Truyền hình cáp hữu tuyến HFC (hybrid fiber coaxial cable

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

Nếu trước đây truyền hình chỉ phục vụ khán giả trong không gian hạn hẹp và thời gian phát sóng có hạn với thời lượng phát sóng rất ít, thì giờ đây các đài truyền hình đã tăng cường lượng thời gian phát sóng và mở rộng vùng phủ sóng để phục vụ khán giả hâm mộ nhiều hơn trước những đòi hỏi ngày càng nhiều về thông tin kinh tế, khoa học kĩ thuật và giải trí Tuy nhiên, các đài truyền hình trong nước chỉ phát sóng được một vài kênh truyền hình tổng hợp ít ỏi cho nên không thể thỏa mãn được nhu cầu về truyền hình của đông đảo khan giả Mặt khác, việc thu sóng truyền hình tại các vùng lõm, các chung cư và cao ốc thường rất khó khăn vì chúng đã trở thành vật cản sóng truyền hình đối với các căn hộ bên trong nên các tín hiệu thu được thường rất xấu gây bóng và nhiễu.

Bước sang thế kỷ 21, người xem không những đòi hỏi các chương trình truyền hình quảng bá mà còn mà họ còn có nhu cầu về thông tin tức thời, các diễn biến, biến cố xảy ra ở mọi lúc, mọi nơi trên thế giới, kể cả những đòi hỏi được học tập, giải trí, mua sắm ngay trên thiết bị truyền hình của mình Ngoài

ra, trong từng khán giả còn có những nhu cầu khác nhau, thời gian khác nhau

và yêu cầu được đáp ứng các nhu cầu riêng lẻ Hiện nay, chỉ có Truyền hình cáp là có thể thỏa mãn được các tiêu chí trên Khả năng của Truyền hình cáp, nhất là Truyền hình cáp hữu tuyến HFC (Hybrid-Fiber-Coaxial Cable) là hệ thống truyền hình mà tín hiệu truyền hình được truyền dẫn bằng cáp đến từng

hộ thuê bao Càng ngày càng có nhiều nhu cầu về công nghệ truyền hình như:

Có những khán giả thích xem tin tức, có người thích xem phim, ca nhạc, khám phá thế giới… Nhưng các đài truyền hình trong nước không thỏa mãn được các nhu cầu đó của đông đảo khán giả.

Chính vì vậy, trước tình hình này, với những đòi hỏi như trên, đã thôi thúc nhiều công nghệ, dich vụ truyền hình ra đời với nhiều chủng loại khác nhau, nhiều phương pháp truyền dẫn khác nhau Cung cấp ngày càng nhiều chương trình truyền hình hấp dẫn và phong phú nhằm phục vụ cho mọi nhu cầu đòi hỏi của các tầng lớp khán giả

Ngày nay, nói đến công nghệ truyền hình là nói đến những đòi hỏi về khả năng cung cấp chương trình, vùng phủ sóng rộng; chất lượng âm thanh hình ảnh cao Điều quan trọng là giá thành phục vụ và chi phí lắp đặt thấp

Hiện nay trên thế giới hoặc một số thành phố trong nước ta như thủ đô

Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng, Nha Trang… đã sử dụng phương thức truyền hình cáp (CATV) Đồng thời những năm gần đây

do đạt được những thành tựu quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội nên đời sống của đại bộ phận nhân

đã được cải thiện nhiều, các dịch vụ thông tin, dịch vụ truyền hình và dịch vụ giải trí cũng đòi hỏi ngày một cao

Đây thực sự là động lực thúc đẩy sự ra đời của hệ thống truyền hình cáp, nhằm đáp ứng nhu cầu thích đáng của nhân dân cũng như các nhà đầu tư

và du khách

SINH VIÊN THỰC HIỆN

LÊ MINH TIẾN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ

1.1 Giới thiệu chung về truyền hình số

Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình 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 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

Hệ thống phát thanh truyền hình, tuy nhiên, vẫn còn đang sử dụng kỹ thuật tương tự bởi nhiều thuật toán nén và phương pháp thực hiện mới được khám phá ra trong thời gian gần đây Nén là một phương pháp làm giảm tốc

độ dòng truyền tải tới giá trị phù hợp với độ rộng kênh truyền Một đĩa CD có tốc độ đọc khoảng 1.5 Mb/s, một chương trình truyền hình không nén có tốc

độ dòng truyền tải lên tới 200 Mb/s

Việc nghiên cứu nhằm làm giảm băng thông yêu cầu đã được bắt đầu từ sau thế chiến II, một vài giải pháp kỹ thuật đã được đưa ra vào năm 1960 Mặc dầu vậy, việc thực hiện các giải pháp này vẫn còn phải đợi cho đến khi

có sự tiến bộ vượt bậc trong việc chế tạo các vi mạch với mức độ tích hợp cao, có khả năng thực hiện các thuật toán trong thời gian thực Để thực hiện

số hóa trong lĩnh vực truyền hình, người ta dựa vào các tiêu chuẩn truyền hình

số mới nghiên cứu ra gần đây Các tiêu chuẩn này có lịch sử phát triển tuy ngắn song thực sự mãnh liệt

Truyền hình số qua vệ tinh, cáp, và mặt đất hiện nay đang là lĩnh vực được nghiên cứu mạnh mẽ, nhất là tại Bắc mỹ và Châu âu Trong đó, khó khăn nhất về kỹ thuật là truyền hình số mặt đất do ảnh hưởng của sóng phản

xạ, pha đing và nhiễu xung Nó càng trở nên khó khăn hơn đối với mục tiêu của Châu âu đặt ra là phát triển mạng đơn tần nhằm mục tiêu tăng số lượng kênh truyền hình trong băng tần hiện có Trong mạng đơn tần, tất cả các máy phát làm việc trên cùng một tần số, được đồng bộ bằng một nguồn tần số

chung có độ ổn định cao và cùng phát một chương trình Máy thu thu được tín hiệu tổng hợp từ các máy phát khác nhau với thời gian trễ khác nhau

Trước khi hệ truyền hình số được sử dụng, công nghệ số đã phát triển ở mức độ rất cao trong các hệ thống xử lý dữ liệu và hệ thống truyền tin Kết quả là truyền hình số được thừa hưởng một khối lượng tri thức kỹ thuật rất lớn, gồm nhiều lĩnh vực khác nhau Nhờ vậy truyền hình số đã phát triển rất nhanh trong thời gian vừa qua và đã dần thay thế truyền hình tương tự nhờ những ưu điểm vượt trội

1.2 Số hóa tín hiệu video

1.2.1 Giới thiệu chung

Số hóa tín hiệu truyền hình thực chất là việc biến đổi tín hiệu truyền hình màu tương tự sang dạng số Có hai phương pháp biến đổi là:

- Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp

- Biến đổi riêng từng tín hiệu video màu thành phần

Việc lựa chọn phương pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộc nhiều yếu tố: đó là yêu cầu về khả năng thuận lợi khi xử lí tín hiệu, yêu cầu về truyền dẫn phát sóng…

Tín hiệu video số tổng hợp

Thực chất là sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự tổng hợp sang video

số Sơ đồ khối của quá trình chuyển đổi như hình vẽ 1.1 Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu (rời rạc hóa) với tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng

mang màu (4fSC), vào khoảng 17,72 Mhz đối với tín hiệu PAL Mỗi mẫu tín

hiệu được lượng tử hóa bởi 10 bít, cho ta một chuỗi 177 Mb/s (trong trường hợp 8 bít, chuỗi số liệu có tốc độ 142Mb/s)

Hình 1.1 Sơ đồ khối quá trình số hóa tín hiệu video tổng hợp

Biến đổi tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm về dải tần Nhưng tín hiệu video tổng hợp số có những nhược điểm của tín hiệu video tổng hợp tương tự như hiện tương can nhiễu chói màu Tín hiệu tổng hợp cũng gây khó khăn trong việc xử lí, tạo kĩ xảo truyền hình v.v…

Tín hiệu video số thành phần

Là sự chuyển đổi từ tín hiệu video tương tự thành phần sang số, và được qui định theo tiêu chuẩn quốc tế CCIR 601 (hoặc ITU (R)-601) Tín hiệu video số thành phần còn quen gọi là tiêu chuẩn D-1 hoặc tiêu chuẩn 4:2:2

Hình 1.2 Sơ đồ khối quá trình số hóa tín hiệu video thành phần

Hình vẽ 1.2 minh họa quá trình chuyển đổi từ tín hiệu video tương tự sang tín hiệu video thành phần Đối với tiêu chuẩn này tín hiệu chói được lấy mẫu với tần số 13,5 Mhz, hai tín hiệu màu được lấy mẫu với tần số 6,75 Mhz Mỗi màu được lượng tử hóa bởi 8/10 bít, cho ta tốc độ bít 216/270 Mb/s Lượng tử hóa bởi 8 bít cho ta 256 mức và 10 bit cho ta 1024 mức với tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) cao hơn

Biến đổi tín hiệu video thành phần cho ta dòng số có tốc độ bít cao hơn tín hiệu số tổng hợp Tuy nhiên, dòng tín hiệu thành phần số cho phép xử lí dễ

dàng các chức năng ghi, dựng, kĩ xảo v.v… Hơn nữa, chất lượng ảnh không chịu các ảnh hưởng can nhiễu chói, màu như đối với tín hiệu tổng hợp.

Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các chíp có tốc độ cao ra đời cho phép truyền toàn bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫn duy nhất

Mặc dù cả hai phương pháp số hóa tín hiệu tổng hợp và thành phần đều được nghiên cứu và áp dụng trong kỹ thuật truyền hình số, nhưng nhờ những tính chất ưu việt hơn nên phương pháp biến đổi tín hiệu thành phần được khuyến khích sử dụng Các kỹ thuật của phương pháp này được sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số

1.2.2 Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video màu tổng hợp

Hình vẽ 1.3 dưới đây minh họa phổ tần số của tín hiệu video màu ở hệ PAL Theo định lý Nyquist thì tần số lấy mẫu phải ít nhất là gấp hai lần tần số cao nhất, nhưng để tránh hiện tượng méo thì người ta thường chọn tần số lấy mẫu cao hơn Trong hệ PAL tần số lấy mẫu của tín hiệu video tổng hợp được chọn bằng 4 lần tần số sóng mang phụ tức là bằng 17,734475 MHz (thường viết là 17,73 Mhz)

Hình 1.3 Phổ tần của tín hiệu video màu ở hệ PAL

Đối với hệ PAL tần số quét dòng là fH =15625 Hz do đó, số mẫu trên một dòng là fSA/fH =17734475/15625=1135,0064 ﻋ tổng số mẫu trên một khung hình là 1135,0064 x 625 = 709379

Quá trình xử lí yêu cầu một số nguyên các mẫu trên mỗi dòng quét Số mẫu được chọn là 1135 mẫu trên một dòng Kết quả là có 709375 mẫu trên

một khung hình Để phù hợp chính xác với số mẫu cần phải có, trên các dòng

313 và dòng 625 được cộng thêm mỗi dòng một mẫu Như vậy trên mỗi dòng tích cực có 1135 mẫu (dòng 313 và dòng 625 thuộc khoảng xóa mành), các dòng tích cực chiếm 948 mẫu, 187 mẫu còn lại nằm trong khoảng xóa dòng

1.2.3 Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video màu thành phần

Trong số hóa tín hiệu video màu thành phần, thông tin được biến đổi thành các tín hiệu R,G, B hoặc Y, R-Y, B-Y, và các tín hiệu này được lấy mẫu một cách độc lập Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video màu thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu, trong đó bao gồm các tiêu chuẩn: 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 hay 4:1:1

Hình 1.4 Các tiêu chuẩn lấy mẫu

Số “4” ở mỗi chuẩn biểu thị tần số lấy mẫu tín hiệu chói (fSA=13,5

MHz), các con số khác biểu thị tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu màu so với tín hiệu chói 13,5 MHz là tần số duy nhất trong khoảng từ 12MHz đến 14 MHz có giá trị bằng số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn (525 và

625 dòng) và do vậy cho một số nguyên lần số mẫu trên một dòng đối với cả hai hệ

Với tần số lấy mẫu 13,5 MHz, tín hiệu video số đã không còn bị phụ thuộc vào các tiêu chuẩn khác nhau của video tương tự Thiết bị trong các trung tâm truyền hình số sẽ hoàn toàn giống nhau cho cả hai hệ thống, điều

này sẽ tạo thuận lợi cho việc hợp tác sản xuất trao đổi chương trình giữa các

tổ chức truyền hình

Với hệ PAL số dòng tích cực trên một ảnh là 576, mỗi dòng có 720 điểm ảnh, 25 ảnh được quét mỗi giây, tốc độ dòng bít tính cho tiêu chuẩn 4:4:4 là:

- Khi lấy mẫu 8 bít: (720+720+720) x576 x8 x 25 = 249 Mb/s

- Khi lấy mẫu 10 bít: (720+720+720) x576 x10 x 25 = 311 Mb/s

Tương tự, tốc độ dòng dữ liệu tính cho tiêu chuẩn 4:2:2 khi lấy mẫu 8 bít là 166Mb/s và lấy mẫu 10 bít là 207 Mb/s Tốc độ dòng dữ liệu tính cho tiêu chuẩn 4:2:0 khi lấy mẫu 8 bít là 124,4Mb/s và lấy mẫu 10 bít là 155,5 Mb/s Tốc độ dòng dữ liệu tính cho tiêu chuẩn 4:1:1 khi lấy mẫu 8 bít là 124,4Mb/s và lấy mẫu 10 bít là 155,5 Mb/s

1.3 Chuẩn nén MPEG

1.3.1 Giới thiệu chung về chuẩn MPEG

Chuẩn MPEG (Moving Picture Expert Group) là chuỗi các chuẩn nén video với mục đích là mã hoá tín hiệu hình ảnh và âm thanh cho mục đích lưu trữ và giảm dải thông trong truyền dẫn MPEG tiến tới tối ưu hoá cho những ứng dụng video động và các đặc điểm của nó cũng bao gồm một thuật toán cho việc nén dữ liệu audio với tỉ lệ khoảng từ 5:1 cho tới 10:1

MPEG bao gồm các chuẩn: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 và MPEG-7 Trong đó MPEG-1 là cơ bản MPEG-2, MPEG-4 và MPEG-7 là sự phát triển

và mở rộng từ MPEG-1:

- 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 Đây là tiêu chuẩn nén một ảnh động có kích thước 320x240 dùng cho ghi hình trên băng từ và đĩa quang, đồng thời truyền dẫn trong các mạng (ví dụ như mạng máy tính)

- MPEG-2 nén tín hiệu video và audio với một dải tốc độ bít từ 1,5 tới 60 Mb/s Tiêu chuẩn MPEG-2 còn được gọi là chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818, là chuẩn nén ảnh động và âm thanh Nó cung cấp các ứng dụng như: lưu trữ dữ

hàng loạt các ứng dụng đòi hỏi có thể phân tích ảnh theo các cách khác nhau như thông tin video trên mạng ISDN sử dụng ATM.

- 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 và thư điện tử MPEG-4 cho khả năng truy cập rộng rãi và hiệu suất nén rất cao

- MPEG-7 là chuẩn được đề nghị vào tháng 10-1998 và trở thành chuẩn quốc tế vào tháng 9-2001 MPEG-7 sẽ 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

1.3.2 Tiêu chuẩn MPEG-1

Tiêu chuẩn MPEG-1 gồm 4 phần:

Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 11172-1)

Phần 2: Nén video (ISO/IEC 11172-2)

Phần 3: Nén Audio (ISO/IEC 11172-3)

Phần 4: Kiểm tra (ISO/IEC 11172- 4)

MPEG-1 nghiên cứu cách thức ghép nối một hoặc vài dòng dữ liệu chứa thông tin thời gian để hình thành nên một dòng dữ liệu Nó cung cấp qui tắc

cú pháp đồng bộ hoá quá trình phát lại cho một dải ứng dụng Video rộng MPEG-1 coi ảnh chuyển động như dạng thức dữ liệu máy tính (gồm các điểm ảnh) Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản), ảnh video chuyển động có khả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyền thông Chúng cũng có thể được lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu số như đĩa

CD, đĩa Winchester và ổ quang

MPEG-1 cung cấp cả các ứng dụng đối xứng và không đối xứng:

• Trong ứng dụng không đối xứng, ảnh động được nén một lần, sau đó giải nén nhiều lần để truy cập thông tin, ví dụ trò chơi điện tử;

• Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén phải cân bằng nhau, ví dụ: điện thoại hình, thư điện tử

Để đạt được hiệu suất nén cao mà vẫn giữ tốt chất lượng ảnh phục hồi, chuẩn MPEG-1 sử dụng cả công nghệ nén trong ảnh và liên ảnh để loại bỏ được cả sự dư thừa không gian và thời gian.

