Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phương thức dịch vụ truyền dẫn như qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất...

Trong những năm gần đây, với chính sách mở cửa đúng đắn của Đảng và nhà nước nền kinh tế của nước nhà đ• và đang phát triển với một tốc độ cao. Các thành tựu khoa học kỹ thuật mới trên thế giới đ• nhanh chóng thâm nhập vào nước ta. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử-viễn thông, sự xuất hiện những công nghệ hiện đại, những dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với hệ thống điều khiển tự động tiên tiến...đ• tạo điều kiện thúc đẩy các thành phần kinh tế trong nước phát triển vượt bậc cả về số lượng lẫn chất lượng. Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đ• xâm nhập vào hầu hết tất cả các lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình cũng không nằm ngoài quá trình đó. Công nghệ số diễn ra trong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao về chất lượng của dịch vụ truyền hình mà còn do sức ép đang tăng lên đối với nguồn tài nguyên phổ tần số. Đối với những nước có nền công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh, vấn đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết. Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh trong nền kinh tế thị trường đ• thúc ép các nước này phải nhanh chóng xác lập và lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung ra các thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thế thượng phong trên thị trường. Hầu hết các nước hiện nay đ• đặt ra lộ trình chuyển đổi sang số và sẽ chấm dứt truyền hình tương tự trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới. Đối với Việt Nam, một nước nghèo với những đặc thù riêng của mình, vấn đề số hoá lại còn có một ý nghĩa khác. Về tài nguyên phổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 năm tới, chúng ta cũng chưa bị thúc ép gay gắt như các nước có ngành truyền hình-viễn thông phát triển hiện nay. Bên cạnh mục đích nâng cao chất lượng phục vụ người xem, truyền hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽ buộc phải chuyển sang số vì các thiết bị tương tự sẽ không được sản suất nữa. Như vậy, số hoá truyền hình là con đường tất yếu mà truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khó khăn trước mắt như điều kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật còn non trẻ... Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quá trình thực hiện số hoá đối với tín hiệu truyền hình tương tự, đồng thời trình bày khái quát về các phương thức truyền dẫn, các tiêu chuẩn truyền hình số. Bố cục đồ án bao gồm 6 chương: Chương1: Giới thiệu chung : trình bày về quá trình phát triển, giới thiệu khái quát về hệ thống truyền hình số. Chương2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá và thực hiện nén tín hiệu video. Chương3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá và thực hiện nén tín hiệu audio. Chương4: Ghép kênh và truyền tải các dịch vụ : trình bày về quá trình ghép kênh các kênh video, audio,số liệu phụ...của một hay nhiều chương trình truyền hình. Chương5: Các hệ thống truyền hình số : trình bày về các hệ thống truyền hình số ATSC, DVB, ISDB. Chương6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phương thức dịch vụ truyền dẫn như qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất...

