ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤTỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM THỊ DỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ

MẶT ĐẤT

HẢI PHÒNG - 2015

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM THỊ DỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ

MẶT ĐẤT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: D52027

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn: ThS NGUYỄN THANH VÂN

HẢI PHÒNG - 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Trường Đại Học HàngHải, những người đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn em làm khóa luận, đó lànhững nền tảng cơ bản và những hành trang vô cùng quý giá để em bước vào sựnghiệp trong tương lai

Em xin chân thành cám ơn cô Ths Nguyễn Thanh Vân đã tận tình chỉ bảohướng dẫn góp ý về nội dung, hình thức khóa luận cho em từ những ngày đầuthực hiện

Trong quá trình làm khóa luận vì chỉ dựa vào những lí thuyết được học

mà chưa có kinh nghiệm thực tế cùng với thời gian còn hạn hẹp nên chắc chắn

sẽ không tránh khỏi sai sót.Em rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét từ phíacác thầy, cô để bài làm của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày21 tháng 11 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Dự

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tôi đã tìm hiểu và thamkhảo một số tài liệu về chuyên ngành điện tử- viễn thông Tôi xin cam đoạn đềtài này do chính tôi thực hiện, các kết quả phân tích và số liệu trong đề tài làtrung thực không trùng với đề tài nghiên cứu khoa học nào Các tài liệu, thôngtin tham khảo trong khóa luận được trích dẫn nguồn cụ thể

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I:TRUYỀN HÌNH SỐ 2

1.1 Tổng quan về truyền hình số 2

1.1.1 Khái quát chung 2

1.1.2 Đặc điểm của các thiết bị truyền hình số 3

1.2 Tín hiệu video số 5

1.2.1 Khái quát chung 5

1.2.2 Quá trình số hóa tín hiệu video 5

1.2.3 Phương pháp nén tín hiệu video số 11

1.2.4 Chuẩn nén tín hiệu số MPEG-2 12

1.3 Truyền dẫn tín hiệu số 16

1.3.1 Mã hóa tín hiệu số 16

1.3.2 Điều chế tín hiệu số 19

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT OFDM 21

2.1 Sơ đồ khối thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 22

2.2 Các phương pháp điều chế trong OFDM 23

2.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 23

2.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 24

2.2.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 25

2.3 Đặc điểmcủa kỹ thuậtOFDM 28

2.3.1 Đặc tính trực giao 28

2.3.2 Biến đổi Fourier trong OFDM 29

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 31

3.1 Tổng quan về truyền hình số mặt đất 31

3.2 Hệ thống DVB-T 32

3.2.1 Phần phát 33

3.2.2 Phần thu 34

3.3 Tổ chức kênh trong OFDM 35

3.3.1 Phân chia kênh 35

3.3.2 Chèn các sóng mang phụ vào các khoảng tần số 36

3.3.3 Chèn khoảng bảo vệ 37

3.3.4 Tín hiệu pilot và đồng bộ kênh truyền 37

3.3.5 Tín hiệu tham số truyền 38

3.3.6 Cấu trúc khung OFDM 39

3.4 Ưu- nhược điểm của hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM 40

3.4.1 Ưu điểm của OFDM 40

3.4.2 Nhược điểm của OFDM 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT A/D Analog to digital – Bộ biến đổi tương tự-số.

