bài tiểu luận số hóa tín hiệu truyền hình

Các hệ thống truyền hình hiện nay còn đang dựa trên cơ sở tín hiệu tương tự thì việc phát triển các chương trình truyền hình gặp phải những giới hạn khó có thể vượt qua, cho dù đã khai thác hết tất cả các khả năng của nó. Trong khi đó kĩ thuật số với sự ứng dụng trong các ngành công nghiệp truyền thông, máy tính đã thu được những thành công to lớn, không ngừng phát triển và khẳng định ưu thế cũng như chỗ đứng trong các kĩ thuật mới. Truyền hình số bắt đầu được nghiên cứu và các kết quả thu được là khá khả quan. Với kĩ thuật số, các hệ thống truyền hình có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề mà kĩ thuật tương tự hầu như không giải quyết được. Truyền hình số thực sự là một cuộc cách mạng, từ đó mở ra cho nền công nghiệp này một giai đoạn mới đầy triển vọng.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - - BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC: KỸ THUẬT PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH CHỦ ĐỀ: SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH Giảng viên: Nhóm sinh viên: Hà Nội – 4/2017 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ Khái quát chung Đặc trưng truyền hình số CHƯƠNG II: SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH Lựa chọn tín hiệu số hóa Chọn tần số lấy mẫu 2.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video tổng hợp 10 2.2 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video thành phần 11 Cấu trúc lấy mẫu 11 3.1 Cấu trúc trực giao 12 3.2 Cấu trúc quincux mành 12 3.3 Cấu trúc quincux dòng 13 Lượng tử hóa tín hiệu Video 16 Mã hóa tín hiệu Video 17 Số hóa tín hiệu studio 19 CHƯƠNG III: KẾT LUẬN 22 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Truyền hình đóng vai trò quan trọng đời sống người Ngay từ đời truyền hình nhanh chóng thực trở thành ngành công nghiệp Nền công nghiệp truyền hình yêu cầu kĩ thuật cao, việc nghiên cứu áp dụng thành tựu khoa học kĩ thuật tao thay đổi lớn Truyền hình màu đời vào năm 50, 60 kỷ XX cho phép người xem cảm nhận hình ảnh với màu sắc trung thực Trong hệ truyền hình phân giải cao - HDTV (high definition television) chất lượng âm hình ảnh cải thiện nhiều so với hệ truyền hình thông thường, góc nhìn bao quát hơn…Tóm lại, tất kĩ thuật sử dụng nhằm phục vụ mục đích tối đa người Tuy nhiên, mà hệ thống truyền hình dựa sở tín hiệu tương tự việc giải vấn đề việc phát triển chương trình truyền hình gặp phải giới hạn khó vượt qua, cho dù khai thác hết tất khả Trong kĩ thuật số với ứng dụng ngành công nghiệp truyền thông, máy tính thu thành công to lớn, không ngừng phát triển khẳng định ưu chỗ đứng kĩ thuật Truyền hình số bắt đầu nghiên cứu kết thu khả quan Với kĩ thuật số, hệ thống truyền hình giải hầu hết vấn đề mà kĩ thuật tương tự không giải Truyền hình số thực cách mạng, từ mở cho công nghiệp giai đoạn đầy triển vọng Quá trình số hóa tín hiệu tất yếu Ở nước ta có chuyển hóa dần từ truyền hình tương tự sang truyền hình số Tại studio, camera chuyên dụng, đài truyền hình Việt nam sử dụng kĩ thuật số Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ Khái quát chung Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ truyền tín hiệu chương trình truyền hình kênh thông tin mở khả đặc biệt rộng rãi cho thiết bị truyền hình làm việc theo hệ truyền hình nghiên cứu trước Trong số ứng dụng, tín hiệu số thay hoàn toàn cho tín hiệu tương có khả thực chức mà tín hiệu tương tự làm khó thực hiện, việc xử lý tín hiệu lưu trữ So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, tất trường hợp, tín hiệu số đạt kết cao so với