ứng dụng công nghệ ofdm trong truyền hình số mặt đất, và thực trạng sử dụng tại việt nam

ứng dụng công nghệ ofdm trong truyền hình số mặt đất, và thực trạng sử dụng tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2

Đề tài: Ứng dụng công nghệ OFDM trong Truyền Hình Số Mặt Đất, và thực trạng sử

dụng tại Việt Nam

GVHD: TRẦN VĂN THỌ

SVTH: NGUYỄN THỂ TÍCH Lớp: DV11

MSSV: 1151040060

TP.HCM, ngày 25 tháng 12 năm 2014

11

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, kĩ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước phát triển

vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet,

điện thoại di động có mặt khắp mọi nơi cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương

tiện trên di động đang ngày một tăng cao Và truyền hình số với những ưu điểm vượt trội

hơn so với truyền hình tương tự cũng đã ra đời như một tất yếu

Truyền hình sốmặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB - T hiện đang được sử dụng

phổ biến ở nhiều nước trên thế giới Với nhiều ưu điểm về kĩ thuật cũng như phù hợp với

điều kiện tự nhiên - xã hội, hệ truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn này đang được triển

khai và sử dụng tại Việt Nam

Em nhận thấy truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Ầu DVB - T là công

nghệ có nhiều tiềm tiềm năng hiện nay với khả năng phát triển vững chắc và lâu dài Đề

tài cho đồ án môn học 2 của em là “Công Nghệ OFDM và ứng dụng trong Truyền Hình

Số Mặt Đất, thực trạng sử dụng tại Việt Nam”

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do lượng kiến thức vẫn

đang con hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự

thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo trong khoa Điện

tử viễn thông đã giúp đỡ em về mặt kiến thức để hoàn thành đồ án này Đặc biệt em xin

gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn Trần Văn Thọ, đã trực tiếp hướng dẫn em

hoàn thành bản đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

22

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ATSC Advanced Television System

Nhóm chuyên gia truyền hình số

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

DVB-C/S/T Digital Video

Broadcasting-Cable / Satellite / Terrestrial

Truyền hình số qua cáp / vệ tinh / phát sóng trên mặt đất

EDTV Enhanced Definition Television

Truyền hình độ phân giải mở

rộng

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến (thuận)

HDTV High Definitiom Televisiom Truyền hình độ phân giải cao

ISDB Integrated Services Digital

Broadcasing

Truyền hình số các dịch vụ tích

hợp

33

LDTV Low Definitiom Television Truyền hình độ phân giải thấp

MPEG Moving Pictures Experts Group

Nhóm chuyên gia nghiên cứu về

ảnh động

M-PSK M-ary Phase Shift Keying Khóa dịch pha M trạng thái

M-QAM M-ary Quadrature Amplitude

PAL Phase Alternating Line Pha luân phiên theo dòng

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

SDTV Standard Definition Television Truyền hình độ phân giải tiêu

chuẩnSFN Single Frequence Network Mạng đơn tần

SMPTE Society of Motion Picture and

Television Engineers

Hiệp hội ảnh động và kỹ sư

44

truyền hình

VOD Video On Demand Truyền hình theo yêu cầu

55

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ

1.1 Lịch sử phát triển:

Lịch sử phát triển của truyền hình rất phức tạp vì nó ứng dụng kết quả nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau

- Năm 1839 Bee Quell tìm ra hiện tượng quang điện

- Năm 1898 Volsske tìm ra hệ thống truyền hình không dây dẫn (truyền hình bằng sóng điện từ)

- Năm 1945 tiêu chuẩn truyền hình 525 dòng và 625 dòng các thí nghiệm truyền hình màu bắt đầu từ sau đại chiến thế giới lần thứ II và ngày nay đã trở thành phổ biến trên thế giới

- Truyền hình màu ra đời khi hệ thống truyền hình đen trắng đã hoàn thiện

Vì vậy khi xây dựng hệ thống truyền hình màu cần phải giải quyết sao cho máy thu hình, đen trắng có thể thu được với hình ảnh đen trắng Mặt khác phải giải quyết được ngược lại đó là dùng máy thu hình màu có thể thu được chương trình truyền hình đen trắng với ảnh nhận được cũng là đen trắng Đó là tính kết hợp của hệ truyền hình màu

Phương pháp tạo tín hiệu hình màu hoàn chỉnh (bao gồm tín hiệu chói và tín hiệu màu) được thực hiện đầu tiên ở Mỹ Tín hiệu hình màu hoàn chỉnh mang tin tức

về màu sắc và độ bão hoà màu của ảnh màu Năng lượng phổ tín hiệu chói phân bố không đều trong cả băng tần tín hiệu truyền hình Tín hiệu màu có phổ nằm trong giải tần hẹp hơn và bố trí ở miền tần số cao của băng tần tín hiệu chói Từ đặc điểm trên có thể thực hiện các điều kiện kết hợp truyền hình màu và truyền hình đen trắng

Tín hiệu hình màu và tín hiệu chói nằm trong cùng 1 băng tần cơ bản được thực hiện trong hệ truyền hình màu NTSC năm 1950 ở Mỹ do FCC (Feđeal Communcation Commíion - Ủy ban thông tin liên bang)

Những năm sau hệ truyền hình màu phát triển nhanh chóng, chất lượng ảnh hệ NTSC hứa phải là tốt vì tín hiệu hệ NTSC rất nhạy với méo pha và méo biên độ

Người ta chuyển sang nghiên cứu tìm ra các hệ thống mã hoá tín hiệu màu khác, sao cho méo pha và méo biên độ xuất hiện trong kênh truyền hình là ảnh hưởng nhỏ nhất.

