tìm hiểu về truyền hình số

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Trong năm gần đây, công nghệ truyền hình chuyển sang bớc ngoặt - Quá trình chuyển đổi từ công nghệ truyền hình tơng tự sang truyền hình số Nhiều nhà nghiên cứu cho thời đại " Video số, Truyền hình số " bắt đầu công nghệ tơng tự hết thời nhờng đờng cho công nghệ số Công nghệ truyền hình trải nghiệm thay đổi lớn lao chất Trên thực tế nhà sản xuất ngừng sản xuất thiết bị truyền hình tơng tự thiết bị tơng tự dần vắng bóng thị trờng Trong tơng lai không xa, thiết bị sản xuất chơng trình, máy phát hình, thiết bị video, audio đợc thay thiết bị số Trên giới có nhiều nớc bắt đầu áp dụng truyền hình số nh Mỹ, Nhật, nớc phơng Tây số nớc Châu khác Do đài truyền hình Việt Nam cần phải có chiến lợc phát triển truyền hình số để tránh tụt hậu công nghệ có điều kiện hội nhập với quốc tế Vì lý em chọn đề tài này, nhiên đề tài rộng mẻ tránh đợc thiếu xót Vì em mong đợc đóng góp ý kiến thấy giáo, cô giáo bạn quan tâm Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Tử Tin Học Viễn Thông Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt thầy giáo Trần Thọ Tuân tận tình hớng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp Ch ơng I Hiện trạng xu h ớng phát tRiển truyền hình số 1.1 Truyền hình số vấn đề đặt đ ờng chuyển đổi Truyền hình số từ hệ thống truyền hình mới, thiết bị kỹ thuật số làm việc theo nguyên lý kĩ thuật số Theo nguyên lý từ ảnh quang học camera thu đợc qua hệ thống ống kính, thay đợc đổi thành tín hiệu điện biến thiên tơng tự nh hình ảnh quang học nói (Cả màu sắc độ chói) mà đợc biến đổi thành dãy tín hiệu nhị phân (Là dãy số 1) Một số vấn đề cần đặt đ ờng chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tơng tự sang truyền hình số Vấn đề thứ Lựa chọn độ phân giải cho hình ảnh số Độ dài từ mã nhị phân tiêu chất lợng kĩ thật số hoá tín hiệu , phản ánh mức sáng tối , mầu sắc hình ảnh đợc ghi nhận chuyển đổi Về nguyên tắc độ dài từ mã nhị phân lớn trình biến đổi chất lợng, nghĩa đợc xem nh độ phân giải trình số hoá Tuy nhiên độ phân giải đến giới hạn định thoả mãn khả hệ thống kĩ thuật nh khả phân biệt mắt ngời Độ phân giải tiêu chuẩn bit Vấn đề thứ hai Lựa chọn tần số lấy mẫu Giá trị tần số lấy mẫu đơng nhiên phản ánh độ phân tích củat hình ảnh số, nhng mục đích lựa chọn tìm số giá trị tối u bên chất lợng bên chất lợng bên tính kinh tế thiết bị Vấn đề thứ ba Đồ án tốt nghiệp Lựa chọn cấu trúc lấy mẫu Nếu coi hình ảnh số tập hợp số việc xếp, bố trí chúng theo quy luật có lợi Mục đích vấn đề giảm tối thiểu tợng bóng, viền, nâng cao độ phân tích hình ảnh Vấn đề thứ t Lựa chọn tín hiệu số hoá, kết hợp hay thành phần Đây vấn đề liên quan đến chất lợng tính kinh tế toàn hệ thống, trớc mắt nh lâu dài Vấn đề thứ năm Lựa chọn giao diện số sản xuất truyền tín hiệu số từ thiết bị sang thiết bị khác nh từ phòng máy sang phòng máy khác với khoảng cách vài mét đến vài trăm mét Vấn đề thứ sáu Lựa chọn tiêu chuẩn chung thiết bị cho hai hệ thốngb 625 525 dòng để dễ dàng trao đổi chơng trình quốc tế Điều liên quan đến vấn đề lựa chọn tần số lấy mẫu cấu trúc mẫu Từ nhiều vấn đề lý luận thực tiễn trình số hoá truyền hình đợc tiếp tục nghiên cứu phát triển : - Ghi dựng lu trữ hình ảnh số - Tổng hợp hình ảnh số (Kĩ xảo) - Số hoá camera máy thu hình ảnh - Truyền dẫn phát xạ hình ảnh số Vấn đề ghi dựng ổ đĩa cứng (Hay gọi dựng phi tuyến tính) công nghệ kĩ thuật có nhiều u điểm nh truy cập nhanh, kĩ xảo phong phú, bảo đảm chất lợng, lu trữ lâu dài, an toàn Nhng chi phí sản xuất lớn (Ví dụ : Một ổ đĩa cứng Gbit nén tốc độ 50 Mbit/s ghi đợc 24 phút tín hiệu hình có giá thành khoảng 2000 USD) Vì việc ghi dựng hình nói chung lĩnh vực lu trữ công nghệ băng từ chủ yếu Đồ án tốt nghiệp Mô hình sau mô tả khái quát trình 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 phần xen kẽ Cam (Analog) Dựng (Analog) Analog Máy thu Analog Studio (Analog) Dựng (A/D) Bộ ch/đổi Hộp set-top-box Cam (Analog) Máy thu Analog Dựng (Digital) Máy