Do MPEG-1 được phát triển cho lưu trữ dữ liệu số nên đòi hỏi có sự truy cập ngẫu nhiên Cách thức mã hoá tốt nhất cho truy cập ngẫu nhiên là mã hoá Intraframe đơn thuần Song do sự dư thừa thông tin về thời gian chưa được loại bỏ nên hiệu suất nén thấp Do vậy trong tiêu chuẩn nén MPEG-1, có sự cân bằng giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh bằng cách sử dụng các công nghệ sau đây:

- Mã hoá độ dài thay đổi (VLC)

Tức là có sự kết kết hợp hai công nghệ nén DPCM và Transform Coding Thuật toán nén MPEG-1 sử dụng bù chuyển động khối để giảm sự dư thừa thời gian với vec-tơ chuyển động cho mỗi khối kích thước 16 x16 điểm ảnh

Bù chuyển động được sử dụng cho cả dự báo nhân quả và không nhân quả Dự báo nhân quả tạo dự báo ảnh hiện hành từ ảnh trước đó Dự báo không nhân quả tạo dự báo cho ảnh hiện hành dựa trên ảnh trong quá khứ và

cả tương lai

Vòng lặp DPCM được sử dụng để tạo khung sai số dự báo Tiếp theo, việc

mã hoá chuyển đổi sẽ chuyển khung sai số này sang miền tần số để nén các hệ

số nhờ lượng tử hoá và mã hoá Huffman trước khi truyền tải hay lưu trữ

MPEG-1 có phạm vi ứng dụng rộng rãi cho dạng thức CSIF CSIF là một định dạng nguồn dữ liệu đầu vào của các bộ nén và giải nén do CCITT qui định phù hợp với hai dạng quét TV 525/60 và 625/50 Dạng thức này gắn

Như vậy đối với MPEG-1, dòng dữ liệu truyền hình chuẩn theo CCIR-

601 phải được biến đổi sang dạng CSIF bằng một bộ chuyển đổi (converter) Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc dòng (horizontal decimation filter) cho tín hiệu chói mành lẻ và bộ lọc dòng và mành cho tín hiệu CR, CB mành lẻ Quá trình giải mã tại bộ thu phải dự báo mành chẵn từ mành lẻ nội suy

Bảng 1.1: Dạng thức ảnh cơ bản của CSIF

CCIR - 601525

CSIF- 5254:2:0

CCIR - 601625

CSIF – 6254:2:0

Để giảm mức độ phức tạp và giá thành bộ giải mã, trong MPEG 1 một số tham số được mặc định như trong bảng 1.2:

Bảng 1.2 : Các tham số mặc định trong chuẩn MPEG-1

Tham số Giá trị cực đại

Giải vec-tơ chuyển động ± 64 điểm

Kích thước bộ đệm đầu vào 327.680 bit

1.3.3 Tiêu chuẩn MPEG-2

MPEG-2 là dự án giai đoạn 2 của ISO/IEC MPEG MPEG-2 hướng tới các ứng dụng rộng rãi hơn và có tốc độ bít cao hơn MPEG-1, bao gồm điện tử viễn thông và truyền hình số thế hệ kế tiếp Nội dung kĩ thuật đã được đúc kết vào tháng 11/1993 thành dự thảo ISO/IEC 13818 tên gọi “Mã hoá chung ảnh động và audio đi kèm” gồm ba phần chính: hệ thống, video và thử nghiệm Phần 2 là phần mã hoá video hoàn thành với sự cộng tác chung của nhóm MPEG và nhóm chuyên gia về mã hoá ATM trong ITU-T 3G15, do đó được gọi là khuyến cáo ITU-TH162 MPEG-2 được tiến hành ngay sau MPEG-1, nhằm hỗ trợ việc truyền video số tốc độ bit lớn hơn 4 Mbps, bao gồm các ứng dụng lưu trữ số, các hệ thống tivi hiện tại (PAL, NTSC SECAM),cáp, thu lượm tin tức điện tử, truyền hình trực tiếp từ vệ tinh, truyền hình mở rộng (EDTV), truyền hình độ phân giải cao (HDTV)

MPEG 2 gồm 4 phần:

• Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 13818-1): xác định cấu trúc ghép kênh audio, video và cung cấp đồng bộ thời gian thực

So với MPEG-1, MPEG-2 có nhiều cải thiện, ví dụ về kích thước ảnh và

độ phân giải ảnh, tốc độ dòng truyền tải tối đa, tính phục hồi lỗi, khả năng co giãn dòng dữ liệu Khả năng co giãn dòng dữ liệu của MPEG-2 cho phép khả năng giải mã một phần dòng dữ liệu mã hóa để nhận được ảnh khôi phục có chất lượng tuỳ thuộc mức độ yêu cầu

Sau đây là một số đặc điểm chủ yếu của tiêu chuẩn này:

• Hỗ trợ nhiều dạng thức video, đặc biệt là các dạng thức video độ phân giải không gian cao, dạng thức video xen kẽ của truyền hình

• Cú pháp dòng dữ liệu MPEG-2 là sự mở rộng của MPEG-1

• Nén video MPEG-2 tương thích với nén video MPEG-1 Được thể hiện qua 4 hình thức tương thích:

- Tương thích thuận: bộ giải mã MPEG-2 có khả năng giải mã dòng dữ liệu (hoặc một phần dòng dữ liệu MPEG-1);

- Tương thích ngược: bộ giải mã MPEG-1 có khả năng giải mã được một phần dòng dữ liệu MPEG-2;

- Tương thích lên: bộ giải mã độ phân giải cao có khả năng giải mã được dòng dữ liệu của bộ mã hoá có độ phân giải thấp;

- Tương thích xuống: bộ giải mã độ phân giải thấp có thể giải mã được một phần dòng dữ liệu của bộ mã hóa độ phân giải cao

• MPEG-2 hỗ trợ khả năng co giãn (scalability): co giãn không gian, co giãn SNR, co giãn phân chia dữ liệu

• Ngoài ra còn có nhiều cải tiến khác trong MPEG-2 bao gồm:

- Cho phép nhiều cấu trúc lấy mẫu: 4:4:4, 4:2:2 và 4:2:0

- Hệ số DC được mã hóa với độ chính xác đặc biệt

- Bảng lượng tử riêng biệt cho các thành phần chói và màu nên lợi dụng được đặc điểm của mắt người ít nhạy cảm hơn với tín hiệu màu

- Cho phép cả hai dạng quét: quét xen kẽ và quét liên tục

- Có khả năng hồi phục lỗi.

• Cú pháp đầy đủ của MPEG-2 được thể hiện qua các tập con gọi là profile, phù hợp với các lĩnh vực áp dụng Mỗi profile lại bao gồm từ 1 đến 4 mức độ hạn chế về độ phân giải không gian, tốc độ dòng truyền tải

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của MPEG-2 là sự phù hợp với nhiều ứng dụng video Có thể sử dụng MPEG-2 cho phân phối truyền hình tiêu chuẩn (SDTV), truyền hình phân giải cao (HDTV) hoặc cho truyền dẫn tín hiệu truyền hình thông qua các mạng truyền thông

Tính co giãn của dòng dữ liệu MPEG-2 là khả năng giải mã được một phần dòng dữ liệu MPEG-2 độc lập với phần còn lại của dòng dữ liệu đó nhằm khôi phục video với chất lượng hạn chế (hạn chế độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian hoặc hạn chế về SNR ) Dựa theo tính co giãn, dòng dữ liệu được phân thành hai hay nhiều lớp Tập con nhỏ nhất của cú pháp dòng dữ liệu có thể giải mã một cách độc lập được gọi là lớp cơ bản Các lớp còn lại được gọi là các lớp nâng cao Có nhiều loại co giãn khác nhau như:

• Co giãn không gian: Dòng dữ liệu gồm hai hay nhiều lớp video có độ phân giải không gian khác nhau

• Co giãn SNR: dòng dữ liệu gồm hai hay nhiều lớp video có cùng độ phân giải không gian nhưng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR là khác nhau

