Nghiên cứu công nghệ truyền hình số

công suất trung bình bình QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc SDTV Standard Definition Television Tr

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết trong luận văn này là do sự tìm hiểu

và nghiên cứu của bản thân Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn cụ thể

Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây

Hà Nội, tháng 10 năm 2013 Tác giả luận văn

Phan Thị Năm

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân thành cảm ơn Khoa sư phạm kỹ thuật, Viện đào tạo sau đại học-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã hướng

dẫn tận tình để tôi hoàn thành luận văn này

Xin trân thành cảm ơn Ban giám hiệu và các đồng nghiệp Trường cao đẳng

kỹ thuật Công Nghiệp Bắc Giang và gia đình đã tạo điều kiện giúp đỡ, cộng tác, động viên chia sẻ để tôi hoàn thành luận văn này

Tuy bản thân đã rất cố gắng nhưng luận văn khó có thể tránh được thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của hội đồng chấm luận văn và bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin trân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Phan Thị Năm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 12

MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ TRUYỀN HÌNH SỐ 16

1.1 Khái niệm và nguyên tắc truyền hình 16

1.2 Sự cảm thụ của mắt và các tham số của ảnh truyền hình 17

1.2.1 Độ tương phản 17

1.2.2 Khả năng phân biệt của mắt 17

1.2.3 Quán tính của thị giác và tần số nhấp nháy của ảnh truyền hình 18

1.2.4 Kích thước của màn ảnh truyền hình 18

1.3 Nguyên lý truyền hình màu 18

1.3.1 Nguyên lý trộn màu 18

1.3.2 Các màu cơ bản và các màu phụ 18

1.3.3 Phương trình các tín hiệu Ey , ER - Ey , EG - Ey , EB - Ey 19

1.3.4 Lựa tín hiệu để truyền trong truyền hình: 19

1.3.5 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu tương tự 20

1.3.6 Tín hiệu âm thanh 20

1.4 Các hệ truyền hình màu 20

1.4.1 Hệ truyền hình màu NTSC 20

1.4.2 Hệ truyền hình PAL 21

1.4.3 Hệ truyền hình màu SECAM 22

1.5 Sơ đồ và đặc điểm hệ thống truyền hình số 23

1.5.1 Sơ đồ 23

1.5.2 Đặc điểm của truyền hình số 24

1.6.1 Các khâu số hóa 24

1.6.1.1 Lấy mẫu tín hiệu video số 24

1.6.1.2 Lượng tử hóa 26

1.6.1.3 Mã hoá 26

1.6.1.4 Chuyển đổi D/A 27

1.6.2 Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video màu tổng hợp 27

1.6.2.1.Tiêu chuẩn 4fsc NTSC 27

1.6.2.2 Tiêu chuẩn 4fsc PAL 28

1.6.3.Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần 28

1.6.3.1 Các chuẩn lấy mẫu 28

1.6.3.2 Lấy mẫu tín hiệu video thành phần 30

1.6.4 CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản 30

1.7 Tín hiệu audio số 32

1.8 Kĩ thuật điều chế và truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 33

1.8.1 Kĩ thuật điều chế 33

1.8.2 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 33

CHƯƠNG 2: NÉN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 36

2.1 Sự cần thiết phải nén 36

2.2 Mô hình nén 36

2.3 Lý thuyết thông tin - entropy 37

2.4 Các phương pháp nén tín hiệu Video 37

2.4.1 Nén không mất thông tin 38

2.4.1.1 Mã hóa với độ dài từ mã thay đổi VLC 38

2.4.1.2 Mã hóa với độ dài từ mã động RLC 38

2.4.1.3 Sử dụng khoảng xóa dòng và xóa mành 38

2.4.1.4 Biến đổi Cosin rời rạc DCT 39

2.4.2 Nén mất thông tin 39

2.4.2.1 Lấy mẫu con (Sub Sampling) 39

2.4.2.2 Điều xung mã vi sai (DPCM) 39

2.4.3.1 Mã RLC 40

2.4.3.2 Mã hóa Shannon - Fano 41

2.4.3.3 Mã Huffmans 42