BIPH Bi Phase – Mã 2 pha

OFDM Orthoginal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao

COFDM Code Orhoginal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh

phân chia theo tần số mã trực giao

DCT Discrete Cosin Transfom – Biến đổi cosin rời rạc

DFT Discrete Fourier Transferal – Biến đổi Fouier rời rạc

DPCM Differential Pulse Code Modulation - Điều chế xung mã vi sai

FDM Frequency Division Multiplex - Ghép kênh phân chia theo tần số

DVB-T Digital Video Broadcasting-Terrestrial - Hệ thống truyền hình số

mặt đất

FFT Fast Fourier Transfom - Biến đổi Fourier nhanh

HDTV High Definition Television - Truyền hình số phân giải cao

ICI I Carrier Interfrence - Nhiễu song mang

RF Rayleigh fading - Tần số vô tuyến

ISI Intersymbol Interfrence International - Nhiễu ký hiệu

NRZ None Return To Zero - Mã nhị phân không về không

RZ Return To Zero - Mã nhị phân về không

PSK Phase Shift Keying - Điều chế pha số

QAM Quadrature Amplitude Modulation - Điều chế pha cầu phương

BER Bit Error Rate Lỗi bit

MPEG Moving Picture Expert Group - Nhóm chuyên gia về hình ảnh

động

GOP Group Of Pictures - Nhóm ảnh

IDFT Inverse Discrete Fourier Transferal – Biến đổi Fouier ngược rời rạc

IFFT Inverse Fast Fourier Transformation – Biến đổi Fourier ngược

nhanh

AWGN Additive White Gaussian Noise – Nhiễu trắng cộng.

QPSK Quaternary Phase Shift Keying – Điều chế số

BPSK Binary Phase Shift Keying – Điều chế pha nhị phân

TPS Transmission Parameter Signalling -Thông số phát

1.9 Cấu trúc phân lớp video MPEG-2 161.10 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 4_PSK 191.11 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 202.1 Sơ đồ khối thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số 222.2 Mật độ phổ tín hiệu của một sóng mang đơn 232.3 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang 242.4 Mật độ phổ năng lượng của các sóng mang trực giao 262.5 Phổ tín hiệu FDM và OFDM 263.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất 313.2 Sơ đồ khối phần phát DVB-T 333.3 Sơ đồ khối phần thu DVB-T 343.4 Mô tả sự phân kênh của COFDM 363.5 Sơ đồ sắp xếp các sóng mang phụ 36

3.7 Phân bố các pilot của DVB-T 38

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ những năm gần đây đã kéotheo các nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động Kỹ thuật điều chế đasóng mang trực giao(OFDM) đang là một trong những lĩnh vực được nghiên cứuhàng đầu hiện nay OFDM được sử dụng rộng rãi trong mạng vô tuyến do nó cókhả năng khắc phục được rất nhiều vấn đề trong mạng vô tuyến như giảm ảnhhưởng của phading, hiệu ứng đa đường, loại bỏ hầu hết giao thoa giữa các sóngmang và giữa các ký hiệu

OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao

số không đối xứng, mạng cục bộ không dây Ở Việt Nam kỹ thuật OFDM đãđược ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như ADSL,Wimax, DVB-T…Trong đó truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T hiện đang phổbiến và có tiềm năng phát triển lâu dài ở các nước trên thế giới Với nhiều ưuđiểm về mặt kỹ thuật và các điều kiện tự nhiên- xã hội, DVB-T đang được triểnkhai và áp dụng ở Việt Nam

Nội dung của khóa luậnbao gồm:

 Tổng quan về truyền hình số

 Nguyên lý và kỹ thuật cơ bản của OFDM

 Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất( tiêu chuẩn Châu Âu)

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang hiện còn rất mới mẻ và tương đói phứctạp.Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên bài làm của em còn nhiều thiếusót, vì vậy kính mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn

CHƯƠNG I:TRUYỀN HÌNH SỐ

1.1 Tổng quan về truyền hình số

1.1.1 Khái quát chung

Hiện nay, ngành kỹ thuật điện tử và tin học đang có những bước phát triển vượt bậc vì vậy mà việc truyền dẫn tương tự các chương trình truyền hình dần trở nênyếu kém cả về số lượng và chất lượng Với nhiều tiến bộ hơn so với tín hiệu truyền hình tương tự trong việc tạo, lưu trữ, ghi-đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng ảnh, tín hiệu truyền hình số đang dần khẳng định vị trí của mình thay vì tín hiệu truyền hình tương tự trong một số thiết bị truyền hình Vì vậy mà mục tiêu của ngành công nghiệp truyền hình toàn thế giới là xây dựng một hệ thống truyền hình sử dụng hoàn toàn kỹ thuật số chất lượng tốt, phân phối dễ dàng

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số được trình bày như sau:

Hình 1.1.Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số.

