, tỉ lệ tần số lấy mẫu là 4:2:2. Đây cũng là cấu trúc sử dụng trong tiêu chuẩn truyền hình độ phân giải cao, màn hình rộng với tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 18 MHz. 1.1.3. Lựa chọn cấu trúc mẫu. Nếu coi hình ảnh số là tập hợp của các con số thì việc sắp xếp, bố trí chúng theo một quy luật nào là có lợi nhất. Mục đích của vấn đề là giảm tối thiểu các hiện tợng viền, bóng, nâng cao độ phân tích của hình ảnh. Việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc vào tọa độ các điểm lấy mẫu . Vị trí các điểm lấy mẫu hay còn gọi là cấu trúc mẫu đợc xác định theo thời gian, trên các dòng và các mành. Tần số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất. Do vậy, tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu phải thích hợp theo cả ba chiều t,x,y. Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu đợc sử dụng cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video . Đó là: Cấu trúc trực giao: Đối với cấu trúc trực giao, các mẫu trên các dòng kề nhau đợc sắp xếp thẳng hàng theo chiều đứng. Cấu trúc này là cố định theo mành và ảnh, tần số lấy mẫu thoả mãn tiêu chuẩn Nyquish nên cần sử dụng tốc độ bít rất lớn. Dòng 1, mành 1 Dòng 2, mành 1 Dòng 1, mành 2 Dòng 2, mành 2 Bảng I.1.2 : Tỉ lệ lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu 5 Với các tỉ lệ lấy mẫu 4:2:2 và 4:2:0, vị trí các điểm lấy mẫu cho trên hình vẽ sau: Đối với tiêu chuẩn 4:2:2 , trên một dòng tích cực: Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ 3 tín hiệu : tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu. Điểm tiếp theo lấy mẫu tín hiệu chói, không lấy mẫu hai tín hiệu hiệu màu. Khi giải mã, màu đợc nội suy từ điểm ảnh trớc. Cấu trúc quincux mành. Đối với cấu trúc quincux mành, các mẫu trên các dòng kề nhau thuộc một mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng. Các mẫu trên các mành khác nhau lệch nhau một nửa chu kỳ lấy mẫu. Với việc sắp xếp thẳng hàng các mẫu cho phép giảm Hình I.1.2: Vị trí các điểm lấy mẫu theo hai tiêu chuẩn 4:2:2 và 4:2:0 Lấy mẫu tín hiệu chói Lấy mẫu tín hiệu G-Y Lấy mẫu tín hiệu B-Y Lấy mẫu 4: 2: 2 Lấy mẫu 4: 2: 0 6 tần số lấy mẫu theo dòng của mành thứ nhất. Song phổ tần cấu trúc của mành thứ hai có thể bị lồng phổ của phổ tần cơ bản, đây là nguyên nhân gây méo chi tiết ảnh. Cấu trúc quincux dòng. Đối với cấu trúc quincux dòng, các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu. Các mẫu trên các dòng tơng ứng của hai mành cũng lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu . 1.1.4. Lựa chọn tín hiệu số hoá. Khi số hoá tín hiệu truyền hình, có hai phơng thức: Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp (Composite Signal). Phơng pháp biến đổi này cho ta dòng số có tốc độ bít thấp. Song tín hiệu video số tổng hợp còn mang đầy đủ các khiếm khuyết của tín hiệu video tơng tự, nhất là hiện tợng can nhiễu chói-màu. Biến đổi riêng các tín hiệu video thành phần (Component Signal): Các tín hiệu video thành phần là các tín hiệu chói, hiệu màu R-Y, hiệu màu B- Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản : R,G,B