Giáo trình truyền hình số - Chương 1 potx

TỔNG QUAN TÍN HIỆU DIGITAL ------ I/ Giới thiệu về truyền hình số: Truyền hình số Digital Television là một phương pháp truyền hình hoàn toàn mới, Trên thế giới, các nhà điều hành c

TỔNG QUAN TÍN HIỆU DIGITAL

- -

I/ Giới thiệu về truyền hình số:

Truyền hình số (Digital Television) là một phương pháp truyền hình hoàn toàn mới,

Trên thế giới, các nhà điều hành cáp, vệ tinh, trên mặt đất đều đang chuyển động đến môi trường số, Ở Châu Âu, truyền hình số đã được sử dụng ở Anh (phát sóng truyền hình số 1999, Đức, Pháp, Ireland, Tây Ban Nha, Hà Lan, Thụy Điển, Hầu hết các nhà phân tích công nhgiệp đều dự báo việc chuyển dịch lên truyền hình số là một sự tiến hóa (evolution) hơn là một cuộc cách mạng (revolution), nó làm thay đổi cách sống của hàng trăm triệu gia đình trên thế giới, Các công ty cho rằng sự hội tụ giữa máy tính cá nhân, máy thu hình (TV sets) và Internet đã bắt đầu và điều đó sẽ dẫn đến sự chuyển hóa cực đại về máy tính, Đối với người tiêu dùng, kỷ nguyên mới về số sẽ nâng cao việc xem truyền hình ngang với chất lượng chiếu phim, âm thanh ngang với chất lượng CD cùng với hàng trăm kênh truyền hình mới và nhiều dịch vụ mới, Truyền hình số cho thuê bao xem được nhiều chương trình truyền hình với chất lượng cao nhất, Đối với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên môi trường số

sẽ làm giảm việc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp các ứng dụng Internet cho thuê bao và mở ra một lĩnh vực mới, các cơ hội mới về thương mại, Nhiều dịch vụ mới trên cơ sở truyền hình số sẽ được hình thành:

Truy cập Internet tại các tốc độ

Chơi Game trên mạng với nhiều người

Video theo yêu cầu VOD (video – on - demand)

Cung cấp các dòng video và audio

Dịch vụ thanh toán tiền từ nhà (home banking)

Các dịch vụ thương mại điện tử

Cập nhật phần mềm máy tính

Truyền thanh, truyền hình đa phương tiện (Multimedia)

Đọc báo điện tử

Trên năm mươi năm qua, truyền hình sử dụng tín hiệu tương tự như là một phương tiện truyền dẫn phát sóng, Việc chấm dứt truyền hình tương tự và phát triển truyền hình số đòi hỏi phải đầu tư mới máy thu hình số, máy phát hình số, các thiết bị sản xuất và hậu kỳ số cho chương trình truyền hình, Điều đó dẫn đến phải sử dụng một mặt bằng số chung, mở ra các cơ hội cho thị trường dân dụng, Truyền hình số có tốc độ truyền dữ liệu cao, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú và người xem truyền hình có thể lướt qua Internet bằng máy thu hình, Nhờ có kỹ thuật nén, có thể phát sóng nhiều chương trình truyền hình trên một kênh sóng (truyền hình tương tự phát sóng 1 chương trình /1 kênh sóng)

1/tiêu chuẩn truyền hình số:

Các tổ chức về tiêu chuẩn quốc tế là các cơ sở nghiên cứu và đề xuất cáctiêu chuẩn truyền hình số, ví dụ một vài tổ chức quốc tế như:

ETSI (the European Telecommunications Standards Institute)

DVB (Digital Video Broadcasting)

ATSC (the Advanced Television Systems Committee)

DAVIC (the Digital Audio Visual Council)

ECCA (the European Cable Communications Association)

CableLabs

W3C (W3 Consortium)

FCC (the Federal Communications Commission)

ETSI là một tổ chức phi lợi nhuận, xác định và cung cấp các tiêu chuẩn viễn thông, ETSI bao gồm một hội đồng chung GA (General Assembly) , 1 uỷ ban (Broard), một tổ chức kỹ thuật TO (Technical Organization) và một ban thư

ký, Tổ chức TO đề xuất và quảng bá các tiêu chuẩn kỹ thuật, Trên 3500 chuyên gia làm việc cho ETSI trong 200 nhóm

2/Đặc điểm truyền hình cáp Digital :