2.5 Kỹ thuật tín hiệu Video 43

2.5.1 Kỹ thuật nén trong ảnh 43

2.5.1.1 Nguyên lý nén trong ảnh 43

2.5.1.2 Tiền xử lý 44

2.5.1.3 Biến đổi cosin rời rạc DCT 45

2.5.1.4 Lượng tử hoá 47

2.5.1.5 Mã hoá Entropy 49

2.5.1.6 Quá trình giải nén 50

2.5.2 Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Frame Compression) 52

2.5.2.1 Mô hình 52

2.5.2.2 Kỹ thuật dự đoán bù chuyển động 52

2.5.2.3 Ảnh dự đoán trước 53

2.5.2.4 Ảnh dự đoán hai chiều 54

2.6 Các tiêu chuẩn nén 55

2.6.1 Tiêu chuẩn JPEG 55

2.6.2 Tiêu chuẩn nén MPEG 58

2.6.3 Tiêu chuẩn nén MPEG-2 62

2.7 Kỹ thuật nén Audio 64

2.7.1 Phương pháp nén không mất thông tin 64

2.7.2 Phương pháp nén có mất thông tin 65

2.7.3 Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 65

2.7.4.Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 67

2.8 Ghép kênh Audio và Video số theo chuẩn MPEG-2 68

2.8.1 Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG-2 68

2.8.2 Cấu trúc cơ sở dòng ES 69

2.8.3 Dòng cơ sở đóng gói PES 69

2.8.4 Ghép kênh dòng chương trình (Program Stream MUX) 69

2.8.5 Ghép kênh dòng truyền tải (Transport Stream MUX) 70

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 73

3.1 Giới thiệu các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất 73

3.1.1 Chuẩn ATS 73

3.1.2 Chuẩn ISDB-T 73

3.1.3 Tiêu chuẩn Châu Âu (DVB – T) 74

3.2 Truyền hình số mặt đất DVB - T 75

3.2.1 Sơ đồ khối 75

3.2.2 Đặc điểm 77

3.3 Điều chế trong truyền hình số mặt đất 77

3.3.1 Tổng quan kỹ thuật điều chế COFDM 79

3.3.2 Đặc tính của COFDM 80

3.3.2.1 Ưu điểm của hệ thống COFDM 80

3.3.2.2 Các hạn chế của hệ thống COFDM 81

3.3.3 Nguyên tắc của COFDM 81

3.3.4 Điều chế số 82

3.3.4.1 Điều chế QPSK 82

3.3.4.2 Điều chế phân cấp 84

3.3.5 Đồng bộ kênh 85

3.3.6 Khoảng bảo vệ 87

3.3.7 Mạng đơn tần SFN 889

3.4 Mã hóa kênh và điều chế trong DVB - T 889

3.4.1 Phân tán năng lượng 90

3.4.2 Mã ngoài và tráo ngoài 90

3.4.3 Mã trong 91

3.4.4 Tráo trong 92

3.4.4.1Tráo bit 92

3.4.4.2 Tráo symbol 92

3.4.5 Tín hiệu COFDM trong chuẩn DVB – T 93

3.4.6 Máy thu DVB - T thực tế 94

4.1 Một số phương pháp dạy học hiện đại ( PPDHHD) 96

4.1.1 Yêu cầu của đào tạo theo học tín chỉ 96

4.1.2 Quan điểm về phương pháp dạy học hiện đại 97

4.1.2.1 Một số PPDHHĐ 98

4.1.2.2 Những thành quả công nghệ điện tử được vận dụng trong PPDHHĐ .98

4.2 Một số thiết bị hỗ trợ giảng dạy 99

4.2.1 Máy chiếu giấy bóng kính (transparency overhead) 99

4.2.2 Máy chiếu đa phương tiện (projector) 100

4.2.3 Tivi và video caset 101

4.2.4 Micro và loa 101

4.3 Phương pháp dạy môn kỹ thuật truyền hình 102

4.3.1 Phương pháp dạy phần lý thuyết 102

4.3.1.1 Mô hình lớp học 102

4.3.1.2 Hệ thống kiến thức 103

4.3.1.3 Cách kiểm tra đánh giá 105

4.3.2 Phương pháp dạy phần thực hành 110

4.3.2.1 Thực nghiệm trong xưởng 110

4.3.2.2 Tham quan các đài truyền hình, các công ty truyền hình 113

4.3.2.3 Cách kiểm tra đánh giá 113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ATSC Advanced Television System

BPSK BaniryPhase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

CCIR – 601 Comité‟ Consulta International

DVB – T DigitalVideoBroadcasting-Terrestrial Truyền dẫn truyền hình số

mặt đất EBU The European Broadcasting Union Uỷ ban phát thanh truyền hình

Châu Âu

FCC Fedenal Communication Committee Ủy hội thông tin liên bang Mỹ FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia tần số FEC Forward Error Correction Sữa lỗi lũy tiến

HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao

HP High Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao

JPEG Joint Photographic Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu

tiêu chuẩn ảnh IDCT Inverse Discrete Cosine Tranform Chuyển đổi Fourier ngược IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform DFT ngược

ICI Inter Camer Interference Nhiễu xuyên kênh

ISI Intersymbol Interfrence Nhiễu ký hiệu

ISDB-T Intergeted Services Digital

Broadcasting- Terrestrial

Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (của Nhật)

LP Low Priority bit stream Dòng bit ưu tiên thấp

MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu

về tiêu chuẩn hình ảnh động

M-JPEG Moving Joint Photographic Experts

NRZ Non Retm to Zero Không trở Lại mức "0" OIRT Organization Internation Radio &

Television

Tổ chức phát thanh và truyền hinh quốc tế

PAL Phase Altemation Line Hệ truyền hình màu PAL

PES Packetized Elementary Stream Dòng sơ cấp

PAPR Peak to Average Power Radio Tỷ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình

bình

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc SDTV Standard Definition Television Truyền hình phân giải chuẩn SECAM Séquentiel Couleur A Mémoire Hệ truyền hình màu SECAM SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần số

TPS Transmission Parameter Signalling Thông số phát

VLC Variable Length Coding Mã hóa với độ dài từ mã thay

đổi

UHF Ultra - High Frequency Siêu cao tần

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thông số mã hoá tiêu chuẩn 4fsc NTSC 27

Bảng 1.2 Các thông số mã hoá tiêu chuẩn 4fsc PAL 28

Bảng 1.3 Chỉ tiêu truyền hình số cơ bản 31

Bảng 1.4 Tần số Lấy mẫu và số mẫu trên một khung hình 32

Bảng 2.1 Tham số theo tiêu chuẩn nén JPEG 57

Bảng 3.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB - T 74

Bảng 3.2 Tín hiệu trong điều chế QPSK 83

Bảng 3.3 Các hoán vị trong mode 2k 93

Bảng 3.4 Các hoán vị trong mode 8k 93

Bảng 3.5 Các giá trị của các khoảng phòng vệ 94

Bảng 4.1 Mô tả các thông số trong DVB – T với 2K mode 110

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình 16

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu 20

Hình 1.3 Phổ của tín hiệu hệ NTSC 21

Hình 1.4 Phổ của tín hiệu hệ PAL 22

Hình 1.5 Phổ của tín hiệu hệ SECAM 23

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số 23

Hình 1.7 Cấu trúc lấy mẫu 25

Hình 1 8 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự 27

Hình 1.9 Các tiêu chuẩn lấy mẫu 29

Hình 2.1 Mô hình hệ thống nén video 36

Hình 2.2 Sự phối hợp các kỹ thuật trong JPEG và MPEG 38

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ mã hoá và giải mã DPCM 40

Hình 2.4 Ví dụ mã Shannon - Fano 42

Hình 2.5 Ví dụ mã Huffman 43

Hình 2.6 Nén trong ảnh (intraframe compression) 44

Hình 2.7.Cấu tạo của Macro Block 44

Hình 2.8 Minh hoạ quá trình mã hoá DCT hai chiều 46

Hình 2.9 Lượng tử hoá có trọng số 47

Hình 2.10 Bảng chia vùng lượng tử 48

Hình 2.11 Các bảng lượng tử cho tín hiệu chói và tín hiệu chói và tín hiệu màu theo tiêu chuẩn JPEG 48

Hình 2.12 Nén trong ảnh 49

Hình 2.13 Quét zic- zắc các hệ số lượng tử hoá DCT 50

Hình 2.14 Giải mã DCT……… 50 Hình 2.15 Biến đổi DCT ngược cho khối 8x8 và sai số so với khối ban đầu