thu Digital Studio (Digital) Dựng (D/A) Digital Hệ thống máy phát Hệ thống máy thu Hình1.1: Quá trình chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tơng tự sang truyền hình số Khái niệm phần xen kẽ đợc hiểu xuất camera số gọn nhẹ, studio số, phòng phân phối phát sóng số tiến đến dây chuyền sản xuất hoàn toàn số Mô hình cho nhận xét đến giai đoạn xuất tình trạng song song tồn hai hệ thống công nghệ khác Đó thời kỳ bắt đầu đời máy phát số đồng thời máy thu hoàn Đồ án tốt nghiệp toàn số SET - TOP - BOX hộp chuyển đổi dành cho máy thu tơng tự Tại lại phải chuyển đổi phần xen kẽ ? Có lý nh sau : - Chi phí tài - Bảo đảm trì sản xuất phát sóng thờng xuyên Chi phí tài Chi phí tài vấn đề hàng đầu trình chuyển đổi công nghệ nói chung nh bớc độ nói riêng Có thể lấy ví dụ sau: Một studio Analog (Hoặc xe truyền hình lu động) trị giá khoảng triệu đôla studio số tiêu chuẩn 4:2:2 giá trị khoảng triệu đô tức gấp hai lần giá trị studio tơng tự So sánh với khu vực khác vậy, trung tâm truyền hình có khoảng 10 studio, xe truyền hình lu động, vài chục máy quay gọn nhẹ vài chục phòng hậu kỳ video, audio chi phí cho việc chuyển đổi lớn Khi bắt đầu xuất mạng lới máy thu số, dự tính giá trị máy thu số 500 USD ( Khi trở thành quảng bá ) với 10 triệu máy thu số chi phí tỷ USD, cha kể đầu t cho nhà máy sản xuất máy thu số hình phẳng Nh thấy chi phí chung cho việc chuyển đổi toàn hệ thống lớn Điều giải thích công nghệ truyền hình số cha trở thành quảng bá nh hệ thống viễn thông Đảm bảo trì sản xuất phát sóng thờng xuyên Chúng ta thấy hệ thống truyền hình tơng tự sử dụng, chúng đóng góp vai trò quan trọng việc sản xuất chơng trình Giả sử có thay đổi đáng kể trang thiết bị phần trung tâm sản xuất chơng trình băng tần quy định ( Trong công nghệ Analog cho phép phát chơng trình băng tần ) hiệu cha đến ngời xem cách rõ rệt nh mạng lới máy thu máy thu tơng tự Đồ án tốt nghiệp Công nghệ ttuyền hình số coi hoàn thiện giải đợc vấn đề nói 1.2 vấn đề cần quan tâm chuyển đổi từ truyền hình tơng tự sang truyền hình số 1.2.1 Khả chuyển đổi từ máy phát tơng tự sang máy phát số Thực việc chuyển đổi không đơn giản Nó phụ thuộc vào việc thiết kế tầng khuếch đại tầng kích máy phát Nói chung máy phát số yêu cầu khuếch đại có độ tuyến tính cao so với máy phát tơng tự Cả khuếch đại Klystron Tube có khả thay đổi đợc, nhiên để đạt đợc tuyến tính với mức ổn dịnh cao nên thay hẳn tầng khuếch đại tầng kích Với tầng khuếch đại Tube, đòi hỏi công suất lớn để điều khiển nên nói chung việc chuyển đổi tốn Với khuếch đại Klystron, hệ số khuếch dại lớn yêu cầu công suất đầu vào thấp, nên việc thực chuyển đổi rẻ Và khuếch đại Klystron điều khiển theo xung phải bỏ tạo tín hiệu xung thực việc chuyển đổi Các máy phát Solid state gồm nhiều mođule khuếch đại song song Đó khối có hệ số cao cấu tạo nhiều khuếch đại nối tiếp Nếu khuếch đại song song có khả khuếch đại số máy phát sử dụng chúng làm việc đợc với tín hiệu số Với ứng dụng số điều đáng quan tâm giai đoạn thiết kế phải đảm bảo cho tầng phải làm việc tải nguyên nhân gây không tuyến tính Tất tầng đặc biệt tầng kích phải thật tuyến tính Tầng đầu thờng phần không tuyến tính nên cần phải có tiền sửa lỗi Thật tầng sửa lỗi quan trọng tín hiệu số tín hiệu tơng tự Các sửa lỗi làm việc với hiệu số, nên trình chuyển đổi cần phải thay Vì lý mà nhiều exciter sử dụng việc sửa lỗi điều chế, thực việc Mapping exciter cần phải tách Symbol liệu thành phần thực phần ảo, việc điều chỉnh biên độ pha tầng này, làm méo tín hiệu điều chế trớc, Đồ án tốt nghiệp sau tầng khuếch đại cuối có trình ngợc lại Quá trình làm giảm méo không tuyến tính khuyếch đại Trong trờng hợp điều chế phải đợc thay có khả tạo tín hiệu đầu số Do tần số IF exciter số cha đợc tiêu chuẩn hoá nên đòi hỏi phải có thay đổi đôí với Upconverter 1.2.2 Thực chuyển đổi Với máy phát có khuyếch đại kết hợp hình tiếng cần thay đổi điều chế lọc tạo dao động nội Một lọc thông dải đầu đợc yêu cầu thay cho lọc sóng ảo mang phụ, cần có lọc thông để