Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Kỹ thuật Audio và Video số cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan về hệ thống thông tin số, Số hóa tín hiệu audio, Số hóa tín hiệu video. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của bài giảng.
Lời nói đầu Tập giảng Kỹ thuật audio video số tài liệu giáo trình Kỹ thuật audio video tương tự Đây môn học chuyên nghành chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện, §iƯn tư cđa trêng §¹i häc S ph¹m Kü tht Nam Định Tài liệu trình bày vấn đề Kỹ thuật Audio Video số, bao gåm ba ch¬ng Ch¬ng mét giíi thiƯu tỉng quan hệ thống thông tin số nói chung truyền hình số nói riêng Trong có nêu đặc điểm thông tin số, ảnh hưởng kênh truyền dẫn liên tục, ưu điểm bật tín hiệu số so với tín hiệu tương tự chuẩn phát truyền hình số Chương hai trình bày vấn đề số hóa tín hiệu audio Trong mô tả bước trình chuyển đổi tín hiệu audio tương tự sang tín hiệu audio số Trong phương pháp mà hóa, giới thiệu tương đối chi tiết phương pháp mà hóa theo tiêu chuẩn AES/EBU Cuối chương giới thiệu tiêu chuẩn nÐn tÝn hiÖu audio, nh MPEG-1, MPEG - 2, AC - đặc biệt kỹ thuật nén audio chất lượng cao MP3 ACC Chương ba trình bày vấn đề số hóa tín hiệu vdeo Trong bao gồm số hóa tín hiệu video tổng hợp số hóa tín hiệu video thành phần Mỗi phương pháp lại đưa tiêu chuẩn lấy mẫu riêng biệt với cấu trúc lấy mẫu tương ứng Mỗi chuẩn phân tích mối quan hệ tín hiệu tương tự với tín hiệu số dòng, mành tích cực khoảng xóa dòng, xóa mành Trong chương giới thiệu kü tht nÐn tÝn hiƯu video, kü tht ®iỊu chÕ số sở, khái quát tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T dự kiến lộ trình chuyển đổi công nghệ truyền hình số Việt Nam Cuối chương giới thiệu phương pháp truyền dẫn truyền hình số Tập giảng biên soạn dựa tài liệu tiêu biểu kỹ thuật audio video số mục tài liệu tham khảo đà liệt kê Trong trình biên soạn tài liệu, tránh khỏi thiếu sót Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn tiếp thu ý kiến đóng ghóp đồng nghiệp bạn đọc Chủ biên Th.s Trần Thái Sơn Mục lục Lời nói ®Çu Ch¬ng Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin sè 1.1 Các đặc điểm thông tin sè 1.2 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin sè 1.3 C¸c ¶nh hëng cđa kªnh liªn tơc 1.3.1 Hiện tượng xuyên nhiễu dấu (ISI) 1.3.2 MÐo tuyÕn tÝnh 12 1.3.3 MÐo phi tuyÕn 14 1.3.4 Pha-®ing 16 1.3.5 Can nhiễu số tác động khác ®êng trun 18 1.4 ¦u nhược điểm tín hiệu số 21 1.4.1 Ưu điểm 21 1.4.2 Nhược điểm 21 1.5 C¸c chuẩn phát thanh- truyền hình số 22 1.6 Các tham số cđa hƯ thèng th«ng tin sè 22 1.7 Dịch vụ, mạng viễn thông m«i trêng trun 25 1.7.1 Các dịch vụ 25 1.7.2 M¹ng viƠn th«ng 26 1.7.3 Các môi trường truyền 28 Câu hỏi ôn tập chương 29 Ch¬ng Sè ho¸ tÝn hiƯu audio 30 2.1 Kh¸i qu¸t vỊ audio sè 30 2.1.1 Đặc điểm 30 2.1.2 ¦u ®iĨm cđa tÝn hiƯu Audio sè 31 2.1.3 Các thông sè kü thuËt 31 2.1.4 Sơ đồ khối hệ thèng audio sè 32 2.2 Nguyên tắc chuyển đổi A/D 33 2.2.1 Sơ đồ khối 33 2.2.2 LÊy mÉu 33 2.2.3 Lượng tử hoá 37 2.2.4 M· hãa 41 2.3 §ång bé audio 50 2.3.1 Đồng tÝn hiÖu audio sè .51 2.3.2 Đồng tín hiệu audio số vµ tÝn hiƯu video sè 52 2.4 C¸c chuÈn nÐn Audio sè 57 2.4.1 C¬ së nÐn audio sè 57 2.4.2 Kü thuËt nÐn sè liÖu audio 58 2.4.3 Các tiêu chuẩn nén 60 2.4.4 C¸c kü thuật nén audio chất lượng cao MP3 ACC 68 Câu hỏi ôn tập chương 75 Chương Số hoá tín hiệu video 76 3.1 Giới thiệu truyền hình số ảnh số 76 3.1.1 HƯ thèng trun h×nh sè 76 3.1.2 Đặc điểm truyền hình số .78 3.1.3 ¶nh sè 80 3.2 Chun ®ỉi tÝn hiƯu t¬ng tù - sè (A/D) 82 3.2.1 Nguyên tắc chuyển đổi A/D 82 3.2.2 C¸c phương pháp chuyển đổi A/D .84 3.3 Sè hãa tÝn hiÖu video 91 3.3.1 LÊy mÉu tÝn hiÖu video 91 3.3.2 Lỵng tư ho¸ tÝn hiƯu video 98 3.3.3 M· ho¸ 102 3.4 Số hoá tín hiệu video tổng hợp 111 3.4.1 Kh¸i qu¸t 111 3.4.2 Tiªu chuÈn 4fsc NTSC 112 3.4.3 Tiªu chuÈn 4fsc PAL 119 3.5 Sè ho¸ tín hiệu video thành phần 127 3.5.1 Kh¸i qu¸t 127 3.5.2 C¸c chuÈn lÊy mÉu 128 3.5.3 LÊy mÉu tín hiệu video thành phần 132 3.5.4 Thang lượng tử mức lỵng tư 136 3.5.5 CÊu tróc lÊy mÉu 141 3.5.6 GhÐp dòng số liệu phân chia theo thời gian 144 3.5.7 TÝn hiÖu chuÈn thêi gian 147 3.5.8 D÷ liƯu phơ 151 3.5.9 Tiªu chuÈn truyền hình số CCIR-601 152 3.6 Kü thuËt nÐn tÝn hiÖu video 154 3.6.1 Khái quát nén tốc độ dòng bit 154 3.6.2 Mô hình nÐn video 155 3.6.3 C¸c tham sè 155 3.6.4 Các phương pháp nén video 160 3.6.5 C¸c chuÈn nÐn video 191 3.7 Kỹ thuật điều chế số së 200 3.7.1 Kü tht ®iỊu chÕ M-PSK 200 3.7.2 Kü thuËt ®iÒu chÕ M-QAM 202 3.8 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt ®Êt DVB-T 204 3.8.1 Dù kiến lộ trình chuyển đổi công nghệ truyền hình số cđa ViƯt Nam 204 3.8.2 Tiªu chn DVB-T 208 3.8.3 Kh¸i qu¸t OFDM 210 3.9 Các phương thức trun dÉn trun h×nh sè 216 3.9.1 Truyền hình cáp 216 3.9.2.Trun h×nh số mặt đất 217 3.9.3 Trun h×nh sè qua vƯ tinh 218 3.9.4 Truyền hình đa truyền thông 219 Câu hỏi ôn tËp ch¬ng 223 Tài liệu tham khảo 225 Chương tổng quan hệ thống thông tin số 1.1 Các đặc điểm thông tin số Các hệ thống thông tin sử dụng để truyền tin tức từ nơi đến nơi khác Tin tức truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh tin tức) tới nhận tin (là đích mà tin tức cần chuyển tới) dạng tin Bản tin dạng hình thức chứa đựng lượng thông tin Các tin tạo từ nguồn dạng liên tục rời rạc, tương ứng có nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập tin tập vô hạn, nguồn tin rời rạc tập tin tập hữu hạn Biểu diễn vật lý tin gọi tín hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác tuỳ theo đại lượng vật lý sử dụng để biểu diễn tín hiệu, thí dụ cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng Tuỳ theo dạng tín hiệu sử dụng để truyền tải tin tức hệ thống truyền tin tín hiệu tương tự (analog) hay số (digital) tương ứng có hệ thống thông tin tương tự hay thông tin số Đặc điểm hệ thống tín hiệu tương tự (đại lượng vật lý sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với tin đà sản sinh tõ ngn tin) lµ tÝn hiƯu cã thĨ nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục giải Thêm vào đó, thời gian tồn tín hiệu tương tự giá trị không xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tin nguồn tin sinh Tín hiệu analog tín hiệu liên tục hay rời rạc tuỳ theo theo tín hiệu hàm liên tục hay rời rạc biến thời gian Tín hiệu điện thoại lối micro thí dụ điển hình tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế theo phương pháp điều biên xung (PAM: Pulse Amplytude Modulation) cđa chÝnh tÝn hiƯu tõ lèi micro nãi trªn tín hiệu tương tự rời rạc Trong trường hợp nguồn tin gồm số hữu hạn (M) tin tin đánh số thay truyền tin ta cần truyền ký hiệu (symbol) số tương ứng với tin Tín hiệu biểu diễn số (các ký hiệu) gọi tín hiệu số Đặc trưng tín hiệu số là: Tín hiệu số nhận số hữu hạn giá trị Tín hiệu số có thời gian tồn xác định, thường số ký hiệu TS (viết tắt Symbol time - interval: Thêi gian cđa mét ký hiƯu) TÝn hiệu số nhận M giá trị khác Trong trêng hỵp M = ta cã hƯ thèng thông tin nhị phân, trường hợp tổng quát ta cã hƯ thèng th«ng tin M møc So víi hệ thống thông tin tương tự, hệ thống thông tin số có số khả vượt trội Thứ có khả tái sinh tín hiệu theo ngưỡng sau cự ly định nên tạp âm tích lũy loại trừ được, nghĩa tín hiệu số mạnh tạp âm so víi tÝn hiƯu analog; Thø hai, tÝn hiƯu sè có tính tương thích với hệ thống điều khiển xử lý đại, nên có khả khai thác, quản lý bảo trì hệ thống cách tù ®éng cao; Thø ba, tÝn hiƯu sè cã thĨ sử dụng để truyền tải dễ dàng loại tin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho viêc hợp mạng thông tin tuyền đưa loại dịch vụ thoại hay số liệu thành mạng Nhược điểm hệ thống thông tin số phổ chiếm tín hiêụ số truyền tin liên tục tương đối lớn so với phổ tín hiệu tương tự Do h¹n chÕ vỊ kü tht hiƯn nay, phỉ chiÕm cđa tín hiệu số tương đối lớn, nhiên tương lai kỹ thuật số hoá tín hiệu liên tục tiên tiến áp dụng phổ tín hiệu số so sánh với phổ tín hiệu liên tục 1.2 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số Hệ thống thông tin số tập hợp phương tiện bao gồm thiết bị phần cứng phần mềm ®ỵc sư dơng ®Ĩ trun tÝn hiƯu sè tõ lèi thiết bị tạo khuôn phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo khuôn thông tin phần thu hệ thống thông tin số Có nhiều hệ thống thông tin số khác tuỳ thuộc môi trêng trun dÉn nh c¸c hƯ thèng trun dÉn sè qua vệ tinh viễn thông, hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất, hệ thống vô tuyến di động, hệ thống thông tin dùng cáp đồng trục, cáp xoắn hay cáp sợi quang học Đặc trưng hệ thống thông tin số tín hiệu truyền