BÁO CÁO THỰC TẬP-Truyền hình số

Dung lượng này quá lớn, các kênh truyền hình thông thường không có khả năng truyền tải.Có một số vấn đề mấu chốt cần xem cté trong quá trình số hóa tín hiệu truyền hình, bao gồm: •Tần số

A- Truyền hình số

1 Giới thiệu chung

Ta đều biết truyền hình màu gồm 3 hệ: NTSC, PAL, SECAM, phát triển trên

cơ sở lý thuyết 3 màu, xuất hiện vào những thập kỉ 50, 60 đã tạo nên một bước ngoặt lớn trong quá trình phát triển của công nghệ truyền hình Cả 3 hệ này đều sử dụng các tín hiệu thành phần là tín hiệu chói (E’Y) và hai tín hiệu màu (E’R-E’Y và E’B-E’Y) Điều khác nhau cơ bản giữa 3 hệ thống này là phương pháp điều chế tín hiệu màu, tần số sóng mang màu và phương thức ghép kênh

Trong những năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bước ngoặt mới- quá trình chuyển đổi công nghệ từ Analog sang Digital (từ Truyền hình tương tự sang Truyền hình số)

Truyền hình số là 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 Hầu hết các nhà phân tích công nghiệp đều dự báo việc chuyển dịch lên Truyền hình số là một sự tiến hóa hơn là một cuộc cách mạng

Truyền hình số đã làm thay đổi cuộc 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 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 nhất, với chất lượng cao nhất

Đố với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên truyền hình số sẽ giảm việc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp các ứng dụng Internet cho thuê bao và mở ra 1 lĩnh vực mới, các cơ hội về thương mại Nhiều dịch vụ mới trên cơ sở truyền số sẽ được hình thành

•Truy cập Internet các tốc độ

•Chơi Games trên mạng với nhiều người

•Video theo yêu cầu VOD (Video-on-demand)

•Cung cấp các dòng Video và Audio

•Các dịch vụ thương mại điện tử

•Truyền thanh, truyền hình đa phương tiện(Multimedia)

mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát)

•Truyền tải được nhiều loại hình thông tin

•Ít nhạy với nhiễu và các dạng méo xảy ra trên đường truyền Bảo toàn chất lượng đường truyền

•Cú khả năng chống lại can nhiễu của tớn hiệu truyền hỡnh tương tự cựng kờnh hoặc tớn hiệu truyền hỡnh tương tự kờnh lõn cận.

•Tiết kiệm tại nguyờn tần số ( phỏt nhiều chương trỡnh truyền hỡnh trờn một kờnh truyền hỡnh)

Vd: 1 kờnh 8 Mhz( trờn mặt đất) chỉ truyền được 01 chương trỡnh truyền hỡnh tương tự, song cú thể truyền được 4ữ5 chương trỡnh truyền hỡnh số đối với hệ thống ATSC, 4ữ8 chương trỡnh đối với DVB-T ( tựy thuộc vào M-QAM, khoảng bảo vệ và FEC)

•Tiết kiệm năng lượng, chi phớ khai thỏc thấp: Cụng suất phỏt khụng cần quỏ lớn vỡ cường độ điện trường cho thu số thấp hơn cho thu analog ( độ nhậy mỏy thu

số thấp hơn -30 đến -20dB so với mỏy thu analog)

•Mạng đơn tần(Sfn): cho khả năng thiết lập mạng đơn kờnh (đơn tần- Single Frequency Network), nghĩa là nhiều mỏy phỏt trờn cựng moat kờnh súng Đõy là

sự hiệu quả lớn xột về mặt cụng suất và tần số

•Tớn hiệu số dễ xử lý, mụi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thõn thiện với mỏy tớnh

Chất lượng

Khoảng cách giữa máy phát và máy thu tín hiệu số

tín hiệu tương tự

•Thị trường đa dạng, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ.

