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.

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

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ 3

1 Khái quát chung 3

2 Đặc trưng cơ bản của truyền hình số 4

CHƯƠNG II: SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH 8

1 Lựa chọn tín hiệu số hóa 8

2 Chọn tần số lấy mẫu 9

2.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video tổng hợp 10

2.2 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video thành phần 11

3 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

4 Lượng tử hóa tín hiệu Video 16

5 Mã hóa tín hiệu Video 17

6 Số hóa tín hiệu ở studio 19

CHƯƠNG III: KẾT LUẬN 22

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống con người Ngay từ khi rađời truyền hình đã nhanh chóng và thực sự trở thành một ngành công nghiệp Nền côngnghiệp truyền hình yêu cầu những kĩ thuật rất cao, việc nghiên cứu áp dụng các thành tựukhoa học kĩ thuật đã tao ra những thay đổi lớn Truyền hình màu ra đời vào những năm 50,

60 của thế kỷ XX cho phép người xem cảm nhận được hình ảnh với các màu sắc trung thực.Trong các hệ truyền hình phân giải cao - HDTV (high definition television) chất lượng

âm thanh và hình ảnh được cải thiện rất nhiều so với các hệ truyền hình thông thường,góc nhìn cũng bao quát hơn…Tóm lại, tất cả các kĩ thuật được sử dụng nhằm phục vụmục đích tối đa của con người

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

Quá trình số hóa tín hiệu là tất yếu Ở nước ta hiện nay đã và đang có sự chuyểnhóa dần từ truyền hình tương tự sang truyền hình số Tại các studio, các camera chuyêndụng, của đài truyền hình Việt nam đã sử dụng kĩ thuật số

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ

1 Khái quát chung

Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyềnhình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hìnhlàm việc theo các hệ truyền hình đã được nghiên cứu trước Trong một số ứng dụng, tínhiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện đượccác chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện,nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần màkhông làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải tất cả các trường hợp, tín hiệu sốđều đạt được kết quả cao hơn so với tín hiệu tương tự (bộ lọc là một ví dụ cụ thể) Mặc dùvậy, xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới nhằm đạtđược một hệ thống nhất chung là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chấtlượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin Hệ truyền hình kỹ thuật số đã vàđang được phát triển trên toàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong côngnghiệp truyền hình

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra như trênhình 1.1 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự

Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số A/D sẽ biến đổi tín hiệu truyền hình tương

tự thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định

từ hệ thống truyền hình được lựa chọn Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/Dđược đưa tới bộ mã hoá nguồn, tại đây tín hiệu truyền hình số có tốc độ dòng bit cao sẽđược nén thành dòng bit có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ứng dụng Dòng bit tại đầu

ra bộ mã hóa nguồn được đưa tới thiết bị phát (mã hoá kênh thông tin và điều chế tínhiệu) truyền tới bên thu qua kênh thông tin

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình sốKhi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh Mã hoákênh đảm bảo chống các sai sót cho các tín hiệu trong kênh thông tin Thiết bị mã hóakênh phân phối đặc tính cuả tín hiệu số với kênh thông tin Khi tín hiệu truyền hình sốđược truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộgiải điều chế.

Khái niệm mã hóa trong kênh được phổ biến không những trong đường thông tin

mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số, ví dụ như máy ghi hình số, bộ điềuchỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số v.v…

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lý tại phíaphát Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệutruyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá vàgiải mã tín hiệu truyền hình

2 Đặc trưng cơ bản của truyền hình số

Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền chương trình truyền hình là thiết bị nhiềukênh Ngoài tín hiệu truyền hình , còn có các thông tin kèm theo gồm các kênh âm thanh

và các thông tin phụ, như các tín hiệu điện báo, thời gian chuẩn, tần số kiểm tra, hình vẽ

Thiết bị phát

Thiết bị thu

Biến đổi D/A

Mã hoá nguồn

Giải mã hoá nguồn

Mã hoá kênh

Giải mã hoá kênh

Điều chế số

Giải điều chế số

Kênh thông tin

tĩnh Tất cả các tín hiệu này được ghép vào các khoảng trống truyền nhờ bộ ghép kênh.