- Năm 1957 ở Pháp xuất hiện hệ truyền hình màu SECAM do Henry De France nghiên cứu và thực hiện

- Năm 1962 giáo sư Walter Bruce ở Tây Đức công bố Hệ truyền hình PAL

Cả hai hệ SECAM và PAL về nguyên lý chung thống nhất với hệ NTSC

- Năm 1966 ở Ôslô (Na Uy) đã tiến hành hội nghị CCIR để chọn hệ truyền hình màu thống nhất cho cả Châu Âu, để tiện cho việc trao đổi chương trình truyền hình màu giữa các nước

Kết quả một số nước chọn hệ SECAM còn một số nước dùng hệ PAL, Mỹ và Nhật sử dụng hệ NTSC

Ở Việt Nam chọn hệ PAL tiêu chuẩn OIRT (Organization International Radio and Television - tổ chức phát thanh truyền hình quốc tế)

- Năm 1994 Mỹ nghiên cứu và thử nghiệm truyền hình số, đến tháng 12 năm

1996 ban hành tiêu chuẩn ATSC

- Năm 1997 Nhật Bản ban hành tiêu chuẩn ISDB - hay còn gọi là tiêu chuẩn DIBEG

- Năm 1997 tiêu chuẩn DVB-T của Châu Âu ra đời Nhiều nước Bắc Âu, một

số nước Châu Á trong đó có Việt Nam và nhiều nước khác đã lựa chọn tiêu chuẩn này

và dự kiến phát sóng số hoàn toàn vào năm 2010-2015

- Việt Nam từ năm 1997 đến nay có một số đơn vị kỹ thuật có nghiên cứu và tiếp cận với công nghệ số, cho đến nay nhiều công đoạn trong sản xuất chương trình, truyền dẫn đã được số hoá, nhiều đề tài nghiên cứu truyền hình số đã và đang được nghiên cứu thử nghiệm chính vì vậy mà nó mang tính khoa học và thực tiễn cao nhằm càng ngày càng nâng cao chất lượng cho việc phát hình số tại Việt Nam

Xu hướng chung cho sự phát triển truyền hình là nhằm đạt được thống nhất, là

hệ thống truyền hình hoàn toàn có kỹ thuật có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin, vì vậy truyền hình kỹ thuật số đã và đang được phát triển mạnh mẽ

1.2 Giới thiệu chung về truyền hình số

Các hệ thống truyền hình phổ biến hiện nay như: NTSC, PAL, SECAM là các

hệ thống truyền hình tương tự Tín hiệu Video là hàm liên tục theo thời gian Tín hiệu truyền hình tương tự (từ khâu tạo dựng, truyền dẫn, phát sóng đến khâu thu tín hiệu đều chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (nhiễu và can nhiễu từ nội bộ hệ thống và từ bên ngoài) làm giảm chất lượng hình ảnh

Truyền hình số là tên gọi của một hệ truyền hình mà tất cả các thiết bị kỹ thuật

từ Studio (Camera truyền hình, ) đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật

số Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính,

thay vì được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả về độ chói và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân

(dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự - số

Trong nhưng năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bước ngoặt mới Quá trình chuyển đổi từ công nghệ tương tự sang công nghệ số Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình Trong một số ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì

nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà

không làm giảm đi chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp, tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự Mặc dù vậy

xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt được một sự thống nhất chung, là một hệ thống hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin Hệ thống truyền hình số đã và đang được phát triển trên toàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong công nghiệp truyền hình

Đối với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên môi trường số sẽ làm giảm việc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp các ứng dụng Internet cho thuê bao và mở ra một lĩnh vực mới, các cơ hội mới về thương mại Nhiều dịch vụ mới trên cơ sở truyền hình số sẽ được hình thành:

• Truy cập Internet tốc độ cao

• Chơi Game và giải trí trên mạng

• Video theo yêu cầu VOD (video - on - demand)

• Cung cấp các dòng video và audio

• Dịch vụ thanh toán tiền tại nhà (home banking)

• Các dịch vụ thương mại điện tử

1.3 Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống truyền hình số

A/D Giải điều chế Điều chế

Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số

Tách kênh chương trình Giải MPEG-2 D/A Video

- Khi đã được nén để giảm tải dữ liệu, các chương trình này sẽ ghép lại với nhau

để tạo thành dòng bít liên tiếp

- Lúc này chương trình đã sẵn sàng truyền đi xa, cần được điều chế để phát đi theo các phương thức:

+ Truyền hình số vệ tinh DVB-S (QPSK)+ Truyền hình số cáp DVB-C (QAM) + Truyền hình số mặt đất ( COFDM)

- Phía thu sau khi nhận được tín hiệu sẽ tiến hành giải điều chế phù hợp với phương pháp điều chế, sau đó tách kênh rồi giải nén MPEG-2, biến đổi ngược lại số sang tương tự, gồm 2 đường hình và tiếng rồi đến máy thu hình

1.4 Ảnh số và Đặc điểm của truyền hình số

đó ta có thể chia ra làm các loại ảnh khác nhau:

-Ảnh đen trắng: Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một bit, các ảnh này còn

được gọi là Bi- level hay Bi- Tonal images

-Ảnh Gray-scale: Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chói khác nhau,

thường thì ảnh này biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗi điểm ảnh

-Ảnh màu: Mỗi ảnh tín hiệu màu được chia ra gồm 1 tín hiệu chói và một tín

hiệu màu

1.42 Đặc điểm

+ Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai

+ Thu di động tốt Người xem dù đi trên ôtô, tàu hỏa vẫn xem được các chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng Doppler (tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát.)

