Các tiêu chuẩn truyền dẫn truyền hình số

Các tiêu chuẩn truyền dẫn truyền hình số

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH – VIỄN THÔNG

KHOA : ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

KỸ THUẬT PHÁT THANH TRUYỀN HÌNH

ĐỀ TÀI: Các tiêu chuẩn truyền dẫn truyền hình số

1

Giảng viên: Nguyễn Thị Thu Nga

CÁC CHUẨN TRUYỀN DẪN TRUYỀN

HÌNH SỐ

ruyền hình số là một phương pháp truyên hình mà hầu hết cácthiết bị kỹ thuật từ studio cho đến các máy thu sử dụng Trong đó,các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có được từ máy thu thay vì biếnđổi luôn thành các tín hiệu điện như trong truyền hình tương tự thìchúng sẽ được xử lý trước khi biến đổi Quá trình xử lý đó sẽ chuyển từ tín hiệuđiện tương tự thành chuỗi các bit 0 và 1 Sau đó chuỗi bit này sẽ được biếnthành các xung tín hiệu điện thông qua các quá trình điều chế rồi mới được đưavào môi trường qua lớp vật lý Cùng với sự phát triển của truyền hình thế giớithì sự chuyển đổi truyền hình tương tự sang truyền hình số là một quá trình tấtyếu Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đem lại những tiện ích và trỉa nghiệm tốthơn cho người sử dụng Hiện nay có nhiều công nghệ truyền hình số như truyềnhình số mặt đất, truyền hình số vệ tinh, truyền hình cáp, … có 3 tiêu chuẩntruyền hình số mặt đấy phổ biến là DVB-T của châu Âu, ATSC của MỸ vàISDB-T của Nhật Bản Truyền hình số mặt đấy ngày càng được sử dụng phổbiến do có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như: khả năngchống nhiễu cao, có khả năng phát hiện và sửa lỗi, chất lượng chương trìnhtrung thực, ít bị ảnh hưởng nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bónghình thường gặp ở truyền hình tương tự, truyền được nhiều chương trình đồngthời trên một kênh sóng, điều này giúp cho việc nâng cao hiệu quả sử dụng phổtần và tiết kiệm kinh phí đầu tư, chi phí vận hành… Trong tương lai không xatruyền hình sẽ có bước đột phá mạnh mẽ về công nghệ để ngày càng hoàn thiện

kỹ thuận và nâng cao chất lượng hình ảnh

T

MỤC LỤC

3

1 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ CƠ BẢN

một sơ đồ khối hệ thống truyền hình số cơ bản được thể hiện ở hình 1.1Theo như mô hình này hệ thông gồm có 3 hệ thống con là

• Mã hóa và nén nguồn

• Ghép kênh và truyền tải

• Biến đổi và truyền dẫn vô tuyến

Mã hóa nguồn và nén : nói đến các phương pháp để giảm tốc độ bít đượcbiết đến như là nén dòng dữ liệu video, audio và các dữ liệu phụ thuộc Các dữliệu phụ thuộc gồm có dữ liệu điều khiển, dữ liệu về điều kiện truy nhập và cácthông tin liên quan đến dịch vụ các chương trình audio và video Mục đích là tối

đa hóa lượng thông tin thông qua kênh dữ liệu trong khi lại tối thiểu hóa lượng

dữ liệu dùng để biêu diễn thông tin đó Hay nói cách khác là biểu diễn thông tincủa video, audio và dữ liệu nguồn với lượng bít nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo đượcchất lượng yêu cầu của các ứng dụng

Ghép kênh và truyền tải: nói đến các phương pháp phân chia dòng dữ liệuthành các gói thông tin, các phương pháp xác định mỗi gói tin hoặc loại gói tin

và các phương pháp để gép các chuỗi gói tin video, audio, dữ liệu phụ thuộcthành một chuỗi dữ liệu đơn Một vấn đề cơ bản được xem xét nưa là các kỹthuật truyền tải, phân bố, phương tiện thu và các giao diện máy tính