• Co giãn thời gian: dòng dữ liệu gồm hai hay nhiều lớp video có cùng

độ phân giải không gian nhưng có độ phân giải thời gian khác nhau

• Co giãn phân chia dữ liệu: dòng dữ liệu video được chia làm hai phần: phần ưu tiên cao (lớp cơ bản) gồm các hệ số DCT tần số thấp, phần ưu tiên thấp (lớp nâng cao) gồm các hệ số DCT tần số cao Co giãn phân chia dữ liệu chính là một dạng cơ bản của co giãn tần số

Hình 1.5 Cú pháp dòng bít MPEG-2

Tiêu chuẩn MPEG-2 đã qui định chính thức hai loại co giãn: co giãn không gian và co giãn SNR Các loại co giãn khác chỉ mới ở dạng dự thảo.Phạm vi ứng dụng của MPEG-2 rất rộng Mỗi ứng dụng đòi hỏi mức độ

phức tạp khác nhau Bởi vậy, MPEG-2 định nghĩa các mức (level) và các tập

con (profile) phù hợp cho từng lĩnh vực áp dụng Profile xác định cú pháp dòng dữ liệu và level xác định các tham số hạn chế độ phân giải không gian, tốc độ dòng truyền tải

Có 5 profile là: Simple (đơn giản), Main (chính), SNR scalable (co giãn SNR), Spatial scalable (có khả năng co giãn không gian) và High profile Tổng cộng có 12 tổ hợp profile, level Trong đó:

Có 4 mức: low (thấp), main (chính), high-1440 (cao-1440) và high (cao) Kích cỡ ảnh quy định bởi 4 mức tương ứng trong bảng 1.3:

• MP @ HL (Main profile @ High level): Lấy mẫu 4:2:0

Độ phân giải: 1920x1152 Tốc độ dòng truyền tải: 80 Mb/s Dạng ảnh sử dụng: I, P, B ứng dụng vào truyền hình số có độ phân giải cao (HDTV)

• Sau này có bổ sung 4:2:2 P @ ML (4:2:2 profile @ Main level) áp dụng vào lĩnh vực sản xuất chương trình truyền hình (studio) vì các lý do sau:

- Chất lượng cao: độ phân giải màu tốt hơn so với MP @ ML (lấy mẫu 4:2:0), chất lượng tổng quát cao hơn do sử dụng tốc độ dòng truyền tải lớn hơn

- Có khả năng sao chép nhiều lần mà vẫn đảm bảo chất lượng

- Tính linh hoạt: nhóm ảnh (GOP) ngắn hơn nên thuận tiện cho việc dàn dựng, biên tập chương trình truyền hình

- Tính kinh tế: giá thành lưu trữ và truyền dẫn giảm, có khả năng tương thích giữa các thiết bị của nhiều hãng sản xuất khác nhau

Các tham số cơ bản của 4:2:2 P @ ML:

- Cấu trúc lấy mẫu: 4:2:2;

- Độ phân giải ảnh: 720x576;

- Tốc độ dòng dữ liệu: 20 Mb/s;

- Dạng ảnh sử dụng: I, P, B

1.3.4 Tiêu chuẩn MPEG-4

MPEG-4 là chuẩn ISO/IEC được phát triển bởi MPEG (Moving Picture Experts Group), đồng thời cũng là nhóm phát triển các chuẩn MPEG-1 và MPEG-2 Các chuẩn này có thể tạo các đoạn Video trên CD-ROM và cũng được ứng dụng trong truyền hình số Đồng thời MPEG-4 cũng còn là kết quả nghiên cứu và phát triển bởi hàng trăm nhà khoa học và các kĩ sư trên khắp thế giới MPEG-4 chuẩn là thiết kế ISO/IEC được công bố trong chuẩn ISO/IEC 14496 được công bố trong tháng 10/1998 trở thành chuẩn quốc tế tháng 2 năm 1999

MPEG-4 được xây dựng trên những cơ sở nghiên cứu đúng đắn của cả 3 lĩnh vực: truyền hình số, các ứng dụng đồ họa tương tác, và mạng World Wide Web Và sẽ cung cấp cơ sở công nghệ cho phép sự tích hợp giữa các sản phẩm,

sự phân phối các sản phẩm và truy cập các thông tin của 3 lĩnh vực trên

1.3.5 Tiêu chuẩn MPEG-7

Trong lĩnh vực nghe nhìn, việc nhận dạng thông tin là rất khó, do đó để tìm ra một kênh TV,Audio trong thời đại các kênh truyền hình số phát triển mạnh mẽ là hết sức khó khăn MPEG đã đưa ra một giải pháp để giải quyết vấn đề này, đó chính là MPEG-7 MPEG-7 đưa ra một một tiêu chuẩn cho bộ

mô tả có thể được dùng để mô tả nhiều loại thông tin khác nhau Sự mô tả này

sẽ được kết hợp với chính nội dung của nó cho phép tìm kiếm nhanh chóng và hiệu quả

MPEG-7 được sử dụng độc lập với các tiêu chuẩn khác của MPEG MPEG-7 giống MPEG-4 ở chỗ định nghĩa cách mô tả của dữ liệu nghe nhìn ở trong phạm vi của vật thể Sự đại diện này là cơ sở để xử lí theo từng loại MPEG-7 dùng để cải tiến chức năng của các MPEG trước đây Các chức năng này là sự chuẩn hoá của cách mô tả nội dung hệ thống truyền thông Tuy nhiên, MPEG-7 sẽ không thể thay thế hoàn toàn được MPEG-1, MPEG-2, hoặc MPEG-4

1.4 Các chuẩn quốc tế về truyền hình số

Ngày nay, truyền hình số phát triển rất mạnh mẽ, sự phát triển đó có sự đóng góp rất lớn của các tổ chức quốc tế đã tham gia đưa ra các chuẩn để thực hiện Có nhiều tổ chức đưa ra các chuẩn về truyền hình số, nhưng nổi bật

nhất là ba hệ thống chuẩn: DVB (Digital Video Broadcasting) của Châu Âu,

ATSC (Advanced Television System Commitee) của Mỹ và DiBEG (Digital Broadcasting Experts Group) của Nhật Bản

1.4.1 Hệ thống chuẩn truyền hình số DVB

DVB được thành lập từ năm 1993 gồm các chuyên gia kỹ thuật về truyền hình của các nước Châu Âu có chức năng nghiên cứu và phát triển các chuẩn

về truyền hình số Cho đến nay, tổ chức DVB đã đưa ra hàng loạt các tiêu chuẩn cho việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình số có nén trong các môi trường khác nhau:

•DVB-S: Tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số qua vệ tinh

•DVB-C: Tiêu chuẩn truyền tải tín hiệu sô bằng cáp, tương thích với DVB-S

•DVB-MC: Tiêu chuẩn phân phối tín hiệu số tới nhiều điểm cho các kênh có dải phổ (7〈8) Mhz

•DVB-T: Tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số mặt đất

Không chỉ phát triển các chuẩn cho việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình đến thuê bao, DVB còn phát triển các chuẩn cho truyền hình tương tác và số liệu qua mạng phát mặt đất, vệ tinh, cáp hữu tuyến như: DVB-RCT,DVB-RCC… cùng các chuẩn khác liên quan đến việc triển khai truyền hình số như DVB-M (cho đo kiểm tra các hệ thống truyền hình số), MHP (cho các thiết bị thuê bao, các giao diện kết nối các thuê bao, phần mềm điều khiển các thiết bị thuê bao…)

a) DVB-S (DVB-Satellite):

Hình 1.6 Mã số kênh của tiêu chuẩn DVB-S

DVB-S là một hệ thống đơn sóng mang DVB-S được miêu tả một cách đơn giản bằng hình ảnh “củ hành” Tâm củ hành là dữ liệu cần được truyền

đi, bao bọc tâm củ hành là một loạt các lớp bảo vệ để dữ liệu truyền đi ít có sai lỗi Video, audio và các loại dữ liệu khác được truyền dưới dạng các gói

dữ liệu có độ dài cố định của dòng truyền tải MPEG-2

Quá trình xử lí dữ liệu đầu tiên là tạo dòng dữ liệu thành một cấu trúc thông dụng với việc cài thêm các bytes tín hiệu đồng bộ Bước tiếp theo thực

hiện bằng việc ngẫu nhiên hóa dòng dữ liệu Mã sửa sai Reed-Solomon được cộng thêm vào mỗi gói dữ liệu, mã này còn được gọi là “mã ngoài” và như ta

đã biết nó giống nhau với mọi hệ thống Chèn dữ liệu được thực hiện với từng gói dữ liệu