+ Truyền tải được nhiều loại thông tin

+ Ít nhạy với nhiễu với các dạng méo xảy ra trên đường truyền Bảo toàn chất

lượng hình ảnh, thu số không còn hiện tượng “bóng ma’’ do các tia sóng phản xạ từ nhiều hướng đến máy thu Đây là vấn đề mà hệ analog đang không khắc phục nổi.

+ Phát nhiều chương trình trên một kênh truyền hình: Tiết kiệm tài nguyên tần số:

+ Một trong những ưu điểm của truyền hình số là tiết kiệm phổ tần số

+ 1 transponder 36MHz truyền được 2 chương trình truyền hình tương tự song

có thể truyền được 10 ÷ 12 chương trình truyền hình số (gấp 5 ÷ 6 lần)

+ Một kênh 8 MHz (trên mặt đất) chỉ truyền được 1 chương trình truyền hình tương tự song có thể truyền được 4 ÷ 5 chương trình truyền hình số đối với hệ thống ATSC, 4 ÷ 8 chương trình đối với hệ DVB –T (tùy thuộc M-QAM, khoảng bảo vệ và FEC)

Bảo toàn chất lượng :

Chất lượng Khoảng cách giữa máy phát và máy thu

Tín hiệu số Tín hiệu tương tự

Hình 1.1 So sánh chất lượng tín hiệu số và tương tự

+ Tiết kiệm năng lượng, chi phí khai thác thấp: Công suất phát không cần quá lớn vì cường độ điện trường cho thu số thấp hơn cho thu analog (độ nhạy máy thu số thấp hơn -30 đến -20 DB so với máy thu analog)

+ Tín hiệu số dễ xử lý, môi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thân thiện với máy tính …

+ Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio (trung tâm truyền hình)

mà tỉ số S/N không giảm (biến đổi chất lượng cao) Trong truyền hình tương tự thì việc này gây ra méo tích lũy ( mỗi khâu xử lý đều gây méo )

+ Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng không bị giảm

+ Có khả năng lưu tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản và sau đó đọc nó với tốc độ tùy ý

+ Khả năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ )

+ Dễ tạo dạng lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệ truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, dể thực hiện những kỹ xảo trong truyền hình.

+ Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng và không cần điều chỉnh các thiết bị trong khi khai thác

+ Có khả năng xử lý nhiều lần đồng thời một số tín hiệu (nhờ ghép kênh phân chia theo thời gian)

+ Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ nén có thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất lượng

Từ đó có thể truyền được nhiều chương trình trên một kênh sóng, trong khi truyền hình tương tự mỗi chương trình phải dùng một kênh sóng riêng

+ Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin 2 chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm Do sự phát triển của công nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác ngày càng phong phú đa dạng và ngày càng

mở rộng

 Nhược điểm đáng quan tâm:

+ Dải thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự

+ Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thường phức tạp hơn (phải dùng mạch chuyển đổi số - tương tự)

+ Chất lượng phục vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùng phục vụ.+ Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống đo kiểm tra tương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểm tra tín hiệu chuẩn

1.5 Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình

1.5.1 Biến đổi tín hiệu Video

Biến đổi tín hiệu Video tương tự thành Video số là biến đổi thuận, còn biến đổi tín hiệu Video số thành tương tự là biến đổi ngược Trong hệ thống truyền hình số có rất nhiều bộ biến đổi thuận và ngược

Khi biến đổi tín hiệu Video màu tương tự thành tín hiệu Video màu số ta có thể dùng 2 phương pháp sau:

Phương pháp 1:

Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM ra tín hiệu số

Phương pháp 2:

Biến đổi riêng từng tín hiệu thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu số R-Y và B-Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản R, G, B) ra tín hiệu số và tryuền đồng thời theo thời gian hoặc ghép kênh theo thời gian.

Phương pháp 2 Biến đổi riêng các tín hiệu thành phần (của tín hiệu màu) thành tín hiệu sô sẽ làm tốc độ bit tăng cao hơn so với việc biến đổi tín hiệu màu Video tổng hợp Cách này có ưu điểm là không phụ thuộc các hệ thống truyền hình tương tự, thuận tiện cho việc trao đổi các chương trình truyền hình Cũng có thể giảm tốc độ bit nếu sử dụng mã thích hợp Do mã riêng các thành phần tín hiệu màu, nên có thể khử được nhiễu qua lại (nhiễu của tín hiệu lấy mẫu với các hài của tải tần màu)

Vì những nguyên nhân trên cho nên cách biến đổi số các tín hiệu thành phần (của tín hiệu Video màu tổng hợp) ưu việt hơn cách biến đổi trực tiếp tín hiệu Video màu tổng hợp Do đó, tổ chức truyền thanh truyền hình quốc tế khuyến cáo nên dùng loại này cho trung tâm truyền hình (studio), truyền dẫn, phát sóng và ghi hình