giảm nhiễu với dịch vụ kênh cận kề Còn máy phát không kết hợp, cần bỏ khuếch đại tiếng khuếch đại hình với tiếng đợc thay lọc thông dải nh Tất nhiên phải có điều chế số hệ thống sửa lỗi 1.2.3 Các vấn đề RF - Việc chia xẻ với sở Analog tồn Việc chia xẻ với sở tồn hoàn toàn có thể, nhiên có đòi hỏi mặt kinh tế kỹ thuật phải phù hợp Và đa dịch vụ số điều đáng lu ý không gây khó khăn không cần thiết trớc mắt ngời xem tiềm Các kênh dùng cho phát sóng từ sở cũ đợc lựa chọn cho gần với kênh Analog điều giúp tái tạo sử dụng hệ thống Anten cũ sử dụng, nhiên sử dụng kênh cận kề cần quan tâm đến việc phát kênh, đặc biệt máy công suất lớn Một nguyên nhân việc phát sóng kênh danh định không tuyến tính khuếch đại công suất Trong kênh kề cận, việc phát kênh máy phát tơng tự đợc máy thu số nhận thấy nh nhiễu đồng kênh Các phơng án nhằm làm giảm việc phát kênh đợc sử dụng phải sử dụng lọc đầu máy phát sử dụng cộng lựa chọn RF Nếu sử dụng toàn Anten hành, có hai phơng án phải làm : - Thứ sử dụng cộng RF cho nơi công suất cao nơi công suất thứ yếu Đồ án tốt nghiệp - Thứ hai phải dùng giải pháp thay cho sở thứ yếu, sử dụng ứng dụng đa kênh 1.2.4 Lu ý Anten công suất Khi phát sóng, cần phải xem xét tất đặc tính dù bình thờng phát số khác Lu ý khuyếch đại chuyển đổi tạo công suất nh trớc Công suất đầu số hiệu dụng phải thấp - 10 dB so với công suất đỉnh tín hiệu sync ban đầu Tuy nhiên vấn đề DVB - T công suất số thấp -15 đến -20 dB so với công suất đỉnh sync tín hiệu Analog hành đạt đợc diện tích phủ sóng 1.2.5 Sử dụng lại anten dùng Các kênh đợc lựa chọn cho truyền hình số mặt đất phải gần sát với dải thông anten tơng tự đem lại vùng phủ sóng chung cho hai dịch vụ Hầu nh anten thu thích hợp Tuy nhiên, việc giới hạn ERP ( effective radiater power ) để bảo vệ điển phát sóng kênh tơng tự có khỏi bị xuyên nhiễu điểm hàng xóm lân cận không dợc đảm bảo Anten fidơ có phải hỗ trợ tổng công suất ghép kênh bao gồm tất công suất đỉnh kênh số Với kiến trúc Cascading khó tạo kết hợp kênh số tơng có suy hao phối hợp Trong trờng hợp phải xác định suy giảm nhiễu tơng đơng (Equivalent noisie dẻgadation) a RF combining Trong nhiều trờng hợp, việc dedịnh vị dải phát hình số kênh cận kề kênh phát hình Analog hành có lợi Khi khả lựa chọn cộng điểm có tính định xem xét việc đa giải thông hữu ích tín hiệu DVB - T( 7,63 Mhz) vào kênh ITU-R ( Mhz UHF ) Bộ cộng gồm Coupler dB ( chia nửa ), hai lọc thông dải giống tải giả Bộ cộng có đầu vào có khả lựa chọn gọi "dải hẹp" đầu vào "Dải rộng" Các lọc thông dải đợc sử dụng cho kênh đầu vào dải hẹp Đồ án tốt nghiệp Tín hiệu số đợc nối vào đầu vào dải hẹp đợc tách hai đờng coupler dB qua hai lọc thông dải giống Hai nửa tín hiệu sau lại đợc cộng lại nhờ coupler dB thứ hai trớc gửi tới anten Bất kì tín hiệu từ lọc tín hiệu Analog rò rỉ đợc xoá nhờ tải Tơng tự nh tín hiệu Analog đợc nối vào đầu vào dải rộng đợc tách hai đờng nhờ coupler dB Tuy nhiên lúc hai nửa tín hiệu đợc phản xạ từ lọc kết hợp lại nhờ coupler dB trớc đa anten Các lọc đợc yêu cầu phải lọc tín hiệu số, khoá kênh dải rộng đặc biệt kênh liền kề quan trọng Tuy nhiên dùng lọc dẫn đến vấn đề trễ nhóm, nguyên nhân suy giảm tín hiệu, làm ảnh hởng đến khả lựa chọn lọc Nhằm tránh vấn đề cần phải sử dụng tiến sửa dải gốc ( baseband precorrector ) b Khuyếch đại đa kênh Các mạng phát hình thứ cấp tập hợp máy có công suất thấp lọc repeater dùng để bao phủ hoàn toàn trạm phát Chính việc dùng kênh số kênh trạm thứ cấp nên dẫn đến vấn đề nh trạm phát Khuyếch đại đa kênh cách thức kết hợp kênh số thực với coupler không cần khả lựa chọn phí thấp Cách thức thực nhờ thủ tục sau - Thu kênh nhờ anten - Lọc chuyển đổi lại kênh đầu vào trung tần IF - Xử lý trung tần - Chuyển đổi RF - Thực coupling kênh có công suất thấp - Khuyếch đại công suất ghép kênh c Dùng anten cho phát hình số mặt đất Đầu tiên, cần phải tìm vị trí thích hợp cho anten dựa cấu trúc cột anten thời Trong nhiều trờng hợp độ mở cấu trúc thời không phù hợp cho anten UHF đòi hỏi