Tuy nhiên, việc chuyển đổi tín hiệu truyền hình tương tự sang truyền hình số cùng gặp phải nhiều vấn đề cần phải xem xét, nghiên cứu thêm

Một quá trình số hóa bao gồm 3 công đoạn: lấy mẫu, lượng tử hóa, số hóa Tín hiệu Video chuẩn OIRT có tần số nhỏ hơn hoặc bằng 6MHz, để đảm bảo chất lượng tần số lấy mẫu phải lớn hơn 12MHz, với số hóa 8bit/s, để truyền tải đầy đủ thông tin 1 tín hiệu Video thành phần với độ phân giải tiêu chuẩn, tốc độ bit phải hớn hơn 200bit/s Riêng đối với truyền hình số độ phân giải cao (HDTV) thì tốc

độ bit phải lớn hơn 1Gbit/s

Dung lượng này quá lớn, các kênh truyền hình thông thường không có khả năng truyền tải.Có một số vấn đề mấu chốt cần xem cté trong quá trình số hóa tín hiệu truyền hình, bao gồm:

•Tần số lấy mẫu

•Phương thức lấy mẫu

•Tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu (trong trường hợp số hóa các tín hiệu thành phần)

•Nén tín hiệu Video để có thể truyền tín hiệu truyền hình số trên các kênh truyền hình thông thường trong khi vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu theo mục đích sử dụng

2 Đặc điểm của Truyền hình số

1.1.Yêu cầu về băng tần

Tín hiệu số gắn liền với yêu cầu băng tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu tương tự Ví dụ đối với tín hiệu tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu phải bằng 4fSC như đối với hệ NTSC là 14,4MHz Nếu thực hiện mã hóa 8bit/mẫu, tốc

độ dòng bit sẽ là 115,2Mbit/s, độ rộng băng tần khoảng 58MHz Trong khi

đó tín hiệu tương tự cần 1 băng tần là 4,2MHz Vì vậy biện pháp khắc phục

là nén tín hiệu

1.2.Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (Signal/Noise)

Tỷ lệ S/N trong tín hiệu tương tự có tính chất cộng Vì vậy tỷ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do cộng các nguồn nhiều thành phần gây ra Vì vậy S/N của toàn bộ hệ thống nhỏ hơn S/N có tỷ lệ thấp nhất rất nhiều lần

Đối với tín hiệu số nhiễu là các bit lỗi được khắc phục bằng cách sửa mạch lỗi Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi, tỷ số S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi trừ trường

hợp tỷ lệ lỗi quá lớn làm cho mạch sửa lỗi mất tác dụng, khi đó dòng bit không còn ý nghĩa tin tức.

Ý nghĩa: đây là đặc điểm có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình với các chức năng biên tập phức tạp, cần nhiều lần đọc ghi, việc truyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình

1.3.Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền Cũng như đối với tỷ lệ S/N tính chất này rất quan trọng trong quá trình ghi đọc nhiều lần

1.4.Chồng phổ (Aliasing)

Một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều ngang và chiều dọc nên có khả năng chồng phổ theo cả hai hướng Theo chiều dọc, chồng phổ trong hệ thống tương tự và số là như nhau Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist Để ngăn ngừa hiện tượng chồng phổ theo chiều ngang có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu bằng hai lần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự

1.5.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 Có thể thao tác các công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Khả năng này được tăng cường nhờ khả năng lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh Công việc tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng là: sửa lỗi gốc thời gian, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kì, giảm độ rộng băng tần

1.6.Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tín hiệu số cho pháp các trạm truyền hình đồng kênh ở 1 khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu Một phần vì tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, một pầhn là do khả năng thay thế xung hóa và xung đồng bộ bằng các từ mã, nơi mà hệ thống tương

tự gây ra nhiễu lớn nhất

1.7.Hiện tượng Ghosts (bóng ma)

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

3 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống.

Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số

4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ được 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 lựa chọn

Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hóa nguồn, tại nay tín hiệu truyền hình số có tốc độ dòng bit cao sẽ được nén thành dòng bit có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ứng dụng Dòng bit tại đầu ra bộ mãi hóa nguồn được đưa tới thết bị phát (mã hóa kênh thông tin và điều chế tín hiệu), truyền tới bên thu qua kênh thông tin

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hóa kênh Mã hóa kênh đảm bảo chống sai sót, trong tín hiệu trong kênh thông tin khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế

Mã hóa trong kênh thông tin được phổ biến không những trong đường thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống, ví dụ như máy ghi hình số, gia công tín hiệu truyền hình số

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược 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 tương tự Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa và giải mã tín hiệu truyền hình.

5 Một số tiêu chuẩn của truyền hình số hiện nay

•Cho đến năm 1997, 3 hệ tiêu chuẩn của truyền hình số mặt đất đã được công

bố Đó là

 ATSC (Advance Television System Committee) của Mỹ

 DVB-T (Digital Video Broadcasting- Terestrial) của Châu Âu

 DIBEG (Digital Broadcasting Expert Group) của Nhật

•Mỗi một tiêu chuẩn đều có mặt mạnh và yếu khác nhau Các cuộc tranh luận liên tiếp nổ ra.Vì vậy nhiều cuộc thử nghiệm quy mô tầm cỡ quốc gia đã được tiến hành với sự tham gia của các cơ quan phát thanh- truyền hình, cơ quan nghiên cứu khoa học và thậm chí là các cơ quan của chính phủ

•Từ đó đã đưa ra kết luận chung về các tiêu chuẩn này như sau:

 ATSC – phương pháp điều chế 8-VSB cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm tốt hơn nhng lại không có khả năng thu di động và không thích hợp lắm với các nớc đang sử dụng hệ PAL

 DIBEG có tính phân lớp cao, cho phép đa loại hình dịch vụ, linh hoạt, mềm dẻo, tận dụng tối đa dải thông, có khả năng thu di động nhng không tơng thích với các dịch vụ truyền hình qua vệ tinh, cáp

 DVB-T với phơng pháp điều chế COFDM tỏ ra có nhiều đặc điểm u việt, nhất là đối với các nớc có địa hình phức tạp, có nhu cầu sử dụng mạng đơn tần (SFN - Single Frequency Network) và đặc biệt là khả năng thu di động

6 Quá trình chuyển đổi truyền hình tương tự sang truyền hình số

Đây là hệ thống truyền hình mới mà tất cả các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả về độ chói

và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự_số

Quá trình thực hiện biến đổi này dựa theo nguyên tắc chuyển đổi từng phần và xen kẽ.

Quá trình chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tương tự sang truyền hình số

Khái niệm từng phần và xen kẽ được hiểu là sự xuất hiện dần các camera số gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số tiến đến một dây truyền sản xuất hoàn toàn số Mô hình trên cũng cho chúng ta thấy rằng: đến một giai đoạn nào đó, sẽ xuất hiện tình trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời máy phát số đồng thời các máy thu hoàn toàn số

và các hộp SETTOP là các hộp chuyển đổi (từ số sang tương tự) dành cho các máy thu thông thường hiện nay

Lí do cho việc chuyển đổi từng phần và xen kẽ là do chi phí tài chính cũng như phải bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thường xuyên

B- Nén tín hiệu trong truyền hình số

1 Khái niệm chung về nén

1.1 Mục đích nén

Với công nghệ hiện nay, các thiết bị đều có dải thông nhất định.Các dòng số tốc độ cao yêu cầu dải thông rất rộng vượt quá khả năng cho phép của thiết bị

Một cách sơ bộ, nén là quá trình làm giảm tốc độ bit của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn đảm bảo chất lợng hình ảnh hoặc âm thanh cần truyền tải.