Ta thấy:

Tín hiệu truyền hình tương tự ở đầu vào sẽ được các thiết bị truyền hìnhtiếp nhận để đưa vào khối biến đổi A/D Khối biến đổi A/D sẽ thực hiện biếnđổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Tín hiệu thu được tại đầu ra của bộ biếnđổi A/D được mã hóa nguồn, khối mã hóa nguồn sẽ nén các tín hiệu truyền sốcó tốc độ dòng bit cao thành dòng bit có tốc độ thấp hơn Dòng bit sau khi nén

sẽ đi đến thiết bị phát qua kênh thông tin để đưa tới thiết bị thu

Ở phía thu, tín hiệu truyền hình số thực hiện quá trình xử lý tín hiệu ngượclại với phía phát.Tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự thông quakhối giải mã tín hiệu.Hệthống truyền hình số sẽ xác định cấu trúc mã hóa vàgiải mã tín hiệu truyền hình

1.1.2 Đặc điểm của các thiết bị truyền hình số

a Về băng tần

Yêu cầu về băng tần sẽ thể hiện sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tínhiệu tương tự Tín hiệu số sẽ có yêu cầu băng tần rộng hơn.Trong hệ NTSC là14,4MHz, nếu thực hiện mã hóa cho từ mã dài 8 bit tốc độ bit sẽ là 115,2Mbit/skhi đó độ rộng băng tần khoảng 58MHz Trong khi đó tín hiệu tương tự cầnbăng tần 4,25Mhz.Yêu cầu động rộng băng tần sẽ tăng lên khi xuất hiện các bitsửa lỗi Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dựbáo cũng làm tăng khả năng giảm băng tần tín hiệu

b Méo phi tuyến

Trong quá trình ghi và truyền tín hiệu số sẽ không bị ảnh hưởng bởi méophi tuyến.Tính chất này rất quan trọng trong quá trình ghi-đọc chương trìnhnhiều lần,đặc biệt đối với hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuếchđại vi sai như NTSC.

c Tỷ lệ S/N (Signal/Noise)

Khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghiđược xem là ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số

Các mạch sửa lỗi sẽ khắc phục nhiễu các bit lỗi (xung “on” chuyển thành

“off”) trong tín hiệu số.Các mạch này có khả năng khôi phục lại dòng bit nhưban đầu.Trong trường hợp có quá nhiều bit lỗi người ta sử dụng phương phápche lỗi để làm giảm ảnh hưởng của nhiễu.Tỷ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm rất íthoặc giữ nguyên cho đến khi lỗi bit BER(Bit Error Rate) quá lớn làm các mạchsửa lỗi và che lỗi mất tác dụng.Lúc này,dòng bit sẽ không còn ý nghĩa tin tức

d Giá thành và độ phức tạp

Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn mạch tương tự nên giá thành cácthiết bị trong mạch số sẽ cao hơn.Nhờ sự phát triển của ngành công nghiệptruyền thông đã cho ra đời các mạch tích hợp lớn và rất lớn làm giảm giá thànhthiết bị

e Chồng phổ (Aliasing)

Trong truyền hình số tín hiệu sẽ được lấy mẫu ở cả hai chiều thẳng đứng

và ngang nên có thể xảy ra chồng phổ ở cả hai hướng.Theo chiều thẳng đứngchồng phổ ở cả hai hệ thống số và tương tự là như nhau.Theo chiều ngang, các

thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist sẽ quy định độ lớncủa méo chồng phổ.Sử dụng tần số lấy mẫulớn hơn hai lần thành phần tần sốlớn nhấttrong hệ thống tương tự để loại bỏ hiện tượng này.

f Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh được cho phép thựchiện ở một khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không

bị nhiễu Nguyên nhân do tín hiệu số ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu đồng kênh và cókhả năng xung xóa, xung đồng bộ bằng từ mã