mặt cắt ngang Với mặt cắt ngang loại lớn thiết kế cho dải rộng khó Đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên lợi việc không dùng cộng RF công suất cao nhng hạn chế cha lọc đợc phát kênh Do cần phải sử dụng lọc đầu máy phát, nh vùng phủ sóng annten khác so với anten Analog Cũng cần quan tâm phối hợp dải thông tơng hợp anten nh hạn chế ERP để bảo vệ dịch vụ truyền hình tợng tự, lý nên việc chi phí cho anten cao 1.3 Tổng quan truyền hình số 1.3.1 Đặc điểm truyền hình số Những năm gần hãng tổ chức tập trung nghiên cứu, thiết kế để đa hệ thống truyền hình số Truyền hình số dần trở thành thực dần thay hệ thống truyền hình tơng tự Tại truyền hình tơng tự thịnh hành nh lại lu mờ trớc truyền hình số ? Đó đặc điểm truyền hình số tỏ mạnh tuyệt đối so với truyền hình tơng tự Một số đặc điểm truyền hình số nh sau: - Tín hiệu số nhạy với dạng méo xảy đờng truyền - bị tác động nhiễu so với truyền hình tơng tự - Có khả phát lỗi sửa sai - Tính linh hoạt, đa dạng trình xử lý tín hiệu ( Có hệ số nén lớn so với tín hiệu tơng tự ) - Tính phân cấp ( Kênh đợc sử dụng phát chơng trình độ phân dải cao vài chơng trình truyền hình tiêu chuẩn) - Có thể truyền đợc nhiều loại hình thông tin khác với cách xử lý giống - Tiết kiệm đợc lợng, với công suất phát sóng , diện tích phủ sóng rộng so với công nghệ truyền hình tơng tự - Có thể khoá mã dễ dàng - Dễ dàng thích nghi với bớc chuyển tiếp sang tín hiệu độ phân giải cao phát với chất lợng CD 10 Đồ án tốt nghiệp Elementary Stream) Chúng xác định liệu đợc giải mã trình diễn DTS đợc sử dụng thời gian giải mã đơn vị truy cập khác so với thời gian trình diễn DTS không kết hợp với ảnh B ảnh dự báo hai chiều đợc hiển thị bên thu nhập đợc liệu ảnh Để kiểm tra đồng hộ thu phát (kiểm tra tính đồng đồng hồ giải mã va đồng hồ sử dụng cho mã hoá ghép kênh), MPEG - sử dụng tem thời gian PCR đợc truyền cách tuần hoàn CCIR - 601 quy định tần số lấy mẫu tín hiệu chói 13,5 MHzs 6,75 MHz cho hai tín hiệu màu với cấu trúc lấy mẫu 4:2:2 Nên đồng hồ 27 MHz đồng hồ tham chiếu cho toàn hệ thống MPEG - Thông tin PCR đợc truyền tải trông hai phần thuộc trờng thích nghi (Adaption - Field) thuộc phần Header gói truyền tải TS (Transport Packet Header) Hai phần đợc gọi là: Tham chiếu đồng hồ (Program Clock Referece Base) Tham chiếu đồng hồ chơng trình mở rộng (Program Clock Reference Extention) 90 KHz 27 KHz Program-Clock reference Base Program-Clock reference Extention 33 bit bit 27 MHz Hình 4.18 Thôngchuẩn tin đồng hồ hệ thống PCR Hai phần tơng ứng với hai đếm làm việc với tần số 90KHz Định trị dạng dòng dung 300 Reset Mã hóalợng Video đếm 27MHz đạt tới giá chuyển tải dung lợng đếm 90KHz tăng lên Dòng Video 27MHz Khi R-601 PCR=X Lý việc PCR=X chia đôi thông tin PCR thờithờigian gốc dòng liệu gian N bit Đúng N bit MPEG -1 90KHz, 27MHz phần mở rộng tơng ứng đờng thứ hai hình sau: Gói 188 PCR byte truyền tải Bộ dải mã dòng chuyển tải So sánh Lọc thông thấp Bộ thu đồng hồ chuẩn 27MHz PCR địa phương Đồng hồ 27MHz 78 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.19 Sự đồng hóa thu phát Thông tin PCR có độ dài 33 bit cho phần bit cho phần mở rộng tạo đếm 42 bít đủ để đáp ứng cho dòng liệu chơng trình kéo dài 24 tiếng MPEG - quy định thông tin PCR đợc truyền 10 lần/s Nội dung thông tin PCR chứa giá trị đồng hồ xác bên phát Với quy ớc thời gian trễ truyền dẫn không đổi, bên thu so sánh giá trị PCR nhận đợc với giá trị đồng hồ 27 MHz địa phơng Nếu có sai số, sai số đợc sử dụng để điều chỉnh đồng hồ 27MHz địa phơng Nếu có sai số, sai số đợc sử dụng để điều chỉnh đồng hồ thu đồng theo đồng hồ phát Quá trình điều khiển đợc thực phần mềm điều khiển PLL 79 Đồ án tốt nghiệp Ch ơng Nén tín hiệu AUDIO Tín hiệu Audio số PCM đợc sử dụng TV, truyền thông đa phơng tiện nh nhiều ứng dụng khác Các dòng số có tốc độ bit cao Khi âm đợc lấy mẫu với tần số 48 KHz độ phân giải 16bit dòng số tạo có tốc độ lên đến 4,5Mb/s Bởi vậy, yêu cầu phải có phơng pháp nén hiệu cho lu trữ liệu thời gian dài nh