truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVBT2

1.2 Truyền hình kỹ thuật số Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông t

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền hình là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực hiện biến đổi tín hiệu này thành dạng ban đầu và hiển thị lên màn hình dưới dạng hình ảnh Truyền hình đen trắng là bước mở đầu cho việc truyền các hình ảnh đi xa Nó được nghiên cứu và chế tạo vào những năm 60 của thế kỷ XX với những ống thu hình Vidicon Truyền hình đen trắng đã từng được sử dụng ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, cùng với sự phát triển nhanh chóng của đèn điện tử thì các thiết bị của truyền hình đen trắng có độ ổn định hơn, chất lượng tốt hơn Tuy nhiên truyền hình đen trắng lại có nhược điểm rất lớn là không có khả năng truyền đi các hình ảnh có màu sắc như trong thực tế Do đó, năm 1957, hệ truyền hình màu đầu tiên đã ra đời tại Pháp, đã mở ra cuộc cách mạng đối với nền công nghiệp truyền hình

Khi đời sống vật chất của người dân ngày càng được nâng cao, yêu cầu về chất lượng các chương trình truyền hình, giải trí ngày càng lớn Lĩnh vực phát thanh truyền hình trong mấy năm trở lại đây đang có những bước tiến nhảy vọt Với những ưu điểm vượt trội của truyền hình số so với truyền hình tương tự, trong những năm qua, truyền hình số mặt đất đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Việc thay thế hoàn toàn truyền hình mặt đất tương

tự bằng công nghệ truyền hình số mặt đất trên toàn thế giới sẽ diễn ra trong tương lai không xa

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH KỸ

THUẬT SỐ 1.1 Công nghệ truyền hình tương tự

1.1.1 Tìm hiểu sơ lược về lịch sử phát triển của hệ thống truyền hình

Sự hình thành và phát triển của truyền hình gắn liền với các sự kiện khoa học

- công nghệ cũng như các sự kiện chính trị - xã hội khác Ngay từ đầu những năm

1920, người ta đã chú ý đến truyền hình do họ nhận thức được vai trò của truyền hình trong việc tuyên truyền, quảng bá trên các mặt kinh tế, chính trị, xã hội…có thể

kể đến một số mốc quan trọng trong lịch sử truyền hình như sau:

- Năm 1839: Bee Quell tìm ra hiện tượng quang điện

- Năm 1898: Volsske tìm ra hệ thống truyền hình không dây dẫn (truyền hình bằng sóng điện từ)

-Tháng 3/1899: liên lạc vô tuyến quốc tế đầu tiên ra đời ở Anh và Pháp, dài 46Km

- Năm 1941: Mỹ chấp nhận chuẩn 525 dòng quét với bộ phân giải của mình

- Trong và sau chiến tranh thế giới thứ II: các cường quốc chạy đua gay gắt

để phát các chương trình truyền hình nhằm vận động nhân dân ủng hộ các chiến lược quân sự và kinh tế của mình

- Năm 1957: ở Pháp xuất hiện hệ truyền hình màu SECAM do Henry De France nghiên cứu và thực hiện

- Năm 1962: giáo sư Walter Bruce ở Tây Đức công bố hệ truyền hình PAL

Cả hai hệ SECAM và PAL về nguyên lý chung thống nhất với hệ NTSC

- Năm 1966: ở Na Uy đã tiến hành hội nghị CCIR để chọn hệ truyền hình màu thống nhất cho cả Châu Âu, để tiện cho việc trao đổi chương trình truyền hình màu giữa các nước

Kết quả một số nước chọn hệ SECAM, một số nước dùng hệ PAL, Mỹ và Nhật sử dụng hệ NTSC Ở Việt Nam chọn hệ PAL tiêu chuẩn OIRT (Organization Internatinal Radio and Television - Tổ chức phát thanh truyền hình quốc tế)

- Năm 1994: Mỹ nghiên cứu và thử nghiệm truyền hình số, đến tháng 12 năm

1996 ban hành tiêu chuẩn ATSC

- Năm 1997: Nhật Bản ban hành tiêu chuẩn ISDB - hay còn gọi là tiêu chuẩn

- Năm 1997: tiêu chuẩn DVB-T của Châu Âu ra đời Nhiều nước Bắc Âu, một số nước Châu Á trong đó có Việt Nam và nhiều nước khác đã lựa chọn tiêu chuẩn này và dự kiến phát sóng số hoàn toàn vào năm 2020