1.2 Bản chất của nén

Khác với nguồn dữ liệu một chiều như nguồn âm, đặc tuyến đa chiều của nguồn hình ảnh cho thấy: nguồn ảnh chứa nhiều sự dư thừa hơn các nguồn thông tin khác Đó là:

♦ Sự dư thừa về mặt không gian (spatial redundancy): Các điểm ảnh kề nhau

trong một mành có nội dung gần giống nhau

♦ Sự dư thừa về mặt thời gian (temporal redundancy): Các điểm ảnh có cùng

vị trí ở các mành kề nhau rất giống nhau

♦ Sự dư thừa về mặt cảm nhận của con người: Mắt người nhạy cảm hơn với

các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với sự thay đổi nhanh, tần số cao

Do vậy, có thể coi nguồn hình ảnh là nguồn có nhớ (memory source)

Nén ảnh thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các sự

dư thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn dữ liệu mới có lượng thông tin nhỏ hơn Đồng thời sử dụng các dạng mã hoá có khả năng tận dụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lượng bít sử dụng để mã hoá một lượng thông tin nhất định là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng theo yêu cầu Nhìn chung quá trình nén và giải nén một cách đơn giản như sau:

Sơ đồ khối quá trình nén và giải nén

♦ Biến đổi: Một số phép biến đổi và kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ tính có

nhớ của nguồn dữ liệu ban đầu, tạo ra một nguồn dữ liệu mới tương đương chứa

lượng thông tin ít hơn Ví dụ như kỹ thuật tạo sai số dự báo trong công nghệ DPCM hay phép biến đổi cosin rời rạc của công nghệ mã hoá chuyển đổi Các phép biến đổi phải có tính thuận nghịch để có thể khôi phục tín hiệu ban đầu nhờ phép biến đổi ngược

♦ Mã hoá: Các dạng mã hoá được lựa chọn sao cho có thể tận dụng được xác

suất xuất hiện của mẫu Thông thường sử dụng mã RLC (run length coding: mã hoá loạt dài) và mã VLC (variable length coding): gắn cho mẫu có xác suất xuất hiện cao từ mã có độ dài ngắn sao cho chứa đựng một khối lượng thông tin nhiều nhất với số bit truyền tải ít nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng yêu cầu

1.3 Phân loại nén

Các thuật toán nén có thể phân làm hai loại: Nén không tổn thất (lossless compression) và nén có tổn thất (lossy compression)

♦ Thuật toán nén không tổn thất: không làm suy giảm, tổn hao dữ liệu Do

vậy, ảnh khôi phục hoàn toàn chính xác với ảnh nguồn

♦ Các thuật toán nén có tổn thất: chấp nhận loại bỏ một số thông tin không

quan trọng như các thông tin không quá nhạy cảm với cảm nhận của con người để đạt được hiệu suất nén cao hơn, Do vậy, ảnh khôi phục chỉ rất gần chứ không phải

là ảnh nguyên thủy

Đối với nén có tổn thất, chất lượng ảnh là mội yếu tố vô cùng quan trọng, Tuỳ theo yêu cầu ứng dụng mà các mức độ loại bỏ khác nhau được sử dụng, cho mức

độ chất lượng theo yêu cầu

1.4 Một số dạng mã hóa sử dụng trong công nghệ nén

 Khái niệm Entropy (H) của nguồn tín hiệu: được dùng để do thông tin của

1 nguồn tin chứa đựng Nó quy định giới hạn dưới tại đầu ra của bộ mã hóa Phương pháp mã hóa nào có độ dài mã trung bình (số bit trung bình cần để mã hóa 1 mẫu) càng gần giá trị H thì phương pháp mã hóa đó càng hiệu quả