phân phối liệu qua kênh có bề rộng dải thông hẹp Việc nén audio đợc tổ hợp ứng dụng đa phơng tiện sở máy tính, cho phân phối chơng trình đĩa CD - ROM mạng Nó đợc sử dụng truyền dẫn qua vệ tinh quảng bá (Digital Broadcast Satellite - DBS) 5.1 Cơ sở nén liệu audio Nén tín hiệu Audio đợc thực dựa sở mô hình tâm lý thính giác ngời, hạn chế mặt cảm nhận tợng che lấp thành phần tín hiệu âm 5.1.1 Mô hình tâm lý thính giác Hệ thống thính giác ngời (Human Auditory System - HAS) có đặc điểm nh phân tích phổ Nó chia dải phổ âm nghe thấy thành băng tần gọi Băng tới hạn -critical bands, nh dãy lọc thông giải Các băng có bề rộng dải thông 100Hz với tần số dới 500Hz tăng theo tần số tín hiệu với tần số ớn 500Hz, mô hình hóa hệ thống cảm nhận ngời 26 lọc thông giải liên tiếp có bề rộng dải thông nh nói Khi tín hiệu âm bao gồm tần số liền kề nhau, hệ thống thính giác ngời (HAS) tổ hợp chúng thành nhóm có lợng cân Ngợc lại, âm bao gồm nhiều tần số khác biệt nhau, chúng đợc xử ý tách biệt độ lớn âm đợc xác định Tính nhạy cảm HAS giảm tần số cao tần số thấp Điều có nghĩa mức âm thấp thay đổi cảm nhận ngời quan trọng giảm dần mức âm cao 5.1.2 Sự che lấp tín hiệu Audio Hệ thống thính giác củacon ngời có đặc điểm vô quan trọng, tính che lấp masking Có hai dạng che lấp, là: Che lấp thời gian che 80 Đồ án tốt nghiệp lấp tần số Tiến hành thực nghiệm hệ thống thính giác, ngời ta xây dựng đợc đặc tuyến che lấp miền thời gian miền tần số * Che lấp tần số: Sự che lấp mặt tần số tợng âm nghe thấy tần số trở nên không cảm nhận đợc ngỡng nghe thấy bị dâng lên có mặt âm tần số khác có cờng độ mạnh Mức áp suất âm SPL (dB) Kết che lấp tạo âm 1KHz, 56dB Ngưỡng nghe bị biến đổi âm che lấp 30 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Kết che lấp tạo âm 1KHz, 45dB Ngưỡng tuyệt đối 50 100 500 1K 5K 10K 20K Tần số (Hz) Tín hiệu không nghe thấy Hình 5.1 Ngỡng nghe thấy tuyệt đối ngỡng che phủ tần số Để tai ngời nghe nghe thấy âm tần số phải có mức áp suất âm lớn giá trị ngỡng xác định Tập hợp tất giá trị ngỡng tất âm đơn dải tần nghe đợc tạo nên đờng cong gọi Ngỡng nghe thấy tuyệt đối, đờng đậm nét hình Tất âm nằm dới đờng khả đợc ngời cảm nhận Sự xuất âm có cờng độ cao tần số nàođó, làm đờng biến đổi hình vẽ trên, âm 1KHz với mức âm 45dB àm ngỡng nghe thấy tuyệt đối dâng lên 27dB Điều có nghĩa tạp âm dới 27dB không nghe thấy Nếu sử dụng thang lợng tử có 6dB/bớc nhảy cần bit để mã hóa âm giá trị vi sai 45-27=18dB Nếu mức âm 1KHz tăng lên tới 65dB mức che phủ tăng ên 55dB, giá trị vi sai lúc 10dB mã hóa bit 81 Đồ án tốt nghiệp Việc che phủ tần số trớc sau quan trọng Nh hình vẽ, âm 1KHz làm ngỡng nghe thấy âm tần số xung quanh dâng lên Sự che phủ tần số phía sau quan trọng tăng theo mức âm Điều cho phép giảm độ xác mã hóa cho tần số tín hiệu xung quanh âm che phủ Những âm đơn tần xung quanh KHz có mức âm nhỏ đờng cong che phủ khả cảm nhận không cần thiết phải mã hóa mà không làm ảnh hởng tới chất lợng cảm nhận ngời Hệ thống nén dựa đặc điểm đợc gọi hệ thống nén theo thính giác * Sự che phủ thời gian Để tai ngời nghe thấy, âm tần số đơn phải có mức áp suất âm lớn giá trị ngỡng xác định Tập hợp tất giá trị ngỡng tất âm đơn dải tần nghe đợc tạo nên đờng cong gọi ngỡng nghe thấy tuyệt đối Mức cảm nhận (dB) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Che lấp liên tục Che phủ trước Che phủ sau Tín hiệu che lấp -50 100 50 150 200 250 300 Thời gian (ms) Tín hiệu không nghe thấy Hình 5.2 Sự che lấp thời gian Sự che phủ thời gian tợng tai ngời cảm nhận đợc âm sau âm bắt đầu khoảng 200ms có cảm tởng âm kéo dài khoảng 200ms sau âm dứt Ngoài ra, thính giác không phân biệt đợc khoảng ngừng nhỏ 50 ms hai âm giống liền 5.2 Công nghệ giảm tốc độ nguồn liệu audio số 82 Đồ án tốt nghiệp Công nghệ mã hóa nguồn đợc sử dụng để loại bỏ d thừa tín hiệu audio (khi giá trị vi sai mẫu - mẫu xấp xỉ giá trị 0), công nghệ che lấp dựa mô hình tâm lý thính giác ngời có tác dụng loại bỏ mẫu giá trị cảm nhận (các mẫu không nghe thấy) Có hai