Hình 1: hệ thống truyền dẫn số cơ bản

Lượng tử hóa

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

Tín hiệu digital

Tín hiệu tương tự

Biến đổi và truyền dẫn vô tuyến: phần này nói đến các phương pháp mãhóa kênh và điều chế Bộ mã hóa kênh lấy dòng bit dữ liệu và thêm vào nhứngbit thông tin có thể sử dụng để khôi phục lại dữ liệu từ tín hiệu mà máy thu nhậnđược Lớp vật lý sử dụng thông tin của chuỗi dữ liệu số để điều chỉnh lại tín hiệutruyền bằng các phương pháp điều chế

Ta có thể phần biệt các chuẩn truyền dẫn số dựa trên đặc điểm của các hệthống con Phần tiếp theo chung ta sẽ lần lượt đề cập đên các khuôn dạng củatừng hệ thống con trong mô hình trên

2 MÃ HÓA VÀ NÉN NGUỒN

2.1 Tín hiệu số

Tín hiệu số là dạng tín hiệu đặc trưng bởi 2 mức 0 và 1 Các mạch số chỉlàm việc với 2 mức giá trị này Có 2 quá trình biến đổi ADC và DAC để biến đổtín hiệu tương tự sang số và ngược lại

2.1.1 Tín hiệu audio số

Tín hiệu âm thanh thu được từ micro có dải tần nằm trong khoảng từ 3400Hz có dạng tín hiệu điện tương tự Sau đó, tín hiệu này được chuyển sangtín hiệu sô Một trong những phương pháp biến đổi cơ bản nhất là PCM Sơ đồbiến đổi có dạng như sau:

300-5

Hình 2: Sơ đồ biến đổi PCM

Các bước chuyển đổi bao gồm quá trình lọc trước để loại bỏ những tần sốquá cao không thể số hóa được tạ đầu vào, quá trình lấy mẫu dùng để rời rạc hóatín hiệu theo thời gian, quá trình lượng tử hóa để chuyển biên độ tín hiệu tương

tự sang dạng số, và cuối cùng là quá trình mã hóa để chỉ rõ cách thức biểu diễncủa các giá trị Ở phần cuối của một hệ thống số, tín hiệu anolog ban đầu sẽđược phục hồi từ chuỗi các mẫu nhờ bộ chuyển đổi số sang tương tự, bộ ADC

có nhiệm vụ chuyển các mẫu thành các xung điều chế biên độ, sau đó, bộ lọcthông thấp

2.1.2 Tín hiệu video số.

 Tín hiệu video số tổng hợp

Tín hiệu video số tổng hợp thực chất là sự chuyển đổi tín hiệu videotương tự tổng hợp sang video số Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu ( rời rạchóa) với tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang màu (4fsc) vào khoảng17,72 MHz đối với tín hiệu PAL Mỗi mẫu tín hiệu được lượng tử hóa bởi 10bit, cho ta một chuỗi số liêu 117Mbit/s (trong trường hợp 8 bit, chuỗi số liệu cótốc độ 142 Mbit/s) tín hiệu video số tổng hợp có ưu điểm về dải tần những tínhiệu video tổng hợp số có những nhược đểm của tín hiệu tổng hợp tương tự nhưhiện tượng can nhiễu chói màu Tín hiệu tổng hợp cũng gây khó khăn cho việc

xử lý, tạo kỹ xảo truyền hình v v

 Tín hiệu video số thành phần

Tín hiệu video số thành phần là sự chuyển đổi từ tín hiệu tương tự thànhphần sang số, và được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế CCIR 601 Hình dướiđây minh họa cho quá trình chuyển đổi từ tín hiệu video tương tự thành phần

Hình 3: sơ đồ tạo tín hiệu video số tổng hợp

sang tín hiệu video số.

Đối với tiêu chuẩn này, tín hiệu chói được lấy mẫu với tần số 13.5 MHz,hai tín hiệu màu được lấy mẫu với tần số 6,75 MHz mỗi mẫu được lượng tử hóabởi 8/10 bit, cho ta tốc độ bit bằng 216/270 Mbps Lượng tử hóa bởi 8 bít cho ta

256 mức và 10 bit cho ta 1024 mức với tỷ số SNR cao hơn

Biến đổi tín hiệu video thành phần cho ta dòng số có tốc độ bít cao hơntin hiệu số tổng hợp tuy nhiên, dòng tín hiệu thành phần số cho phép xử lý dễdàng các chức năng Ghi dòng, tạo kỹ xảo Hơn nữa chất lượng ảnh không chịucác ảnh hưởng can nhiễu chói, màu như đối với tín hiệu tổng hợp

Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các chip có tốc độ cao ra đời, chophép truyền toàn bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nhau trên một dâydẫn duy nhất Video số nối tiếp có những ưu điểm cơ bản:

• không méo, tỉ số SNR cao

• Chuyển đổi tín hiệu đơn gian

• Có thể cài tín hiệu Audio trong chuỗi số liệu video số

Như vậy chỉ cần một sợi cáp có thể truyền cả tín hiệu audio và video.Khâu thiết kế, lắp đặt và khai thác thiết bị, nhờ đó đơn giản và thuận tiện hơnnhiều

Mặc dù cả hai phương pháp số hóa tín hiệu tổng hợp và thành phần đềuđược nghiên cứu và áp dụng trong kỹ thuật truyền hình số tuy nhiên, nhơ những

7

Hình 4: sơ đồ tạo tín hiệu video số thành phần Hình 3: sơ đồ tạo tín hiệu video số tổng hợp

tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu thành phần được khuyếnkhích sử dụng các kỹ thuật của phương pháp này được sử dụng rông rãi và hìnhthành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số.

2.2 Nén tín hiệu số

2.2.1 Nén tín hiệu audio số

Để truyền tải hoặc ghi âm tín hiệu audio một cách hiệu quả thì lượngthông tin yêu cầu để biểu diễn những tín hiệu audio phải được giảm thiểu Trongtrường hợp tín hiệu audio số thì lượng thông tin số cần để khôi phục lại tín hiệuPCM ban đầu có thể được giảm nhờ dùng các thuật toán nén Kết quả của tínhiệu audio nén sẽ biểu diễn cho tín hiệu ban đầu Mục đích của thuật toán néntín hiệu số là đưa ra một cách biểu diễn tín hiệu audio số với tốc độ bít nhỏ nhấtsao cho sau khi khôi phục ta có được âm thanh giống như tín hiệu ban đầu Hiệnnay có rất nhiều chuẩn nén tín hiệu audio số như AC-3 hay MP3… sau đây tàiliệu sẽ giới thiệu về một số chuẩn nén audio số dùng trong các hệ thống truyềnhình số

2.2.1.1 Chuẩn nén audio số AC-3

Thuật toán nén audio số AC-3 có thể mã hóa từ 1 đến 5 kênh âm thanhvới đầy đủ các dải tần cùng với một kênh tần số thấp 6 kênh này có thể được

mã hóa từ mã hóa PCM có tốc độ bit từ 32 kbps đến 640 kbps

 Giải mã

Quá trình giải mã cơ bản là làm ngược lại quá trình mã hóa Bộ giải mã có

sơ đồ khối như hình vẽ dưới đây

Bộ giải mã có nhiệm vụ là phải đồng bộ với chuỗi bít mã hóa, kiểm tra lỗi

và giải định dạng rất nhiều kiểu dữ liệu như tín hiệu đường bao phổ hay tín hiệucủa phần định trị Kết quả của khối xác định số bít sẽ được dùng để mở gói vàgiải lượng tử tín hiệu của phần định trị Phần tín hiệu đường bao phổ cũng đượcgiải mã để có được thành phần số mũ Sau đó thành phần số mũ và phần định trịđược tổng hợp để có được tín hiệu ban đầu

2.2.1.2 Công nghệ nén Audio chuẩn ISO/MPEG

Đây là chuẩn mã hóa audio với tần số lấy mẫu 32; 44.1 và 48 KHz, tốc độ

9

Hình 5: Sơ đồ mã hóa AC-3

Hình 6: Sơ đồ giải mã AC-3

bít khoảng 32-192 kbps cho âm thanh môn và 64-448 kbps cho âm thanh stereo.Tốc độ lấy mẫu chia làm 3 lớp nén tùy thuộc vào từng ứng dụng khác nhau Vớimức độ phức tạp tằng dần Đối với cả 3 lớp tín hiệu audio đều được biến đổi thừmiền thời gian sang miền tần số bằng 32 băng lọc phụ

Lớp 1: Sử dụng 32 băng con với 12 khối mẫu trong một khung vậy sẽ có32.12=384 mẫu trong một khung Để có tần số lấy mẫu là 48 KHz thì chu kỳ lấymẫu là 1/48.10-6 (s) vậy chu kỳ khung là 8 (ms)

Lớp 2 : sử dụng 32 băng con với 36 khối mẫu trong một khung Có 1152mẫu trong một khung Chu kỳ khung là 24 ms cho kênh 48 KHz

MPEG lớp 1 và 2 có cấu trúc khá đơn giản Lớp 2 thu được hiệu năng tốt hơn chủ yếu là vì kích thước của thông tin đã được giảm nhờ loại bỏ những thông tin dư thừa và các mức lượng tử hóa dày hơn

Lớp 1 và 2 anh xạ tín hiệu audio số đầu vào thành 32 băng thông qua các

bộ lọc thông dải Các thành phần tần số này được đưa đến bộ thang chia và lượng tử hóa Số mức lượng tử hóa cho mỗi thành phần phổ được quyết định ở khối dynamic bit Khối này hoạt động dưới sự điều khiên của mô hình cảm nhận Nguyên lý của mô hình cảm nhận này là xây dựng lại mặt nạ ngưỡng từ

đó quyết định số bit, số ngưỡng, thang chia sử dụng trong quá trình lượng tử hóacủa từng dải băng tần Giả sử năng lượng của dải băng tần đó nằm dưới ngưỡng nghe thì nó không cần phải mã hóa số bit sẽ là 0 Sau khi lượng tử hóa các thông

Hình 7: Sơ đồ mã hóa/giải mã lớp 1 và lớp 2 chuẩn ISO/MPEG

tin của 32 thành phần tần số cộng với thông tin của mô hình cảm nhận sẽ được đưa đến bộ Mux để tạo ra tín hiệu chuẩn MPEG ở đầu thu qua trình diễn ra ngược lại.

Lớp 3 của chuẩn nén audio MPEG-1 giới thiệu rất nhiều những chức năngmới Đặc biết là một bộ chuyển mạch tích hợp với lọc thông dải Thêm vào đó

nó còn sử dụng bộ lượng tử hóa phi tuyến Một công nghệ đệm gọi là bit

reservoir giúp giảm tốc độ bit

Để thu được độ phân giải tần số tốt hơn, 32 băng tín hiệu con được chia ranhỏ hơn bằng cách môi băng con sử dụng khối biến đổi DCT 6 hoặc 18 điểm với 50% trùng lặp Vì thế các trong mỗi cửa sổ sẽ có 12 hoặc 36 mẫu băng con tương ứng Số thành phần tần số đạt được là 32.18=576

2.2.1.3 MPEG-2

Một bước xa hơn trong âm thanh số là đưa ra một hệ thông biểu diễn audio đa kênh Hệ thống này hỗ trợ không chỉ những ứng dụng chỉ có audio mà còn hỗ trợ các hệ thống nghe nhìn bao gồm họp trực tuyến qua video, trò chuyện

có hình, dịch vụ đa phương tiện… hệ thông đa kêch cũng có thể cung cấp nhữngkênh đa ngôn ngữ và những kênh cho người khiếm thị, khiếm thính

Hệ thống đa kênh audio số đưa ra cách biểu diễn p/q với p là các kênh trước và q là các kênh sau

11

Hình 8: cấu trúc của MPEG-1/ lớp 3

2.2.2 Nén tín hiệu video số

Tín hiệu video số sau khi được mã hóa với 8 bit sẽ có tốc độ 216 Mbps

đối với tín hiệu video số thành phần và 114 Mbps đối với tín hiệu video số tổng

hợp Để có thể truyền được trong một kênh truyền hình thì video số cần phải nen

trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng Một số công nghệ nén video trong