Sự tiến bộ của công nghệ truyền hình cáp số trong việc mã hóa hình ảnh

và âm thanh, sản xuất chương trình, lưu trữ và phát sóng đang làm thay đổi một cách nhanh chóng những quan niệm truyền thống về phát thanh và truyền hình, Trong kỹ thuật truyền hình cáp số, tín hiệu video và audio được truyền chung trên một kênh, Thuê bao có thể lựa chọn và xem các chương trình theo ý muốn, Ngày nay, mạng cáp phân phối thường là mạng đa dịch vụ phức tạp điển hình là mạng HFC (Hybrid Fiber Coax) Mạng HFC là sự kết hợp tối ưu giữa cáp đồng trục và cáp quang, Mạng HFC là mạng băng rộng tuyến tính cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu cao tần RF (radio frequency) , mỗi tín hiệu có băng tần khác nhau được ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng, việc cải tiến khả năng truyền và cung cấp các dịch vụ trên cáp là quan trọng, Đã có nhiều đề án cải tiến tập trung quan tâm đến việc truyền các kênh truyền hình số trên cáp: Ở Châu Á và Nhật Bản có tiêu chuẩn ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting: phát số các dịch vụ tổng hợp) , Tiêu chuẩn này cho phép truyền nhiều dịch vụ số như truyền hình nhiều kênh, Fax, Teletex, hình ảnh tĩnh và các

dữ liệu khác qua một kênh giống kênh của một chương trình truyền hình tương

tự, Ở Châu Âu nhóm nghiên cứu DVB (Digital Video Broadcasting) đã đưa ra các tiêu chuẩn mô tả việc cung cấp các dịch vụ truyền hình số trên cáp, Tiêu chuẩn do nhóm DVB rất được quan tâm và được ứng dụng ở Châu Âu cũng như nhiều nơi trên thế giới, Thành công có ý nghĩa của dự án DVB là độ phân giải cao của hệ thống truyền hình trực tiếp đến tận nhà, Dự án DVB là sự kết hợp hài hòa giữa các chuẩn của ETSI cho truyền dẫn các dịch vụ đa phương tiện và đa chương trình qua các phương tiện quảng bá như các vệ tinh, mạng truyền hình cáp CATV, hệ thống phân phối video từ một điểm đến nhiều điểm MVDS (Multipoint Video Distribution) và các kênh UHF các trạm mặt đất,

Sự ra đời của các chuẩn truyền hình số có các ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền dẫn và phát tín hiệu truyền hình tương tự như:

Khả năng chống nhiễu cao

Có khả năng phát hiện và sửa lỗi

Chất lượng chương trình trung thực do tại phía thu tín hiệu truyền hình

số có khả năng phát hiện và tự sửa lỗi nên tín hiệu được khôi phục hoàn tòan giống khi phát,

Tiết kiệm phổ tần số và kinh phí đầu tư bằng cách sử dụng công nghệ nén MPEG – 2 và phương thức điều chế tín hiệu số có mức điều chế cao: QBSK, QAM, 16QAM, nhờ đó dải tần 8Mhz có thể tải được 4 – 8 kênh chương trình truyền hình số chất lượng cao,

Khả năng thực hiện truyền hình tương tác, truyền số liệu và có khả năng truy cập Internet

II Tín hiệu :

1/ Tín hiệu số :

Tín hiệu số là dạng tín hiệu đặc trưng bởi 2 mức giá “0” hay “1” và các mạch số chỉ làm việc với hai mức giá trị này tuy nhiên đối tựơng điều khiển là các mạch số trong nhiều trường hợp có rất nhiều ,thậm chí có vô số các trạng thái khác nhau và các tín hiệu

mà mạch số nhận được do phản hồi cũng có tính chất như vậy

Có 2 phương pháp biến đổi là ADC và DAC, để thấy được quá trình có được tín hiệu số từ tín hiệu tương tự hay ngược lai

+ Chuyển đổi DAC (digital to ananlog converter)

Đây là quá trình lấy tín hiệu số (ở dạng nhị phân) chuyển thành tín hiệu analog với mức điện áp hay dòng điện tỉ lệ với giá trị số ở ngõ vào

+ Chuyển đổi ADC (analog to digital converter)

Là quá trình chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số gọi tắt là A\D là quá trình ngược của D\A ,nhưng phức tạp hơn D\A và thời gian chuyển đổi cũng nhiều ,dài hơn

2/Các phương pháp xử lý tín hiệu :

a/ Nén Video:

Tín hiệu video sau khi được số hóa 8bit có tốc độ 216Mbit/s

Để có thể truyền được trong một kênh truyền hình thông thường tín hiệu video số cần phải được “nén” trong khi đó vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh

Mặc dù tín hiệu video đã từng được nén từ những năm 1950 ,cùng với sự ra đời của truyền hình màu ,ba tín hiệu thành phần màu R,G,B với bề rộng dải thông 15Mhz, đã được nén trong một tín hiệu video màu hỗn hợp với bề rộng dải thông là 5Mhz dải thông được giảm 3 lần hay nói cách khác thì hệ số nén là 3:1

Hình 1.2a : Nén Video tương tự

Tín hiệu video như chúng ta đã biết có dải phổ từ 0Mhz đến 6Mhz , trong nhiều trường hợp thì năng lượng phổ chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp ,bởi lẽ thành phần tần số cao chỉ xuất hiện ở tại đường viền của hình ảnh như vậy đa số thông tin về hình ảnh tập trung ở miền tần số thấp chỉ có rất ít thông tin dư thừa trong tín hiệu video

Công đoạn đầu tiên của quá trình nén là xác định thông tin dư thừa trong miền không gian của một ảnh của tín hiệu video

Nén không gian được thực hiện bởi phép biến cosin rời rạc DCT (discrete cosin

transform)được biểu thị bằng công thức: F(u,v)

Và phép biến đổi ngược được biễu diển bằng: f(x,y)

Do bản chất của tín hiệu video, phép biến đổi DCT cho ta những hệ số ứng với các thành phần tần số cao với giá trị rất nhỏ

Blốc ảnh 8 x8 phần tử ảnh Giá trị các phần tử ảnh

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

0 12,5 25,0 37,5 50,0 62,5 75,0 87,5

Điều Chế

+

R(0÷5 MHz) G(0÷5 MHz) B(0÷5 MHz)

R(0÷5 MHz) R-Y(0÷1,5 MHz) B-Y(0÷1,5 MHz)

Tín hiệu Video màu tổng hợp (0÷5 MHz)

R

5MHz f

G

5MHz f

B

5MHz f

Video Y

C

5MHz f

Hệ Số DCT

Hình 1.2b : Biến đổi Cosin rời rạc (DCT}

+ Chuẫn nén MPEG

Công nghệ nén MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh

Tiêu chuẩn đầu tiên là MPEG-1 , mục tiêu là mã hóa tín hiệu audio và video với tốc độ bit là 1,5Mbit/s

Tiêu chuẫn thứ hai là MPEG-2 với những công cụ mã hóa khác nhau , nhằm lưu trữ ảnh động vào đĩa với dung lượng bit thấp

Dòng bit MPEG có dạng như sau :

 Seq(sequence) :Thông tin về chuỗi bit

Trong mỗi chuổi bit Seq gồm :

Seq

SC

Video Params

Bitstream Params

QTs,

Video Params:chiều cao độ rộng ,tỷ lệ khuôn hình các phần tử ảnh

Bit Streams Params: tốc độ bit và các thông số khác

Qts: có 2 loại là

Nén trong ảnh và nén liên ảnh(I-Iframe and P-Pfame)

GOP: Thông tin về nhóm ảnh

Trong mỗi GOP thông tin về nhóm ảnh lại gồm:

GOP

SC

Time Code

GOP Params PICT … PICT

- Time Code: Giờ phút giây ảnh

- GOP Params: Miêu tả cấu trúc GOP

- PIC: Thông tin về ảnh

Trong thành phần (PICT) thông tin về ảnh lại bao gồm:

PSC Type Buffer

Params

Encode Params Slice … Slice Ảnh thuộc loại I,P hay B

Buffer params: thông tin về buffer

Encode params : thông tin về các vectơ chuyển động

Slice: thông tin về slice ảnh

Trong thành phần Slice gồm các thông tin:

43,8 -40 0 -4,1 0 -1,1 0 0

o Vert pos : slice bắt đầu từ dòng nào

o Qscale: thông tin về bảng lượng tử

o MB: thông tin về macroblock

Trong thành phần MB gồm các thông tin sau:

A ddr Incr: số lượng MB được bỏ qua

Type: loại vectơ chuyển động dùng cho MB

Qscale : bảng lượng tử dùng cho MB

CBP:chỉ rõ block nào được mã hóa

Hình 1.2c : Cấu trúc ảnh Mpeg

B/ Nén Audio

Trong phần này được giới thiệu về hệ thống âm thanh Stereo 3\2

SSC Vert

Addr

Incr Type

Motion Vector Qscale CBP b0 … b5

0 1 2 3 4 5 0 Ảnh Chuẩn

Dự đoán hai chiều

Nhóm ảnh (GOP) N= khoảng cách giữa hai ảnh I

Hình 1.2d : Mô hình âm thanh Stereo 3/2

+ Với hệ thống âm thanh trên gồm C,L,R 3kênh này cũng đủ tạo nên độ rõ , ổn định tuy nhiên hai kênh sau L(s), R(s) cũng góp phần tạo ra một âm thanh hoàn hảo