tín hiệu tương tự (bộ lọc ví dụ cụ thể) Mặc dù vậy, xu hướng chung cho phát triển công nghiệp truyền hình giới nhằm đạt hệ thống chung hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao dễ dàng phân phối kênh thông tin Hệ truyền hình kỹ thuật số phát triển toàn giới, tạo nên cách mạng thật công nghiệp truyền hình Nguyên lý cấu tạo hệ thống thiết bị truyền hình số đưa hình 1.1 Đầu vào thiết bị truyền hình số tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số A/D biến đổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số, tham số đặc trưng tín hiệu xác định từ hệ thống truyền hình lựa chọn Tín hiệu truyền hình số đầu biến đổi A/D đưa tới mã hoá nguồn, tín hiệu truyền hình số có tốc độ dòng bit cao nén thành dòng bit có tốc độ thấp phù hợp cho ứng dụng Dòng bit đầu mã hóa nguồn đưa tới thiết bị phát (mã hoá kênh thông tin điều chế tín hiệu) truyền tới bên thu qua kênh thông tin Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Thiết bị phát Tín hiệu truyền hình tương tự Biến đổi A/D Mã hoá nguồn Mã hoá kênh Điều chế số Kênh thông tin Biến đổi D/A Giải mã hoá nguồn Tín hiệu truyền hình tương tự Giải mã hoá kênh Giải điều chế số Thiết bị thu Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số mã hoá kênh Mã hoá kênh đảm bảo chống sai sót cho tín hiệu kênh thông tin Thiết bị mã hóa kênh phân phối đặc tính cuả tín hiệu số với kênh thông tin Khi tín hiệu truyền hình số truyền theo kênh thông tin, thiết bị biến đổi gọi điều chế giải điều chế Khái niệm mã hóa kênh phổ biến đường thông tin mà số khâu hệ thống truyền hình số, ví dụ máy ghi hình số, điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số v.v… Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số biến đổi ngược lại với trình xử lý phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá giải mã tín hiệu truyền hình Đặc trưng truyền hình số Thiết bị truyền hình số dùng truyền chương trình truyền hình thiết bị nhiều kênh Ngoài tín hiệu truyền hình , có thông tin kèm theo gồm kênh âm thông tin phụ, tín hiệu điện báo, thời gian chuẩn, tần số kiểm tra, hình vẽ Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số tĩnh Tất tín hiệu ghép vào khoảng trống truyền nhờ ghép kênh Truyền tín hiệu truyền hình số thực có tương quan kênh tín hiệu, thông tin đồng truyền để đồng tín hiệu Để kiểm tra tình trạng thiết bị truyền hình số, sử dụng hệ thống đo kiểm tra tương tự hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểm tra tín hiệu chuẩn Sau số đặc điểm thiết bị truyền hình số so với truyền hình tương tự 2.1 Yêu cầu băng tần Yêu cầu băng tần khác rõ nét tín hiệu truyền hình số tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng Ví dụ với tín hiệu video tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu bốn lần tần số song mang phụ - hệ NTSC 14,4 MHz, thực mã hoá với từ mã dài bit, tốc độ dòng bit 115,2 Mbit/s, độ rộng băng tần khoảng 58 MHz Nếu có thêm bit sửa lỗi, yêu cầu băng tần phải tăng thêm Trong tín hiệu tương tự cần băng tần 4,25 MHz đủ Tuy nhiên với dạng số, khả cho phép giảm độ rộng tần số lớn Với kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt lên tới 100:1 hay (tất nhiên với mức độ nén gây ảnh hưởng xấu cho chất lượng hình ảnh) Các tính chất đặc biệt tín hiệu hình ảnh lặp lại, khả dự báo làm tăng thêm khả giảm băng tần tín hiệu 2.2 Tỉ lệ tín hiệu/ tạp âm ( Signal/ Noise) Một ưu điểm lớn tín hiệu số khả chống nhiễu trình xử lý khâu truyền dẫn ghi Nhiều tạp âm hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỉ lệ S/N toàn hệ thống tổng cộng nguồn nhiễu thành phần gây ra, luôn nhỏ tỉ lệ S/N khâu có tỉ lệ thấp Với tín hiệu số, nhiễu bit lỗi – ví dụ xung “on” chuyển thành “off ” Nhiễu tín hiệu số khắc phục nhờ mạch sửa lỗi Bằng mạch khôi phục lại dòng bit ban đầu Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Khi có nhiều lỗi bit, ảnh hưởng nhiễu làm giảm cách che lỗi Tỉ lệ S/N hệ thống giảm không đổi tỉ lệ bit lỗi BER (Bit Error Rate) lớn, làm cho mạch sửa lỗi che lỗi tác dụng Khi dòng bit ý nghĩa tin tức Trong đó, hệ thống tương tự có nguồn nhiễu lớn tín hiễu sử dung (tất nhiên chất lượng nhiều) Tính chất hệ thống đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình chức biên tập phức tạp cần nhiều lần ghi đọc Ghi băng tín hiệu số sử dụng rộng rãi năm gần Việc truyền tín hiệu qua nhiều chặng thực thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình Tuy nhiên truyền hình quảng bá, tín hiệu số phải gặp vấn đề khó khăn thực kiểm tra chất lượng điểm kênh truyền Tại cần phải sử dụng biến đổi tương tự - số Đây công việc có khối lượng lớn phức tạp 2.3 Méo phi tuyến Tín hiệu số không bị ảnh hưởng méo phi tuyến trình ghi truyền Cũng tỉ lệ S/N, tính chất quan trọng việc ghi đọc chương trình nhiều lần, đặc biệt hệ thống truyền hình nhạy cảm với méo khuyếch đại vi sai hệ NTSC 2.4 Chồng phổ (Alisasing) Một tín hiệu truyền hình số lấy mẫu theo chiều thẳng đứng chiều ngang, nên có khả xảy chồng phổ theo hai hướng Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ hai hệ thống số tương tự Độ lớn méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào thành phần tần số vượt qua tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist Để ngăn ngừa tượng méo chồng phổ theo chiều ngang, thực cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hai lần thành phần tần số cao hệ thống tương tự 2.5 Giá thành độ phức tạp Mạch số có cấu trúc phức tạp mạch tương tự Khi xuất , giá thành thiết bị số cao nhiều so với thiết bị tương tự Thêm việc thiết lập, Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số sử dụng trì chúng bỡ ngỡ người làm chuyên môn Tuy nhiên, vấn đề nhanh chóng thực dễ dàng nhờ phát triển công nghiệp truyền thông số công nghiệp máy tính Các nghành công nghiệp thúc đẩy phát triển lực lượng nòng cốt lĩnh vực kỹ thuật số Các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI (Large Scale Intergation) lớn VLSI (Very Large Scale Intergation) xuất làm giảm giá thành trang thiết bị số Kết nhiều hệ thống có giá thành rẻ hệ thống tương tự chức 2.6 Xử lý tín hiệu Tín hiệu số chuyển đổi xử lý tốt chức mà hệ thống tương tự không làm gặp nhiều khó khăn Sau biến đổi A/D, tín hiệu lại chuỗi số, bit “0” “1”, thao tác công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Khả tăng lên nhờ việc lưu trữ bit nhớ đọc với tốc độ nhanh Các công việc tín hiệu số thực dễ dàng là: sửa lỗi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần v.v… 2.7 Khoảng cách trạm truyền hình đồng kênh Tin hiệu số cho phép trạm truyền hình đồng kênh thực khoảng cách gần nhiều so với hệ thống tương tự mà không bi nhiễu Một phần tín hiệu số chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh, phần khả thay xung xoá xung đồng từ mã nơi mà hệ thống truyền dẫn tương tự gây nhiễu lớn Việc giảm khoảng cách trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, tạo hội cho nhiều trạm phát hình phát chương trình với độ phân giải cao HDTV hệ truyền hình hiên 2.8 Hiện tượng bóng ma (ghosts) Hiện tượng xảy hệ thống tương tự tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh cuả hệ thống số làm giảm tượng truyền hình quảng bá Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số CHƯƠNG II SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH Lựa chọn tín hiệu số hóa Để biến đổi tín hiệu Video tương tự thành tín hiệu Video số ta dùng phương pháp sau: • Phương pháp 1: Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM tín hiệu số Phương pháp biến đổi cho ta dòng số có tốc độ bít thấp Song tín hiệu số video tổng hợp mang đầy đủ nhược điểm tín hiệu video tương tự, tượng can nhiễu chói-màu Hình 2.1 Biến đổi A/D tín hiệu video tổng hợp • Phương pháp 2: Biến đổi riêng tín hiệu thành phần (Tín hiệu chói Y, tín hiệu R-Y B-Y màu R, G, B) tín hiệu số truyền đồng thời theo thời gian ghép kênh Hình 2.2 Biến đổi A/D tín hiệu video thành phần Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Phương pháp làm tốc độ bít tăng cao so với việc biến đổi tín hiệu màu Video tổng hợp Cách có ưu điểm không phụ thuộc hệ thống truyền hình tương tự, thuận tiện cho việc trao đổi chương trình truyền hình Do mã riêng thành phần tín hiệu màu, có khử nhiễu qua lại (nhiễu tín hiệu lấy mẫu với hài tải tần số) Vì nguyên nhân nên cách biến đổi số tín hiệu thành phần (của tín hiệu Video màu tổng hợp) ưu việt cách biến đổi trực tiếp tín hiệu Video màu tổng hợp Do đó, tổ chức truyền hình quốc tế khuyến cáo nên dùng loại cho trung tâm truyền hình (studio), truyền dẫn, phát sóng ghi hình Chọn tần số lấy mẫu Công đoạn trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số lấy mẫu Do tần số lấy mẫu thống số hệ thống kĩ thuật số Có nhiều yếu tố định việc lựa chọn tần số lấy mẫu Tần số lấy mẫu cần xác định cho hình ảnh nhận có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền với tốc độ bit nhỏ nhất, độ rộng băng tần nhỏ mạch điện thực đơn giản Để cho việc lấy mẫu không méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu f sa ≥ 2fmax (fmax=5,5MHz, theo tiêu chuẩn truyền hình PAL ) có nghĩa fsa ≥ 11MHz Trong trường hợp fsa < 2fmax, xảy hiệu tượng chồng phổ (aliasing) làm xuất thành phần phụ xuất méo Méo xuất dạng “lưới” hình (các tín hiệu vô ích nằm tín hiệu video), méo sườn xung tín hiệu, làm nhoà biên ảnh (hiệu ứng “bậc thang”) Hình 2.3 Hiện tượng chồng phổ trường hợp tần số lấy mẫu thấp Nhóm SV: 05 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Việc chọn tần số fsa tối ưu khác cho trường hợp: tín hiệu chói (trắng đen), tín hiệu màu R, G, B tín hiệu hiệu số mầu, tín hiệu video tổng hợp Bên cạnh phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu 2.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp (Composite Video Signal) Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp, phải ý đến tần tải màu, chọn fsa xuất trường hợp sau: • fsa gấp nhiều lần fsc, ví dụ fsa =3fsc, fsa= 4fsc (hệ NTSC, PAL dùng tần số fsc) Hệ SECAM dùng hai tần tải màu, nên không dùng tần số fsa cho tín hiệu hiệu số màu • fsa quan hệ trực tiếp với f sc Trong trường hợp này, xuất (ngoài thành phần tín hiệu có ích ) thêm thành phần tín hiệu phụ liên hợp fsa fsc hài fsc phổ tín hiệu lấy mẫu Đặc biệt thành phần tín hiệu (fsa - 2fsc) gây méo tín hiệu video (tương tự) khôi phục lại Loại méo có tên gọi méo điều chế chéo (intermodulation) Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằm kênh màu tạo hình hình đồng màu, thể rõ hình ảnh có đồng màu độ bão hoà màu cố định (ví dụ ảnh kiểm tra sọc màu) Độ ổn định hình đồng màu hình phụ thuộc vào quan hệ fsa tần số quét dòng, quét mành Méo điều chế chéo không xuất trường hợp tấy mẫu mã hoá riêng tín hiệu chói tín hiệu hiệu số màu Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp cho hệ NTSC, PAL, việc chọn tần số fsa tối ưu đơn giản Thường f sa chọn hài bậc tần số tải màu fsc: fsa/PAL=13.3 MHz >2fmax/PAL, fmax/PAL=5 