Truyền tín hiệu truyền hình số được thực hiện khi có sự tương quan giữa các kênhtín hiệu, thông tin đồng bộ sẽ được truyền đi để đồng bộ các tín hiệu đó

Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống đo kiểm tratương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểm tra tín hiệu chuẩn.Sau đây là một số đặc điểm của thiết bị truyền hình số so với truyền hình tương tự

2.1 Yêu cầu về băng tần

Yêu cầu về băng tần là sự khác nhau rõ nét nhất giữa tín hiệu truyền hình số và tínhiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộnghơn Ví dụ với tín hiệu video tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu bằng bốn lần tần số songmang phụ - hệ NTSC là 14,4 MHz, nếu thực hiện mã hoá với những từ mã dài 8 bit, tốc

độ dòng bit sẽ là 115,2 Mbit/s, khi đó độ rộng băng tần khoảng 58 MHz Nếu có thêm cácbit sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa Trong khi đó tín hiệu tương tự chỉ cần

1 băng tần 4,25 MHz là đủ

Tuy nhiên với dạng số, khả năng cho phép giảm độ rộng tần số là rất lớn Với các

kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt được có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa (tất nhiên với mức

độ nén này có thể gây ảnh hưởng xấu cho chất lượng hình ảnh) Các tính chất đặc biệt củatín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dự báo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băngtần tín hiệu

2.2 Tỉ lệ tín hiệu/ tạp âm ( Signal/ Noise)

Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trongquá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi

Nhiều tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỉ lệ S/N của toàn bộ hệthống là do tổng cộng các nguồn nhiễu thành phần gây ra, vì vậy luôn luôn nhỏ hơn tỉ lệS/N của khâu có tỉ lệ thấp nhất

Với tín hiệu số, nhiễu là các bit lỗi – ví dụ xung “on” chuyển thành “off ” Nhiễu trongtín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu

Khi có quá nhiều lỗi bit, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi.

Tỉ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỉ lệ bit lỗi BER (BitError Rate) quá lớn, làm cho các mạch sửa lỗi và che lỗi mất tác dụng Khi đó dòng bitkhông còn có ý nghĩa tin tức Trong khi đó, đối với các hệ thống tương tự khi có nguồnnhiễu lớn tín hiễu vẫn có thể sử dung được (tất nhiên chất lượng kém đi rất nhiều)

Tính chất này của hệ thống sẽ đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trình truyềnhình và các chức năng biên tập phức tạp cần nhiều lần ghi đọc Ghi băng bằng tín hiệu số

đã được sử dụng rộng rãi trong các năm gần đây Việc truyền tín hiệu qua nhiều chặngcũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tínhiệu hình

Tuy nhiên trong truyền hình quảng bá, tín hiệu số phải gặp vấn đề khó khăn khithực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm ở trên kênh truyền Tại đây cần phải sử dụng các

bộ biến đổi tương tự - số Đây là một công việc có khối lượng lớn và phức tạp

2.3 Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền.Cũng như đối với tỉ lệ S/N, tính chất này cũng rất quan trọng trong việc ghi đọc chươngtrình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuyếchđại vi sai như hệ NTSC

2.4 Chồng phổ (Alisasing)

Một tín hiệu truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang,nên có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng Theo chiều thẳng đứng, chồng phổtrong hai hệ thống số và tương tự như nhau Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngangphụ thuộc vào các thành phần tần số vượt qua tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist Để ngănngừa hiện tượng méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực hiện bằng cách sử dụngtần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự

2.5 Giá thành và độ phức tạp

Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn các mạch tương tự Khi mới xuất hiện , giáthành các thiết bị số cao hơn nhiều so với các thiết bị tương tự Thêm nữa việc thiết lập,

sử dụng và duy trì chúng còn khá bỡ ngỡ đối với những người làm chuyên môn Tuynhiên, các vấn đề này đã nhanh chóng được thực hiện dễ dàng nhờ sự phát triển của côngnghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính Các nghành công nghiệp này đã thúcđẩy sự phát triển của lực lượng nòng cốt trong lĩnh vực kỹ thuật số Các mạch số tích hợp

cỡ lớn LSI (Large Scale Intergation) và rất lớn VLSI (Very Large Scale Intergation) xuấthiện làm giảm giá thành trang thiết bị số Kết quả là nhiều hệ thống này đã có giá thành rẻhơn hệ thống tương tự cùng chức năng

2.6 Xử lý tín hiệu

Tín hiệu số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các chức năng mà hệ thống tương

tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn Sau khi biến đổi A/D, tín hiệu còn lại mộtchuỗi các số, bit “0” và “1”, có thể thao tác các công việc phức tạp mà không làm giảmchất lượng hình ảnh Khả năng này được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và

có thể đọc ra với tốc độ nhanh Các công việc tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng là: sửalỗi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần v.v…

2.7 Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tin hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một khoảng cáchgần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bi nhiễu Một phần vì tín hiệu số

ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, một phần là do khả năng thay thế xung xoá vàxung đồng bộ bằng các từ mã nơi mà trong hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớnnhất

Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tầntín hiệu, tạo cơ hội cho nhiều trạm phát hình có thể phát ra các chương trình với độ phângiải cao HDTV như hệ truyền hình hiên nay

2.8 Hiện tượng bóng ma (ghosts)

Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theonhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh cuả hệ thống số cũng làm giảm đi hiện tượngnày trong truyền hình quảng bá

CHƯƠNG II

SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH

1 Lựa chọn tín hiệu số hóa

Để biến đổi tín hiệu Video tương tự thành tín hiệu Video số ta có thể dùng 2 phươngpháp sau:

 Phương pháp 1: Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL,

SECAM ra tín hiệu số Phương pháp biến đổi này cho ta dòng số có tốc độbít thấp Song tín hiệu số video tổng hợp còn mang đầy đủ nhược điểm củatín hiệu video tương tự, nhất là hiện tượng can nhiễu chói-màu

Hình 2.1 Biến đổi A/D tín hiệu video tổng hợp

 Phương pháp 2: Biến đổi riêng từng tín hiệu thành phần (Tín hiệu chói Y,

tín hiệu R-Y và B-Y hoặc các màu cơ bản R, G, B) ra tín hiệu số và truyềnđồng thời theo thời gian hoặc ghép kênh

Hình 2.2 Biến đổi A/D tín hiệu video thành phần

Phương pháp 2 sẽ làm tốc độ bít tăng cao hơn so với việc biến đổi tín hiệu màu Videotổng hợp Cách này có ưu điểm là không phụ thuộc các hệ thống truyền hình tương tự,thuận tiện cho việc trao đổi các chương trình truyền hình Do mã riêng các thành phần tínhiệu màu, có có thể khử được nhiễu qua lại (nhiễu của tín hiệu lấy mẫu với các hài của tảitần số) Vì những nguyên nhân trên nên cách biến đổi số các tín hiệu thành phần (của tínhiệu Video màu tổng hợp) ưu việt hơn cách biến đổi trực tiếp tín hiệu Video màu tổnghợp Do đó, tổ chức truyền hình quốc tế khuyến cáo nên dùng loại này cho trung tâmtruyền hình (studio), truyền dẫn, phát sóng và ghi hình.

Để cho việc lấy mẫu không méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu fsa ≥ 2fmax(fmax=5,5MHz, theo tiêu chuẩn truyền hình PAL ) có nghĩa là fsa ≥ 11MHz

Trong trường hợp fsa < 2fmax, sẽ xảy ra hiệu tượng chồng phổ (aliasing) làm xuấthiện các thành phần phụ và sẽ xuất hiện méo Méo có thể xuất hiện dưới dạng “lưới” trênmàn hình (các tín hiệu vô ích nằm ngoài tín hiệu video), méo sườn xung tín hiệu, làmnhoà biên ảnh (hiệu ứng “bậc thang”)