 Mã hóa loạt dài RLC (Run Length Coding): Do có sự liên hệ tương hỗ giữa

các điểm ảnh lân cận nên trong ảnh số thường có các chuỗi điểm lặp lại, đặc biệt

dễ thấy đối với ảnh nhị phân Khi đó, nếu sử dụng số đếm để thay thế dãy các điểm giống nhau, có thể tiết kiệm số bit cần để mã hoá ý tưởng này được phát triển trong một dạng mã gọi là “mã hoá loạt dài” (RLC) Trong mã này điểm đại diện đầu tiên được thay thế bằng một biểu trưng và xem như điểm xuất phát, còn

độ dài dãy dùng để thay thế loạt dài

 Mã hóa độ dài thay đổi VLC (Variable Length Coding)- Mã hóa thống kê

Huffman: Trong các công nghệ nén, mã Huffman là dạng mã được sử dụng phổ

biến nhất Bảng mã Huffman có thể cho độ dài mã trung bình để mã hoá cho một mẫu là nhỏ nhất do tận dụng xác suất xuất suất hiện của các mẫu trong nguồn tín hiệu Trong đó, mẫu có xác suất xuất hiện cao nhất sẽ được gắn với một từ mã có

độ dài ngắn nhất

Mặc dù có độ dài mã thay đổi song mã Huffman vẫn có khả năng giải mã đúng

do có thuộc tính tiền tố duy nhất (không có bất cứ từ mã nào lại là phần đầu của từ

mã tiếp theo) Mã Huffman hiệu quả nhưng chúng ta phải hiểu rằng mã hoá Huffman chỉ tối ưu khi đã biết trước xác suất của mã nguồn và mỗi biểu trưng của

mã nguồn được mã hoá bằng một số bit nguyên

Đặc biệt mã hoá Huffman được phát triển cho ảnh số nhưng áp dụng cho rất nhiều loại ảnh, mỗi ảnh có xác suất xuất hiện biểu trưng của riêng nó Do đó mã Huffman không phải là tối ưu cho bất cứ loại ảnh đặc biệt nào

 Mã hóa dự đoán (Predictive Coding): Như đã nói, nguồn ảnh chứa một lượng thông tin rất lớn Nếu mã hoá trực tiếp nguồn tin này theo PCM, tốc độ dòng bit thu được sẽ rất cao Mặt khác, nguồn ảnh lại chứa đựng sự dư thừa và tính “có nhớ”: giữa các điểm ảnh lân cận có mối quan hệ tương hỗ với nhau

Mã hoá dự đoán đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong các chuẩn nén như: MPEG, JPEG, JBIG nhằm tạo một hiệu suất nén cao

 Mã hóa chuyển đổi (Transform Coding): Trong phương pháp mã hoá

chuyển đổi, tính có nhớ của nguồn tín hiệu được loại bỏ đi bằng một phép biến đổi Một khối các điểm ảnh được chuyển sang miền tần số theo một ma trận biến đổi phù hợp Từ khối N giá trị mẫu điểm lân cận nhau s={s(n),s(n+1), , s(n-N+1)}, thu được khối N hê số c= (c1, c2, , cN) Phép biến đổi này có tính thuận nghịch, các hệ

số này hoàn toàn có thể hồi phục thành giá trị tín hiệu ban đầu bằng phép chuyển đổi ngược So với nguồn giá trị thực của điểm ảnh, nguồn các hệ số là không có nhớ Mặt khác, thông tin của nguồn ảnh tập trung phần lớn ở các thành phần tần

số thấp, nên trong khối các hệ số, thông tin cũng tập trung tại một số ít các hệ số chuyển đổi ci Do vậy sẽ giảm được lượng bit nếu mã hoá các hệ số này thay cho việc mã hoá trực tiếp các mẫu

Số lượng bit mã hoá còn có thể giảm hơn nữa nếu lợi dụng đặc điểm cúa mắt người không nhạy cảm với sai số ở tần số cao Bởi vậy,có thể sử dụng bước lượng

tử thô cho các hệ số ứng với tần số cao mà không làm giảm sút chất lượng ảnh khôi phục