+ Cặp tín hiệu trái và phải lấy mẩu theo tiêu chuẩn AES/EBU với tần số lấy mẫu

là 48Khz,16 đến 20 bit trên một mẫu cho tốc độ 1536 > 1920Kbit/s.dịch vụ âm thanh vòng với 6 kênh Audio (5.1 kênh) cho tốc độ bit lớn hơn(4,6 Mbit/s)

+ Nén audio theo chuẩn audio ISO/MPEG-1

Đây là tiêu chuẩn mã hóa audio với tần số lấy mẫu 32,441và 48Khz, tốc độ bit khoảng 32 > 192 Kbit/s cho âm thanh Mono và 64 > 384Kbit/s cho âm thanh Stereo

Hình 1.2e: Hệ thống audio trong truyền hình số

Có hai phương pháp để giảm tốc độ bit của tín hiệu Audio:

Phương pháp 1:

Chủ yếu là loại bỏ tín hiệu dư thừa audio bằng phép tương quan thống kê

Phương pháp 2:

Sử dụng che mặt nạ thời gian và phổ tần số

C

Hiển Thị

Thính Giả

R

Rs

Ls

L

Mã hóa Audio

Đóng gói

Inner Interleaver

Giải mã Audio

chế RF

Đóng gói Audio vào

Audio ra

Sử dụng 2 phương pháp trên thì tốc độ bit cần truyền giảm xuống 200Kbit/s và

thậm chí thấp hơn đối với âm thanh Stereo

Sau đây ta đi vào sơ đồ khối mạch mã hóa audio lớp 1 và 2, sơ đồ khối mạch giải

mã audio lớp 1 và 2 , sơ đồ khối mạch mã hóa và giải mã Audio lớp 3

Hình 1.2f : Sơ đồ khối mạch mã hóa audio lớp 1 và 2 theo chuẩn ISO/IEC 11172-3 (ISO/MPEG)

Tùy thuộc vào từng ứng dụng khác nhau, hệ thống mã hóa tín hiệu Audio có ba

lớp với mức độ phức tạp tăng dần Đối với cả 3 lớp tín hiệu Audio đều được biến đổi từ

miền thời gian sang miền tần số bằng 32 băng lọc phụ

Hình 1.2g : Sơ đồ khối mạch giải mã Audio lớp 1 và 2 Theo chuẩn ISO/IEC 11172-3 (ISO/MPEG)

Lớp 1,2 biểu thị tín hiệu audio đầu vào bằng 32 băng lọc phụ những thông số này

được lượng tử hóa và mã hóa dưới sự khống chế của mô hình âm thanh

Lớp 1 chỉ biến thể giản ước của phương pháp mã hóa MPEG-1 và được sử dụng

chủ yếu trong các ứng dụng dân dụng

Băng lọc (32 băng phụ)

Lượng tử hóa

dạng dòng bit

và mã sữa sai

Biểu số FFT

(1024 điểm)

Mô hình

“Tâm lý âm thanh”

Điều khiển

từ xa

Mã hóa các Thông tin phụ

Dữ liệu

Audio vào

31

0

Dữ liệu đã

mã hóa

Dữ liệu phụ

Dữ liệu

Đã mã hóa

Tách kênh

và phát hiện lỗi, sửa sai

Giải lượng tử

Quá trình ngược của băng lọc (32 băng phụ)

Giải mã Thông tin phụ

31

0

Tín hiệu Audio Stereo

Dữ liệu phụ

Lớp 2 thực hiện việc nén tín hiệu và thực hiện việc lượng tử hóa tinh hơn,ứng

dụng nhiều kể cả dân dụng lẩn chuyên dụng

Hình 1.2h : Sơ đồ khối mạch giải mã audio lớp 3 Theo chuẩn ISO/IEC 11172-3 (ISO/MPEG)

Hình 1.2i : Sơ đồ khối mạch giải mã audio lớp 3 Theo chuẩn ISO/IEC 11172-3 (ISO/MPEG)