5.5 MHz fsa/NTSC=10.7 MHz >2fmax/NTSC, fmax/NTSC =4.2 MHz Nếu dùng Fs = 4fsNTSC fsNTSC = 13,4 MHz; fsPAL = 17,7 MHz Nhóm SV: 05 10 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Nếu chọn fsa = 4fsc, chất lượng hình ảnh khôi phục tốt Tuy nhiên làm tăng tốc độ tín hiệu số Do tín hiệu video số mang đầy đủ nhược điểm video tương tự nên người ta sử dụng phương pháp số hóa tín hiệu tổng hợp 2.2 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video thành phần (Comonent Video Signal) Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu Video thành phần, tín hiệu truyền thành phần chất lượng hình ảnh thu đảm bảo tốt ảnh hưởng sóng mang phụ lấy mẫu không có, cần lưu : • Tần số lấy mẫu tín hiệu chói fsaY ≥ 2fmaxY bội số tần số dòng • Tần số lấy mẫu tín hiệu màu fsa(R-Y)(B-Y) ≥ 2fmax(R-Y)(B-Y) bội số tần số dòng Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường lấy thông qua tỉ lệ tần số tín hiệu chói tín hiệu màu Thông thường có tỉ lệ 4:1:1; 4:2:2: 4:4:4 Kết hợp điều với thực tế ta chọn: fsaY=13,5 MHz fsa(R-Y)(B-Y) = fsc = 6,75MHz cho tiêu chuẩn: 625/50 525/60 Tuy nhiên, lựa chọn fsa theo định lý lấy mẫu chưa đủ mà phải thỏa mãn thêm điều kiện sau: • Tần số fsa phải đồng với tần số quét dòng fH • Tần số fsa phải đồng với tần số quét mành fV • Tần số fsa phải đồng với tần số ảnh fp, fP = 2fV Nếu thiếu đồng fsa với f H fV vị trí mẫu khác mành kề bên Kết ảnh xuất biên ảnh Méo giảm đáng kể f sa bội lần fH Điều có nghĩa mẫu hàm số không thời gian (T) mà vị trí điểm ảnh (x,y) Cấu trúc lấy mẫu Các mẫu hàm t,x,y lối mạch lấy mẫu có tín hiệu Xs: Xs(x,y,t)= Xa(x,y,t)× S(x,y,t) Nhóm SV: 05 11 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Trong đó: Xa(x,y,t) tín hiệu vào tương tự S(x,y,t) hàm lấy mẫu, khác vị trí thời gian lấy mẫu Ta giả thiết điểm (có mẫu biểu diễn đại lượng x,y,t) cần xác định vị trí xác, vị trí dòng kề mành kề Nghĩa phải lựa chọn cấu trúc thích hợp Trong thực tế có nhiều kiểu liên kết vị trí mẫu Nhưng ta chọn số: Cấu trúc trực giao, cấu trúc quincux mành, cấu trúc quincux dòng 3.1 Cấu trúc trực giao Hình 2.4 Cấu trúc trực giao Các mẫu sếp (trên dòng kề nhau) thẳng hàng theo chiều đứng Cấu trúc cố định theo mành theo ảnh Trong trường hợp tần số lấy mẫu thoả mãn tần số Nyquist Tuy nhiên theo cấu trúc này, cho tốc độ bit cao 3.2 Cấu trúc quincux mành Hình 2.5 Cấu trúc quincux mành Nhóm SV: 05 12 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Các mẫu trực giao nằm mành Nhưng mẫu thuộc mành lại dịch nửa chu kỳ lấy mẫu so với mẫu thuộc mành thứ hai Phân tích phổ tần cấu trúc quincux mành có ý nghĩa mành Nó cho phép làm giảm tần số lấy mẫu theo dòng Phổ tần cấu trúc nói mành so với phổ tần mành bị dịch lồng với phổ tần Nó gây méo chi tiết ảnh (khi hình ảnh có sọc đường thẳng đứng) 3.3 Cấu trúc quincux dòng Hình 2.6 Cấu trúc quincux dòng Các mẫu dòng kề mành lệch nửa chu kỳ lấy mẫu Còn mẫu dòng mành lệch so với mẫu dòng mành hai nửa chu kỳ lấy mẫu Cấu trúc không xảy trường hợp lồng phổ biên với phổ không bị méo Điều cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ 25% tần số Nyquist tiết kiệm độ rộng phổ tín hiệu số Tùy theo cấu trúc lấy mẫu, xuất loại méo đặc trưng Với cấu trúc trực giao, đội phân giả ảnh giảm Đối với cấu trúc quincux mành xuất nhấp nháy điểm ảnh Ngược lại với cấu trúc quincux dòng xuất vòng tròn theo chiều ngang (méo đường biên) Tóm lại, cấu trúc trực giao cho chất lượng ảnh cao mắt người, độ phân giai giảm dễ chịu hai loại méo nêu Nhóm SV: 05 13 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số  Cấu trúc lấy mẫu tín hiệu Video thành phần: • Tiêu chuẩn 4:4:4: Tín hiệu chói màu lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Cấu trúc lấy mẫu trực giao: Hình 2.7 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:4:4 Tiêu chuẩn lấy mẫu 4:4:4 cho chất lượng hình ảnh tốt nhất, thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu video số Tuy nhiên, với phương pháp lấy mẫu này, tốc độ dòng liệu video số tương đối cao, ví dụ số hóa tín hiệu video có độ phân giải 720x576 (hệ PAL), bít lượng tử /điểm ảnh, 25 ảnh/s luồng liệu số nhận có tốc độ : • 3x720x576x8x25=249Mbits/s Tiêu chuẩn 4:2:2: Tín hiệu chói lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Tín hiệu màu dòng lấy mẫu với tần số nửa tần số lấy mẫu tín hiệu chói: Hình 2.8 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:2 Nhóm SV: 05 14 BTL Kỹ thuật phát truyền hình • Chương I: Tổng quan truyền hình số Tiêu chuẩn 4:1:1: Tín hiệu chói lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Tín hiệu màu dòng lấy mẫu với tần số phần tư tần số lấy mẫu tín hiệu chói (Hình 2.6) Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu chói f D, tần số lấy mẫu tín hiệu màu CR CB fD/4 Hình 2.9 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:1:1 • Ngoài có tiêu chuẩn 4:2:0: Tín hiệu chói lấy mẫu tất điểm lấy mẫu dòng tích cực tín hiệu video Cách điểm lấy mẫu tín hiệu màu Tại dòng chẵn lấy mẫu tín hiệu màu CR, dòng chẵn lấy mẫu tín hiệu CB Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu chói f D, Thì tần số lấy mẫu tín hiệu màu fD/2 Hình 2.10 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:0 Nhóm SV: 05 15 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Lượng tử hóa tín hiệu Video Đây trình biến đổi tín hiệu sau lấy mẫu thành khoảng rời rạc, gọi khoảng lượng tử (Q): Giá trị lượng tử Q xác định theo biểu thức: Q=2n Trong đó: n số bit biểu diễn mẫu Tín hiệu nhận giá trị xấp xỉ tín hiệu ban đầu, nguyên nhân trình lượng tử hóa xác định giá trị số rời rạc cho mẫu Tất giá trị nằm phạm vi mức lượng tử thiết lập giá trị nhau, mức lượng tử Q Có hai cách lấy khoảng lượng tử: • Tuyến tính: Các khoảng lượng tử cách đều, không phụ thuộc tín hiệu analog vào • Không tuyến tính: Các khoảng lượng tử thay đổi theo biến đổi biên độ tín hiệu Các vùng biến đổi khoảng cách lượng tử thưa, vùng biến đổi nhiều khoảng cách lượng tử ngắn Các mức lượng tử có biên độ nhau, trình lượng tử hóa gọi lượng tử hóa đồng Đây trình biến đổi từ chuỗi mẫu vô hạn biên độ sang giá trị định, trình gây sai số, gọi sai số lượng tử Sai số lượng tử nguồn nhiễu tránh khỏi hệ thống số Các giá trị lượng tử chứa sai số phạm vi ½ Q Hệ thống số sử dụng bit lớn bit để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử coi nguồn tín hiệu không mong muốn (nhiễu) cộng thêm tín hiệu trình lượng tử Trong hệ thống sử dụng bit để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu ban đầu, làm méo dạng sóng, tăng hiệu ứng viền không mong muốn Ɛ(t) = |x(t) – x’(t)| Trong đó: Ɛ(t) sai số lượng tử x(t) giá trị mẫu tín hiệu trước lượng tử x’(t) giá trị tín hiệu sau lượng tử Sai số Ɛ(t) tùy thuộc vào tính thống kê nguồn tín hiệu vào độ rộng mức lượng tử Có xem Ɛ(t) loại nhiễu trình lượng tử hóa gây – gọi méo Nhóm SV: 05 16 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số lượng tử Méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử Đối với tín hiệu video, méo lượng tử xuất dạng chính: hiệu ứng đường viền nhiễu hạt ngẫu nhiên Hiệu ứng đường viền xuất vùng có độ sáng thay đổi chậm theo chiều ngang, có sọc sáng cố định theo chiều đứng đường biên Nếu tăng số mức lượng tử, hiệu ứng đường viền giảm Nhiễu hạt ngẫu nhiên