1.1.2 Công nghệ truyền hình tương tự

Hiện nay, có 3 loại công nghệ truyền hình tương tự chính được sử dụng trên toàn thế giới dựa trên tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh NTSC, SECAM và PAL và sử dụng điều chế RF để điều chế tín hiệu sóng mang VHF hoặc UHF Mỗi khung hình của một hình ảnh truyền hình bao gồm các dòng quét trên màn hình Các dòng có độ sáng

khác nhau, tập hợp toàn bộ dòng được vẽ một cách nhanh chóng để mắt người cảm nhận nó như là một hình ảnh Các khung hình tiếp theo tuần tự được hiển thị, cho phép mô tả chuyển động Các tín hiệu truyền hình tương tự có thông tin về thời gian

và đồng bộ để máy thu có thể tái tạo lại một hình ảnh hai chiều chuyển động từ một tín hiệu một chiều biến thiên theo thời gian

- Tiêu chuẩn NTSC được phát triển tại Mỹ và lần đầu tiên đượ sử dụng trong năm 1954, NTSC hiện là tiêu chuẩn truyền hình lâu đời nhất Nó bao gồm quét dòng

là 525 và tần số quét hình là 60Hz

- Tiêu chuẩn SECAM được phát triển ở Pháp và lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1967 Nó sử dụng quét dòng 625 và tần số quét hình là 50Hz Các loại tiêu chuẩn khác nhau sử dụng băng thông video và thông số kỹ thuật cung cấp dịch vụ

âm thanh khác nhau

- Tiêu chuẩn PAL được phát triển ở Đức và lần đầu tiên được sử dụng vào năm

1967 Là một biến thể của NTSC, chuẩn PAL sư dụng quét dòng 625 và tần

số quét hình là 50Hz Các tiêu chuẩn khác nhau sử dụng băng thông video và thông

số kỹ thuật cung cấp dịch vụ âm thanh khác nhau

Hiện nay, các hệ thống truyền hình số với những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự ở khả năng chống nhiễu cũng như tăng hiệu quả băng thông đang ngày càng phát triển và được nghiên cứu ở nhiều quốc gia Do đó, xu hướng hiện nay là chuyển đổi sang truyền hình số

1.2 Truyền hình kỹ thuật số

Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà sử dụng phương pháp

số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin, mở ra một khả năng đặc đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc

theo các hệ truyền hình đã được nghiên cứu trước.

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra như trên hình 1.1 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Trong thiết bị mã hóa (biến đôi A/D), tín hiệu truyền hình tương tự sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát Sau đó tín hiệu truyền hình số được truyền tới bên thu qua kênh thông tin Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát Quá trình giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số sang 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

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hóa kênh Mã hóa kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin Thiết bị mã hóa kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử

lý tại phía phát Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa và giải mã tín hiệu truyền hình

1.3 Đặc điểm truyền hình kỹ thuật số

Hệ thống truyền hình kỹ thuật số có những ưu điểm sau:

- Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai.

- Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong trung tâm truyền hình mà tỷ

số S/N (tỷ số tín hiệu/tạp âm) không giảm Trong truyền hình tương tự thì việc này gây ra méo tích lũy (mỗi khâu xử lý đều gây méo)

- Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng không bị giảm

- Có khả năng lưu trữ tín hiệu số trong các bộ nhớ đơn giản và sau đó đọc nó với tốc độ tùy ý

- Khả năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ…)

- Khả năng thu di động tốt Người xem dù đi trên ôtô, tàu hỏa vẫn xem được các chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng Doppler

- Dễ tạo dạng, lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệ truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, để thực hiện những kỹ xảo trong truyền hình

- Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường Trong hệ thống truyền hình tương tự, thường xảy ra hiện tượng bóng ma do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá

- Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỷ lệ nén có thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất lượng Từ đó có thể truyền được nhiều chương trình trên một kênh sóng, trong khi truyền hình tương tự mỗi chương trình phải dùng một kênh sóng riêng

- Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giũa điểm và điểm Do sự phát triển của công nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác ngày càng phong phú đa dạng

và ngày càng mở rộng

- Bảo toàn chất lượng: chất lượng của tín hiệu số và tín hiệu tương tự trong quá trình truyền từ máy phát đến máy thu

Hình 1.2: So sánh chất lượng tín hiệu số và tương

tự.