Hình 2.3 Hiện tượng chồng phổ trong trường hợp tần số lấy mẫu thấp

Việc chọn tần số fsa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói (trắngđen), tín hiệu màu cơ bản R, G, B các tín hiệu hiệu số mầu, tín hiệu video tổng hợp Bêncạnh đó nó còn 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 chú ý đến tần tảimàu, khi chọn fsa có thể xuất hiện các trường hợp như sau:

 fsa gấp nhiều lần fsc, ví dụ fsa =3fsc, fsa= 4fsc (hệ NTSC, PAL chỉ dùng một tần

số fsc) Hệ SECAM dùng hai tần tải màu, nên không dùng được một tần sốfsa cho các tín hiệu hiệu số màu

 fsa không có quan hệ trực tiếp với fsc Trong trường hợp này, sẽ xuất hiện(ngoài các thành phần tín hiệu có ích ) thêm các thành phần tín hiệu phụ doliên hợp giữa fsa và fsc hoặc hài của fsc trong phổ tín hiệu lấy mẫu Đặc biệtthành phần tín hiệu (fsa - 2fsc) sẽ gây méo tín hiệu video (tương tự) được khôiphục lại Loại méo này có tên gọi là méo điều chế chéo (intermodulation)

Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằm trong kênh màu sẽ tạo trênmàn hình các hình đồng màu, thể hiện rõ trong các hình ảnh có nền đồng màu hoặc độbão hoà màu cố định (ví dụ ảnh kiểm tra các sọc màu) Độ ổn định các hình đồng màutrên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fsa và các tần số quét dòng, quét mành

Méo điều chế chéo sẽ không xuất hiện trong trường hợp tấy mẫu và mã hoá riêngtín hiệu chói và các tín hiệu hiệu số màu

Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp cho hệ NTSC, PAL, thìviệc chọn tần số fsa tối ưu đơn giản hơn Thường thì fsa được chọn bằng hài bậc 3 tần số tảimàu fsc:

fsa/PAL=13.3 MHz >2fmax/PAL, fmax/PAL=5 hoặc 5.5 MHz

fsa/NTSC=10.7 MHz >2fmax/NTSC, fmax/NTSC =4.2 MHz

Nếu dùng Fs = 4fsNTSC thì fsNTSC = 13,4 MHz; fsPAL = 17,7 MHz

Nếu chọn fsa = 4fsc, thì chất lượng hình ảnh khôi phục rất tốt Tuy nhiên nó làm tăngtốc độ tín hiệu số Do đó tín hiệu video số mang đầy đủ những nhược điểm của videotương tự nên người ta ít 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, do tín hiệu truyền đi từngthành phần chất lượng hình ảnh thu được đảm bảo tốt hơn do ảnh hưởng của sóng mang phụ khi lấy mẫu không có, nhưng cần lưu :

 Tần số lấy mẫu của tín hiệu chói fsaY ≥ 2fmaxY và bằng bội số của tần số dòng

 Tần số lấy mẫu các tín hiệu màu fsa(R-Y)(B-Y) ≥ 2fmax(R-Y)(B-Y) và bằng bội số của tần sốdòng

Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường được lấy thông qua tỉ lệ tần

số giữa tín hiệu chói và tín hiệu màu Thông thường có các tỉ lệ 4:1:1; 4:2:2: 4:4:4

Kết hợp điều này với thực tế ta chọn:

fsaY=13,5 MHz

fsa(R-Y)(B-Y) = fsc = 6,75MHz cho cả 2 tiêu chuẩn: 625/50 và 525/60

Tuy nhiên, sự lựa chọn fsa theo định lý lấy mẫu thì chưa đủ mà phải thỏa mãn thêm các điều kiện sau:

 Tần số fsa phải đồng bộ với tần số quét dòng fH.

 Tần số fsa phải đồng bộ với tần số quét mành fV.

3 Cấu trúc lấy mẫu

Các mẫu là hàm của t,x,y cho nên ở lối ra mạch lấy mẫu có tín hiệu Xs:

Xs(x,y,t)= Xa(x,y,t)× S(x,y,t)