xuất vùng ảnh rộng có độ sáng đồng đều, dạng hạt sương mù Khi lượng tử hoá hiệu video màu hoàn chỉnh, lấy túi màu làm nhiễu ngẩu nhiên Méo xuất trường hợp méo pha vi sai số, méo khuếch đại vi sai số Méo phụ thuộc vào tín hiệu biên độ màu Méo vi sai làm giảm cách giảm bước lượng tử Xác định khoảng lấy mẫu thang lượng tử đóng vai trò quan trọng việc đảm bảo an toàn tín hiệu Do tín hiệu vào không ổn định, cộng với nhiểu trình sửa, đặc trưng mạch lọc không lý tưởng, nên trình lượng tử hoà tín hiệu video cần sử dụng biên bảo hiểm, mức cấm cho phép tín hiệu video an toàn trước nguồn nhiễu Mã hóa tín hiệu Video Mã hoá tín hiệu biến đổi tín hiệu lượng tử hoá thành tín hiệu số cách xếp số nhị phân cho mức lượng tử hoá ánh xạ mức thành tín hiệu có hai mức (0 1) Để giải méo, PCM tuyến tính phải dùng mã bit (256 mức lượng tử) Số nhị phân đặc trưng cho tín hiệu video bao gồm khoảng giới hạn từ 00000000 đến 11111111 Mã dùng truyền hình số chia thành nhóm: • Mã sơ cấp: Dùng để tạo tín hiệu studio • Mã bảo vệ sửa sai: Tăng khả chịu đựng tín hiệu kênh có nhiễu • Mã truyền tuyến tính: Tăng khả truyền dẫn Nhóm SV: 05 17 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Đầu tiên, tất tín hiệu video mã hoá sơ cấp, sau mã hoá chuyển đổi Mã sơ cấp mã sở từ hình thành mã bảo vệ (Protection code) Mã sơ cấp dùng truyền hình số mã nhị phân (Binary code) Mã nhị phân chia thành mã cân mã không cân • Mã cân mã hệ số cân dùng cho liên kết mã, ví dụ mã nhị phân tự nhiên n −1 F (2) = ∑ C i × i i =0 Với : Ci=0 2i hệ số cân i số hạng liên kết mã • Mã không cân mã liên kết mã liên tục cân Ví dụ mã phản hồi Mã tín hiệu mã có cấu trúc Cấu trúc mã tuyệt đối tương đối Mã có cấu trúc tuyệt đối mã có thay đổi thông số đặc trưng mã xảy đồng thời thay đổi symbol Mã có cấu trúc tương đối mã mà thay đổi thông số mã đặc trưng xảy xuất symbol Trong truyền hình số người ta thường dùng mã có cấu trúc tuyệt đối • Mã NRZ (Non Return Zero – không trở lại mức 0) Mã NRZ có độ rộng xung thời gian chu kỳ đồng Mức logic ứng với điện áp thấp nhất, mức điện áp cao ứng với mức logic UNRZ(t) = U(t) – U(t-T) Mã NRZ có hai loại Mã NRZ gián đoạn tích cực, mã NRZ gián đoạn thụ động Mã NRZ gián đoạn thụ động mức symbol ứng với V, mã NRZ gián đoạn tích cực điện áp âm ứng với mức điện áp dương với mức Các loại biến thứ NRZ: NRZ – M (NRZ-Mark ) hay NRZ – 1, NRZ –S (NRZ space) NRZ – • mã NZ (return zero) Độ rộng xung ½ phần thời gian xung chu kỳ đồng hồ URZ(t) = U(t) – U(t-0.5T) Nhóm SV: 05 18 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Các biến thứ RZ: RZ-P, RZ-U • Mã BiPh (Binary phace) Mã có đặc điểm có đôi xung bổ trợ với điện áp RZ chu kỳ đồng hồ UBiPh(t) = U(t) – 2U(t-0.5T) + U(t-T) Các biến thứ BiPh: BiPh-M & BiPh-S Từ mã 1 1 0 Mã NRZ Mã NRZ-M Mã NRZ-S Mã NRZ-P Mã RZ Mã RZ-P Mã RZ-U Mã BiPh Mã BiPh-M Mã BiPh-S Hình 2.11 Mã sơ cấp Trong thiết bị truyền hình số, mã NRZ thường dùng cho thiết bị studio thiết bị thông tin phụ tín hiệu truyền hình Mã RZ dùng số trường hợp truyền tín hiệu số với khoảng cách xa Mã BiPh dùng trình ghi tín hiệu số băng từ Số hóa tín hiệu studio 6.1 Sơ đồ khối kênh truyền hình Trung tâm truyền hình Nhóm SV: 05 19 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Như hình 2.7, để số hóa toàn khâu sản xuất chương trình truyền hình, tín hiệu video (ra từ Camera, Telecine, ) qua biến đổi ADC để chuyển sang dạng số, đến thiết bị trộn Tín hiệu từ thiết bị trộn ghi hình VTR số, truyền dẫn đến Studio khác máy phát Thiết bị đồng tạo tín hiều đồng bộ, tín hiệu đồng hồ xung lấy mẫu cho thiết bị số Hình 2.12 Sơ đồ khối kênh hình Trung