Lời nói đầu Trong những năm gần đây, với chính sách mở cửa đúng đắn của Đảng và nhà nớc nền kinh tế của nớc nhà đã và đang phát triển với một tốc độ cao. Các thành tựu khoa học kỹ thuật mới trên thế giới đã nhanh chóng thâm nhập vào nớc ta. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử-viễn thông, sự xuất hiện những công nghệ hiện đại, những dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với hệ thống điều khiển tự động tiên tiến .đã tạo điều kiện thúc đẩy các thành phần kinh tế trong nớc phát triển vợt bậc cả về số lợng lẫn chất lợng. Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đã xâm nhập vào hầu hết tất cả các lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình cũng không nằm ngoài quá trình đó. Công nghệ số diễn ra trong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao về chất lợng của dịch vụ truyền hình mà còn do sức ép đang tăng lên đối với nguồn tài nguyên phổ tần số. Đối với những nớc có nền công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh, vấn đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết. Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh trong nền kinh tế thị trờng đã thúc ép các nớc này phải nhanh chóng xác lập và lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung ra các thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thế thợng phong trên thị trờng. Hầu hết các nớc hiện nay đã đặt ra lộ trình chuyển đổi sang số và sẽ chấm dứt truyền hình tơng tự trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới. Đối với Việt Nam, một nớc nghèo với những đặc thù riêng của mình, vấn đề số hoá lại còn có một ý nghĩa khác. Về tài nguyên phổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 năm tới, chúng ta cũng cha bị thúc ép gay gắt nh các nớc có ngành truyền hình-viễn thông phát triển hiện nay. Bên cạnh mục đích nâng cao chất lợng phục vụ ngời xem, truyền hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽ buộc phải chuyển sang số vì các thiết bị t- ơng tự sẽ không đợc sản suất nữa. Nh vậy, số hoá truyền hình là con đờng tất yếu mà 1 truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khó khăn trớc mắt nh điều kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật còn non trẻ . Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quá trình thực hiện số hoá đối với tín hiệu truyền hình tơng tự, đồng thời trình bày khái quát về các phơng thức truyền dẫn, các tiêu chuẩn truyền hình số. Bố cục đồ án bao gồm 6 chơng: Chơng1: Giới thiệu chung : trình bày về quá trình phát triển, giới thiệu khái quát về hệ thống truyền hình số. Chơng2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá và thực hiện nén tín hiệu video. Chơng3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá và thực hiện nén tín hiệu audio. Chơng4: Ghép kênh và truyền tải các dịch vụ : trình bày về quá trình ghép kênh các kênh video, audio,số liệu phụ .của một hay nhiều chơng trình truyền hình. Chơng5: Các hệ thống truyền hình số : trình bày về các hệ thống truyền hình số ATSC, DVB, ISDB. Chơng6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phơng thức dịch vụ truyền dẫn nh qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất . Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng song do trình độ chuyên môn còn giới hạn, tài liệu tham khảo hạn chế cộng với thời gian thực hiện không dài nên trong quá trình thực hiện chắc không tránh đợc những sai lầm, thiếu sót. Vì điều kiện thực tế không cho phép nên đồ án của em chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết. Rất mong đợc sự thông cảm và hớng dẫn, chỉ bảo thêm của các thầy cô và bè bạn để em có thể hiểu rõ hơn về lĩnh vực này. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện. Đặc biệt là sự hớng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Khải, thầy đã trực tiếp chỉ dẫn, định hớng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành đồ án. 2 Chơng 1 Giới thiệu chung. Trong những năm gần đây kĩ thuật số đã có những bớc phát triển nhảy vọt với các sản phẩm công nghệ cao, giá thành hạ đang đợc ứng dụng mạnh mẽ vào các ngành kĩ thuật khác. Trớc khi kĩ thuật số đợc áp dụng vào kĩ thuật truyền hình, công nghệ kĩ thuật số đã phát triển ở mức độ cao trong các hệ thống xử lý dữ liệu và hệ thống truyền tin. Kết quả là truyền hình số đã phát triển rất nhanh, thể hiện nhiều u điểm so với truyền hình tơng tự và đang dần chiếm lĩnh u thế tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong công nghiệp truyền hình. Sự dịch chuyển từ các dịch vụ truyền hình dựa trên các ứng dụng của kỹ thuật tơng tự sang các dịch vụ truyền hình dựa trên ứng dụng các kỹ thuật số đang phát triển một cách nhanh chóng. Sự dịch chuyển của các dịch vụ truyền hình này một phần là nhờ 3 kết quả của sự hội tụ của các lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, các ngành khoa học và đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống truyền hình, tại camera và tại đầu thu t- ơng ứng vốn là là tín hiệu tơng tự. Nh vậy, có một câu hỏi tự nhiên đợc đặt ra tại sao phải số hoá. Trong khi sự suy giảm tín hiệu của các tín hiệu tơng tự đợc tích luỹ thì khả năng để tái tạo lại một chuỗi xung số một cách chính xác rất dễ dàng. Luồng bit số có thể đợc xen kẽ trong một kênh, quá trình xen kẽ này cho phép phát xạ, truyền dẫn, lu trữ , hoặc xử lý tín hiệu phụ cùng với tín hiệu video và audio. Hơn nữa, các kỹ thuật nén số dựa trên sự cắt giảm độ d thừa có thể đợc ứng dụng để số hoá các dịch vụ video và audio cho phép truyền một dịch vụ HDTV hoặc nhiều dịch vụ truyền hình bình th- ờng trên một kênh có độ rộng bằng kênh phát hình tơng tự quảng bá hiện tại. Sử dụng phơng pháp số để tạo,lu trữ và truyền tín hiệu của chơng trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình. Trong một số ứng dụng tín hiệu số đợc thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tơng tự vì nó có khả năng thực hiện đợc các chức năng mà tín hiệu tơng tự hầu nh không thể làm đợc hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lu trữ. So với tín hiệu tơng tự, tín hiệu số cho phép tạo, lu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lợng hình ảnh. Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trờng hợp tín hiệu số đều đạt đợc hiệu quả cao hơn với tín hiệu tơng tự (ví dụ nh bộ lọc). Mặc dù vậy xu hớng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt đợc một sự thống nhất chung, là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kĩ thuật số có chất lợng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Sự ra đời của các đầu ghi băng video số thế hệ hai và ba, các bộ chuyển mạch, đồ hoạ chuyển động và các bộ tạo kỹ xảo đặc biệt và sự thoả thuận sử dụng giao diện số nối tiếp năm 1990 đã đẩy nhanh việc cài đặt các thiết bị sản xuất chơng trình truyền hình số. Việc sản xuất chơng trình truyền hình số sử dụng các đầu ghi hình số đã cho phép các nhà sản xuất chơng trình có thể sao chép nhiều lần hơn so với đầu ghi hình tơng tự 4 mà vẫn đảm bảo chất lợng . Các ứng dụng của kỹ thuật số cho phép giảm thời gian cài đặt camera từ vài giờ xuống gần nh tức thời. Các hệ thống th viện số làm cho các ph- ơng tiện đợc ghi, bảo quản t liệu một cách tiện lợi và tìm kiếm thông tin nhanh và dễ dàng. Các lĩnh vực chính trong phát quảng bá còn lại đối với thế giới tơng tự là truyền dẫn giữa các trung tâm sản xuất chơng trình và truyền dẫn đến đến ngời sử dụng. Các ngăn cản cuối cùng này cũng đã đợc vợt qua vào đầu những năm 1990 với những ứng dụng của kỹ thuật nén số, nhìn chung đợc xây dựng dựa trên ứng dụng của mã hoá chuyển dạng cosin rời rạc (DCT), sử dụng điều chế biên độ vuông góc (QAM) và các kỹ thuật điều chế đa mức gần đây. Vào khoảng năm 1990, các tổ chức truyền hình Bắc Mỹ với nỗ lực của mình đã tìm ra phơng tiện phát hình ảnh HDTV trong kênh truyền hình 6Mhz hiện tại, kênh truyền hình UHF đợc tập trung chủ yếu vào việc sử dụng các phơng