đợc đồng thời truyền theo thời gian hoặc ghép kênh theo thời gian. Dòng 1, mành 1 Dòng 2, mành 1 Dòng 1, mành 2 Dòng 2, mành 2 Hình I.1.3: Cấu trúc lấy mẫu quincux mành Dòng 1, mành 1 Dòng 2, mành 1 Dòng 1, mành 2 Dòng 2, mành 2 Hình I.1.4: Cấu trúc lấy mẫu quincux dòn g 7 Phơng pháp biến đổi tín hiệu video thành phần tuy cho tốc độ dòng bít lớn hơn song đã khắc phục đợc các nhợc điểm của tín hiệu số video tổng hợp. Mặt khác, biến đổi tín hiệu video thành phần không còn phụ thuộc vào dạng hệ truyền hình màu PAL, SECAM, NTSC nên tạo thuận lợi cho việc trao đổi các chơng trình truyền hình, tiến tới xây dựng một chuẩn chung về truyền hình số cho toàn thế giới. Bởi vậy, các tổ chức truyền thanh, truyền hình quốc tế đều khuyến cáo sử dụng hình thức biến đổi này. 1.2. Quá trình chuyển đổi công nghệ tơng tự-số. Chúng ta cố gắng chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tơng tự sang truyền hình số, quá trình chuyển đổi công nghệ dựa theo nguyên tắc chuyển đổi từng phần và xen kẽ. Khái niệm từng phần và xen kẽ đợc hiểu là sự xuất hiện dần các camera số gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số tiến đến một dây truyền sản xuất hoàn toàn số. Mô hình trên cũng cho chúng ta thấy rằng: đến một giai đoạn nào đó, sẽ xuất hiện tình trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ. Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời máy phát số đồng thời các máy thu hoàn toàn số và các hộp SETTOP là các hộp chuyển đổi (từ số sang tơng tự) dành cho các máy thu thông thờng hiện nay. Lí do cho việc chuyển đổi từng phần và xen kẽ là do chi phí tài chính cũng nh phải bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thờng xuyên. Cam (analog) Dựng (analo g ) Analog Studio (analo g ) Cam (digital) Digital Máy thu (di g ital) Dựng (digital) Studio (digital) Phát Máy thu (analo g ) Máy thu (analo g ) Dựng (A/D) Dựng (D/A) Bộ chuyển đổi Hộp Set_to p Thu Hình I.1. 5: Quá trình chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tơng tự san g tru y ền hình s ố 8 2 Chơng II : Tổng quan về truyền hình số 2.1. Đặc điểm của phát thanh, truyền hình số. ắ ít bị tác động của nhiễu so với truyền hình tơng tự. ắ Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu truyền hình âm thanh và hình ảnh. ắ Có khả năng áp dụng kỹ thuật sửa lỗi. ắ Do chỉ truyền đi các giá trị 0 và 1 nên các tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu điều khiển, dữ liệu đều đợc xử lý giống nhau. ắ Có thể khoá mã dễ dàng. ắ Đòi hỏi công suất truyền dẫn thấp hơn. ắ Các kênh có thể định vị tơng đối dễ dàng. ắ Các hệ thống điều chế đợc phát triển sao cho có khả năng chống đợc hiện tợng bóng hình và sai pha. ắ Chất lợng dịch vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùng phục vụ. ắ Đòi hỏi tần số mới cho việc phát thanh, truyền hình quảng bá. ắ Ngời xem phải mua máy mới hoặc sử dụng bộ chuyển đổi SETTOP. ắ Những sự đầu t mới đợc yêu cầu về các phơng tiện tại các trạm phát. 2.2. Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống phát thanh, truyền hình số . Sơ đồ khối của một hệ thống phát thanh, truyền hình số nh sau: Tín hiệu video , audio tơng tự đợc biến đổi thành tín hiệu số. Tín hiệu này có tốc độ bít rất lớn nên cần phải qua bộ nén để giảm tốc độ bít của chúng. Các luồng tín hiệu này đợc đa tới bộ ghép kênh (MUX) rồi đa tới bộ điều chế và phát đi. ở phía thu thực hiện quá trình ngợc lại, tín hiệu thu sẽ đợc giải điều chế và đa tới bộ phân kênh (DEMUX). Tín hiệu từ bộ phân kênh đợc giải nén sau đó đợc chuyển đổi số _tơng tự. 9 2.3. Thu, phát và truyền dẫn tín hiệu truyền hình số. 2.3.1. Truyễn dẫn tín hiệu truyền hình số . Việc sử dụng kỹ thuật số để truyền tín hiệu Video đòi hỏi phải xác định tiêu chuẩn số của tín hiệu truyền hình, phơng pháp truyền hình để có chất lợng ảnh thu không kém hơn chất lợng ảnh trong truyền hình tơng tự. Có thể sử dụng các phơng thức truyền dẫn sau cho tín hiệu truyền hình số: Truyền qua cáp đồng trục: Để truyền tín hiệu video số có thể sử dụng cáp đồng trục cao tần. Kênh có thể có nhiều làm ảnh hởng đến chất lợng truyền và sai số truyền. Ví dụ nhiễu nhiệt. Ngợc lại, nhiễu tuyến tính của kênh sẽ không xảy ra trong trờng hợp truyền số với các thông số tới hạn. Video Subsys Encode and Comp Audio Subsys Encode and Comp Data Subsys Encode and Comp Hình I.2.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số MUX Transport Encode (mã chập, mã xoắn) Modulation Trasmitter Channel Coding Video Audio Data Video Subsys Decode and Exp Audio Subsys Decode and Exp Data Subsys Decode and Exp DE_ MUX Transport Decode Receiver Channel Decoding Video Audio Data [...]... thu số sử dụng bộ giải điều chế số (PSK, QAM, OFDM hoặc VSB) Phần xử lý tín hiệu của hai loại máy thu là hoàn toàn khác nhau do bản chất khác nhau của hai loại tín hiệu số và tơng tự 2.3.2.1 Sơ đồ khối thiết bị SET-TOP-BOX Số lợng máy thu hình tơng tự hiện nay rất lớn, việc phát chơng trình truyền hình số không đợc làm ảnh hởng đến việc thu truyền hình tơng tự bình thờng Truyền hình số bao gồm cả hình. .. đề gì đó Đó chính là truyền hình tơng tác, có sự tham gia tích cực của ngời xem trong các chơng trình truyền hình 2.3.2.2 Phân tích sơ đồ khối chi tiết máy thu số của hệ thống DSS (Direct Satellite System-Hệ thống truyền hình vệ tinh) Sơ đồ khối máy thu truyền hình số có thể có ba loại giải điều chế cho ba môi trờng truyền lan tơng ứng (vệ tinh, cáp, mặt đất) do các môi trờng truyền lan khác nhau... : một số tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới Chuẩn truyền dẫn truyền hình số (DTV_ Digital television) sử dụng quá trình nén và xử lý số để có khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều chơng trình TV trong một dòng dữ liệu, cung cấp chất lợng ảnh khôi phục tuỳ theo mức độ phức tạp của máy thu DTV là một sự thay đổi đáng kể trong nền công nghiệp sản suất và quảng bá các sản phẩm truyền hình Nó... (SDTV) và máy thu hình có thể thu đợc chơng trình truyền hình theo định dạng của mình Ví dụ khi phát một chơng trình có chất lợng HDTV và SDTV , ngời xem có máy thu hình HDTV sẽ thu đợc hình ảnh có chất lợng cao, trong khi đó ngời xem chỉ có máy thu hình bình thờng vẫn có thể xem đợc chơng trình truyền hình nhng có chất lợng SDTV Để có thể đáp ứng đợc việc thu chơng trình truyền hình số bằng máy thu... MHz NTSC có thể phát sóng một chơng trình truyền hình có độ phân giải cao HDTV ở Châu âu, sau nhiều năm nghiên cứu, ngời ta quyết định sử dụng điều chế COFDM cho cả truyền thanh lẫn truyền hình Hai u điểm lớn của kỹ thuật điều chế này là : chống nhiễu gây ra do truyền lan sóng nhiều đờng và có khả năng lập một mạng máy phát chỉ bởi một tần số (một kênh truyền hình trên toàn châu âu) Đặc điểm này rất... đi đến truyền hình số hoàn toàn Sơ đồ khối của một hộp SETTOP nh sau: QPSK QAM Decoder hình MPEG-2 Bộ phân kênh MPEG-2 OFDM Decoder tiếng MPEG-2 Processor Các khối điều khiển Hình I.2.2 : Sơ đồ khối hộp SETTOP 11 Video Audio Tín hiệu trung tần từ sau bộ trộn đợc đa đến các bộ giải điều chế tơng ứng (COFDM, VSB đối với truyền hình mặt đất ; QPSK đối với truyền hình vệ tinh ; QAM đối với truyền hình cáp)... và FFT 8K Với loại vi mạch trên có thể thiết kế cho hoạt 10 động của 6785 tải Các hãng RACE có thiết bị phát sóng truyền hình cho 896 tải, hãng NTL cho 2000 tải 2.3.2 Thu tín hiệu truyền hình số Quá trình thu hình là thực hiện ngợc lại của công việc phát hình Máy thu hình số và máy thu hình tơng tự về mặt nguyên lý chỉ khác nhau ở phần trung tần (IF), còn phần cao tần (RF) là hoàn toàn giống nhau Sự... lợng truyền hình cao, cáp có chiều dài 2500km cần đảm bảo mức lỗi trên đoạn trung chuyển là 10 -11 ữ 10-10 Độ rộng kênh dùng cho tín hiệu video bằng khoảng 3/5 tốc độ bit của tín hiệu Độ rộng kênh phụ thuộc vào phơng pháp mã hoá và phơng pháp ghép kênh theo thời gian cho các tín hiệu cần truyền và rộng hơn nhiều so với độ rộng kênh truyền tín hiệu truyền hình tơng tự Truyền tín hiệu truyền hình số bằng... tín hiệu hình, tiếng và các tín hiệu bổ xung Trong một kênh truyền hình thông thờng có thể truyền 4 đến 5 kênh truyền hình SDTV theo tiêu chuẩn MPEG-2 Tiếp theo, tín hiệu đợc biến đổi trong các bộ xử lý đặc biệt (bộ giải mã MPEG , bộ biến đổi DAC ) Các tín hiệu đầu ra đợc đa đến các thiết bị tơng ứng Một phần tử quan trọng của SET-TOP-BOX là khối điều khiển Cùng với việc sử dụng kỹ thuật số, số lợng... dòng truyền tải Truyền tải đa chơng trình Mã hoá đầu cuối cáp Điều chế QAM Mạng cáp Truyền tải đa chơng trình Điều chế QPSK Vệ tinh Mã hoá kênh Truyền tải đa chơng trình Mã hoá kênh Điều chế COFDM Truy nhập có điều kiện Hình I.3.4: Các dạng thức truyền dẫn DVB điển hình 21 Truyền hình mặt đất 3.2.2 Phơng pháp điều chế COFDM trong tiêu chuẩn DVB Lợi ích nhất của COFDM là ở chỗ dòng dữ liệu cần truyền . kỹ thuật số thì công nghệ truyền hình đã có một sự phát triển nhảy vọt về chất bằng việc số hoá tín hiệu truyền hình. Công nghệ truyền hình số ra đời có nhiều u điểm hơn hẳn so với truyền hình. thể nói truyền hình số là tơng lai của công nghệ truyền hình. 2 Phần I : Giới thiệu chung về truyền hình số 1 Chơng I : Truyền hình số và những. công nghệ Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mới mà tất cả các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số. Trong đó, một hình ảnh quang