Mã cuốn Viterbi là mã sửa sai thứ hai của hệ thống, mã này được gọi là

“mã trong” ở bước cuối cùng, tín hiệu được điều chế bằng phương pháp khóa dịch pha vuông góc QPSK Kích thước của “củ hành” và bề dày lớp vỏ bọc (mã sửa sai thứ hai) là hai thông số có thể được điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế của hệ thống Một bộ phát đáp có bề rộng dải phổ 36Mhz có thể truyền tải một dòng dữ liệu có ích với tốc độ 39Mb/s và mã sửa sai Viterbi

tỷ lệ 1/4

b) DVB-C (DVB-Cable):

So với kênh vệ tinh, các kênh cáp hầu như tuyến tính hơn và cho tỉ lệ S/N cao nhưng băng tần bị hạn chế (7〈8 Mhz cho mỗi kênh) và có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu và tiếng vọng Do đó trong DVB-C, để tăng hiệu quả phổ và

để đạt được dung lượng tương tự như các kênh vệ tinh, cần điều chế ở mức cao 16, 32 hoặc 64 QAM với mã vòng xoắn Viterbi không được dùng, do đó tốc độ bít hiệu dụng vào khoảng 38 Mb/s (64 QAM)

Hình 1.7 Mã hóa kênh của tiêu chuẩn DVB-S c) DVB-T (DVB-Terrestrial):

Trong mạng đơn tần số (Single Frequence Network- SFN), sự lựa chọn

tần số kênh có thể rất quan trọng khi tất cả các máy phát các tín hiệu giống nhau ở cùng thời điểm và có thể phát các tín hiệu lặp lại “nhân tạo” trong khu vực dịch vụ (trễ đến vài trăm µs) Để khắc phục vấn đề này, các bộ tương thích kênh DVB-T được thiết kế dựa trên việc điều chế đa sóng mang COFDM (Coded Orthogonal Frequence Division Multiplexing)

Có thể chia dòng bít truyền tới thành hàng ngàn dòng tín hiệu tốc độ thấp được điều chế với hàng ngàn sóng mang phụ khác nhau, trong ghép kênh FDM Hệ thống có thể hoạt động ở hai mode chính: 2K cho mạng chuyển đổi (tương ứng với 1705 sóng mang phụ trong dải thông 7,61 MHz và khoảng thời gian symbol hiệu dụng Tu=224 µs) và 8k cho các mạng (tương ứng với

6817 sóng mạng phụ trong dải thông 7,61 Mhz và khoảng thời gian symbol hiệu dụng Tu=86µs) Mỗi sóng mang được điều chế theo lược đồ 4,16 hay 32QAM Điều chế COFDM bản chất là fading tần số chọn, khi mỗi sóng mang được điều chế ở tốc độ bít trung bình (tốc độ symbol vào khoảng 1Kbaud hay 4Kbaud tương ứng với mode 2K hay 8K) và khoảng thời gian rất dài so với thời gian đáp ứng thay đổi kênh (ví dụ trễ lặp cực đại) Do đó mỗi sóng mang phụ chiếm một dải tần hẹp trong đó đáp ứng tần số kênh là phẳng cục bộ và không mã Viterbi với cụm lỗi tới từ các sóng mang không tin cậy gần kề, làm suy giảm do nhiễu băng hẹp

Chuẩn DVB có một số đặc điểm như sau:

- Mã hoá Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II

- Mã hoá Video chuẩn MP @ ML

- Độ phân giải ảnh tối đa 720 x 576 điểm ảnh

- Dự án DVB không tiêu chuẩn hoá dạng thức HDTV nhưng hệ thống truyền tải chương trình có khả năng vận dụng với dữ liệu HDTV

- Hệ thống truyền hình có thể cung cấp các cỡ ảnh 4:3; 16: 9 và 20: 9 với tốc độ khung 50 Mhz

1.4.2 Hệ thống chuẩn truyền hình số ATSC

ATSC là tổ chức được thành lập từ năm 1982 để phát triển truyền hình

số của Mỹ Hiện nay ATSC cũng đã đưa ra chuẩn riêng của mình về truyền

hình số mặt đất, truyền hình số qua vệ tinh, truyền dữ liệu qua mạng truyền hình mặt đất và vệ tinh.

Hệ thống ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình OSI 7 lớp của các mạng dữ liệu Mỗi lớp ATSC có thể tương thích với các ứng dụng khác cùng lớp ATSC sử dụng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio

và dữ liệu phụ Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với sửa lỗi, ghép dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích với dạng thức ATM

Tốc độ bít truyền tải 18,3 Mb/s cấp cho một kênh đơn HDTV hoặc một kênh truyền hình chuẩn đa chương trình

Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức: truyền hình phân giải cao (HDTV) và truyền hình tiêu chuẩn (SDTV) Đặc tính truyền tải và nén dữ liệu của ATSC là theo MPEG-2

Bảng 1.4: Đặc điểm cơ bản của ATSC

Video Nhiều dạng thức ảnh (nhiều độ phân giải khác nhau)

Nén ảnh theo MPEG-2, từ MP @ ML tới MP @ HL.Audio Âm thanh Surround của hệ thống Dolby AC-3

Dữ liệu phụ Cho các dịch vụ mở rộng (ví dụ hướng dẫn chương trình,

thông tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới computer)

Truyền tải Dạng đóng gói truyền tải đa chương trình Thủ tục

truyền tải MPEG-2Truyền dẫn RF Điều chế 8-VSB cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất

1.4.3 Hệ thống chuẩn truyền hình số ISDB của DiBEG

DiBEG được thành lập từ năm 1997 tại Nhật Bản cho mục đích phát triển truyền hình số DiBEG đã đưa ra tiêu chuẩn truyền hình số ISDB-T

(Intergrated Service Digital Broadcasting - Terrestrial) cho việc truyền tín hiệu truyền hình số qua mạng mặt đất Hiện nay, DiBEG vẫn chưa có chuẩn cho việc truyền tín hiệu truyền hình số qua mạng cáp.

Hệ thống chuyên dụng cho phát thanh truyền hình số mặt đất đã được hiệp hội ARIB đưa ra và được hội đồng công nghệ viễn thông của Bộ thông tin bưu điện (MPT) thông qua như một bản dự thảo tiêu chuẩn cuối cùng ở Nhật bản

Bảng 1.5 mô tả thông số kỹ thuật của hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T) Hệ thống này có thể truyền dẫn các chương trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp

Bảng 1.5: Các thông số truyền dẫn cho ISDB-T kênh truyền 8 Mhz

Mã hoá trong Mã hóa cuộn (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)

Mã hoá ngoài Mã Reed-Solomon (204, 188)

ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao (OFDM) cho phép truyền đa chương trình phức tạp với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu di động v.v các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, DQPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM Chuẩn ISDB-T có thể sử dụng cho các kênh truyền 6, 7 và 8 Mhz

Hiện nay, đa số các quốc gia đều chọn DVB-S cho truyền hình số qua vệ tinh, kể cả Nhật Bản và Mỹ DVB-S đã chính thức trở thành chuẩn quốc gia cho đa số các nước trên thế giới

Ngược lại hiện nay đang tồn tại đồng thời 3 tiều chuẩn truyền hình số mặt đất của Mỹ (ATSC), Nhật Bản (ISBB-T) và Châu Âu (DVB-T) Nhiều

nước trên thế giới đã tiến hành thử nghiệm và chọn chuẩn cho quốc gia Trong những nước đã chính thức chọn tiêu chuẩn, có khoảng 84% chọn chuẩn Châu Âu, 13% chọn chuẩn Mỹ trong đó có nhiều nước đã chính thức phát truyền hình số mặt đất.