truyền hình số

2.2.2.1 MPEG-2

Mã hóa MPEG-2 dựa trên khái niệm rằng dữ liệu video bao gồm nhiều

phần dư thừa Bằng cách loại bớt các phần dư thừa thì tổng băng thông yêu cầu

sẽ ít đi Dư thừa thời gian dùng để mô ta đặc điểm của video có nên tương tự

cho mỗi ảnh Nền này giữ nguyên dọc theo một số ảnh tuần tự hoặc nếu có thay

đổi thì rất ít Dư thừa không gian là đặc điểm của dữ liệu video trong đó một số

vùng của ảnh được sao chép trong cùng một khung của video Các bộ code sẽ

phải cần bằng mức dư thừa không gian và thời gian trong một tệp tin Các giá trị

này sẽ thay đổi trền nhiều phần của video Yêu cầu tốc độ bit của một tập tin

video cụ thể sẽ thay đổi khi các phần khác nhau có thể có các mức nén khác

nhau trong một số trường hợp các bộ đệm sẽ được sử dụng để có được tốc độ bit

cố định và đôi khi code sẽ phải làm rớt dữ liệu để tuân thủ giới hạn băng tần

Mã hóa H263 đã được công bố bởi đơn vị viễn thông quốc tế ITU-T dưới

chỗi H các khuyến nghị cho hệ thống nghe nhìn và đa phương tiện Khuyến nghị

này bao gồm sự nén ảnh động tại bít thấp và được hỗ trợ bởi các khuyến nghị

ITU khác trong đó cáo H.261 đầu ra tốc độ bít thấp cho phép nó được sử dụng

cho hội nghị truyền hình và video trên internet Mã này cung cấp một sự cải tiến

trong khả năng nén đối với video và được sử dụng rộng rãi trên các trang

Internet cho các video phát ra

2.2.2.3 MPEG-4

Sau thành công của MPEG-2, nhóm chuyên gia ảnh động tiếp tục phát

triển một chuẩn mới, linh động, có xu hướng mang đến các khả năng bổ sung

cho việc quảng bá video và hỗ trợ sự phát triển của video số Được chấp nhận

như một tiêu chuẩn ISO năm 1999, nó đã được chỉn sửa để bao gồm một số mở

rộng MPEG-4 có trể được sử dụng cho video trên Internet, quảng bá IPTV và

trên phương tiện lưu trữ, cùng với nhiều chức năng khác Nó bao gồm các chức

năng mã hóa hương sđối tượng sự gia tăng khả năng nén và các cơ chế an ninh

Qua một thời gian, các hộp STB mới và các ứng dụng phần mềm IPTV đã được

chuẩn bị để hỗ trợ chuẩn nén này có thể làm cho nén hiệu quả hơn và an ninh tốt

hơn đối với các quyền lợi tài sản trí tuệ

3 GHÉP KÊNH VÀ TRUYỀN TẢI

Có hai phương pháp thường được sử dụng để ghép kênh số từ nhiều vùng

13

khác nhau thành 1 dòng như sau: Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing Method) Về nguyên lý TDM gán các khe thời gian một cách tuần hoàn cho các dòng sơ cấp audio, video và số liệu Ghép kênhgói (Packet Multiplexing method) Trong cách ghép kênh gói, các gói số liệu từ các dòng sơ cấp audio, video, số liệu được đan xen vào nhau một cách tuần hoànhoặc không tuần hoàn, gói này tiếp theo gói kia để hình thành một dòng ghép kênh.Phần này mô tả cách thức các dòng cơ cấp của một chương trình hay của nhiều chương trình được ghép chung với nhau tạo ra một dòng số liệu thích hợp cho lưu trữ số hay truyền dẫn số.

3.1 Tổng quát về hệ thống ghép kênh MPEG-2:

Các hệ thống ghép kênh MPEG-2 có thể phân biệt 2 loại hệ thống: hệ thống ghép kênh dòng chương trình và hệ thống ghép kênh dòng truyền tải

Bộ mã hóa audio mã hóa tín hiệu audio số thành dòng sơ cấp audio có chiều dài tùy ý (tần số lấy mẫu 48KHz, số bit mẫy 24 bit và tốc độ bit là 1152 Kbit/s)

Để có thể truyền được với tốc độ cao, các dòng video, audio được đóng gói lại thành các dòng sơ cấp PES (Packetized Elementary Stream) tương ứng với các gói có độ dài thay đổi

Mỗi gói PES bao gồm một header và một số liệu trích ra từ dòng sơ cấp Các gói PES lại được ghép với nhau tạo ra dòng chương trình PS (Program Stream) hay dòng truyền tải TS (Transport Stream)

3.2 Ghép kênh dòng chương trình:

Được thiết kết cho môi trường không có nhiễu một dòng chương trình là kết quả của ghép kênh một vài dòng cơ sở của một chương trình dùng chung một xung nhịp, bao gồm các gói PES có độ dài thay đổi Dòng dữ liệu sau gép kênh chứa dòng bit điều khiển