1.52 Chọn tần số lấy mẫu

Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là lấy mẫu (có nghĩa là rời rạc tín hiệu tương tự theo thời gian) Do đó tần số lấy mẫu là một trong những thông số cơ bản của hệ thống kỹ thuật số Có nhiều yếu tố quyết định việc lựa chọn tần số lấy mẫu Tần số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình ảnh nhận được có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền đi với tốc độ bit nhỏ nhất, độ rộng băng tần nhỏ nhất và mạch đơn giản

Lấy mẫu tín hiệu Video : Để cho việc lấy mẫu không gây méo, ta phải chọn tần

số lấy mẫu thoả mãn công thức Kachenhicop ƒsa ≥ 2ƒmax (ƒmax = 5,5MHz đối với hệ PAL) nghĩa là ƒsa≥ 11MHz

Trường hợp ƒsa < 2ƒmax sẽ xảy ra hiện thượng chồng phổ làm xuất hiện các thành phần phụ (alias components) và xuất hiện méo, ví dụ như hiệu ứng lưới trên màn hình (do các tín hiệu vô ích nằm trong băng tần video), méo sườn xung tín hiệu, làm nhoè biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), các điểm sáng tối nhấp nháy trên màn hình

Trị số ƒsa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói (trắng đen), tín hiệu màu cơ bản (R, G, B) các tín hiệu số màu, tín hiệu Video màu tổng hợp Cuối cùng việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu

Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp phải chú ý đến tần số sóng mang phụ ƒsc, khi chọn ƒsa có thể xuất hiện các trường hợp sau đây:

+ ƒsa gấp nhiều lần ƒsc, ví dụ ƒsa = 3ƒsc hoặc 4ƒsc (hệ PAL, NTSC chỉ dùng một tần số ƒsc) Hệ SECAM dùng hai sóng mang phụ màu nên không dùng được một tần số

ƒsa cho các tín hiệu hiệu số màu

1.53 Lượng tử hóa tín hiệu Video

Qúa trình lượng tử hóa tín hiệu rời rạc (sau khi lấy mẫu) bao gồm việc chia biên

độ thành nhiều mức (nhiều khoảng) và sắp xếp mỗi trị của mẫu bằng một mức

Các khoảng chia (khoảng lượng tử) có thể đều nhau và cũng có thể không đều nhau và ta gọi là lượng tử tuyến tính và lượng tử phi tuyến Trong quá trình lượng tử hóa biên độ của các mẫu nằm trong cùng một khoảng lượng tử (Q) sẽ có biên độ bằng nhau, biên độ này có thể là nằm bậc trên hay nằm bậc dưới của mức lượng tử Mỗi bậc tương ứng với một mã số nhất định

Nếu ta làm tròn với bậc trên của thang lượng tử thì gọi là lượng tử hóa trên bậc Nếu làm tròn với bậc dưới thì gọi là lượng tử hóa dưới bậc Hai phương pháp này gọi chung là lượng tử hóa có thang nửa bậc.

Nếu làm tròn với mức ở giữa khoảng lượng tử thì gọi là lượng tử hóa có thang nửa bậc Loại có thang nửa bậc cho độ chính xác cao hơn (sai số lượng tử nhỏ hơn) so với lượng tử hóa không có thang nửa bậc Tuy nhiên nó có nhược điểm là nhiễu kênh trống

1.5.4 Mã hóa tín hiệu Video

Mã hóa tín hiệu Video là biến đổi tín hiệu đã lượng tử hóa thành tín hiệu số bằng cách sắp xếp số nhị phân cho các mức lượng tử hóa và ánh xạ của các mức này thành tín hiệu có 2 mức logic “0” và “1”

Theo lý thuyết và thực nghiệm ta có thể dùng mã 8 bit (tức 28 =256 mức lượng tử) để

mã hóa tín hiệu Video Nếu số bit tăng độ chính xác của bộ chuyển đổi tăng nhưng tốc

độ bit tăng đòi hỏi kênh truyền rộng đồng thời đáp ứng của bộ chuyển đổi thấp

Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được chia thành 4 nhóm như sau:

+ Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình

+ Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin

+ Các mã thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ ở bên thu

+ Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền hình số

Mã sơ cấp để tạo tín hiệu số ở trung tâm truyền hình, có dạng tín hiệu nhị phân liên tục, các bit 0 và 1 có thể được biểu diễn bằng các phương pháp khác nhau, được phân biệt bằng thời gian tồn tại, cực tính, mức pha… chẳng hạn NRZ, RZ, Biphase (hai pha)…

1.6 Các hệ thống truyền hình số quảng bá

Truyền hình quảng bá là truyền hình số kết hợp với công nghệ nén số cho ưu điểm nổi bật là tiết kiệm được bộ nhớ và tiết kiệm kênh truyền Một kênh truyền hình quảng bá truyền thống khi truyền tín hiệu truyền hình số có thể truyền trên 6 chương trình và mỗi chương trình có thể kèm theo 2 đến 4 đường tiếng Ứng dụng kỹ thuật truyền hình số có nén có thể truyền một chương trình truyền hình độ phân giải cao HDTV trên một kênh thông thường có băng thông (6-8)MHz, điều mà kỹ thuật tương tự không thể giải quyết được