xử lý hệ thống tín hiệu số, nhận giá trị từ tập hữu hạn phần tử, thường gọi bảng chữ Các phần tử tín hiệu có độ dài hữu hạn xác định TS, hệ thống thông tin số nay, nói chung độ dài TS phần tư tÝn hiƯu Trong thùc tÕ cã rÊt nhiỊu lo¹i hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công tác, môi trường truyền dẫn Tuỳ theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt chức xử lý tín hiệu số khác sử dụng nhằm thực việc truyền đưa tín hiệu số cách hiệu phương diện băng tần chiếm công suất tín hiệu Từ nguồn tin V1 Tạo khuôn V2 Mà hoá nguồn * * Chuỗi bít * V3 Mà hoá mật * Tạo khuôn * Giải mà nguồn * V4 Mà hoá kênh * V5 Ghép kênh Điều chế * Trải phổ Đa truy nhập Giải mà mật * Giải mà kênh * Máy phát Kênh truyền Đồng Chuỗi dạng sãng Tíi bé nhËn tin Tõ c¸c ngn tin kh¸c Phân kênh * Giải điều chế Giải trải phổ Đa truy nhập Máy thu Tới đích nhận tin khác Hình 1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số Các chức xử lý tín hiệu mô tả khối sơ đồ khối hệ thống (hình 1.1) Trong sơ đồ khối này, thuật toán xử lý tín hiệu bao gồm: Tạo khuôn dạng tín hiệu, thực biến đổi tin tức cần truyền thể dạng tín hiệu liên tục hay số thành chuỗi bít nhị phân (có tốc độ v1 bít/s) Mà hoá ngn tÝn hiƯu, thùc hiƯn nÐn tÝn hiƯu nh»m gi¶m tốc độ bít để giảm phổ chiếm tín hiệu số (tốc độ v2v1) Mà hoá mật, thực mà chuỗi bít theo khoá xác định nhằm bảo mËt tin tøc (cã tèc ®é v3 = v2) Mà hoá kênh nhằm chống nhiễu tác động xấu khác đường truyền dẫn ( có tốc độ v4v3) Ghép kênh, nhằm tăng hiệu đường trun vµ thùc hiƯn viƯc trun tin tõ nhiỊu ngn tin khác tới đích nhận tin khác hệ thống truyền dẫn (tốc độ v5v4) Điều chế số, thực ánh xạ chuỗi bít đầu vào thành chuỗi tín hiệu dạng sóng để truyền xa Trải phổ, nhằm chống nhiễu bảo mËt tin tøc §a truy nhËp, cho phÐp nhiều đối tượng truy nhập mạng thông tin ®Ĩ sư dơng hƯ thèng trun dÉn theo nhu cÇu Máy phát đầu cuối, thực chức trộn đưa tín hiệu lên giải tần số công tác (khuyếch đại bù đắp tổn hao, lọc để chia xẻ băng tần, chống nhiễu xạ môi trường truyền) Môi trường truyền gồm loại: Vô tuyến hay hữu tuyến (bao gồm cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp quang) Đồng bộ, bao gồm đồng định thời (đồng đồng hồ) đồng sóng mang (đồng pha sóng mang thu, phát) hệ thống thông tin liên kết Các khối nhánh bên (phần thu) thực thuật toán xử lý ngược với khối tương ứng nhánh (phần phát) 1.3 Các ảnh hưởng kênh liên tục Phần đà xem xét cách tổng quan hệ thống thông tin số kênh liên tục với giả định lý tưởng Các tác động nhiễu từ bên bỏ qua xét tới tác động tạp âm nhiệt trắng chuẩn (AWGN) tồn cách cố hữu kênh Trong thực tế ảnh hưởng kênh liên tục đến hệ thống truyền dẫn số, mà tác động chúng phức tạp Trong ảnh hưởng đề cập tới là: Sự hạn chế băng tần truyền dẫn, méo tuyến tính, méo phi tuyến, pha-đinh, can nhiễu tác động khác đường truyền s(t) Zo(t) Z1(t) ZN(t) fo T(f) fo HP Hc(f) To(f) A0 T1(f) A1 f1 fN TN(f) AN (AWGN) n(t) fo R(f) CCI ACI Tiªu hao băng trắng mạch lọc Hình 1.2 Mô hình kªnh liªn tơc s t Thùc tÕ truyền qua kênh liên tục tín hiệu s(t) phát từ phần phát chịu tác động méo lẫn tạp âm can nhiễu, tín hiệu nhận R(t) khác đáng kể so với tín hiệu đà phát ®i, dÉn ®Õn viƯc ®¸nh gi¸ cđa m¸y thu vỊ tín hiệu đà phát bị sai Một kênh liên tục chịu tác động mô hình hoá theo sơ đồ khối hình 1.2, thể tác động kênh tới trình truyền dẫn số Kênh truyền hình thành từ khối thể đặc tính tần số phần phát T(f), phần thu R(f) môi trường truyền Hc(f) Trong đặc tính đường truyền dẫn Hc(f) có ảnh hưởng đặc biệt chất lượng truyền dẫn pha-đinh chọn lọc tần số hệ thống vi ba số Các tác động kể là: Các tầng dÃy thứ gây méo tuyến tính (linear distortion); Bộ công suÊt HPA g©y mÐo phi tuyÕn (non linear distortion); Các tầng từ dÃy thứ hai trở phát sinh nhiễu, có hai loại nhiễu bản, nhiễu đồng kênh (CCI: Co Channel Interference) nhiễu khác kênh (ACI: Adjust Channel Interference) 1.3.1 Hiện tượng xuyên nhiễu dấu (ISI) Như đà phân tích, tín hiệu số (các symbol) truyền kênh xem không ảnh hưởng lẫn với giả định băng tần truyền dẫn kênh liên tục vô hạn Trong phần xem xét vấn đề nảy sinh truyền dẫn chuỗi tín hiệu số kênh có băng tần hạn chế (hình 1.3) Trong thực tế, băng tần truyền dẫn vô hạn người chưa tận dụng hết trục tần số để truyền tín hiệu sóng điện từ Băng tần truyền dẫn tài nguyên quý hoi, buộc phải chia sẻ cho nhiều đối tượng sử dụng Để hạn chế phổ tần nhằm tăng số lượng hệ thống công tác băng sóng cho trước, người ta sử dụng mạch lọc si iM1 n(t) si t iM1 Mod TXfilter T(f) W(t) W(0) Rxfilter T(f) Läc phèi hỵp T(f) So sánh, định Lấy mẫu Máy thu tối ưu H(f) Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống có băng tần hạn chế M si i Mỗi symbol hình thành từ k bít có thời gian tồn k lần thời gian tồn bít, dạng sãng ®iỊu chÕ dïng ®Ĩ trun chóng cịng cã ®é dài hữu hạn độ dài k bít: TS=kTb, TS Tb độ dài symbol bít Do dạng sóng có độ dài hữu hạn, phổ chúng (nhận thông qua biến đổi Fourier) trải vô hạn miền tần số Giả thiết điều kiện môi trường truyền lý tưởng Xét trường hợp đơn giản song không tính tổng quát, tín hiệu lối vào lọc cho bởi: s(t)= K AK t KTS (1.1) Gi¶ thiÕt tạo xung cho xung đirắc có phổ hình 1.4 a Các xung đirắc có biên độ thay đổi tuỳ theo thay đổi giá trị mk qua lọc phát tới kênh truyền Hµm trun tỉng céng cđa hƯ thèng lµ tÝch hai đặc tính hai lọc phát thu: H f T f .R f F hT t hR t (1.2) 1 W t AK t KTS ht = (1.3) AK (t KTS ) * h(t ) AK h(t KTS ) (1.4) T¹i t = 0, xÐt K = tín hiệu lối tầng lÊy mÉu sÏ lµ: W(0)= AK h0 KTS AK h KTS A0 h0 Ak ht kTS (1.5) Như vậy, đầu phổ tín hiệu thu bị hạn chế đặc tính lọc hệ thống nên tín hiệu thu symbol (chưa kể đến tạp âm) trải vô hạn mặt thời gian Điều dẫn đến việc đầu thu symbol truyền chồng lấn lên thời gian gây nhiễu lẫn Hiện tượng truyền dẫn tín hiệu số gọi xuyên nhiễu dấu (ISI: Inter Symbol Interference) mô tả hình 1.4 b Sự tồn ISI làm cho tín hiệu thu bị méo tin tức bị nhận sai Tại thời điểm lấy mẫu t = KTS giá trị tín hiệu thu lối mạch lấy mẫu máy thu vượt ngưỡng định tín hiệu bị định nhầm Vấn đề đặt làm để truyền chuỗi tín hiệu số kênh có băng tần hạn chế mà ISI Điều kiện để truyền tín hiệu số kênh ISI lµ: 10 thêi gian cđa ký hiƯu ngn Td cđa ký hiệu liệu nối tiếp sau biến đổi nối tiếpsong song thành khoảng ký hiệu OFDM là: Ts N cTd (3.25) Nguyên lý OFDM điều chế N c dòng sóng mang đặt cách khoảng: Ts Fs (3.26) Để đạt tính trực giao tín hiệu N c sóng mang con, với giả thiết tạo dạng xung chữ nhật (làm giới hạn phổ tín hiệu sóng mang) N c ký hiệu nguồn điều chế song song Sn , n 0, , N c gọi mét ký hiƯu OFDM §êng bao phøc cđa mét ký hiệu OFDM với tạo dạng xung chữ nhật có dạng: x(t ) Nc S e N c 1 n0 n j 2 f n t , t Ts (3.27) N c tần số sóng mang đặt vị trí: fn n , n 0, , N c Ts (3.28) Ưu điểm OFDM điều chế đa sóng mang thực miền rời rạc cách sử dụng biến đổi IDFT, hiệu biến đổi IFFT Khi lấy mÉu ®êng bao phøc x(t ) cđa mét ký hiƯu OFDM với tốc độ 1/ Td , mẫu là: xv Nc S e N c 1 n0 n j 2 nv / N c , v 0, , N c (3.29) Khi sè c¸c sóng mang tăng, khoảng thời gian ký hiệu OFDM Ts trở nên lớn so với khoảng thời gian đáp ứng xung Tmax kênh, xuyên nhiễu dấu (ISI) giảm Tuy nhiên, để loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng ISI đảm bảo tính trực giao tín hiệu sóng mang con, tức loại bỏ nhiễu xuyên kênh ICI (InterChannel Interference), cần phải chèn thêm khoảng bảo vệ (guard interval) ký hiệu OFDM lân cận *Chèn khoảng bảo vệ hệ thống OFDM: Giả thiết ký hiệu OFDM có độ dài Ts hình 3.102 Khoảng bảo vệ chuỗi tín hiệu có độ dài Tg chèn cách tuần hoàn vào ký hiệu 213 OFDM kề nhằm chống lại ISI gây tượng truyền sóng đa đường Nguyên tắc giải thích sau: Giả sử máy phát phát khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài Ts Sau chèn khoảng bảo vệ tín hiệu cã chu kú lµ: Ts' Ts Tg Tg Hình 3.102 Mô tả khái niệm khoảng bảo vƯ (3.30) Ts Do trun sãng ®a ®êng tÝn hiƯu đến máy thu qua nhiều tuyến đường với trễ truyền dẫn khác Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này, hình 3.103 mô tả tín hiệu thu từ hai tuyến truyền dẫn, tuyến truyền dẫn trễ, tuyến lại trễ so với tuyến max tuyến ta thấy ký hiệu thứ (k 1) không chồng lấn lên ký hiệu thứ k Điều ta đà giả sử tuyến trễ truyền dẫn Tuy nhiªn ë tun hai, ký hiƯu thø (k 1) bị dịch sang ký hiệu thứ k khoảng max trƠ trun dÉn T¬ng tù nh vËy ký hiƯu thø k cịng bÞ dÞch sang ký hiƯu thứ (k 1) khoảng max Tín hiệu thu máy thu tổng tín hiệu tất tuyến Sự dịch tín hiệu trễ truyền dẫn phương pháp điều chế thông thường gây xuyên nhiễu ký hiệu ISI Tuy nhiên hệ thống OFDM có sử dụng khoảng bảo vệ loại bỏ nhiễu Trong trường hợp Tg max mô tả hình 3.103, phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI nằm khoảng bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts không bị chồng lấn ký hiệu khác phía thu, khoảng bảo vệ bị gạt bỏ trước gửi đến giải điều chế OFDM Vậy điều kiện định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng nhiễu ISI là: Tg max Độ dài rời rạc khoảng bảo vệ phải tho¶ m·n: 214 (3.31) N Lg max c Ts (3.32) Trong ®ã x số nguyên lớn nhỏ x max Tg Ts Hình 3.103 Khoảng b¶o vƯ viƯc chèng nhiƠu ISI Víi kü tht COFDM việc chèn khoảng bảo vệ vào symbol mô tả hình 3.104 A Hình 3.104 Chèn kho¶ng b¶o vƯ 215 ViƯc sư dơng kho¶ng b¶o vƯ đảm bảo tính trực giao sóng mang chống nhiễu ISI, đơn giản hoá cấu trúc ước lượng kênh truyền, cân tín hiệu phía máy thu Tuy nhiên khoảng bảo vệ không mang tin hữu ích nên phổ tín hiệu hệ thống bị giảm hệ số là: Ts Ts Tg (3.33) DÃy đà lấy mẫu sau thêm khoảng bảo vệ: xv Nc S e N c 1 n n0 j 2 nv / N c , v Lg , , N c (3.34) DÃy qua biến đổi số-tương tự mà đầu lý tưởng dạng sóng tín hiệu x(t ) với khoảng thời gian tồn Ts' Tín hiệu sau nâng lên cao tần phát vào kênh Đầu kênh, sau hạ tần dạng sóng tín hiệu thu y (t ) nhận từ tích chập x(t ) với đáp ứng xung kênh h( , t ) tạp âm n(t ) : y (t ) x(t )h( , t )d n(t ) (3.35) Tín hiệu thu y (t ) qua biến đổi tương tự-số, đầu d·y yv , v Lg , , N c tín hiệu thu y (t ) lấy mẫu tốc độ 1/ Td Bởi ISI có mặt Lg mẫu dÃy thu được, Lg mẫu loại bỏ trước giải điều chế đa sóng mang Phần ISI v 0, , N c yv giải điều chế đa sóng mang biến đổi DFT Đầu DFT dÃy đà giải điều chế đa sóng mang Rn , n 0, , N c gồm N c ký hiệu nhận giá trị phức: Rv ye Nc 1 v 0 v j 2 nv / Nc , n 0, , N c (3.36) 3.9 Các phương thức truyền dẫn truyền hình số 3.9.1 Truyền hình cáp Hệ thống truyền hình cáp (CATV : Community Antena Televition) xuất vào năm cuối thập niên 40 Thuật ngữ CATV xuất vào năm 1948 Mỹ thực thành công hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến (Cable Televition) Một năm sau Mỹ hệ thống truyền hình anten chung (CATV) cung cấp dịch vụ thuê bao đường truyền vô tuyến đà lắp đặt thành công Từ đó, thuật ngữ CATV dùng để chung cho hệ thống truyền hình cáp vô tuyến 216 hữu tuyến Mục tiêu ban đầu truyền hình cáp phân phát chương trình quảng bá tới khu vực điều kiện khó khăn địa hình thu anten thông thường, gọi vùng lõm sóng Truyền hình cáp sử dụng kênh truyền nằm phạm vi dải thông cận băng UHF Các kênh truyền hình cáp chia thành băng VHF thấp, VHF trung bình, VHF cao siêu băng (superband) Truyền hình cáp vô tuyến MMDS (Multiprogram Multi point Distribution System) sử dụng môi trường truyền sóng sóng viba dải tần 900 MHz Tuy triển khai mạng MMDS đơn giản dùng anten mà không cần kéo cáp đến nhà, lại có nhiều nhược điểm như: Hạn chế vùng phủ sóng; Chịu ảnh hưởng mạnh nhiễu công nghiệp; Chịu ảnh hưởng thời tiết; Yêu cầu dải tần vô tuyến lớn; Gây can nhiễu cho đài vô truyến khác khó khăn việc cung cấp dịch vụ truyền hình số Truyền hình cáp hữu tuyến hệ thống mà tín hiệu truyền hình dẫn thẳng từ trung tâm chương trình đến hộ dân sợi cáp đồng trục cáp quang, cáp xoắn Nhờ người dân xem chương trình truyền hình cáp chất lượng cao mà sử dụng cột anten Về góc độ kỹ thuật truyền hình cáp hữu tuyến có ưu điểm vượt trội so với hệ thống truyền hình khác như: chịu ảnh hưởng nhiễu công nghiệp; Không bị ảnh hưởng thời tiết; Không chiếm dụng phổ tần số vô truyến; Không gây can nhiễu cho trạm phát sóng nghiệp vụ khác; Có khả cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số dịch vụ hai chiều khác; Một ưu điểm hệ thống truyền hình cáp sử dụng kênh kề để truyền tín hiệu tất phạm vi mà không xuất hiện tượng nhiễu đồng kênh 3.9.2.Truyền hình số mặt đất So với phương thức truyền khác, phương thức truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting- terestrial) Châu Âu ATSC (Advanced Televition Systems Commitee) Mỹ đà khắc phục phần lớn điểm bất lợi so với truyền hình vệ tinh cáp Mặt khác phát sóng truyền hình số mặt đất có hiệu sử dụng phổ tần cao chất lượng tốt so với phát sóng tương tự tại: Trên dải tần kênh truyền hình tương tự phát chương trình truyền hình độ phân tích cao HDTV (màn hình rộng, tỷ lệ 16/9) nhiều chương trình truyền hình có độ phân tích thấp chương trình độ phân tích tiêu chuẩn thông thường SDVT chương trình độ phân tÝch më réng EDTV, hc thËm chÝ 217 tíi 16 chương trình có độ phân tích hạn chế LDTV chất lượng tương đương VHS Trong phạm vi phủ sóng, chất lượng ổn định, khôi phục vấn đề phiền toái ảnh có bóng, can nhiễu, tạp nhiễu, tạp âm v.v Máy thu hình lắp đặt dễ dàng vị trí nhà, sách tay thu lưu động trời Có dung lượng lớn chứa âm ( âm nhiều đường, lập thể, bình luận.v.v ) liệu Có thể linh hoạt chuyển đổi từ phát chương trình có hình ảnh âm chất lượng cao (HDTV) sang phát nhiều chương trình chất lượng thấp ngược lại Tuy nhiên truyền hình số mặt đất số nhược điểm sau: Kênh bị giảm chất lượng tượng phản xạ nhiều đường bề mặt trái đất không phẳng tòa nhà che chắn Giá trị tạp người tạo cao Do phân bố tần số dày phổ tần truyền hình, giao thoa truyền hình tương tự số vấn đề cần phải xem xét.v.v 3.9.3 Trun h×nh sè qua vƯ tinh ViƯc sư dơng vƯ tinh cho hƯ thèng CATV vµ hƯ thèng truyền hình quảng bá năm 70 kỷ phát triển với tốc độ nhanh chóng Vai trò vệ tinh thiếu việc truyền dẫn phát sóng chương trình truyền hình Một hệ thống truyền hình qua vệ tinh có nhiều ưu điểm, ®ã nỉi bËt lµ; Mét ®êng trun vƯ tinh truyền tín hiệu với khoảng cách xa, đạt hiệu cao cho đường truyền dài cho dịch vụ điểm điểm Đường truyền vệ tinh không bị ảnh hưởng điều kiện địa hình, địa vật, môi trêng trun dÉn ë rÊt cao so víi bỊ mỈt đất Truyền hình vệ tinh thực qua đại dương, rừng dậm, núi cao địa cực Việc thiết lập đường truyền qua vệ tinh thực thời gian ngắn, điều có ý nghĩa quan trọng việc thu thập tin tức, công việc đòi hỏi thời gian thiết lập nhanh chóng Vệ tinh thiết lập cho hệ thống điểm - đa điểm Với vệ tinh, đặt vô số trạm thu mặt đất, thuận lợi cho hệ thống CATV cho 218 dịch vụ truyền hình trực tiếp đến tận gia đình Ngoài truyền hình vệ tinh có khả phân phối chương trình với hệ thống liên kết khác Trong truyền hình vệ tinh, điều quan trọng ý số kênh vệ tinh thiết lập dành cho chương trình truyền hình Các chương trình phục vụ cho hệ thống CATV hay truyền hình quảng bá Trong truyền hình vệ tinh quảng bá, số kênh vệ tinh dùng cho chương trình cố định Các chương trình phát liên tục ngày Số kênh lại dành cho dịch vụ tin tức hay thể thao.v.v thực phát chương trình khoảng thời gian 3.9.4 Truyền hình đa truyền thông Thuật ngữ Multimedia - Đa truyền thông hay Đa phương tiện trợ giúp thống nhằm phối hợp toàn kỹ thuật viễn thông với nhau, hay gọi hội tụ công nghệ Các mối quan hệ với môi trường truyền thông thay đổi, khách hàng lựa chọn chủ đề, nội dung thông tin truy cập đa dạng chương trình tăng lên Trong thông tin đa phương tiện, hình ảnh âm phối hợp với nhằm phân phối truyền đạt thông tin đến người sử dụng Các dịch vụ truyền qua không gian, qua mạng thông qua giao diện cục Những ứng dụng đa truyền thông làm thay đổi cách mà truyền đạt, thu nhận khai thác tất loại thông tin Khách hàng cung cấp không giới hạn việc truy cập thông tin dịch vụ nhà Đối với nhà kinh doanh, ứng dụng đa truyền thông có ý nghĩa vô giá lĩnh vực quảng cáo, phân phối giao tiếp với khách hàng Kỹ thuật truyền hình bao gồm công việc sản xuất truyền dẫn chương trình video audio Kỹ thuật số xuất đà cho phép tín hiệu xử lý thời gian thực chương trình chuyên xử lý số có giá thành cao Máy tính cá nhân thiết kế nhằm tạo văn bản, đồ họa, trò chơi ứng dụng cá nhiệm vụ lặp lặp lại Sự kết hợp chặt chẽ truyền hình máy tính đà dẫn đến xuất hệ thống sử dụng máy tính lĩnh vực sản xuất chương trình Những nhu cầu đòi hỏi cấu trúc phần cứng phần mềm máy tính phải tăng tính bền vững tốc độ xử lý cao Đa truyền thông bắt đầu việc đưa số liệu audio vào máy tính Các bo mạch audio lắp ráp chip tổng hợp âm Sau chip giao diện video số xuất thị trường Chúng chế tạo đơn giản mang tÝnh kinh tÕ nh»m thiÕt kÕ cho c¸c bo 219 giao diện video cho định dạng tín hiệu video tổng hợp thành phần tương tự Số hóa tín hiệu video audio tạo dòng số liệu dung lượng lớn Quá trình xử lý tích hợp số liệu audio video động đầy đủ hình máy tính đòi hỏi phải có kỹ thuật nén giải nén, nhằm giảm tốc độ dòng bit theo hệ số nén từ đến 100 Ngày kỹ thuật nén đà cho phép xử lý thời gian thực tín hiệu audio chất lượng cao xử lý ảnh phức tạp với giá thành chấp nhận Trước máy tính cá nhân sử dụng rộng rÃi cho ứng dụng văn bản, in ấn đồ họa game, ngày giới chúng đà mở sang lĩnh vực sản xuất video audio Các ứng dụng như: lưu trữ trtên đĩa, tạo kỹ xảo, hệ thống đồ họa, hệ thống phát thanh, hệ thống truy cập giao diện mạng video tương thích phát triển với tốc đọ nhanh Tất ứng dụng tạo nên phương tiện phương tiện đa truyền thông Xu hướng tạo kết thuận lợi cho cạnh tranh giá LAN, cap, vƯ tinh, xa lé th«ng tin Set – top - box Bus giao diƯn Fire Wire Modem CD-ROM M¸y tính nhớ Máy thu hình VCR Camera Máy in Hình 3.105.Trạm truyền thông điển hình Hình 3.105 giới thiệu trạm đa truyền thông điển hình tạo thành từ số lượng lớn thành phần xử lý audio video máy tính , camera, VCRS, lưu trữ dung lượng lớn, máy chủ ổ đĩa CD-ROM thuộc version đa truyền thông Mỗi version xuất thị trường thành viên lại mang lại cải tiến tiêu chất lượng, khả hoạt động tính tương thích với sản phẩm đa truyền thông đa dạng Các phần cứng máy tính đa truyền thông thiết kế với 220 xử lý tốc độ cao; cache nhớ; bus cục tốc độ nhanh PCI EISA bus độc lập có tốc độ nhanh, dải thông rộng Movie-2 VGA-FC Những phải thiết kế cho ghép cách độc lập dòng số liệu ®· ®ỵc ®ång bé sư dơng tÝn hiƯu tõ bé ®iỊu khiĨn thêi gian video gèc C¸c tÝn hiƯu video audio thu từ camera hay VCR đòi hỏi kết hợp card thu giữ video audio Những card kết hợp với chuyển đổi A/D tín hiệu gốc tương tự Cũng vậy, việc phân phối chương trình sản xuất đa phương tiện từ trạm máy tính đòi hỏi phải có card giao diện cho lưu trữ phân phối mạng Các chuyển đổi D/A yêu cầu sử dụng cho ứng dụng Những nguồn thông tin tạo từ camera tương tự phải số hóa mà hóa, hay chiếm đoạt khung hình trình xử lý thời gian thực , sử dụng hệ thống số đa phương tiện Các camera số sử dụng thị trường DVCAM DXC-D30 vµ DCR-VX100 cđa Sony, DX1 cđa Panasonic vµ GR-DV1 Cđa JVC Các VCR tương tự phân phối tín hiệu video audio tương tự , tín hiệu phải số hóa trước đưa vào sử dụng hệ thống đa truyền thông Chất lượng video lại phát tạp âm hiƯu øng chång phỉ lÉn tÝn hiƯu video VCRS cung cấp tín hiệu video audio phát lại có chất lượng cao Chúng dựa định dạng video số (DV), phát triển công nhận vào năm 1995 nhà sản xuất VCR Máy ghi hình sè DVCR cã thĨ dïng giao diƯn Firre Wire H·ng Sony sản xuất cassette có chứa chip nhớ đọc/ghi MB để lưu trữ hình cho tất đoạn tư liệu theo thời gian liệu Từ đời vào năm 1983, đĩa CD-ROM sử dụng cho trình lưu trữ lần tín hiệu audio số Chúng lưu trữ lượng thông tin số liệu 650 MB Với dung lượng này, không đủ để tạo chương trình video số chất lượng cao Một định dạng mới, gọi đĩa video số (DVD), xuất đà đáp ứng nhu cầu cấp bách cần khả lưu trữ liệu lớn đĩa có kích thước nhỏ Mặc dù kích thước chúng giống CD-ROM, ổ đĩa lưu trữ tín hiệu video nén theo tiêu chuẩn MPEG-2 với dung lượng 10GB FireWire phát triển tên hÃng Apple Computer, định dạng giao diện đà chuẩn hóa thành bus nối tiếp tốc độ cao IEEE 1394-1945 Mục đích dùng cho đấu nối thiết bị số thông qua hệ thống cap có chiều dài ngắn 221 dùng cho việc kết nối phần khác thiết bị Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn Fire Wire cho phép bus khác nối với cần dẫn kết nối khoảng 1000 thiết bị Các ID bus kết nối hay thiết bị mạng tự động phân công thêm hay bớt thiết bị nối víi bus Trong thêi gian trun dÉn , giao thøc trung gian làm trọng tài sử dụng nhằm đảm bảo có thiết bị mạng truy cập tới bus Ngày nay, ngày khách hàng trang bị máy tính cá nhân máy thu hình tận dụng dịch vụ đa truyền thông Trong tương lai gần, thành viên gia đình đa phương tiện truy cập đồng thời tới dịch vụ lựa chọn trò chơi, mua hàng v.v 222 Câu hỏi ôn tập chương Phân tích khái quát sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền hình số Phân tích bước trình chuyển đổi A/D tín hiệu video Phân tích trình chuyển đổi A/D theo phương pháp song song Phân tích trình chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp có hồi tiếp Phân tích trình lấy mẫu tín hiệu video Phát biểu định lý lấy mẫu tín hiệu Nyquist Shannon Vẽ phân tích cấu trúc lấy mẫu trực giao; Quincunx dòng Quincunx mành Cho nhận xét cấu trúc Phân tích trình lượng tử hoá tín hiệu video Nêu đặc tính mà nói chung mà sơ cấp nói riêng Có loại mà sơ cấp? Vẽ dạng xung, mật độ phổ tín hiệu đặc điểm loại mà sơ cấp 10 Nêu tham số mà hoá theo tiêu chuẩn 4fscNTSC Vẽ phổ tín hiệu lấy mẫu theo chuẩn 11 Phân tích cấu trúc mành số, nêu mối quan hệ mành tương tự mành số chuẩn 4fscNTSC 12 Nêu tham số mà hoá theo tiêu chuẩn 4fscPAL Vẽ phổ tín hiệu lấy mẫu theo chuẩn 13 Phân tích cấu trúc mành số, nêu mối quan hệ mành tương tự mành số chuẩn 4fscPAL 14 Vẽ phân tích tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video số thành phần: 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:1:1 Nêu ý nghÜa cđa c¸c sè biĨu thøc tÝnh tèc độ dòng bit 15 Trong truyền hình số tín hiệu đồng thay tín hiệu nào? Phân tÝch tÝn hiƯu chn thêi gian m· ho¸ bit mà hoá 10 bit 16 Trình bày vấn đề lý thuyết thông tin Entropy 17 Ph©n tÝch kü tht nÐn tÝn hiƯu video mà dự đoán theo phương pháp DPCM mành, DPCM mành 18 Phân tích trình tiền xử lý phương pháp nén ảnh 223 19 Phân tích phương pháp biến đổi Cosin rời rạc chiều kỹ thuật nén ảnh 20 Phân tích phương pháp biến đổi Cosin rời rạc chiều kỹ thuật nén ảnh 21 Phân tích trình lượng tử hoá khối DCT kỹ thuật nén ảnh 22 Khái quát chuẩn nén JPEG Nêu phương thøc m· ho¸ JPEG 23 Kh¸i qu¸t vỊ chn nÐn M-JPEG 24 Khái quát chuẩn nén MPEG Nêu cấu trúc ảnh MPEG 25 Phân tích cấu trúc dòng bit MPEG 26 Phân tích chuẩn nén MPEG-1; MPEG-2; MPEG-4; MPEG-7 27 Phân tích kỹ thuật điều chế số sở M-PSK 28 Phân tích kỹ thuật điều chế số sở M-QAM 29 Trình bày khái quát OFDM 30 Trình bày khái quát phương thức truyền dẫn truyền hình số 224 Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt: [1] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, Nhà xuất [2] Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ, Thông tin số, nhà xuất Giáo dục, 2008 [3] [4] [5] [6] Khoa học Kỹ thuật, 2006 Đỗ Hoàng Tiến, Dương Thanh Phương, Truyền hình kỹ thuật số, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2004 Đỗ Hoàng Tiến, Audio & Video số, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 Nguyễn Quốc Bình, Kỹ thuật Truyền dẫn số, Nhà xuất Quân đội Nhân dân, 2001 Hoàng Uyên Lê Thục, Phạm Văn Tuấn, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học Đà Nẵng số 4(39).2010 - 239; sè 4(39).2010 – 240; sè 4(39).2010 - 241 Tµi liƯu tiÕng Anh: [1] John B Anderson, 1999: Digital Transmission Engineering, IEE Press & [2] Karl- Heinz Brandenburg, ”MP3 and AAC explained”, AES 17th International Prentice Hall, 1999 Conference On high quality Audio Coding, WIAMIS, 2003 [2] Serkan Kiranyaz, Merthieu Aubazac, Moncef Gapbbouj, ”Unsupervised Segmentation and Classification over MP3 and ACC Audio Bitstream”, WIAMIS, 2003 225 ACC ACI A/D AES ADPCM ASK ATSC BER BPM CATV CCITT CCI CCIR COFDM DARS DCT Các thuật ngữ viết tắt Moving Picture Experts Group - Advanced Audio Coding Adjust Channel Interference) Audio To Digital Converter Audio Engineering Society Adaptive Differential Pulse Code Modulation Amplitude Shift Keying Advanced Televition Systems Commitee Bit Error Rate Bi-Phase Mark Community Antena Televition Comite Consultatif Telegraphic International Co Channel Interference Comite Consultatif International des Ratio Communication Coded Orthogonal Frequency Division Multyplexing Digital Audio Radio Standard Discrete Cosine Transform DTVR Digital Tape Video Recoder DVB-C DVB-Cable DVB DVB-S DVB-T EAV EBU FFT FSK HAS HDTV IFFT ISI ITU desTelephonique Digital Video Broadcasting DVB- Satellite DVB- Terrestrial End of Active Video European Broadcast Union Fast Fourier Transform Fryquency Shift Keying Human Auditory System Highi Definition Televition Inverse FFT Inter Symbol Interference International Telecommunication Union 226 et MP3 Moving Picture Experts Group 1- Layer MP@HL Main Profile At High Level JPEG MP@ML MPEG NTSC PAL Pixel PSK QAM QPSK RF RLC SDTV SMPTE SNR STB SVGA TDM TDMA TNS VLC VLSI Joint Photographic Experts Group Main Profile At Main Level Moving Picture Expert Group National Televition Sýtem Commitee Phase Alternating Line Picture Element Phase Shift Keying Quadrature Amplytude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Run Length And Level Coding Standard Definition Televition Society of Motion Picture and Television Engineers Signal Noise Ratio Set- Top- Box Super- VGA Time Division Multiplex Time Division Multiplex Access Temporal Noise Shaping Variable Length Coding Very length Scale Itegration 227