Khi giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh đồng thời giảm băng tầntín hiệu sẽ giúp các trạm phát hình có thể phát các chương trình có độ phân giảicao HDTV như các hệ thống truyền hình hiện nay

g Xử lý tín hiệu

Tín hiệu còn lại sau biến đổi A/D là một chuỗi các số, bit “0” và “1” có thểthực hiện các công việc phức tạp mà không làm ảnh hưởng tới chất lượngảnh.Khả năng này được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và đọc ravới tốc độ nhanh Tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng các công việc như: giảm

độ rộng băng tần, sửa lỗi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn…

h Hiệu ứng Ghosts (bóng ma)

Có thể sử dụng phương pháp tránh nhiễu đồng kênh để làm giảm hiệu ứngbóng ma.Với các ưu điểm đó hệ thống truyền hình số đang dần thay thế hệthống truyền hình tương tự kết hợp với các mạng truyền thông và các ngành

công nghiệp khácmở ra một thế giới thông tin số đáp ứng các nhu cầu của conngười.

1.2 Tín hiệu video số

1.2.1 Khái quát chung

Việc số hóa tín hiệu truyền hìnhchính là sự biến đổi từ tín hiệu tương tựthành tín hiệu dạng số.Công nghệ truyền hình số có nhiều ưu điểm vượt trội hơn

so với công nghệ truyền hình tương tự

Quá trình số hóa được thực hiện theo trình tự: lấy mẫu, lượng tử hóa,sốhóa.Trong số hóa tín hiệu truyền hình cần tập trung nghiên cứu đến:

 Tần số lấy mẫu

 Phương thức lấy mẫu

 Tỷ lệ giãn tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu

 Nén tín hiệu video

1.2.2 Quá trình số hóa tín hiệu video.

a Lấy mẫu tín hiệu video

 Tần số lấy mẫu

Chuỗi các mẫuthu được trongquá trình gián đoạn theo thời gian bằng tần

số lấy mẫu f sađược gọi là quá trình lấy mẫu tín hiệu tương tự.Tín hiệu sau khilấy mẫu phải mang đủ thông tin của dòng tín hiệu vào Biên độ tín hiệu tương tựđược lấy mẫu với chu kỳ T sa thu được chuỗi các xung hẹp với tần số lấy mẫuđược tính bởi công thức:

f sa=T1

saTrong đó f sa là tần số lấy mẫu

T salà chu kỳ lấy mẫu

“Thực tế việc lấy mẫu tín hiệu dựa trên cơ sở của định lý Nyquist:tần số lấymẫu f sa phải lớn hơn hai lần tần số cao nhất của tín hiệu cần lấy mẫu (f sa≥2 f max =

f c)”

 Phổ tần số lấy mẫu lý tưởng( hinh 1.2) khi tín hiệu băng cơ bản có dảithông f c và và tần số lấy mẫu 2f c Như vậy dải biên trên và dải biên dướiđều có dải thông là f c với tần số này, không xuất hiện nhiễu giữa băng cơbản và dải bên dưới

Hình 1.2 Phổ của tần số lấy mẫu lý tưởng

 Trường hợp lấy mẫu với tần số nhỏ hơn 2f c một phần dải biên dưới của tín hiệu lấy mẫu chồng lên phổ tín hiệu băng cơ bản.

Hình 1.3.Méo do chồng phổ

 Cấu trúc lấy mẫu

Tín hiệu hình ảnh trên camera và đượchiển thị trên màn hình mang thôngtin về đồng bộ theo mành và dòng.Vậy nên muốn khôi phục lại chính xác hìnhảnh thìtần số lấy mẫu liên quan đến tần số dòng.Nghiên cứu cho thấy tần số lấymẫu phải là bội của tần số dòng.Điểm lấy mẫu trên các dòng quét kề nhau sẽthẳng hàng với nhau và sẽ tránh được các hiệu ứng méo đường biên gây ra

Như vậy việc lấy mẫu sẽ phụ thuộc vào thời gian và tọa độ các điểm lấymẫu Vị trí các điểm lấy mẫu hay cấu trúc lấy mẫu được xác địnhtheo thời gian

trên các dòng và các mành.Ta thu được hình ảnh tốt nhất khi tần số lấy mẫu phùhợp ới cấu trúc lấy mẫu.