Truyền hình số có nén được sử dụng rộng rãi cho nhiều cấp chất lượng khác nhau Từ SDTV có chất lượng tiêu chuẩn đến HDTV có chất lượng cao với tốc độ bít

từ 5-24Mb/s, được truyền dẫn và phát sóng qua cáp, qua vệ tinh và trên mặt đất Có rất nhiều tiêu chuẩn nén dùng cho truyền hình số: MPEG-1, 2, 3, 4, 7…(Moving Picture Experts Group)

Việc phát chương trình quảng bá truyền hình số (digital video broadcasting DVB) chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG – 2, nó có phương thức sửa mã sai; căn cứ vào các chương trình multimedia, sẽ chọn lựa các phương thức điều chế tương ứng và biên mã của các đường thông tin

Hiện nay có ba tiêu chuẩn truyền hình số có nén dùng trong truyền dẫn và phát sóng là DVB (châu Âu), ATSC (Mỹ), ISDB-T (Nhật), trong đó DVB tỏ ra có nhiều ưu điểm và có khoảng 84% số nước trên thế giới, trong đó có VN lựa chọn sử dụng

Mô hình hệ thống truyền dẫn DVB được mô tả như hình vẽ dưới đây:

Truyền đa chương trình

Mã hoá đầu cuối cápĐiều chế QAMTruyền đa chương trình

Mã hoá kênhĐiều chế QPSKTruyền đa chương trình

Mã hoá kênh

Điều chế COFDMGhép kênh chương trìnhDòng chg

Đến vệ tinhĐến máy phát sóng trạm mặt đấtHình 1.7 Mô hình hệ thống truyền dẫn DVB

Sau khi xác định các tiêu chuẩn của phát truyền hình số DVB, do các sự truyền tải Multimedia khác nhau, lĩnh vực ứng dụng khác nhau nên DVB đã được tổ chức và phân chia thành một số hệ thống, cụ thể là hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB–S (Satellite); hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến DVB–C (Cable); hệ thống quảng bá truyền hình số trên trái đất DVB–T (Terrestrial); hệ thống quảng bá truyền hình số vi ba DVB–M (Microwave); hệ thống quảng bá truyền hình số theo mạng tương tác DVB–I (Interact); hệ thống truyền hình số hệ thống cộng đồng DVB–

Trong mạng truyền hình hữu tuyến do tín hiệu hình ảnh được truyền tải trên đường dây cáp đồng trục nên nó ít bị can nhiễu bên ngoài Trong các nguyên tắc DVB đã qui định

sử dụng các phương thức điều chế QAM, căn cứ vào trạng thái môi trường truyền tải

có thể sử dụng các tốc độ điều chế khác nhau như 16-QAM; 128-QAM; 256-QAM

Máy thu vệ tinh số Máy thu vệ tinh số Máy thu vệ tinh số

Mạng hữu tuyếnTín hiệu từ vệ tinhTín hiệu từ vệ tinh

Tín hiệu từ vệ tinh

Hình 6.6 sơ đồ khối hệ thống truyền hình số hữu tuyến

Hình 6.6 là sơ đồ của hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến Nếu tín hiệu truyền hình lấy nguồn từ vệ tinh thì cần một máy thu vệ tinh số IRD (Integrated Receiver Coder) để thu các chương trình khác nhau và chuyển đổi thành dòng dữ liệu MPEG-2, đối với tín hiệu thị tần – âm tần AV thì cần bộ giải nén biên mã số để giải mã tín hiệu, tạo ra dòng dữ liệu MPEG-2 Nguồn tín hiệu khác nhau sẽ tạo ra dòng dữ liệu MPEG-

2 ở bộ trộn nhiều đường số để tiến hành trộn và thu được dòng tín hiệu có tốc độ cao hơn Sau đó tín hiệu này đưa vào bộ điều chế QAM, bộ biến tần để đạt được dải tần cần thiết cho mạng truyền hình hữu tuyến

1.7.2 Hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB–S

Đặc điểm chung:

DVB-S: Hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh DVB-S có các đặc trưng như sau: Sử dụng băng tần băng C và KU, điều chế số QPSK, tối ưu hoá cho từng tải riêng cho từng

bộ phát đáp (Transponder: thiết bị thu phát trên vệ tinh) và công suất hiệu dụng, tốc độ

dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 38,1Mb/s

Nguyên lí quảng bá truyền hình số vệ tinh trình bày ở hình 6.7 Thông tin âm tần và thị tần và các tín hiệu số trước tiên sẽ đi qua bộ nén biên mã số MPEG 2 (ENC) tiến hành việc nén biên mã , tín hiệu truyền hình số với tốc độ trên 200Mb/s được nén xuống còn 6Mb/s, dòng số liệu MPEG-2 bị nén nhiều đường sẽ được đưa vào bộ trộn nhiều đường số tiến hành việc trộn, ở ngõ ra sẽ nhận được dòng mã MPEG-2 có tốc độ càng cao hơn Căn cứ vào yêu cầu, các chương trình truyền hình cần truyền tải sẽ được thực hiện việc mã hóa, sau đó dòng số liệu MPEG-2 được đưa vào bộ điều chế số QPSK Cuối cùng tiến hành biến tần, tín hiệu QPSK được điều chế tới trung tần IF, đạt tới tần số vi ba cần thiết của dải sóng C hoặc KU, thông qua anten phát tiến hành phát

xạ lên truyền hình vệ tinh

Sơ đồ khối của hệ thống thu truyền hình số vệ tinh như hình 6.8 Tín hiệu vệ tinh qua

bộ biến tần LNB, máy thu vệ tinh số IRD (integrated receiver coder ) sẽ tiến hành việc giải điều chế QPSK, giải mã đưa ra tín hiệu âm tần và thị tần, nếu dùng đầu nối thu CATV ở trước thì mạng truyền hình hữu tuyến có thể được chia thành phương thức truyền tải tương tự và phương thức truyền tải số