Lớp 3 là sự mã hóa các môđun hiệu quả nhất của hai loại mã ASPEC và

MUSICAM Mỗi băng lọc phụ lại được chia nhỏ nhiều đường có độ phân giải cao hơn Ở

lớp này nếu muốn hiệu quả nén cao phải dùng phương pháp lượng tử hóa phi tuyến

Trung tâm của mạng phát sóng video số bao gồm hệ thống nén , nó cung cấp chương

trình Video, Audio chất lượng cao cho người xem bằng cách chỉ sử dụng một phần nhỏ

độ rộng băng tần mạng, mục đích của nén dữ liệu là tối thiểu hóa khả năng lưu trữ và

truyền dẫn phát sóng thông tin (ghép nhiều tín hiệu thông tin vào một dòng truyền)

Hệ thống nén tín hiệu bao gồm các bộ mã hóa số và các bộ ghép kênh, các bộ

giãi mã có nhiệm vụ chuyển tín hệu tương tự sang số có nén và xáo trộn thành 1 dòng

Audio và Video và dữ liệu khác dứơi dạng số có nén Mã hóa số cho phép truyền dẫn

phát sóng nhiều chương trình Video/ Audio chất lượng cao qua cùng độ rộng băng tần

như một kênh sóng Video/Audio tương tự (8Mhz ở việt nam)

Băng lọc

dạng dòng bit

và mã sữa sai

Biểu số FFT (1024 điểm)

Mô hình

Điều khiển

từ xa

Mã hóa các Thông tin phụ

Dữ liệu

Audio

31

0

Dữ liệu audio

đã mã hóa

Dữ liệu phụ

-Vòng kiểm soát méo -Lượng tử hóa phi tuyến tính -Vòng kiểm soát tốc độ bit

575

0

Mã hóa Huffman

575

0

575

0

Tăng kênh và phát hiện lỗi, sữa sai

ngược của băng lọc (32 băng phụ)

Giải mã Thông tin phụ

Tín hiệu Audio Stereo

31

0

Dữ liệu

audio

đã mã

hóa

Dữ liệu phụ

Giải lượng tử

575

0

DCT

575

0

31

0

C/ Ghép kênh nhiều chương trình:

Để có thể phát nhiều chương trình trong một dãy tần nhất định người ta sử dụng

phương thức ghép kênh theo tần số

Phương pháp ghép kênh bằng cách ghép các gói dữ liệu PES thuộc các chương trình hoặc nội dung thông tin khác để truyền trên một kênh thông tin được gọi là ghép kênh gói

Ghép kênh gói được dùng trong truyền hình số mặt đất để truyền vài chương trình truyền hình trên một kênh cao tần và kết hợp với các phương pháp ghép kênh (TDMA) theo thời gian và (FDMA) theo tần số để truyền nhiều chương trình qua bộ phát

Trước tiên ta xét từng dòng dữ liệu sau khi được nén Audio, Video sẽ được truyền

và xử lý tín hiệu Audio/ Video ra sao

Dòng cơ sở

Tín hiệu Audio, Video sau khi được nén MPEG có dạng một dòng cơ sở dữ liệu với chiều dài tùy ý và chỉ chứa những thông tin cần thiết để có thể khôi phục lại âm thanh

và hình ảnh ban đầu

Hình 1.2j : Dòng cơ sở (ES)

Các bộ mã hóa đòi hỏi tín hiệu đầu vào theo chuẩn REC601 đối với Video, tuy nhiên thiết bị mã hóa MPEG-2 trên thực tế thường bao gồm cả mạch số hóa tín hiệu Video tương tự (biến đổi A/D) Tín hiệu Audio đầu vào phải theo chuẩn ES/EBU hoặc mạch mã hóa phải bao gồm các bộ biến đổi A/D

Dòng cơ sở về cơ bản là tín hiệu gốc tại đầu racủa một bộ chuyển đổi ,mã hóa và chứa những thông tin cần thiết để giúp bộ giải mã tái tạo lại hình ảnh và âm thanh ban đầu

Dòng cơ sở đóng gói

Có thể truyền với tốc độ tin cậy cao, dòng dữ liệu cơ sở được chia thành các gói nhỏ có kích thước phù hợp tạo nên dòng dữ liệu cơ sở đóng gói

Hình 1.2k : Dòng cơ sở (PES)

Mã hóa Video

Dữ liệu Video (REC.601)

Dòng cơ sở

Mã hóa Video

Dữ liệu Audio (AES/BEU)_

Dòng cơ sở

Dòng cơ

sở Video

Audio Dòng cơ

sở Audio