công nghệ nén là: * Mã hóa dự báo miền thời gian: sử dụng mã hóa vi sai, mã hóa giá trị chênh lệch mẫu liên tiếp để loại bỏ d thừa thông tin nhằm thu đợc dòng bít tốc độ thấp * Mã hóa chuyển đổi miền tần số: Công nghệ sử dụng khối mẫu PCM tuyến tính biến đổi từ miền thời gian thành số định băng tần miền tần số Hiện tợng che lấp tợng quan trọng xảy miền tần số, để lợi dụng đặc điểm phổ tín hiệu audio đợc phân tích thành nhiều băng phụ có độ phân giải thời gian tầng số phù hợp với bề rộng băng tần tới hạn HAS Mỗi băng phụ chứa số thành phần âm rời rạc Cấu trúc mã hoá audio nh sau: Dã y lọc Bộ phân phối bit Mô hình tâm lý thính giác Lượng tử mã hóa Hình 5.3 Dòng mã hoá Thông ti Phân phối bit Chọn kênh Tín hiệu vào Dòng bit mã hóa Bộ mã hóa tín hiệu audio * Bộ lọc đa băng tần Bộ lọc đa băng tần ( gọi dãy lọc) nhiệm vụ tách phổ tín hiệu thành băng con, có ba cách thực dãy lọc: + Dãy băng con: Phổ tín hiệu đợc chia thành băng tần phụ có độ rộng nh tơng tự nh chia phổ tần thành băng tần tới hạn hệ thống HAS, với tần số nhỏ 500Hz, băng chứa vài băng tần tới hạn Trong công nghệ nén audio, sử dụng số loại lọc băng (nh PQMF Polyphase Quadrrature Mirror Filter) Bộ lọc có độ chồngp phổ thấp thờng đợc sử dụng cho mẫu gần kề mặt thời gian 83 Đồ án tốt nghiệp Trong tiêu chuẩn nén audio MPEG, khung audio gồm 1152 mẫu đợc chia thành 32 băng con, băng chứa 36 mẫu + Dãy chuyển đổi: áp dụng thuật toán DCT có biến đổi (Modified Discrete Consine Transform - MDCT) để chuyển đổi tín hiệu audio miền thời gian thành số lợng lớn băng (từ 256 đến 1024) miền tần số + Dãy lọc cân bằng: Tín hiệu vào trớc tiên đợc chia thành 32 băng nhờ lọc PQMF Sau áp dụng phép biến đổi MDCT cho 18 mẫu băng Kết thu đợc 576 băng hẹp (41,76Hz tần số lấy mẫu 48KHz), việc kết hợp có độ phân giải thời gian khoảng 3,8ms Số lọc dãy phải đợc xác định phù hợp với số tác nhân quan trọng - Dãy lọc có độ phân giải thấp (nghĩa băng tần rộng) cho số lợng băng nhỏ Khi băng chứa hầu hết thành phần âm phổ tín hiệu audio khiến tác dụng che lấp giảm cần nhiều bit để mã hóa thành phần tín hiệu băng Tuy nhiên, số lợng băng giảm thấp giảm đợc mức độ phức tạp mã hóa/ giải mã giữ đợc độ phân giải tốt thời gian - Nếu dãy lọc có độ phân giải cao, cho số lợng lớn băng tần thành phần âm đơn phổ tín hiệu audio không rơi vaò tất băng Khi băng chứa hầu hết thành phần âm không cần mã hóa Bề rộng băng tần hẹp cho khả mô tốt băng tới hạn HAS Tuy nhiên có độ phân giải thời gian thấp dẫn tới tợng có tiếng tạp lanh canh mã hóa tín hiệu audio ngắn Do vậy, sử dụng dãy lọc thích nghi có khả chuyển đổi từ dãy lọc có độ phân giải cao sang dãy lọc có độ phân giải thấp mã hóa tín hiệu audio ngắn Đặc tuyến trình xử lý dãy lọc bao gồm yếu tố: - Độ phân giải thời gian = độ dài mẫu khối lọc x 20,83às, với tần số lấy mẫu 48KHz khoảng cách thời gian mẫu liên tiếp 20,83às - Độ phân giải tần số = bề rộng phổ cực đại / tổng số băng con, với tần số lấy mẫu 48KHz, bề rộng phổ tần tối đa tín hiệu 24KHz - Độ dài khung liệu = số băng x số mẫu khối x 20,83às * Sự phân phối bít Một phép tính mô hình tâm lý thính giác xác tín hiệu PCM đầu vào, sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) đợc thực để xác định nội dung tần số lợng Từ ngỡng nghe đợc đặc tính che phủ tần số HAS, ngời ta tính toán đợc đờng cao che lấp nh minh hoạ hình sau: 84 Đồ án tốt nghiệp Biên độ (dB) Đường bao phổ tín hiệ 110 100 90 80 70 Đường cong che phủ 60 50 40 30 20 10 Sự phân phối Bit (SNR theo tần số) 2k 4k 6k 8k 10k 12k Tần số (Hz) Hình 5.4 Đờng cong che lấp phân phối bit Hình dạng kích thớc đờng cong che lấp phụ thuộc nội dung tín hiệu, thấy sai số đờng bao phổ tín hiệu đờng cong che lấp giảm xuống, điểm có giá trị max 40dB Giá trị sai lệch max định số lợng bit (thông thờng lợng tử hóa 6dB/bit) cần thiết để mã hóa tất thành phần phổ tần tín hiệu audio Quá trình phân phối bit cần đảm bảo tạp âm lợng tử hóa thấp ngỡng nghe đợc Từ đờng cong che lấp, ngỡng che lấp băng đợc xác định, chúng quy định lợng tạp âm