Bộ biến tần

Máy thu vệ tinh số

Tivi thông thường A

V

Tín hiệu từ vệ tinh

Hình 6.8 Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình sốTrong phương thức truyền tải tương tự thì số đường truyền đạt và số lượng máy thu bằng nhau, do tín hiệu đầu ra của máy thu vệ tinh số IRD là AV cho nên cần phải dùng các bộ điều chế tương tự với các kênh tần khác nhau để truyền tải tín hiệu tới hộ dùng

1.7.3 Hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất DVB –T

Đặc điểm chung:

DVB-T: Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộng kênh 8MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s Người ta sử dụng phương pháp điều chế số mã hoá ghép kênh theo tần số trực giao COFDM do sự truyền tải của hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất tương đối đặc biệt, có hiện tượng phản xạ tín hiệu nhiều lần, can nhiễu rất nghiêm trọng

7-1.8 Nén tín hiệu truyền hình

Giải pháp nén cho phép người sử dụng lựa chọn một trong các phạm vi thay đổi các thông số lây mẫu và các tỉ số nén, các liên kết thích hơp nhất cho mục đích sử dụng Xử lý tín hiệu số hứa hẹn thay thế tất cả các phương pháp tương tự (cũ) về tốc

độ dòng, tốc độ mành, NTSC, PAL, SECAM, HDTV và cuối cùng tập trung vào HDTV số băng rộng

Kỹ thuật tương tự: Nén thông tin video bằng cách giảm độ rộng băng tần màu < 1,2MHz

Kỹ thuật giảm (nén) dữ liệu video: (có 2 nhóm) nén có tổn thất và nén không tổn thất

JPEG, MPEG-1/2,DV

Nén video

video

Không tổn thất

Tổn thất DCT VLC RLC Tách vùng xóa

f s thấp (băng con)

DPCM Lượng tử hóa, VLC

-Huffman -Mã hóa entropy

Chỉ các giá trị của sample ≠0 là được mã hóa theo số chạy (RUN): còn các giá trị = 0 dọc theo dòng

quét (tạo lại bằng tách tương quan DCT)

Cho các hệ số DCT

Dùng cho tín hiệu màu C

+Phương pháp mã hóa loạt dài ( Run Length Coding )

Nguyên tắc của phương pháp là phát hiện một loạt các bít lặp lại, thí dụ như một loạt các bít 0 nằm giữa hai bít 1, hay ngược lại, một loạt bít 1 nằm giữa hai bít 0 Phương pháp này chỉ có hiệu quả khi chiều dài dãy lặp lớn hơn một ngưỡng nào đó Dãy các bít lặp gọi là loạt hay mạch (run) Tiếp theo, thay thế chuỗi đó bởi một chuỗi

mới gồm 2 thông tin: chiều dài chuỗi và bít lặp ký tự lặp Như vậy, chuỗi thay thế sẽ

có chiều dài ngắn hơn chuỗi cần thay

+ Phương pháp mã hóa Huffman:

o Dựa vào dữ liệu gốc, người ta tính tần suất xuất hiện của các ký tự Việc tính tần suất được thực hiện bởi cách duyệt tuần tự tệp gốc từ đầu đến cuối Việc xử lý ở

đây tính theo bit Trong phương pháp này người ta gán cho các ký tự có tần suất cao một từ mã ngắn, các ký tự có tần suất thấp từ mã dài Nói một cách

khác, các ký tự có tần suất càng cao được gán mã càng ngắn và ngược lại Rõ

ràng với cách thức này, ta đã làm giảm chiều dài trung bình của từ mã hóa bằng cách dùng chiều dài biến đổi Tuy nhiên, trong một số tình huống khi tần

suất là rất thấp, ta có thể không được lợi một chút nào, thậm chí còn bị thiệt một

ít bit

+ Các phương pháp nén dựa trên các biến đổi

Mã hóa dùng biến đổi Cosine: Cosine một chiều, Cosine nhanh, Cosine ngược

o Phép biến đổi Cosine một chiều: được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều phương pháp mã hóa ảnh khác nhau nhờ hiệu suất gần như tối ưu của nó đối với các

ảnh có độ tương quan cao giữa các điểm ảnh lân cận Biến đổi Cosine rời rạc được sử dụng trong định dạng phim MPEG.

o Phép biến đổi Cosin rời rạc một chiều được định nghĩa bởi:

o Khi dãy đầu vào x(n) là thực thì dãy các hệ số X(k) cũng là số thực Tính toán

trên trường số thực giảm đi một nửa thời gian so với biến đổi Fourier Để đạt được tốc