Tuy nhiên, truyền hình số cũng có một vài nhược điểm đáng quan tâm như:

• Dải thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự

• Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thường phức tạp hơn (phải dùng mạch chuyển đổi số - tương tự)

Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát hệ thống thu và phát truyền hình số.

CHƯƠNG II: XỬ LÝ VÀ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH KỸ

THUẬT SỐ 2.1 Cơ sở truyền hình kỹ thuật số

Mỗi một chương trình truyền hình cần một bộ mã hóa MPEG-2 riêng trước khi

biến đổi tín hiệu từ tương tự sang số Khi đã được nén để giảm tải dữ liệu, các chương trình này sẽ ghép lại với nhau để tạp thành dòng bit liên tiếp Lúcnày chương trình đã sẵn sàng được truyền đi xa, cần được điều chế để phát đi theo các phương thức:

• Truyền hình số vệ tinh DVB-S (QPSK)

• Truyền hình số cáp DVB-C (QAM)

• Truyền hình số mặt đất DVB- T (COFDM)

Phía thu sau khi nhận được tín hiệu sẽ tiến hành điều chế phù hợp với phương pháp điều chế, sau đó tách kênh rồi giải nén MPEG-2, biến đổi ngược lại số sang tương tự, gồm 2 đường hình và tiếng rồi đến máy thu hình

2.2 Số hóa tín hiệu truyền hình

Video số là phương tiện biểu diễn dạng sống video tương tự dạng một dòng

dữ liệu với các ưu điểm:

- Tín hiệu video số không bị méo tuyến tính, méo phi tuyến và không bị nhiễu gây ra cho quá trình biến đổi tương tự sang số (ADC) và số sang tương tự (DAC)

- Thiết bị video số có thể hoạt động hiệu quả hơn so với thiết bị video tương tự

- Tín hiệu video số có thể tiết kiệm bộ lưu trữ thông tin hơn những bộ nén tín hiệu

2.3 Chuyển đổi tương tự sang số

Quá trình chuyển đổi nhìn chung được thực hiện qua 3 bước cơ bản đó là: lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa Các bước đó luôn kết hợp với nhau thành một quá trình

thống nhất (hình 1.4)

Hình 1.4: Sơ đồ mạch biến đổi tương tự sang số

Lấy mẫu tín hiệu tương tự là quá trình rời rạc theo thời gian bằng tần số lấy

mẫu (fS), kết quả cho ta một chuỗi các mẫu Lấy mẫu là bước đầu tiên thể hiện tín

hiệu tương tự sang số, vì các thời điểm lấy mẫu đã được chọn sẽ chỉ ra tọa độ của các điểm đó Quá trình biến đổi này phải tương đương về mặt tin tức Có nghĩa là tín hiệu sau khi lấy mẫu phải mang đủ thông tin của dòng tín hiệu vào Biên độ tín hiệu

tương tự được lấy mẫu với chu kỳ T S, thu được một chuỗi các xung hẹp với tần số

lấy mẫu

được tính bằng:

fs=1/Ts Trong đó: fs là tần số lấy mẫu

T là chu kỳ lấy mẫu Đối với tín hiệu tương tự VI thì tín hiệu lấy mẫu VS sau quá trình lấy mẫu có thể khôi phục trở lại VI một cách trung thực nếu thỏa mãn điều kiện:

Trong đó: - fS: tần số lấy mẫu

- fImax: giới hạn trên của dải tần số tương tự

Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lẫy mẫu tín hiệu số tương ứng đều cần có một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi A/D trên thực tế

là giá trị VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu [2]

- Lượng tử hóa

Bước tiếp theo trong quá trình biến đổi A/D là lượng tử hóa Trong quá trình này, biên độ tín hiệu được chia thành các mức - gọi là mức lượng tử Khoảng cách

giữa hai mức liền kề nhau gọi là bước lượng tử Các mẫu có được từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp

xỉ của tín hiệu ban đầu, nguyên nhân do quá trình lượng tử hóa xác định các giá trị

số rời rạc cho mỗi mẫu

Có hai phương pháp lượng tử hóa: lượng tử hóa tuyến tính có các bước lượng

tử bằng nhau và lượng tử hóa phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio, tất cả các mức lượng tử đều có biên độ bằng nhau, và quá trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hóa đồng đều Đây là quá trình biến đổi từ một chuỗi các mẫu với vô hạn biên độ sang các giá trị nhất định, vì vậy quá trình này gây ra sai số, gọi là sai số lượng tử Sai số lượng tử là một nguồn nhiễu không thể tránh khỏi trong hệ thống số Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong phạm vi 1/2 O (O là bước lượng tử)