Có 3 dạng cấu trúc các điểm lấy mẫu:

 “Cấu trúc trực giao:Các mẫu được sắp xếp thẳng hàng theo chiều đứng.Cấu trúc này là cố định theo mành và theo hai ảnh( hai mành)

 “Cấu trúc “quincunx” dòng: Các mẫu trên các dòng kề nhau của mộtmành sẽ lệch một nửa chu kỳ lấy mẫu, còn các mẫu trên dòng một mành so vớicác mẫu trên dòng tiếp sau(mành 2) sẽ lệch một nửa chu kỳ lấy mẫu.”

Hình 1.6 Cấu trúc “quincunx” dòng

Tùy thuộc vào cấu trúc lấy mẫu ta có dạng méo ảnh đặc trưng.Trong cấutrúc trực giao độ phân giải ảnh giảm Ở cấu trúc “quincunx” mành xuất hiệnnhấp nháy các điểm ảnh, còn cấu trúc “quincunx” dòng sẽ xuất hiện các vòngtròn theo chiều ngang.Từ đó ta thấycấu trúc trực giao sẽ cho chất lượng ảnh tốtnhất vì độ phân giải giảm khiến mắt người dễ chịu hơn so với hai loại méo cònlại

b Lượng tử hóa tín hiệu video

Ngay sau quá trình biến đổi A/D là quá trình lượng tử hóa tín hiệu.Quátrình này sẽ biến đổi chuỗi các mẫu với một số vô hạn biên độ thành các mẫuvới một số hữu hạn biên độ.Lượng tử hóa tín hiệu rời rạc bao gồm việc chiabiên độ thành nhiều mức (mức lượng tử) và sắp xếp mỗi vị trí của mẫu bằngmột mức.Khoảng cách giữa hai mức kề nhau được gọi là bước lượng tử

Có hai phương pháp lượng tử hóa:

 Lượng tử hóa tuyến tính.

 Lượng tử hóa phi tuyến

Công thức xác định giá trị lượng tử là:

Q = 2N

Trong đó: N là số bit trên một mẫu Với N=8bit/mẫu sẽ ứng với 256khoảng lượng tử, N= 10 bit/mẫu là 1024 khoảng lượng tử.Đỉnh của các mẫucùng nằm trong một khoảng lấy mẫu sẽ được biểu diễn cùng một số,các mẫu sẽkhôi phục lại cùng một biên độ sau khi được giải mã

Các giá trị nhận được của các mẫu số trong quá trình lượng tử hóa sẽ khácvới các giá trị này trong nguồn khi lấy mẫu,khi đó sai số này được gọi là sai sốlượng tử.Trong sai số lượng tử các nguồn nhiễu là không thể tránh khỏi,mỗimẫu khôi phục sẽ kèm theo sai số trong phạm vi Q/2

Tín hiệu sau khi lượng tử hóa x’(t) không đồng nhất với tín hiệu trước khilượng tử x(t),được gọi là sai số lượng tử ε(t)

ε(t) = | x(t) – x’(t) |

Trong đó: - ε(t) : nhiễu lượng tử

- x(t) : giá trị các mẫu tín hiệu trước khi lượng tử

- x’(t) : giá trị các mẫu tín hiệu sau khi lượng tử

Sai số lượng tử làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu ban đầu,làm méodạng sóng, tăng hiệu ứng viền không mong muốn.ε(t) còn được gọi là méolượng tử.

c Mã hóa tín hiệu video

Mã hóa là quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tintức.Mã hóa là khâu cuối cùng của bộ biến đổi A/D.Dữ liệu sau khi mã hóa sẽ cótính chồng nhiễu cao hơn,tốc độ hình thành tương đương khả năng thông quacủa kênh

Các mức tín hiệu được lượng tử hóa thành chuỗi các bit “0” và “1”.Độ dàicủa dãy tín hiệu nhị phân sẽ được tính bằng số lượng các con số “0” và “1”đượcgọi là từ mã nhị phân.Từ mã nhị phân sẽ chỉ ra số lượng mức sáng,mức tối vàmàu sắc hình ảnh được ghi nhận và biến đổi.Độ dài từ mã nhị phân tỷ lệ thuậnvới chất lượng của quá trình biến đổi

Người ta sử các loại mã sơ cấp trong các thiết bị của trung tâm truyền hình

số để mã hóa tín hiệu truyền hình và xử lý số

- Mã NRZ (Non Return to Zero): không trở lại mức không

- Mã RZ (Return to Zero) : trở lại mức không

- Mã BiPh (Bi Phase) : hai pha

Dạng biểu diễn một mã sơ cấp sẽ được xác định nhờ dạng tín hiệu hay còngọi là dạng mã

1.2.3 Phương pháp nén tín hiệu video số

Các hệ thống nén số liệu là sự kết hợp của nhiều kỹ thuật xử lý mục đích

để giảm tốc độ bit của tín hiệu số nhưng chất lượng ảnh vẫn được đảm bảo.Quanhiều năm đã có nhiều kỹ thuật nén ra đời nhưng chỉ có một vài kỹ thuật được

áp dụng cho việc nén video số

Dựa theo đặc tính có hai dạng nén là nén không tổn hao và nén có tổn hao:

a Nén không tổn hao

Nén không tổn hao thực chất là loại bỏ độ dư thừa trong dòng bit video màvẫn giữ được thông tin đồng thời có thể khôi phục dòng bit ban đầu sau khi giảinén.Loại nén này có tỷ lệ nén không cao (tỷ lệ nén thường là 2:1) Ta có một số

kỹ thuật nén không tổn hao như:

- Dùng phép biến đổi thuận DCT (Discrete Cosine Transform): sử dụng hệ sốDCT để biểu diễn các giá trị điểm ảnh

- Mã hóa RLC (Run Length Coding): tạo các mã đặc biệt chỉ thị điểm bắt đầu,kết thúc nhờ sự lặp lại cùng giá trị mẫu dữ liệu

- VLC (Variable Length Coding): Kỹ thuật này dựa vào xác suất các giá trịbiên độ giống nhau trong một ảnh, thực hiện gán một mã ngắn cho giá trị có xácsuất xuất hiện cao nhất và gán từ mã dài cho các giá trị còn lại

Như vậy trong các quá trình trên tín hiệu không tích cực đã được loại bỏ,tốc độ dòng bit gốc sẽ là tốc độ nội dung vùng ảnh tích cực.Các thông tin nhậnbiết khoảng xóa mành,xóa dòng được thay bởi các từ mã đồng bộ ngắn hơn

b Nén có tổn hao

Việc loại bỏ những thông tin không cần thiết của hình ảnh và giữa các ảnh

để tăng hiệu quả nén được thưc hiện nhờ nén tổn hao.Loại nén này đạt tỷ lệ nén

từ 2:1 đến 100:1, chất lượng ảnh sẽ bị giảm sau khi giải nén và có tổn hao dữ

liệu.Dựa trên cơ sở đặc điểm của mắt người chỉ truyền các thông tin mà mắtngười có thể cảm nhận được.Kỹ thuật nén có tổn hao gồm:

- Lấy mẫu băng con cho các tín hiệu: chia ảnh thành các tổ hợp khối lớn MB(Macro Block), mỗi MB gồm 4 khối con không chồng nhau.Mỗi Block có kíchthước 8x8 pixel

- Lượng tử hóa các hệ số DCT và làm tròn

- Sử dụng phương pháp điều chế xung mã vi sai DPCM (Differential PulseCode Modulation): thực hiện truyền phần chênh lệch giữa các mẫu.Mỗi giá trịmẫu sẽ được truyền theo chu kỳ.Các thành phần tần số cao được lượng tử hóathô sau đó tín hiệu được nén bằng cách mã hóa entropy và các mã không tổnhao Huffman, RLC.Quá trình này cho phép biểu diễn một khối các byte củađiểm ảnh bằng số lượng bit nhỏ, hiệu quả kinh tế và giảm tốc độ dữ liệu chophù hợp

1.2.4 Chuẩn nén tín hiệu số MPEG-2

a Giới thiệu chung

Năm 1988 nhóm chuyên gia về hình ảnh động MPEG (Moving PictureExpert Group) được thành lập do các tổ chức ISO,IPEC mục đích nghiêncứu,soạn thảo các tiêu chuẩn nén audio,video số.Ban đầu MPEG đưa ra 3 tiêuchuẩn:

- MEPG-1: nén các tín hiệu audio, video số để tốc độ bit ≤ 1,5Mb/s dùng choghi hình trên băng từ, đĩa CD-ROM, truyền dẫn trên mạng cục bộ

- MPEG-2: nén tín hiệu audio, video số để tốc độ bit ≤ 15Mb/s cho truyền hình

số có độ phân giải tiêu chuẩn(SDTV)

- MPEG-3: nén tín hiệu audio, video số để tốc độ bit ≤ 40Mb/s cho truyền hình

độ phân giải cao(HDTV).Năm 1992 MPEG-2 và MPEG-3 được hợp nhất trongMPEG-2

- Năm 1994 tiêu chuẩn MPEG-4 ra đời có tốc độ bit xấp xỉ 64Kb/s dùng chođiện thoại hình ảnh động(videophone)

- Năm 1996 tiêu chuẩn MPEC-7 ra đời, gồm các tiêu chuẩn cho môi trườngứng dụng Multimedia.

b Cấu trúc nén MPEG

MPEG thực chất gồm nhiều loại ảnh có sự linh hoạt để so sánh giữa hiệuquả mã hóa và truy cập ngẫu nhiên.Một số loại ảnh điển hình như: loại I,P,B vàD

 Nhóm ảnh (GOP)

MPEG sử dụng các loại ảnh I, P, B Loại ảnh P và B chỉ chứa sự khác nhaugiữa ảnh và ảnh xuất hiện trước đó hay chính là sự khác nhau với cả khuôn hìnhtrước đó.GOP xuất hiện nhằm mục đích tạo nên một khuôn hình hoàn chỉnhảnh.Mỗi GOP sẽ phải bắt đầu bởi một ảnh I và tiếp sau là một loạt ảnh P và B.GOP có thể mở hoặc đóng như hình sau:

Hình 1.7 Cấu trúc GOP mở

Hình 1.8 Cấu trúc GOP đóng

Nhóm ảnh (GOP) mở sẽ xuất phát từ ảnh I, kết thúc ở một ảnh trước ảnh I tiếp đó, nghĩa là ảnh cuối cùng của GOP chính là ảnh đầu tiên của GOP tiếp đó làm ảnh chuẩn

c Nén chuẩn MPEG-2

Để giảm lượng thông tin nguồn video, audio người ta sử dụng kỹ thuật nénMPEG-2 hay còn gọi là kỹ thuật mã nguồn Chuẩn nén MPEG-2 có tỷ lệ nén cao do sự kết hợp các kỹ thuật nén từng khung hình và nén giữa các khung hình,

kỹ thuật “dự đoán bù chuyển động” MPEG-2 sẽ phân chia các hình ảnh thành nhóm ảnh (GOP).Chuẩn nén MPEG sẽ phân các ảnh được xử lý thành ba loại ảnh là ảnh I, P, B

 Cấu trúc các lớp của dòng dữ liệu video theo chuẩn MPEG-2

Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 có dạng phân lớp gồm 6 lớp được nêu trong bảng sau:

Bảng 1.1 Cấu trúc các lớp của dòng dữ liệu video theo chuẩn MPEG-2.

Sequence Gồm nhiều GOP Dòng bit video

GOP Gồm 1 đến n ảnh bắt đầu

bằng ảnh I

Đơn vị truy xuất

Picture Gồm nhiều Slice Đơn vị mã hóa cơ

bảnSlice Gồm nhiều Macroblock Đơn vị tái đồng bộ

để phục hồiMacrobloc

k (MB)

Với chuẩn 4:2:2 gồm 4block Y, 2 block C R và 2

block C B

Đơn vị bù chuyển

động

Block Gồm 8x8 pixel Đơn vị tính DCT

- Lớp Sequence: Là lớp biểu thị cao nhất khi chuỗi dữ liệu video thay đổi mà chủ yếu là do khi chèn các chương trình Lớp này gồm: tỷ số nén, số lượng điểm ảnh theo chiều ngang, dọc, số ảnh/giây, kích thước cần thiết cho bộ nhớ đệm ở giải mã, tốc độ bit

- Lớp GOP: Biểu diễn nhóm các ảnh tổ hợp từ các ảnh I, P, B

- Lớp Slice: Chịu trách nhiệm về khâu đồng bộ ảnh Nó bao gồm các nhận dạng các đầu gói của ảnh đã truyền Mỗi Slice gồm 16 đoạn chứa tối thiểu 16 pixel

- Lớp Macroblock: Làm nhiệm vụ xác định lượng thông tin dùng cho lớp Slice

và thông tin của các vector bù chuyển động

- Lớp Block: Gồm 8x8 pixel Các thông tin của ảnh gốc cần truyền trong ảnh I

sẽ được mã hóa bằng hệ số DCT Với ảnh P và B thì chỉ cần truyền các thôngtin khác nhau giữa các ảnh

Hình 1.9 Cấu trúc phân lớp video MPEG-2

1.3 Truyền dẫn tín hiệu số

Trong kỹ thuật truyền hình tương tự, người ta sử dụng phương pháp điềuchế biên độ (AM) hoặc điều chế tần số (FM) Ở phía thu, tín hiệu được giải điềuchế để khôi phục lại các thông tin về hình ảnh và thông tin ban đầu.Việc truyềndẫn tín hiệu ở cả hai dạng số và tương tự ngoài việc nén tín hiệu để thu hẹp dảithông còn áp dụng các phương pháp mã hóa và điều chế tín hiệu số nhằm đảmbảo độ trung thực của tín hiệu trong quá trình truyền tín hiệu đến đầu thu

1.3.1 Mã hóa tín hiệu số

a Mã đường truyền

Mục đích của mã đường truyền là:

- Giảm sai sót có thể xảy ra trong quá trình truyền tín hiệu

- Hạn chế thành phần một chiều

- Thuận tiện cho việc tái tạo xung nhịp ở đầu thu

Mã đường truyền gồm: mã AMI, Manchester, HDB3:

 Mã AMI (Alternate Mart Inversion)

Gọi d k là chuỗi bit đầu vào bộ mã hóa, a k là chuỗi bit đầu ra bộ mã hóa.

Quy tắc:

a k=0 nếu dk = 0

a k=1 nếu dk=1 và ak ≠ 0 trước đó bằng -1

a k = -1 nếu d k = 1 và a k ≠ 0 trước đó bằng 1

- Ưu điểm của mã AMI:

 Loại bỏ được thành phần một chiều và thành phần tần số thấp

 Tính duy nhất với mạch giải mã

 Có khả năng phát hiện lỗi

- Nhược điểm:Nếu d k là một chuỗi giá trị “0” thì tại đầu thu sẽ thiếu thông tincho quá trình tái tạo tín hiệu định thời

 Tính duy nhất với mạch giải mã

 Có khả năng phát hiện lỗi

- Nhược điểm: Bề rộng dải phổ rộng gấp đôi so với mã AMI

 Mã HDB3

Quy tắc:

Nếu đầu vào có một chuỗi “0 0 0 0” thì sẽ thay 0 thứ 4 bằng một bit đánh dấu

“0 0 0 v”