độ biến đổi thỏa mãn yêu cầu của các ứng dụng thực tế, người ta đã cải tiến kĩ thuật tính toán và đưa ra nhiều thuật toán biến đổi nhanh Cosine

+ Nén video tổn thất DPCM-Đều xung mã vi sai:

- Đây là một phương pháp nén quan trọng và hiệu quả Nguyên lý cơ bản của nó

là: chỉ truyền tải tín hiệu vi sai giữa mẫu đã cho và trị dự báo (được tạo ra từ các mẫu

Hình 1.5 Mã hóa, giải mã DPCM

1.3.1 Nén video theo tiêu chuẩn MPEG

Các tiêu chuẩn nén với ứng dụng của chúng được khái quát trong bảng sau:

Trong số đó, được sử dụng phổ biến và có phạm vi ứng dụng rộng rãi là MPEG

Bảng 1.1 Khái quát các tiêu chuẩn nén

CCITT T.4CCITT T.6JPEG

CC ITT H.261

MPEG -1MPEG - 2MPEG - 4

Fax, ảnh dữ liệu Fax, ảnh dữ liệu Ảnh Fax, ảnh dữ liệu Điện thoại hình Ảnh, HDTV, DSM Truyền thanh thông thường, quảng bá,

cảm nhận từ xa

1.82 Khái niệm và phân loại MPEG

Nén tín hiệu video theo chuẩn MPEG ( Moving Picture Experts Group ) là phương pháp nén ảnh động không những làm giảm dư thừa không gian mà còn làm giảm dư thừa thời gian giữa các khung ảnh

Chuẩn MPEG định nghĩa một khái niệm mới là nhóm các khung ảnh (GOP) để giải quyết dư thừa thời gian và cho phép truy xuất ngẫu nhiên khi mã hóa MPEG dùng

để lưu trữ Trong chuẩn MPEG, người ta quy định ba loại khung ảnh phụ thuộc vào phương pháp nén: nén trong khung ảnh, nén ước đoán và nội suy hai chiều theo thời gian

Chuẩn nén MPEG bao gồm các tiêu chuẩn nén video có tốc độ luồng bit khác nhau

Hình 1.4 Hệ thống các chuẩn MPEG

• MPEG - 1: Còn được gọi là tiêu chuẩn ISO/IEC 11172 là chuẩn nén

audio và video với tốc độ khoảng 1,5 Mb/s

• MPEG - 2: Nén tín hiệu audio và video với một dải tốc độ tò 1,5 tới 60 Mb/s Tiêu chuẩn này còn gọi là tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818, là chuẩn nén ảnh động

và âm thanh Nó cung cấp một dải các ứng dụng như: lưu trữ số liệu, truyền hình quảng bá và truyền thông

• MPEG - 3: Tiêu chuẩn nén tín hiệu số xuống còn < 50 Mbps để truyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao (HDTV) Sau đó nhập chung vào MPEG - 2 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế MPEG - 2 vào tháng 11- 1994 (ISO/IEC 1381)

• MPEG - 4: Là sự hợp nhất cung cấp cho rất nhiều ứng dụng truyền thông, truy cập, điều khiển dữ liệu âm thanh số như: Điện thoại hình, thiết bị đầu cuối đa phương tiện (Multimedia), thư điện tử và cảm nhận từ xa MPEG- 4 cho khả năng truy cập rộng rãi và hiệu suất nén cao

• MPEG - 7: Chuẩn này được đề nghị vào tháng 7 - 1998 và thành chuẩn quốc tế vào 9 - 2001 Là chuẩn mô tả thông tin của rất nhiều loại đa phương tiện Mô tả này sẽ kết hợp với chính nội dung của nó cho phép khả năng tìm kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng Chính vì vậy MPEG - 7 được gọi là giao thức mô tả nội dung đa phương tiện

nhiên, tuy nhiên cho tỷ lệ nén thấp nhất.

• Ảnh loại P (Predicted-picture)

Là ảnh được mã hóa có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trước Ảnh p

cung cấp cho hệ sốnén cao hơn ảnh I và có thể sử dụng làm một ảnh so sánh cho việc

bù chuyển động cho các ảnh P và B khác

• Ảnh loại B (Bi-directional predicted picture)

Là ảnh được mã hóa sử dụng bù chuyển động từ các ảnh I hoặc P ở phía trước

và ở phía sau Ảnh B cho tỷ lệ nén cao nhất.

• Ảnh loại D (Dc-coded picture)

Là ảnh được sử dụng trong MPEG-1 và MPEG-4 nhưng không được sử dụng trong MPEG-2 Nó giống như ảnh I, tuy nhiên chỉ có thành phần một chiều ở đầu ra DCT được thể hiện Nó cho phép dò tìm nhanh nhưng chất lượng ảnh thấp

các ảnh P và B Nhóm ảnh có thể mở (Open) hoặc đóng (Closed).

Nhóm ảnh mở luôn bắt đầu từ một ảnh I và kết thúc ở một ảnh trước ảnh trước ảnh I tiếp theo, tức là ảnh cuối cùng của GOP dùng ảnh đầu tiên của GOP tiếp theo

làm ảnh chuẩn

Hình 1.5 Cấu trúc GOP mở

Trong Hình 1.5, ảnh P(ảnh 4) được dự báo trước trên cơ sở ảnh I (ảnh 1) Ảnh B được dự đoán từ hai hướng, ảnh B (ảnh 2) và ảnh B (ảnh 3) được dự đoán từ hai ảnh I (ảnh 1) và ảnh P (ảnh 4) Anh B (ảnh 5,6) được dự đoán từ ảnh P (ảnh 4) và ảnh I tiếp

theo (ảnh 6) Một điều chú ý là thứ tự truyền ảnh và hiện ảnh trên màn hình là không giống nhau.

Đối với cấu trúc khép kín (đóng), việc dự đoán ảnh không sử dụng thông tin của GOP khác Trong trường hợp này, theo quy định, ảnh cuối cùng của một GOP bao giờ

cũng là ảnh P

Hình 1.6 Cấu trúc GOP đóng

Nhóm ảnh được xác định bởi hai thông số m và n Thông số m xác định số khung hình p và khung hình B xuất hiện giữa hai khung hình I gần nhau nhất Số n xác định

số khung hình B giữa hai khung hình p

Tỷ lệ nén video của MPEG phụ thuộc rất nhiều vào độ dài của GOP Tuy nhiên, GOP dài thường gây khó khăn cho quá trình tua, định vị, sửa lỗi Do đó tùy thuộc

vào từng khâu (sản xuất, dựng hình, truyền dẫn, phát sóng v v) mà ta chọn độ dài GOP thích hợp Trong sản xuất hậu kỳ, nếu có yêu cầu truy cập ngẫu nhiên vào bất cứ ảnh nào, điều đó cững có nghĩa là yêu cầu dựng chính xác đến từng ảnh, GOP đương nhiên sẽ phải chỉ có duy nhất ảnh I Trong trường hợp này, tỷ lệ nén sẽ đạt rất thấp Để tăng tỷ lệ nén cho truyền dẫn và phát sóng, trong GOP số lượng ảnh p, B sẽ phải tăng lên Lúc này không cho phép việc dựng hình cũng như làm các kỹ xảo trên chuỗi hình ảnh đó Trong trường hợp này ta có thể có GOP gồm 12 ảnh

1.84 Cấu trúc phân lớp MPEG2

Tín hiệu audio, video dữ liệu

Lớp nénLớp hệ thống

ES

PS

TS

Tạo dạng ADCTách dạng ADC

Mã hóa nén Giải mã nénĐóng gói

Hình 1-10 Cấu trúc MPEG-2 phân lớp

+ Lớp nén biểu diễn cú pháp ( syntax) của các dòng audio và video trên cơ sở

cấu trúc dòng dữ liệu video và audio Các chuỗi audio và video hoặc dữ liệu độc lập được mã hóa MPEG-2 để các dòng dữ liệu độc lập, gọi là dòng cơ bản ES (elemantary strems).

+ Lớp hệ thống xác định việc kết hợp các dòng audio và video độc lập thành

một dòng để lưu trữ (dòng chương trình PS – program stream ) hoặc truyền dẫn ( dòng truyền TS – transmission stream)

SC (mã khởi đầu): 3 bytes

Gói n

Gói n+1

Gói dữ liệu PES

Video1Audio 1Audio 2 Data Video2Audio 2Data ES

SC

Mã bắt đầu

SCRChuẩn đồng hồ

MRTốc độ ghép kênh

Hình 1-11 : Dòng các hình PS

Các gói PS có thể có chiều dài bất kỳ Số lượng và chuỗi các gói / gói không

được xác định, nhưng các gói từ các dòng riêng được chuyển từ 1 bậc thời gian Một

PS có thể tải đến 32 dòng audio, 16 dòng video, 16 dòng dữ liệu Tất cả đều có đơn vị

thời gian cơ bản được ghép kênh đồng bộ

- Dòng truyền tải TS.

Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi (mỗi gói TS được bắt đầu bằng TS header) và truyền các gói này đi, ta sẽ có dòng truyền tải TS ( transport Stream)

Các gói TS có độ dài không đổi là 188 byte Dòng TS có khả năng chống lỗi cao , được thiết kế để truyền trên các kênh truyền có nhiễu như: kênh truyền hình thông thường ( thông qua mặt đất ) cũng như các kênh truyền hình cáp

Hình 1.12 Định dạng dòng truyền tải MPEG-2

Các gói PES xuất phát từ một hoặc nhiều dòng ES có cùng hoặc khác đơn vị thời gian cơ bản ( như audio, video, dữ liệu) được ghép kênh thành 1 dòng TS qua việc biến đổi trong các gói PES Khả năng ghép kênh các chương trình với nhiều tốc

độ bit khác nhau thành 1 dòng TS được dùng trong hệ truyền hình có độ phân giải cao HDTV

Dòng truyền tải TS

Hình 1.13 mới chỉ ra quá trình ghép các gói PES audio, video, data, tạo thành

gói truyền tải TS Để tăng tính hiệu quả, các dòng truyền tải có thể ghép lại với nhau tạo thành dòng truyền tải ghép kênh cấp hệ thống ( System Level Multiplex).

Hình 1.14 Ghép kênh dòng bit truyền tải cấp hệ thống

Sau khi các bước trên hoàn thành, các bộ lọc tại bộ tách kênh có thể thiết lập các bít dòng truyền tải tại bên thu phù hợp cho từng chương trình cần quan tâm