-Mã hóa

Mã hóa là khâu cuối cùng của bộ biến đổi A/D Mã hóa là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu

kỹ thuật cho hệ thống truyền tin Dữ liệu sau mã hóa có ưu điểm: tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tương đương khả năng thông qua của kênh

2.4 Chuyển đổi số sang tương tự

Quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử (1 LBS) Quá trình này được thực hiện như hình 1.5

Hình 1.5: Sơ đồ khối mạch biến đổi video số sang tương tự

Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số dùng nguyên tắc như hình 1.4 trên Chuyển đổi số sang tương tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi tương tự sang số, vì không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình lượng

tử hóa Theo sơ đồ 1.5, thì quá trình chuyển đổi số sang tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự đã được lấy mẫu

2.5 C á c p h ư ơ n g p h á p n én tín hiệu truyền hình

Xử lý tín hiệu số hứa hẹn thay thế tất cả các phương pháp tương tự (cũ) về tốc độ dòng, tốc độ mành, NTSC, PAL, SECAM, HDTV và cuối cùng là tập trung

vào HDTV số băng rộng.

- Kỹ thuật tương tự: nén thông tin video bằng cách giảm độ rộng băng tần màu

< 1,2 MHz

- Kỹ thuật giảm (nén) dữ liệu video: các hệ thống nén số liệu là sự phối hợp của rất nhiều kỹ thuật xử lý nhằm giảm tốc độ bit của tín hiệu số mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh phù hợp ứng với một ứng dụng nhất định Nhiều kỹ thuật nén mất và không mất thông tin (loss/lossless data reduction techniques) đã được phát triển trong nhiều năm qua

Nén không tổn thất: cho phép phục hồi lại đúng tín hiệu ban đầu sau khi giải nén Đây là một quá trình mã hóa có tính thuận nghịch Hệ số nén phụ thuộc vào chi tiết ảnh được nén Hệ số nén của phương pháp nén không mất thông tin nhỏ hơn 2:1

Trong truyền hình, phương pháp nén không tổn thất được kết hợp trong các phương pháp nén có tổn thất sẽ cho tỷ lệ nén tốt mà không gây mất mát về độ phân giải

Nén có tổn thất: chấp nhận mất mát một ít thông tin để gia tăng hiệu quả nén, rất thích hợp với nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh Như vậy, nén có tổn thất mới thật sự có ý nghĩa với truyền hình Nó có thể cho tỷ lệ nén hình ảnh cao để truyền dẫn, phát sóng Đồng thời cho một tỷ lệ nén thích hợp cho xử lý và lưu trữ ảnh trong studio

Nén video tổn thất DPCM - Điều xung mã vi sai:

- Đây là một phương pháp nén quan trọng và hiệu quả, nguyên lý cơ bản của

nó là: chỉ truyền tải tín hiệu vi sai giữa mẫu đã cho và dự báo (được tạo ra từ các mẫu trước đó)

- Công nghệ DPCM thực hiện loại bỏ tính có nhớ và các thông tin dư thừa của nguồn tín hiệu bằng một bộ lọc đặc biệt có đáp ứng đầu ra là tín hiệu số giữa mẫu đầu vào và giá trị dự báo của chính nó Rất nhiều giá trị vi sai này gần bằng 0 nếu các điểm ảnh biến đổi không đồng đều Còn với ảnh có nhiều chi tiết giá trị sai

số dự báo có thể lớn Khi đó có thể lượng tử hóa chúng bằng mức lượng tử cao hơn

do đặc điểm của mắt người không nhạy cảm với những chi tiết có độ tương phản cao, thay đổi nhanh Sự giảm tốc độ bit ở đây thu được từ quá trình lượng tử hóa và

mã hóa

- Hầu hết các cách thức nén ảnh đều sử dụng vòng lặp DPCM

2.6 Mã hóa và điều chế tín hiệu số

Trong kỹ thuật truyền hình tương tự, người ta sử dụng phương pháp điều biên (AM) hoặc điều tần (FM) Tại đầu thu sẽ được giải điều chế để tái tạo lại thông tin

về hình ảnh, âm thanh ban đầu