lợng tử cực đại chấp nhận băng con, tạp âm bắt đầu trở nên nghe thấy Sau ớc lợng ngỡng che lấp cho băng tần con, tham số xếp loại đợc sử dụng để biến đổi bớc lợng tử băng con, tức biến đổi cấu trúc tạp âm lợng tử cho phù hợp Cuối cùng, mã hóa Huffman đợc sử dụng * Lợng tử hóa Quá trình lợng tử hóa băng tần phổ tín hiệu audio trình không đồng Tức băng đợc lợng tử với bớc lợng tử khác phù hợp với mức lợng nh mức độ che lấp băng tần, bớc lợng tử đợc xác định nhờ phân phối bít * Ghép kênh liệu 85 Đồ án tốt nghiệp Các khối 12 mẫu liệu từ đầu lợng tử hóa đợc ghép kênh với tham số xếp loại tơng ứng chúng thông tin phân phối bít để hình thành nên khung liệu audio dòng bit mã hóa 5.3 Tiêu chuẩn nén Audio MPEG Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 (ISO/IEC 11172-3) thờng đợc biết dới tên gọi MUSICAM (maskingpatten Universal Subanl Intergrated Coding and Multiplexing) gồm ba lớp (layer) mã hóa I, II III tơng ứng với hiệu nén độ phức tạp tăng dần, đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đặc biệt phát - truyền hình Tiêu chuẩn nén audio MPEG - (ISO/IEC 13818-3) bớc phát triển mở rộng dựa MPEG -1 Phơng thức nén Dolby AC -3 ứng dụng hệ HDTV số Grand Alliance (ATSC) biến thể từ audio MPEG-2 Đối với lĩnh vực truyền hình, tiêu chuẩn MPEG có điểm bật đảm bảo khả đồng video audio phân kênh giải nén Những đặc tính kỹ thuật tiêu chuẩn nén audio MPEG - MPEG -2 đợc trình tóm tắt bảng sau: MPEG-1 16 bit 48HKz ữ 44,132KHz Độ phân giải đầu vào Tần số lấy mẫu MPEG-2 16 bit, lên tới 24 bit 48 KHz ữ 44,132KHz 24KHz ữ 22,0516KHz Tốc độ bit Tự do, lên đến Tự do, lên đến 448Kb/s 256Kb/s Số lợng kênh kênh với mode: kênh: Left, Right, Center, mono, Stereo, dual, Left, Surround, Right joint stereo Surround LFE (kênh tăng cờng tần số thấp) Tính tơng hợp Thuận ngợc Khả co giãn 0 Các kênh Left, Right 1 đợc giải mã độc lập Dã y lọc 2 DL đầu vào Lượng 32 Xếp loại n n , MPEG - II Bảng 5.1 Đặcn điểm Audio MPEG-1 tử hóa lăng trụ Multiplexer 31 Biến đổi FFT 512 1024 điểm 31 Ngưỡng che lấp 31 phân phối tham số xếp loại, bít động mã hoá Dòng bit mã hóa - Phân phối bit - Tham số lại chết Dữ liệu phụ 86 Đồ án tốt nghiệp Hình 5.5 Sơ đồ khối mã hóa audio MPEG 87 Đồ án tốt nghiệp Kết luận Tiêu chuẩn MPEG biểu diễn phơng pháp mã hóa tín hiệu audio video Ưu điểm quan trọng tiêu chuẩn khả mã hóa tín hiệu video có dạng khả tăng cao dung lợng kênh truyền hình Ưu điểm khiến cho tiêu chuẩn MPEG đợc chấp nhận nhiều nớc sử dụng tiêu chuẩn truyền hình 625 dòng/50Hz (dự án DVB) 525 dòng/60Hz (dự án Grand Alliance) Kết cho thấy phơng pháp nén MPEG cho phép làm giảm tốc độ bít tín hiệu video có độ phân giải tiêu chuẩn (625,525 dòng) xuống khoảng Mb/s mà đảm bảo chất lợng tiêu chuẩn cho Studio (4:2:2) Đối với tín hiệu HDTV/ATV, tốc độ bit đợc nén xuống khoảng 20Mb/s Dung lợng kênh truyền hình tiêu chuẩn sử dụng điều chế số 20 40Mb/s (phụ thuộc vào phơng pháp điều chế mức độ bảo vệ sai số truyền) Điều có nghĩa kênh, truyền đợc số chơng trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn - chơng trình truyền hình độ phân giải cao HDTV, việc hạn chế theo lớp tín hiệu cho phép truyền đồng thời tín hiệu truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn độ phân giải cao Phơng pháp nén MPEG phơng pháp nén có thông tin, có nghĩa gây méo ảnh Cần phải nói thêm rằng, phơng pháp nén MPEG phơng pháp nén ảnh Nếu dùng phơng pháp khác nh FT (Fractal Transpormation - biến đổi thành phần) Waveler (mã hoá dạng sóng ba chiều) cho phép đạt kết nh tốt Các phơng pháp đợc tiếp tục nghiên cứu nhng tơng lai gần cha cạnh tranh đợc với thuật toán DCT MPEG Hiện nay, tiêu chuẩn MPEG - đợc sử dụng nhiều thiết bị truyền hình số (VTR, camera, dựng hình, kỹ xảo ) thông tin đa phơng tiện (Multimedia) có xu hớng phát triển mạnh Việt Nam Do áp dụng kỹ thuật đại, việc nén số liệu thông tin đạt đợc tỉ số nén cao đảm bảo đợc chất lợng tín hiệu đợc ngời sử dụng chấp nhận Tuy nhiên nâng cao tỷ số nén cần phải quan tâm đến yêu cầu chất lợng hình ảnh, âm Đối với số liệu video có tỷ số nén cao nhiều so với tỷ số nén số liệu thông thờng, đặc biệt so với tỷ số nén có số liệu âm đạt đợc tỷ số nén thấp (từ 4:1 đến 8:1) ràng buộc riêng loại liệu Trong năm tới, hi vọng Việt Nam số hoá truyền hình, đa mạng truyền hình Việt Nam hoà vào hệ thống truyền hình nớc giới 88 Đồ án tốt nghiệp Đến đây, xin kết thúc đồ án tốt nghiệp : nghiên cứu nén tín hiệu truyền hình số Tôi bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy giáo Trần thọ tuân hớng dẫn, tạo điều kiện cho hoàn thành đồ án tốt nghiệp 89 Đồ án tốt nghiệp Mục lục Lời nói đầu Trang Chơng I: Hiện trạng xu hớng phát 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2 1.3.3.3 1.3.3.4 2.1 2.2.2 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.3.3.1 1.3.3.2 triển truyền hình số Truyền hình số vấn đề đặt đ- ờng chuyển đổi công nghệ Giới thiệu tổng quan truyền hình số Đặc điểm chung truyền hình số Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số Khái niệm DVB Giới thiệu chung Cơ sở lý thuyết cho tiêu chuẩn DVB Một số tiêu chuẩn DVB Truyền hình số qua vệ tinh (DVB - S) Truyền hình số qua mạng cáo (tiêu chuẩn DVB - C) Truyền hình số qua mạng cáp (tiêu chuẩn DVB - C) Nhận xét Chơng 2: Các tiêu chuẩn truyền hình số Chuẩn ATSC Đặc điểm chung Phơng pháp điều chế VSB tiêu chuẩn ATSC Máy phát VSB Máy thu VSB Chuẩn DVB Đặc điểm chung Phơng pháp điều chế COFDM tiêu chuẩn DVB Phần II: Nén tín hiệu số Chơng I: Tổng quan nén Khái niệm chung Định nghĩa Mục đích nén tín hiệu số Mã hoá (Coder) giải mã D (Dicoder) Mã hoá dự đoán (Predictive coding) Mã hoá chuyển đổi (Transform Coding) Chơng II: Một số công nghệ nén 90 Đồ án tốt nghiệp 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.5 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.5.1 2.1.5.2 2.1.5.3 2.1.6 2.2 2.2.1 2.2 2.2.3.3 2.2.3.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 Nén vidieo: Điều xung mã vi sai - DPCM (Differrential puse code modulation) Xử lý giải tơng hỗ công nghệ DPCM Kỹ thuật tạo dự báo Sai số dự báo (Prendiction error) Tạo dự báo cho ảnh truyền hình - phơng thức thực 34 Tạo dự báo intra (intra prediction) Sự giảm tốc độ dòng bít từ việc tạo giá trị dự báo Lợng tử hoá sai số dự báo Khái niệm bù chuyển động (motion compensation) vectơ chuyển động (motion vecto) Ước lợng chuyển động phơng pháp tìm kiếm khối tơng đồng (Block matching) Tìm kiếm ba bớc véc tơ chuyển động Giải thuật tìm kiếm hai chiều Giải thuật tìm kiếm hai hớng liên hợp Hệ thống DPCM có bù chuyển động Nén Video: Công nghệ mã hoá chuyển đổi (Tc Tranform Coding) Xử lý giải tơng hỗ công nghệ TC Biến đổi cosin rời rạc (discrete cosine tranform - DCT) Lợng tử hoá lấy mẫu vùng (zonal sampling) Lợng tử hoá có trọng số Quét hệ số DCT Mã hoá hệ số DCT Hệ thống nén Video công nghệ mã hoá chuyển đổi Sự kết hợp công nghệ nén Chơng 3: Nén Video theo chuẩn MPEG Khái quát tiêu chuản nén Nén video theo MPEG - Các thành phần ảnh chuẩn nén MPEG Sự phân loại ảnh MPEG Tiêu chuẩn MPEG - Hệ thống nén MPEG - Nén tín hiệu video theo MPEG - Tiêu chuẩn nén video MPEG -2 Khả co giãn MPG - 91 Đồ án tốt nghiệp 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2 3.4.3.3 3.4.3.4 3.4.4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.3 MPEG - : Profile Level Ghép kênh Audio - Viedeo số theo tiêu chuẩn MPEG -2 Hệ thống truyền tín hiệu MPEGDòng liệu đóng gói, dòng chơng trình dòng truyền tải Dòng liệu đóng gói (Packetized Elementary Stream - PES) Dòng chơng trình (Program Stream - PS) dòng truyền tải (Transport Stream - TS) Dòng truyền tải MPEG - Tính linh hoạt dòng truyền tải Khả liên vận hành dòng truyền tải Sự phân loại dòng truyền tải - dòng truyền tải đa chơng trình Thông tin đặc tả chơng trình PSI (Program specific information) Đình thời đồng sử dụng dòng truyền tải MPEG - Chơng 4: Nén tín hiệu Audio Cơ sở nén liệu audio Mô hình tâm lý thính giác Sự che lấp tín hiệu audio Công nghệ giảm tốc độ nguồn liệu audio số Tiêu chuẩn nén Audio MPEG Kết luận Mục lục 92