Hiện nay trên thế giới mới chỉ có DVB đưa ra chuẩn truyền dẫn tín hiệu truyền hình số trong mạng cáp hữu tuyến cả một chiều lẫn hai chiều (DVB-C

và DVB-RCC), DiBEG và ATSC cũng chưa có chuẩn truyền hình số trong mạng cáp hữu tuyến Theo thống kê của tổ chức DVB tháng 5/2001, hơn 30 nước Châu Âu đã lựa chọn DVB-C cho truyền hình số trên mạng cáp hữu tuyến Phần lớn các nước Châu á có mạng truyền hình cáp phát triển cũng đã lựa chọn chuẩn DVB-C: Nhật Bản, Singapore, ấn Độ, Đài loan, Brunei, Isarel Như vậy DVB-C đã dần trở thành một chuẩn không chính thức nhưng lại phổ biến trên thế giới

CHƯƠNG 2 MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HỮU TUYẾN

2.1 Giới thiệu chung về mạng truyền hình cáp

Hệ thống truyền hình cáp xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40 Các hệ thống này được gọi là truyền hình ăng ten chung hay CATV

(community antenna telivision) Mục tiêu ban đầu của truyền hình cáp là phân

về địa hình không thể thu được bằng các ăng ten thông thường, gọi là vùng lõm sóng Nói đến truyền hình cáp có hai loại là truyền hình cáp vô tuyến và truyền

hình cáp hữu tuyến Truyền hình cáp vô tuyến MMDS (Multiprogram

Multipoint Distribution System) sử dụng môi trường truyền sóng là sóng viba

tại dải tần 900 MHz Tuy triển khai mạng MMDS rất đơn giản do chỉ dùng ăng ten mà không cần kéo cáp đến từng nhà nhưng nó có rất nhiều nhược điểm:

• Hạn chế vùng phủ sóng: do sử dụng dải tần 900Mhz, MMDS đòi hỏi

ăng ten thu và phát phải nhìn thấy nhau Vì vậy với những hộ gia đình ở sau các vật cản lớn như các tòa nhà thì không thể thực hiện thu tín hiệu được

• Chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu công nghiệp: do sử dụng phương

thức điều chế tín hiệu truyền hình tương tự không có khả năng chống lỗi, lại truyền bằng sóng vô tuyến, tín hiệu MMDS bị ảnh hưởng rất mạnh bởi các nguồn nhiễu công nghiệp

• Chịu ảnh hưởng bởi thời tiết: khi thời tiết xấu, ví dụ như mưa to,

sét tín hiệu MMDS vô tuyến bị suy hao rất lớn trong không gian, dẫn đến giảm mạnh chất lượng tín hiệu hình ảnh

• Yêu cầu dải tần số vô tuyến quá lớn: mỗi kênh truyền hình cần một

dải tần là 8Mhz, nếu muốn cung cấp 13 kênh truyền hình thì cần một dải thông là 13 X 8= 104 MHz Đây là một dải tần vô tuyến lớn trong khi nguồn tài nguyên vô tuyến là rất quí giá

• Gây can nhiễu cho các đài phát vô tuyến khác: mặc dù được phần

phối một dải tần riêng, nhưng máy phát MMDS cũng như các máy phát vô tuyến khác luôn sinh ra các tần số hài bậc cao có thể ảnh hưởng đến các trạm phát sóng vô tuyến khác

• Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số:

• Không thể cung cấp các dịch vụ hai chiều: do không thể thiết kế một

kênh ngược để truyền thông tin từ người dùng đến nhà cung cấp dịch vụ

Chính vì những khó khăn trên, MMDS đã không được phát triển một cách rộng rãi Trong phạm vi của đồ án này chỉ nói đến mạng truyền hình cáp hữu tuyến Truyền hình cáp hữu tuyến là hệ thống mà tín hiệu truyền hình được dẫn thẳng từ trung tâm sản xuất chương trình đến hộ dân bằng một sợi cáp (cáp đồng trục, cáp quang hoặc cáp xoắn) Nhờ đó, người dân có thể được xem các chương trình truyền hình chất lượng cao mà không phải sử dụng các cột ăng ten Về góc độ kĩ thuật truyền hình cáp hữu tuyến có những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống truyền hình khác:

• Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp: Tín hiệu truyền hình cáp

hữu tuyến được dẫn đến thuê bao qua các sợi cáp quang hoặc đồng trục Các sợi cáp này có khả năng chống nhiễu công nghiệp cao hơn gấp nhiều lần so với tín hiệu vô tuyến, vì thế sẽ hạn chế tối đa nhiễu công nghiệp, đảm bảo chất lượng cho tín hiệu

• Không bị ảnh hưởng của thời tiết: các chương trình truyền hình trên

cáp sẽ không chịu ảnh hưởng của thời tiết do khả năng cách ly và chống nhiễu tốt của cáp

• Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến: là một mạng thông tin hữu

tuyến riêng biệt, mạng truyền hình cáp được xây dựng sẽ cho phép cung cấp hàng chục chương trình truyền hình mà không chiếm dụng cũng như ảnh hưởng đến phổ tần số vô tuyến vốn đã chật chội, điều này càng trở nên quí giá khi càng ngày các đài phát thanh truyền hình mặt đất càng tăng số lượng chương trình phát sóng

• Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác: các

tín hiệu truyền trên các sợi cáp được cách ly và chống nhiễu tốt sẽ không gây

ra nhiễu vô tuyến cho các trạm phát vô tuyến khác

• Có khả năng cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác: Dải thông lớn của mạng truyền hình cáp hữu tuyến sẽ cho phép

không chỉ cung cấp các dịch vụ truyền hình tương tự mà còn cho phép cung

là khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông hai chiều, truy cập Internet, truyền số liệu tốc độ cao mà một mạng viễn thông cũng khó mà đạt được.

2.2 Các thành phần của hệ thống truyền hình cáp

Mạng truyền hình cáp hữu tuyến bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống thiết bị tại trung tâm, hệ thống mạng phân phối tín hiệu và thiết bị thuê bao

2.2.1 Hệ thống thiết bị trung tâm (Headend System)

Hệ thống thiết bị trung tâm là nơi cung cấp, quản lí chương trình cho hệ thống mạng truyền hình cáp Đây cũng chính là nơi thu thập các thông tin giám sát trạng thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển mạng Với các hệ thống hiện đại có khả năng cung cấp các dịch vụ tương tác, truyền số liệu, hệ thống thiết bị trung tâm còn có thêm các nhiệm

vụ như: mã hóa tín hiệu quản lí truy nhập, tính cước truy nhập, giao tiếp với các hệ thống mạng viễn thông khác như mạng Internet, mạng PSTN

2.2.2 Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp

Mạng phân phối tín hiệu là môi trường truyền dẫn tín hiệu từ trung tâm mạng đến các thuê bao Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến

có nhiệm vụ nhận tín hiệu ra từ các thiết bị trung tâm, điều chế, khuếch đại và truyền vào mạng cáp, các thiết bị khác trong mạng có nhiệm vụ khuếch đại, cáp nguồn và phân phối tín hiệu truyền hình đến tận thiết bị của thuê bao Hệ thống mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là bộ phận quyết định đến chất lượng dịch vụ, khoảng cách phục vụ, số lượng thuê bao và khả năng mở rộng

và nâng cấp mạng

Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi trong việc phân phối các chương trình truyền hình Đương kính chuẩn của cáp là 0.5; 0.75; 0.875 và 1 inch Trở kháng đặc tính của cáp là 75 Ω Tín hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền theo chiều dài của cáp Lượng suy giảm phụ thuộc vào đường kính cáp, tần số tín hiệu,

hệ số sóng đứng và nhiệt độ

Để có thể phân phối được tín hiệu đi xa, trên đường truyền người ta sử dụng các bộ khuếch đại để bù lại sự suy hao, các bộ khuếch đại này đóng vai

trò quan trọng khi thiết kế hệ thống Mỗi bộ khuếch đại còn chứa một bộ ổn định để bù lại sự suy giảm ở các tần số khác nhau Trong truyền hình cáp thường sử dụng bộ khuếch đại cầu Với trở kháng vào lớn, tín hiệu từ đường trung chuyển có thể được lấy ra mà không ảnh hưởng đến chất lượng của toàn

bộ kênh truyền Yêu cầu đối với một bộ khuếch đại ổn định là rất nghiêm ngặt, do có sự tích lũy độ suy hao của rất nhiều thành phần mắc nối tiếp:

- Chúng phải làm việc được trên một phạm vi dải tần số rộng, hệ số khuếch đại phải đạt được giá trị thích hợp tại các miền tần số cao

- Bộ ổn định có khả năng bù lại suy giảm theo tần số một cách thỏa đáng

- Bộ khuếch đại có đặc tuyến tuyến tính cao, để tránh xuyên âm và tạo

ra các tần số giữa các kênh

- Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số để bù lại sự thay đổi do nhiệt độ