thức và kỹ thuật nén số để đáp ứng đợc các yêu cầu của hệ thống. Các kết quả mô phỏng có tính khả thi thực tế của các hệ thống khác nhau ở Bắc Mỹ đã nhanh chóng đợc phát triển ở nhiều nơi nh ở Châu Âu và các nớc và vùng châu á Thái Bình Dơng. Kết quả quá trình số hoá hình ảnh truyền hình 525 dòng, 625 dòng tạo ra dòng số liệu video 270Mbit/s, số hoá hình ảnh HDTV tạo ra luồng số liệu 1200Mbit/s. Một kênh có độ rộng 6, 7, 8Mhz chỉ có thể thể mang đợc tốc độ số liệu tối đa cỡ khoảng 20Mbit/s. Do vậy yêu cầu phải nén số liệu với tỷ lệ 60:1 đối với các dịch vụ truyền hình HDTV. Vào giữa năm 1991, các báo cáo về công việc đang đợc làm ở Mỹ, các nớc Bắc Âu, Anh, Pháp,ý, Nhật và các nớc khác đã chỉ ra rằng phơng thức giảm tốc độ bit với tỷ lệ 60:1 có thể đợc áp dụng cho cả hình ảnh HDTV và các hình ảnh truyền hình thông th- ờng. Kết quả này cho thấy hình ảnh của truyền hình có độ phân giải cao HDTV có thể đợc truyền trên các kênh tơng đối hẹp với tốc độ bit từ 15 đến 25Mbits/s và các dịch vụ truyền hình analog thông thờng có thể có thể đợc truyền với tốc độ 1,5 - 12Mbit/s tuỳ 5 thuộc vào chất lợng của dịch vụ. Sử dụng các tiêu chuẩn, các kỹ thuật điều chế đa mức sẽ có thể truyền một kênh truyền hình HDTV hoặc nhiều kênh truyền hình thông thờng trong các kênh truyền hình dải VHF và UHF hiện tại có băng thông 6, 7 hoặc 8Mhz. Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 sự phát triển của các chuẩn giao tiếp chung giữa các hệ thống vệ tinh số, cáp và phát quảng bá mặt đất đã mở ra một bớc ngoặt mới. Nhóm làm việc 11/3 của ITU đã đa ra các khuyến nghị đối với các thành phần chung của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất. Những chi tiết đối với phục vụ quảng bá bằng vệ tinh số, cáp đợc chấp thuận ở một số vùng lãnh thổ theo các khuyến nghị của ITU và chuẩn theo vùng địa lý. Những ứng dụng của kỹ thuật số đối với truyền hình đã đem lại công nghệ truyền hình số với rất nhiều u điểm. Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệ truyền hình tơng tự trên nhiều lĩnh vực: Chất lợng của dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực do tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đờng truyền, có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai (nếu có). Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu. Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nén và độ tin cậy của hệ thống cao. Mật độ chơng trình đợc gia tăng, khả năng cung cấp nhiều dịch vụ trên một kênh dịch vụ truyền hình hiện tại, hiệu quả sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệu quả sử dụng tần số. Có tính phân cấp, ví dụ: một dòng dữ liệu có thể đợc sử dụng để truyền một ch- ơng trình truyền hình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chơng trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn. 6 Khả năng truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khán giả hoặc từng cá nhân tạo ra một thị tr- ờng đa dạng. Tiết kiệm năng lợng,với cùng một công suất phát sóng, diện phủ sóng rộng hơn so với công nghệ tơng tự. Khoá mã đơn giản. Hoàn toàn có khả năng hoà nhập vào môi trờng truyền thông đa phơng tiện. Truyền hình đã và đang đáp ứng nhu cầu của toàn thể nhân loại trong việc cập nhật thông tin, giải trí. Thế giới đã bớc vào một kỉ nguyên mới của thời đại thông tin bằng sự hội tụ của các phơng tiện truyền thông. Tuy nhiên, với hệ thống truyền hình quảng bá tơng tự, sự hội nhập của công nghệ truyền hình vào hệ thống đa phơng tiện rất khó khăn. Để theo kịp xu hớng phát triển của ngành công nghiệp truyền thông kĩ thuật truyền hình cũng cần có sự cải tiến về công nghệ trong toàn bộ hệ thống từ ghi, dựng, truyền dẫn và phát sóng. Các tổ chức quốc tế đã thống nhất các tiêu chuẩn truyền hình số để tạo đà phát triển cho hệ thống mới này. Trớc những vấn đề trên, truyền hình số ngày càng thể hiện rõ các u điểm của mình và chắc chắn sẽ dần thay thế hệ thống truyền hình tơng tự trong một tơng