tâm truyền hình 6.2 Các tín hiệu số Studio • Tiêu chuẩn NTSC: 525/60, fmax = 4,2 MHz; fH = 15750Hz; TH = 63,555µs • Tiêu chuẩn PAL: 625/50, fmax = 5,5 MHz; fH = 15625Hz; TH = 64µs Tín hiệu Video Studio bao gồm: • Tín hiệu chói Y với fS/Y = 13,5 MHz; mã PCM tuyến tính, 8bit/1pixel • Tín hiệu số màu C: fS/C = 6,75 MHz, mã PCM tuyến tính, 8bit/1pixel Tín hiệu số trộn theo cách: • Nối tiếp, ghép kênh theo thời gian thành dòng: tốc độ bit 216Mb/s, kênh truyền, băng tần cỡ 150MHz, ưu điểm có mạch chuyển đổi Nhóm SV: 05 20 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số • Song song tín hiệu (cho kênh hình): tốc độ bit 108Mb/s, 54Mb/s, 54Mb/s; số kênh kênh hẹp; ưu điểm băng tần hẹp, nhược điểm nhiều đường truyền • Nối tiếp song song (ghép kênh theo thời gian truyền song song): kết hợp hai cách Nhóm SV: 05 21 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương III: Kết luận CHƯƠNG III KẾT LUẬN Với dịch chuyển từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, truyền hình dần hội nhập với dịch vụ khác để tạo giới đa phương tiện nhằm đáp ứng yêu cầu người cách hữu hiệu Truyền hình tương lai không loại thông tin chiều theo kiểu truyền tin điểm-đa điểm, mà loại thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, kiểu thông tin giao dịch điểm - điểm Trong môi trường đa phương tiện, truyền hình từ phương tiện thông tin đại chúng trở thành phương tiện cá nhân Truyền hình đa kênh điều khiển việc phân phối chương trình trực tiếp đến tận hộ gia đình cung cấp lựa chọn rộng rãi cho người xem thời điểm xem loại chương trình, chất lượng chương trình Khi lượng lớn chương trình cung cấp, lúc coi truyền hệ thống thư viện nhà Mặt khác truyền hình sử dụng thiết bị cho phép thu nhận thông tin khác số liệu, mua bán qua mạng Truyền hình số tương lai thực phương tiện hữu ích cho đời sống người giải trí công việc Với phát triển khoa học công nghệ, hội nhập truyền hình số để tạo nên môi trường đa phương tiện trở thành thực tương lai không xa BTL Kỹ thuật phát truyền hình Phụ lục DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Hình 2.1 Biến đổi A/D tín hiệu video tổng hợp Hình 2.2 Biến đổi A/D tín hiệu video thành phần Hình 2.3: Hiện tượng chồng phổ trường hợp tần số lấy mẫu thấp Hình 2.4 Cấu trúc trực giao 12 Hình 2.5 Cấu trúc quincux mành 12 Hình 2.6 Cấu trúc quincux dòng .13 Hình 2.7 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:4:4 14 Hình 2.8 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:2 14 Hình 2.9 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:1:1 15 Hình 2.10 Cấu trúc lấy mẫu theo chuẩn 4:2:0 15 Hình 2.11 Mã sơ cấp 19 Hình 2.12 Sơ đồ khối kênh hình Trung tâm truyền hình 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS.TS Lê Nhật Thăng, ThS Vũ Thúy Hà, ThS Nguyễn Thị Thu Hiên, ThS Nguyễn Thị Thu Nga, “Kỹ thuật phát truyền hình”, giảng, Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2014 Đỗ Hoàng Tiến (Chủ biên), Dương Thanh Phương, “Giáo trình kỹ thuật truyền hình”, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004  ... truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá giải mã tín hiệu truyền hình Đặc trưng truyền hình số Thiết bị truyền hình số dùng truyền chương trình truyền hình. .. khối kênh truyền hình Trung tâm truyền hình Nhóm SV: 05 19 BTL Kỹ thuật phát truyền hình Chương I: Tổng quan truyền hình số Như hình 2.7, để số hóa toàn khâu sản xuất chương trình truyền hình, tín... hiệu truyền hình số v.v… Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số biến đổi ngược lại với trình xử lý phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền