Đề tài số hóa tín hiệu trong truyền hình số

[Type here] HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG  BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC: KỸ THUẬT PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH Đề tài: “Số hóa tín hiệu truyền hình số” Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: Nhóm: SĐT: Th.s Nguyễn Thị Thu Hiên Phùng Ngọc Bông B17DCVT033 D17CQVT01-B 01 0362958810 Hà Nội, tháng năm 2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………… ……3 NỘI DUNG…………………………………………………… ……4 Số hóa tín hiệu truyền hình…………………………………………4 Lựa chọn tín hiệu số hóa…………………………………… Chọn tần số lấy mẫu………………………………………… 2.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video tổng hợp…………………5 2.2 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video thành phần………………6 Lựa chọn cấu trúc mẫu……………………………………….6 3.1 Cấu trúc trực giao…………………………………………7 3.2 Cấu trúc quincux mành………………………………… 3.3 Cấu trúc quincux dòng……………………………………8 Lượng tử hóa tín hiệu Video………………………………….8 Mã hóa tín hiệu Video……………………………………… 5.1 Số hóa tín hiệu Video tổng hợp………………………… 5.2 Số hóa tín hiệu Video thành phần……………………… Số hóa tín hiệu studio…………………………………… 10 KẾT LUẬN…………………………………………………………12 2|Page MỞ ĐẦU Truyền hình số tên gọi hệ thống truyền hình mà tất thiết bị kỹ thuật từ Studio máy thu làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số Trong đó, hình ảnh quang học camera thu qua hệ thống ống kính, thay biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự hình ảnh quang học (cả chế độ chói màu sắc) biến đổi thành dãy tín hiệu nhị phân (dãy số 1) nhờ trình biến đổi tương tự số Số hóa tồn hệ thống truyền hình nghĩa chuyển tín hiệu tương tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình Tuy nhiên, việc số hóa hệ thống truyền hình theo nguyên tắc giữ mối quan hệ với hệ thống truyền hình tương tự (NTSC, PAL, SECAM) Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số • Đầu vào thiết bị truyền hình số tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Trong biến đổi A/D, tín hiệu truyền hình tương tự biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, tham số đặc trưng tín hiệu hệ thống truyền hình lựa chọn • Các luồng audio video sau ghép vào kênh qua ghép kênh • Mã hóa kênh: Chèn bit kiểm tra phục vụ phát sửa lỗi • Điều chế: Chuyển tín hiệu Audio video thành tín hiệu cao tần RF=> Tăng tốc độ truyền liệu cách cộng số trạng thái với Các phương pháp điều chế: ASK, FSK, PSK, • Kênh thơng tin: Truyền tải kênh liệu từ phía phát sang phía thu • Giải điều chế: Chuyển tìn hiệu RF lấy từ kênh analog sang tín hiệu Audio video • Giải mã hóa: loại bỏ bít kiểm tra, sửa lỗi (nếu có) 3|Page • Tách kênh: Tách luồng audio video từ kênh liệu • Giải mã tín hiệu (biến đổi DA): khơi phục dạng tín hiệu ban đầu, chuyển đổi từ tín hiệu truyền hình số sang tín hiệu truyền hình tương tự Truyền hình số cịn có ưu điểm: - Có khả phát lỗi sửa sai - Tính phân cấp (HDTV + SDTV) - Thu di động tốt: Người xem dù ô tô, tàu hỏa xem chương trình truyền hình Sở dĩ xử lý tốt tượng Doppler - Truyền tải nhiều loại thông tin - Ít nhạy với nhiễu dạng méo xảy đường truyền Bảo tồn chất lượng hình ảnh Thu số khơng cịn tượng “bóng ma ’’ tia sóng phản xạ từ nhiều hướng đến máy thu Đây vấn đề mà hệ tương tự khơng khắc phục - Phát nhiều chương trình kênh truyền hình - Tiết kiệm lượng, chi phí khai thác thấp - Mạng đơn tần (SFN): Cho khả thiết lập mạng đơn kênh, nghĩa nhiều máy phát kênh Đây hiệu lớn xét mặt công suất tần số Tín hiệu số dễ xử lý, mơi trường quản lý điều khiển xử lý thân thiện với máy tính … Với ưu điểm vượt trội tín hiệu số, truyền hình số tiến tới việc thay hồn tồn truyền hình tương tự, để phù hợp với mạng truyền thông ngành công nghiệp khác, tạo thành giới thông tin số, phục vụ người cách hữu hiệu Do việc số hóa truyền hình quan trọng - NỘI DUNG 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 dịng số có tốc độ bít thấp Song tín hiệu video số tổng hợp mang đầy đủ nhược điểm tín hiệu video tương tự, tượng can nhiễu chói-màu ➢ Phương pháp 2: Biến đổi riêng tín hiệu thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu R- Y B-Y tín hiệu màu R, G, B) tín hiệu số truyền đồng thời theo thời gian ghép kênh 4|Page Phương pháp làm tốc độ bit tăng cao so với việc biến đổi tín hiệu màu Video tổng hợp Cách có ưu điểm khơng 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, nên khử nhiễu qua lại (nhiễu tín hiệu lấy mẫu với hài tải tần số màu) 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 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 Cơng đoạn q trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số lấy mẫu (có nghĩa rời rạc tín hiệu tương tự theo thời gian) Do tần số lấy mẫu thông số hệ thống kỹ 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 đơn giản Tần số lấy mẫu tín hiệu truyền hình phụ thuộc hệ thống truyền hình màu Nếu lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp, thiết tần số lấy mẫu phải bội số tần số sóng mang màu Để cho việc lấy mẫu không gây méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu thỏa mãn công thức: fsa ≥ 2fmax Với hệ PAL (fmax = 5,5MHz) nghĩa fsa ≥11MHz Trường hợp fsa < 2fmax xảy thượng chồng phổ làm xuất thành phần phụ xuất méo, ví dụ như: hiệu ứng lưới hình (do tín hiệu vơ ích nằm băng tần video), méo sườn xung tín hiệu, làm nhịe biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), điểm nhấp nháy hình Trị số fsa tối ưu khác cho trường hợp: tín hiệu chói (trắng đen), tín hiệu màu (R, G, B); tín hiệu số màu, tín hiệu Video màu tổng hợp Cuối việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu 2.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video tổng hợp (Composite Video Signal): Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp, phải ý đến tần số sóng mang phụ fsc, chọn fsa xuất trường hợp sau đây: + fsa gấp nhiều lần fsc, ví dụ fsa = 3fsc 4fsc (hệ PAL, NTSC dùng tần số fsc) Hệ SECAM dùng hai sóng mang phụ màu nên không dùng tần số fsa cho tín hiệu hiệu số màu + fsa khơng có quan hệ trực tiếp với fsc Trong trường hợp ngồi thành phần tín hiệu có ích xuất 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 gọi méo điều chế chéo (Intermodulation) Méo không xuất trường hợp lấy mẫu mã hóa 5|Page riêng tín hiệu chói tín hiệu số màu Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp cho hệ NTSC, PAL, ta chọn hài bậc tần số tải màu fsc: fsa =3fsc fsaPAL = 13,3 MHz > 2fmaxPAL = 2x5=10MHz 2x5,5=11MHz fsaNTSC = 10,7 MHz > 2fmaxNTSC = 2x4,2=8,4MHz Nếu dùng fs = 4fsc fsNTSC = 14.3 MHz ; fsPAL = 17.7 MHz Nếu chọn fsa= 4fsc cho chất lượng khơi phục tốt Tuy nhiên, làm tăng tốc độ bit tín hiệu số Do tín hiệu video số mang đầy đủ nhược điểm video tương tự nên người ta thường sử dụng phương pháp số hố tín hiệu tổng hợp 2.2 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video thành phần (Component 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 khơng có, cần lưu ý: + Tần số lấy mẫu tín hiệu chói fsaY≥ 2fmaxY bội số tần số dịng + Tần số lấy mẫu tín hiệu màu fsa(R-Y)(B-Y) ≥ 2fmax (R-Y)(B-Y) bội số tần số dịng Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường lấy thông qua tỉ lệ tần số tín hiệu chói tín hiệu màu Thơng thường có tỉ lệ 4:1:1; 4:2:2; 4:4:4 Kết hợp điều với thực tế người 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 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 Lựa chọn cấu trúc mẫu Nếu coi hình ảnh số tập hợp số việc xếp, bố trí chúng theo quy luật có lợi Mục đích vấn đề giảm tối thiểu tượng viền, bóng, nâng cao độ phân tích hình ảnh Việc lấy mẫu khơng phụ thuộc theo thời gian mà phụ thuộc vào tọa độ điểm lấy mẫu Vị trí điểm lấy mẫu hay gọi cấu trúc mẫu xác định theo thời gian, dòng mành Tần 6|Page số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc mẫu cho phép khơi phục hình ảnh tốt Do vậy, tần số lấy mẫu cấu trúc lấy mẫu phải thích hợp theo ba chiều t,x,y Có ba dạng liên kết vị trí điểm lấy mẫu sử dụng cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video 3.1 Cấu trúc trực giao: Đối với cấu trúc trực giao, mẫu dòng kề xếp thẳng hàng theo chiều đứng Cấu trúc cố định theo mành ảnh, tần số lấy mẫu thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquish nên cần sử dụng tốc độ bít lớn 3.2 Cấu trúc quincux mành: Đối với cấu trúc quincux mành, mẫu dòng kề thuộc mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng Các mẫu mành khác lệch nửa chu kỳ lấy mẫu Với việc xếp thẳng hàng mẫu cho phép giảm tần số lấy mẫu theo dòng mành thứ Do phổ tần cấu trúc mành thứ hai bị chồng phổ phổ tần bản, nguyên nhân gây méo chi tiết ảnh 7|Page 3.3 Cấu trúc quincux dòng: Đối với cấu trúc quincux dòng, mẫu dòng kề mành lệch nửa chu kỳ lấy mẫu Các mẫu dòng tương ứng hai mành lệch nửa chu kỳ lấy mẫu Cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ 25% tần số Nyquist Lượng tử hóa tín hiệu Video Đây q trình biến đổi tín hiệu sau lấy mẫu thành khoảng rời rạc, gọi khoảng lượng tử (Q): Q = 2n Có hai cách lấy khoảng lượng tử: - Tuyến tính: Các khoảng lượng tử cách đều, khơng phụ thuộc tín hiệu analog vào - Khơng 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 Mã hóa tín hiệu Video Mã hóa tín hiệu Video biến đổi tín hiệu lượng tử hóa thành tín hiệu số cách xếp số nhị phân cho mức lượng tử hóa ánh xạ mức thành tín hiệu có mức logic “0” “1” Khi dùng mã PCM bit để mã hóa tín hiệu, tức ứng với 28 =256 mức lượng tử Nếu số bit tăng độ xác chuyển đổi tăng tốc độ bit tăng đòi hỏi kênh truyền rộng đồng thời đáp ứng chuyển đổi thấp 5.1 Số hóa tín hiệu video tổng hợp: 8|Page Hình 3.4: Biến đổi A/D tín hiệu video tổng hợp Mạch lọc thơng thấp: dùng để hạn chế băng tần tín hiệu vào, ngăn ngừa tượng méo chéo (các tín hiệu khác chồng lên nhau) Mạch tạo xung đồng hồ: dùng để lấy mẫu đồng tất khâu mạch ADC Mạch lấy mẫu: lấy mẫu tín hiệu tương tự điểm khác nhau, cách giữ cho biên độ điện áp thời điểm lấy mẫu khơng đổi q trình chuyển đổi Mạch lượng tử hóa: làm nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu mặt biên độ Mạch mã hóa: kết lượng tử hóa xếp lại theo quy luật định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu đầu chuyển đổi Tín hiệu video tương tự PAL lấy mẫu với tần số lấy mẫu lần tần số sóng mang màu (4fsc ) vào khoảng 17,72 MHz Mỗi mẫu tín hiệu lượng tử hóa 10 bit, cho ta chuỗi số liệu 177 Mbit/s (trong trường hợp bit, chuỗi số liệu có tốc độ 142 Mbit/s) Tín hiệu video số tổng hợp có ưu điểm dải tần Nhưng tín hiệu video tổng hợp số có nhược điểm tín hiệu tổng hợp tương tự tượng can nhiễu chói màu Tín hiệu tổng hợp gây khó khăn việc xử lý, tạo kỹ xảo truyền hình 5.2 Số hóa tín hiệu Video số thành phần: Hình 3.5 minh họa trình chuyển đổi tương tự sang số tín hiệu video thành phần Đối với tiêu chuẩn này, tín hiệu chói lấy mẫu với tần số 13,5 MHz, hai tín hiệu màu lấy mẫu với tần số 6,75 MHz Mỗi mẫu lượng tử hóa 8/10 bit, cho ta tốc độ bit 216/270 Mbps Lượng tử hóa bit cho ta 256 mức 10 bit cho ta 1024 mức với tỉ số tín hiệu tạp âm (S/N) cao Biến đổi tín hiệu video thành phần 9|Page cho ta dịng số có tốc độ bit cao tín hiệu số tổng hợp Tuy nhiên, dịng tín hiệu thành phần số cho phép xử lý dễ dàng chức ghi dịng, tạo kỹ xảo v.v Hình 3.5: Biến đổi A/D tín hiệu video thành phần Hơn nữa, chất lượng ảnh không chịu ảnh hưởng can nhiễu chói, màu tín hiệu tổng hợp Với phát triển công nghệ điện tử, chip có tốc độ cao đời, cho phép truyền tồn chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp dây dẫn Video số nối tiếp có ưu điểm bản: - Khơng bị nhiễu ký sinh, khơng méo, tỉ số tín hiệu/ tạp âm cao - Chuyển đổi tín hiệu đơn giản Có thể cài tín hiệu Audio chuỗi số liệu Video số Như cần sợi cáp truyền tín hiệu audio video Khâu thiết kế, lắp đặt khai thác thiết bị, nhờ đơn giản thuận tiện nhiều.Mặc dù hai phương pháp số hóa tín hiệu tổng hợp thành phần nghiên cứu áp dụng kỹ thuật truyền hình số Tuy nhiên, nhờ tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu thành phần đuợc khuyến khích sử dụng Số hóa tín hiệu studio Như hình 3.6, để số hóa tồn khâu sản xuất chương trình truyền hình, tín hiệu video (ra từ Camera, Telecine ) qua biến đổi DAC 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 hiệu đồng bộ, tín hiệu đồng hồ xung lấy mẫu cho thiết bị số 10 | P a g e Tín hiệu video số Studio -Tiêu chuẩn NTSC: 525/60, fMax = 4,2MHz; fH = 15750Hz; TH= 63,555fs -Tiêu chuẩn PAL: 625/50, fMax= 5,5MHz; fH= 15625Hz; TH= 64fs Hình 3.6: Sơ đồ khối kênh hình Trung tâm truyền hình Tín hiệu Video Studio bao gồm: Tín hiệu chói Y với fS/Y = 13,5MHz, mã PCM tuyến tính, 8bit/1pixel Tín hiệu hiệu số màu C: fS/C = 6,75 MHz, mã PCM tuyến tính, 8bit /1 pixel Tín hiệu số trộn theo cách: ➢ Nối tiếp, ghép kênh theo thời gian thành dòng: tốc độ bit 216Mb/s, môt kênh truyền, băng tần cỡ 150 MHz, ưu điểm có mạch chuyển đổi ➢ 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 cách 11 | P a g e KẾT LUẬN Với dịch chuyển từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, truyền hình hội nhập với dịch vụ khác để tạo giới đa phương tiện nhằm đáp ứng yêu cầu người cách hữu hiệu Truyền hình khơng cịn loại thơng 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 thực phương tiện hữu ích cho đời sống người giải trí cơng việc Với phát triển khoa học cơng nghệ, truyền hình số tạo nên môi trường đa phương tiện giúp cho tất người dễ dàng tiếp cận với nhiều nội dung từ học tập, giải trí đến kiến thức khoa học, trị, tin tức mang tính thời cách thật nhanh chóng xác 12 | P a g e ... Lượng tử hóa tín hiệu Video………………………………….8 Mã hóa tín hiệu Video……………………………………… 5.1 Số hóa tín hiệu Video tổng hợp………………………… 5.2 Số hóa tín hiệu Video thành phần……………………… Số hóa tín hiệu studio……………………………………... Số hóa tín hiệu truyền hình? ??………………………………………4 Lựa chọn tín hiệu số hóa? ??………………………………… Chọn tần số lấy mẫu………………………………………… 2.1 Tần số lấy mẫu tín hiệu Video tổng hợp…………………5 2.2 Tần số lấy mẫu tín. .. cách lượng tử ngắn Mã hóa tín hiệu Video Mã hóa tín hiệu Video biến đổi tín hiệu lượng tử hóa thành tín hiệu số cách xếp số nhị phân cho mức lượng tử hóa ánh xạ mức thành tín hiệu có mức logic “0”