- Tỉ số giữa tín hiệu trên nhiễu của một bộ khuếch đại riêng phải đủ cao

để chống được mức nhiễu tầng của các bộ khuếch đại

Các mạch khuếch đại đường dây chia đường trục ra thành nhiều đoạn có chiều dài khác nhau và độ suy giảm tại tần số cao nhất bằng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại Bộ ổn định được cộng thêm vào nhằm làm giảm độ khuếch đại ở tần số thấp hơn vì ở tần số càng cao độ suy giảm càng lớn Như vậy độ khuếch đại của mỗi đoạn trung chuyển gồm cả bộ khuếch đại ổn định

là 0 dB

Một hệ thống cáp có nhiều tầng khuếch đại được mắc nối tiếp Sự thay đổi hệ số khuếch đại hay đặc tuyến tần số của một thành phần sẽ gây ra sự thay đổi lớn của toàn hệ thống Để duy trì sự ổn định của hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số, một tín hiệu pilot được cộng vào ở đầu và cuối mỗi dải băng tần Các tín hiệu này sẽ là các tín hiệu chuẩn để theo đó các tham số của đặc tuyến tần số và hệ số khuếch đại được duy trì ổn định

2.2.3 Thiết bị tại thuê bao

Với một mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ tương tự, thiết bị tại thuê bao có thể chỉ là một máy thu hình, thu tín hiệu từ mạng phân phối tín hiệu

Với mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ số hiện đại hơn, thiết bị

thuê bao gồm các bộ chia tín hiệu, các đầu thu tín hiệu truyền hình

(Set-top-box) và các modem cáp Các thiết bị này có nhiệm vụ thu tín hiệu và đưa

đến tivi và các máy tính để thuê bao sử dụng các dịch vụ của mạng: chương trình tivi, truy nhập Internet, truyền dữ liệu …

2.3 Truyền dẫn tín hiệu trên mạng truyền hình cáp

Đầu tiên, các tín hiệu truyền hình ở nhiều dạng điều chế khác nhau được giải điều chế, giải mã để đưa về mã cơ sở Các tín hiệu này cùng các byte đồng bộ được chuyển thành định dạng khung chuẩn MPEG-2 Theo chuẩn MPEG-2 thì dòng dữ liệu video được chia thành các gói tin có kích thước 188 bytes, trong đó có 1 byte đồng bộ và 187 bytes thông tin

Khối Out Coding có nhiệm vụ tạo thêm các thông tin sửa lỗi cho các gói

tin, thường sử dụng mã Read-Solomon Khi sử dụng mã sửa sai Solomon với T=8 thì mỗi gói tin được thêm vào 16 bytes sửa lỗi và nó có khả năng sửa được 8 bytes lỗi trong mỗi gói tin Như vậy kích thước của mỗi gói bao gồm cả phần sửa lỗi là 28-1= 255 bytes, trong đó phần mang tin là 255-16=239 bytes, nhưng kích thước của một gói tin video chỉ có 188 bytes cho nên trước khi vào bộ mã hóa mỗi gói tin được thêm vào 51 bytes được đặt giá trị toàn bằng 0 Sau khi đã mã hóa xong 51 bytes này lại bị loại bỏ, như vậy sau mã hóa kích thước mỗi gói tin video là 204 bytes

Reed-Do mã sửa sai Reed-Solomon cũng chỉ sửa được các lỗi rời rạc lên tiếp theo dòng bít được ghép xen để hạn chế khả năng sai, lỗi ở một dãy bít liên tiếp gây khó khăn cho việc sửa lỗi ở đầu thu

Bộ ghép gồm 12 nhánh, được kết nối theo kiểu vòng với các byte số liệu

bằng chuyển mạch đầu vào Mỗi nhánh j sẽ là một thanh ghi dịch First

in-First out, với j x M ô nhớ Trong đó: M = 17 = N/l, N = 204 byte, mỗi ô của

thanh ghi dịch chứa một byte Trong trường hợp này là ghép xen các bytes với nhau, chu kì ghép xen đúng bằng 204 Byte đồng bộ bao giờ cũng đi qua nhánh 0

Khối Baseband Shaping có nhiệm vụ chia dòng tín hiệu thành hai tín

hiệu I và Q (In-phase, Quadrature phase) để tiến hành điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Sau cùng, tín hiệu đã được điều chế này

được đưa vào mạng cáp truyền dẫn để chuyển đến thuê bao

Truyền hình cáp sử dụng các kênh truyền nằm trong phạm vi dải thông cận dưới của băng UHF Các kênh truyền hình cáp được chia thành các băng VHF thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng (superband) Căn cứ vào dải thông hay

số lượng kênh mà hệ thống có thể phục vụ người ta chia làm các hệ thống nhỏ vừa hay lớn Bảng 2.1 dưới đây chỉ ra một cách phân chia các hệ thống

Toàn bộ dải thông của hệ thống được chia thành các kênh vô tuyến có kích thước 8 Mhz theo tiêu chuẩn của Châu Âu hoặc 6 Mhz theo tiêu chuẩn Bắc Mĩ Sở dĩ có hai cách chia là để cho mỗi kênh có thể mang được một kênh truyền hình tương tự, mà ở Châu Âu thì truyền hình tương tự theo tiêu chuẩn PAL có dải thông 8 MHz còn ở Bắc Mĩ và Nhật Bản truyền hình tương

tự theo tiêu chuẩn NTSC có dải thông là 6 Mhz Tất nhiên trong mỗi kênh này

có thể truyền một kênh truyền hình tương tự hoặc nhiều kênh truyền hình số

Bảng 2.1: Phân loại các hệ thống truyền hình cáp

Dải thông Phạm vi tần số hoạt động

500 MHz 50 MHz- 550MHz

2.3.1 Truyền dẫn tín hiệu tương tự

Dải thông cần thiết để truyền một kênh truyền hình tương tự theo tiêu chuẩn PAL là 8MHz, đúng bằng dải thông một kênh trong hệ thống kênh của truyền hình cáp Truyền dẫn tín hiệu truyền hình tương tự trên mạng có ưu điểm

là giảm chi phí thuê bao Để thu được tín hiệu truyền hình tương tự, thuê bao chỉ cần một máy thu bình thương, nối đường cáp với đầu nối ăng ten và điều chỉnh máy thu của mình thu ở dải tần của kênh được phát Như vậy các thuê bao không phải đầu tư thiết bị ban đầu khi lắp đặt truyền hình cáp Tuy nhiên, các hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến tương tự có một số nhược điểm sau:

• Trong thực tế, các bộ lọc thông dải trong các thiết bị điều chế tín hiệu truyền hình cáp tương tự không đạt được đặc tuyến lý tưởng, dẫn đến tín hiệu của một kênh chương trình này vẫn gây nhiễu sang các kênh liền kề, dẫn đến giảm chất lượng hình ảnh khi phát nhiều kênh chương trình

• Do khả năng chống nhiễu của phương thức điều chế tín hiệu tương tự kém nên nhiễu tác động vào tín hiệu trên đường truyền sẽ không thể loại bỏ được ở máy thu, dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu

• Không thể thực hiện các dịch vụ truyền hình tương tác, truyền hình độ phân giải cao (HDTV)

2.3.2 Truyền dẫn tín hiệu số

Sự phát triển của kĩ thuật số và công nghệ thông tin, cũng đã tạo ra cuộc cách mạng thực sự trong kĩ thuật phát thanh – truyền hình, đó là sự ra đời các chuẩn truyền dẫn truyền hình số Sự ra đời của các chuẩn truyền dẫn truyền hình số đã tạo ra những ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền dẫn và phát tín hiệu truyền hình tương tự:

• Khả năng chống nhiễu cao: Quá trình điều chế tín hiệu truyền hình số

bao gồm việc xáo trộn dữ liệu (bit-Interleaving, byte-Interleaving), các khâu

này giúp cho khả năng: khi có nhiễu đường truyền tác động vào các nhóm bít

hoặc nhóm byte, do các bít trong nhóm bị lỗi không nằm cạnh nhau thực sự trong luồng thông tin, dẫn đến số lượng bit bị lỗi trong một nhóm bit thông tin thực tế rất ít, điều này làm cho ảnh hưởng của nhiễu giảm xuống rất nhiều so với các tín hiệu truyền hình tương tự.

• Có khả năng phát hiện và sửa lỗi: phương pháp mã hóa bít đặc biệt (mã hóa Reed-Solomon, mã hóa vòng xoắn- Veterbi), và khả năng ghép thêm các bít để phát hiện lỗi bít và tự sửa đổi trước khi truyền tín hiệu truyền hình

số làm cho các dòng bit tín hiệu truyền hình số có thể tự phát hiện và sửa đổi, điều này tín hiệu truyền hình tương tự không thể làm được

• Chất lượng chương trình trung thực: Do cả khả năng chống nhiễu, phát hiện và tự sửa lỗi tốt, tại phía thu tín hiệu truyền hình số sẽ được khôi phục hoàn toàn, giúp cho hình ảnh phía thu hoàn toàn trung thực như phía phát

• Tiết kiệm phổ tần và kinh phí đầu tư: Bằng cách sử dụng công nghệ nén tín hiệu MPEG-2 và phương thức điều chế tín hiệu số có mức điều chế cao (QPSK, QAM, 16QAM, 64QAM, 256QAM…), dải tần 8Mhz của một kênh truyền hình tương tự hệ PAL có thể tải được 4-8 chương trình truyền hình số với chất lượng cao, điều này nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số và tiết kiệm cho phí đầu tư cũng như chi phí vận hành bảo dưỡng thiết

bị khi muỗn phát nhiều chương trình

• Khả năng thực hiện truyền hình tương tác, truyền số liệu và truy nhập Internet: truyền hình số ra đời mở ra một lựa chọn mới cho việc truyền số liệu

và Internet Việc truyền số liệu kèm theo các chương trình truyền hình cho phép thực hiện dễ dàng các dịch vụ truyền hình tương tác (truyền hình theo yêu cầu VOD, Web TV…) nhờ các kênh dữ liệu điều khiển từ hướng thuê bao đến các nhà cung cấp dịch vụ

2.4 Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp

Có nhiều phương án để thiết lập một mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến:

-Mạng có cấu trúc lai giữa cáp quang và cáp đồng trục HFC (Hybrid

Fiber/Coaxial)

-Mạng có cấu trúc kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng xoắn

-Mạng có cấu trúc hoàn toàn cáp quang

2.4.1 Mạng toàn cáp đồng trục

Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp đồng trục có cấu hình chủ yếu

là hình cây Hệ thống mạng truyền dẫn bao gồm các thân cáp chính (trunk), các nhánh cáp phụ rẽ ra từ các thân cáp chính (feeder) và phần cáp kết nối từ cáp nhánh đến thuê bao hộ gia đình (drop) Các thân cáp chính (trunk) truyền dẫn tín hiệu, khuếch đại và phân chia tín hiệu ra các cáp nhánh (feeder) bằng các thiết bị chia tín hiệu (Splitter) Tín hiệu đưa đến thuê bao được trích ra từ các cáp nhánh nhờ bộ trích tín hiệu (tap) và truyền đến thuê bao qua các cáp

thuê bao

Trên đường đi của tín hiệu, các bộ khuếch đại tín hiệu được đặt ở các khoảng cách phù hợp để khôi phục tín hiệu bị suy hao Các bộ khuếch đại được cấp nguồn nhờ các bộ cấp nguồn đặt rải rác trên đường đi của cáp, các

bộ nguồn này lấy tín hiệu từ mạng điện sở tại Các bộ khuếch đại xa nguồn được cấp nguồn cũng chính bằng sợi cáp đồng trục dòng đến các bộ khuếch đại, dòng một chiều sẽ được tách riêng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại

Do truyền dẫn tín hiệu bằng cáp đồng trục có suy hao rất lớn, dẫn đến cần phải đặt nhiều bộ khuếch đại tín hiệu trên đường truyền, dẫn đến các chi phí khác kèm theo: nguồn cấp cho bộ khuếch đại, công suất tiêu thụ của mạng tăng lên

Do sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu để bù suy hao cáp, nhiễu đường truyền tác động vào tín hiệu và nhiễu nội bộ của bộ khuếch đại được loại bỏ không hết và tích tụ trên đường truyền, nên càng xa trung tâm chất lượng tín hiệu càng giảm, dẫn đến hạn chế bán kính phục vụ

2.4.2 Mạng lai HFC (Hybrid Fiber/Coaxial)

Mạng truyền hình cáp hữu tuyến kết hợp cáp quang và cáp đồng trục

HFC (Hybrid Fiber/Coaxial) sử dụng đồng thời cáp quang và cáp đồng trục

để truyền dẫn tín hiệu Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các nút quang là cáp quang, còn từ các nút quang đến các thuê bao là cáp đồng trục

Sử dụng cáp quang để truyền dẫn tín hiệu, mạng HFC sẽ tận dụng được các ưu điểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa

và ăn mòn hóa học tốt

Các sợi quang sản xuất với công nghệ hiện đại hiện nay cho phép truyền các tín hiệu có tần số lên đến hàng trăm Tetra Hezt (1014 – 1015 Hz) Đây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể đáp ứng mọi yêu cầu dải thông đường truyền mà không phương tiện truyền dẫn nào có thể có được

Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong hai cửa

sổ bước sóng quang là 1310nm và 1550nm Đây là hai cửa sổ có suy hao tín hiệu rất nhỏ: 0,3dB/Km với bước sóng 1310nm và 0,2 dB/Km với bước sóng 1550nm Điều này cho thấy với bước sóng 1550nm, năng lượng tín hiệu quang chỉ bị suy hao 0,2dB khi truyền trên 1 Km, trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại có suy hao thấp nhất cũng phải mất 43 dB/Km tại tần số 1Ghz

Tín hiệu truyền trên sợi cáp là tín hiệu quang, vì vậy không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ từ môi trường, dẫn đến đảm bảo được chất lượng tín hiệu trên đường truyền

Được chế tạo từ các chất trung tính là plastic và thủy tinh, các sợi quang

là các vật liệu không bị ăn mòn hóa học vì thế tuổi thọ của sợi quang cao

Mạng HFC bao gồm ba mạng con là mạng truyền dẫn (Transport

segment), mạng phân phối (Distribution segment) và mạng truy nhập (Access segment).

Mạng truyền dẫn (Transport segment) bao gồm một hệ thống cáp

quang và các hub sơ cấp, nhiệm vụ của nó là truyền dẫn tín hiệu từ Headend

đến các khu vực xa Các hub sơ cấp có chức năng thu/ phát quang từ/ tới các nút quang và chuyển tiếp tín hiệu quang tới các hub khác.

Mạng phân phối (Distribution segment) bao gồm hệ thống cáp quang,

các hub thứ cấp và các nút quang Tín hiệu thu quang từ các hub sẽ được

chuyển thành tín hiệu điện tại các nút quang để truyền đến thuê bao Ngược

lại trong trường hợp mạng hai chiều, tín hiệu từ mạng truy nhập (Access

segment) sẽ được thu lại ở nút quang và truyền đến các hub.

Mạng truy nhập (Access segment) bao gồm các đường cáp đồng trục

nối từ các hub thứ cấp đến các thiết bị thu của thuê bao Người ta chia ra làm hai loại mạng truy nhập đồng trục là mạng truy nhập đồng trục tích cực và mạng truy nhập đồng trục thụ động Mạng truy nhập đồng trục tích cực là mạng mà trong đó có chứa các bộ khuếch đại tín hiệu, các bộ khuếch đại này đều tích hợp các phần tử tích cực Mạng truy nhập đồng trục thụ động là mạng mà không chứa bất kì một phần tử tích cực nào

Theo kinh nghiệm của các nhà điều hành mạng cáp Châu Âu và Châu

Mỹ, trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại

và các thết bị ghép nguồn cho chúng Các thiết bị này nằm rải rác trên mạng,

vì thế việc định vị sửa chữa và khắc phục chúng thông thường không thể thực hiện nhanh được, vì thế ảnh hưởng đến chất lượng phục vụ của mạng Ngoài

ra, với mạng truy nhập đồng trục tích cực, khi cung cấp dịch vụ hai chiều, các

bộ khuếch đại cần tích hợp phần tử khuếch đại tín hiệu cho các tín hiệu ngược dòng, tức là số lượng phần tử tích cực của mạng tăng lên dẫn đến độ ổn định của mạng càng giảm Hiện nay xu hướng trên thế giới đang chuyển dần sang

sử dụng mạng truy nhập thụ động, tại đó không sử dụng bất kì một thiết bị tích cực nào, tức là bộ khuếch đại cao tần sẽ không được sử dụng mà chỉ có các bộ chia tín hiệu, các bộ ghép hướng và các bộ trích tín hiệu thụ động Một mạng HFC chỉ sử dụng các thết bị cao tần thụ động được gọi là mạng HFC