lai không xa để kết hợp với các mạng truyền thông khác tạo thành một thế giới thông tin số đa phơng tiện phục vụ cho con ngời một cách hữu hiệu. Để dịch vụ truyền hình số phát triển nhanh chóng bắt buộc phải có sự hợp nhất giữa các chuẩn về mã hoá kênh, mã hoá nguồn, phơng thức điều chế, nhận dạng trong, chống lỗi và sửa sai . Số hoá toàn bộ hệ thống truyền hình có nghĩa là chuyển tín hiệu tơng tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình. Việc số hoá hệ thống truyền hình hiện nay (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM) chủ yếu là các khâu phân tích ảnh cho đến đầu vào máy phát hình (điều chế, sửa và xử lý tín hiệu). Số lợng các máy thu hình hiện nay là rất lớn, nên việc số hoá hệ thống truyền 7 hình phải đợc thực hiện qua từng giai đoạn (ngoại trừ các hệ thống truyền hình mới, ví dụ hệ thống truyền hình chất lợng cao HDTV). Sử dụng các hệ thống số trong truyền hình đòi hỏi phải biến đổi video tơng tự (từ camera truyền hình ở studio) thành tín hiệu video số. Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự ở đầu vào máy phát hình. Các thông số của hệ thống số phải đợc chọn sao cho chất lợng hình ảnh bằng hoặc tốt hơn so với hệ thống số tơng tự. Đó là giai đoạn sử dụng hỗn hợp truyền hình tơng tự và truyền hình số. Các ứng dụng của kĩ thuật số vào ngành truyền hình có một số nguyên tắc kỹ thuật và các tiến trình riêng biệt bao gồm : Sự phát triển của phơng thức nén số liệu , hình ảnh, âm thanh tơng thích với các nhu cầu của hệ thống phát hình số và cung cấp các mức thích hợp của hiệu năng hệ thống. Phải có sự nhận dạng của ghép kênh hình ảnh, âm thanh, số liệu , các đặc điểm mã hoá kênh và điều chế đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Tìm hiểu phổ và các khía cạnh đặt kế hoạch của các dịch vụ truyền hình số bao gồm vùng phủ sóng cho bộ thu khác nhau và các điều kiện môi trờng khác nhau. Khả năng cung cấp hệ thống phát số trong dải VHF và UHF cho phép khả năng hoạt động đồng thời với các dịch vụ truyền hình tơng tự đang tồn tại. Tuỳ theo phơng pháp biến đổi tín hiệu mà đặc điểm của hệ thống truyền hình số cũng thay đổi theo. Cấu trúc,nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số tổng quát nh sau: 8 9 Gia công tương tự ADC Ghép kênh Xử lý tín hiệu ADC Gia công tương tự Gia công số Gia công số Mã hoá chống nhiễu Điều chế Đồng bộ Đo kiểm tra Tín hiệu hình Tín hiệu tiếng Tín hiệu phụ Phát Môi trường truyền dẫn Giải điều chế Giải mã hoá kênh Phân kênh Chọn đồng bộ Phát đồng bộ Gia công số Gia công tương tự ADC Gia công số ADC Gia công tương tự Xử lý tín hiệu Tín hiệu hình Tín hiệu tiếng Tín hiệu phụ Tín hiệu đo kiểm tra Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tơng tự. Trong thiết bị mã hoá (biến đổi A/D), tín hiệu hình sẽ đợc biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trng của tín hiệu này đợc xác định từ hệ thống truyền hình đã đ- ợc lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số đợc đa tới thiết bị phát. Sau đó qua kênh thông tin rồi đợc đa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngợc lại với quá trình xử lý tại phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tơng tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số vói kênh thông tin. Khi tín hiệu số đợc truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên đợc gọi là bộ điều chế và giải điều chế. Khái niệm mã hoá trong kênh đợc phổ biến không những trong đờng thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số ví dụ nh máy ghi hình số, bộ điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số . 10 . DVB, ISDB. Chơng 6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phơng thức dịch vụ truyền dẫn nh qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất. .. Mặc dù bản. Chơng 3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá và thực hiện nén tín hiệu audio. Chơng 4: Ghép kênh và truyền tải các dịch vụ : trình bày về quá trình ghép kênh các