Hình 2.16 Mô hình nén ảnh 52

Hình 2.17 Nén liên ảnh (ảnh dự đoán trước) 53

Hình 2.18 Nén lên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) 54

Hình 2.19 Sơ đồ khối mã hóa (a) và giải mã (b) JPEG 55

Hình 2.20 Cấu trúc Gop mở (a) và đóng (b) 59

Hình 2.21 Sơ đồ khối quá trình mã hoá MPEG 61

Hình 2.22 Giải mã MPEG 62

Hình 2.23 Hai hướng bit trong cú pháp dòng bit MPEG-2 62

Hình 2.24 Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 63

Hình 2.25 Hệ thống mã hoá điểm động khối số liệu audio 65

Hình 2.26 Bộ mã hoá và giải mã audio MPEG 66

Hình 2.27 Dạng dòng số liệu của các lớp audio MPEG 66

Hình 2.28 Sự mở rộng MPEG-2 trong dòng MPEG-1 67

Hình 2.29 Hệ thống ghép kênh, phân kênh MPEG - 2 68

Hình 2.30 Ghép kênh dòng chương trình và dòng chương trình 70

Hình 2.31 Ghép kênh dòng truyền tải……….70

Hình 3.1 Tiêu chuẩn DVB - T 75

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất 75

Hình 3.3 Sơ đồ khối chức năng hệ DVB - T 78

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 79

Hình 3.5 Phổ của một sóng mang đơn 81

Hình 3.6 Phổ của sóng mang trực giao 82

Hình 3.7 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 84

Hình 3.8 Chòm sao phân cấp 84

Hình 3.9 Phân bổ sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 86

Hình 3.10 Phân bố các pilot của DVB-T 87

Hình 3.11 Phân bố sóng mang khỉ chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 88

Hình 3.12 Dạng tín hiệu minh họa khi có bảo vệ 88

Hình 3.13 Sơ đồ khối thực tế bên trong máy phát DVB - T 889

Hình 3.14a Gói sau ghép truyền dẫn MPEG - 2 90

Hình 3.14b Các gói truyền dẫn đã được ngẫu nhiên hóa 91

Hình 3.14c Các gói chống lỗi mã 91

Hình 3.14d.Cấu trúc dòng dữ liệu sau tráo ngoài………91

Hình 3.15 Mã chập gốc tố độ mã 1/2……… 92

Hình 3.16 Thời gian một symbol đã chèn khoảng bảo vệ……… 94

Hình 3.17 Sơ đồ khối bên trong máy thu phát DVB-T 95

Hình 4.1 Bố trí các thiết bị trong lớp học hiện đại 102

Hình 4.2 Ảnh minh họa sử dụng hệ thống iClicker tại các lớp học 103

Hình 4.3 : Hệ thống kiến thức được thiết theo dạng cây 104

Hình 4.4 Chọn kiểu dữ liệu và nhập thông số 111

Hình 4.5 Nhập tỷ số SNR 111

Hình 4.6 Mô tả hình ảnh phổ công suất của tín hiêu OFDM Sau bộ IFFT và trước bộ FFT khi có nhiễu 111

Hình 4.7 Mô tả mật độ phổ công suất tín hiệu OFDM sau bộ lộc phát và thu 112

Hình 4.8 Mô tả mật độ phổ công suất tín hiệu OFDM sau IF/RF và RF/IF 112

Hình 4.9 Hình ảnh được truyền và nhận khi có lỗi 113

Do đó xu hướng chung cho sự phát triển của công nghệ truyền hình trên thế giới, nhằm đạt được một sự thống nhất chung là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin

Với sự phát triển của tri thức công nghệ các hình thức đào tạo có nhiều thay đổi từ mô hình niên chế sang mô hình tín chỉ Với các đặc trưng nội dung cần truyền tải trong quá trình dạy học, nó đòi hỏi người dạy phải có các phương pháp dạy phù hợp để có thể truyền tải nội dung môn học hiệu quả

Với lí do trên, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Khang, em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu công nghệ truyền hình số” Với

mong muốn có thể nghiên cứu tìm hiểu môn học và phương pháp giảng dạy hiệu quả giúp người học đủ khả năng tiếp cận với công nghệ truyền hình luôn thay đổi

Nội dung chính của đề tài sẽ được trình bày như sau:

 Chương 1: Cơ sở truyền hình số

 Chương 2: Nén tín hiệu truyền hình số

 Chương 3: Hệ thống truyền hình số mặt đất

 Chương 4: Phương pháp dạy môn kỹ thuật truyền hình

Mặc dù đã cố gắng tìm tòi và nghiên cứu song do bước đầu tiếp cận, tìm hiểu và còn hạn chế về mặt kiến thức nên đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót Rất mong được sự chỉ dẫn, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ TRUYỀN HÌNH SỐ

1.1 Khái niệm và nguyên tắc truyền hình

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 dựa trên đặc điểm cảm nhận của ánh sáng mắt người là độ chói và màu của vật để truyền đi thông tin cần thiết

Trong hệ thống truyền hình, tín hiệu mang tin tức về hình ảnh gọi là tín hiệu video, tín hiệu mang tin tức về âm thanh gọi là tín hiệu audio Các quá trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh hay ảnh - tín hiệu phải đồng bộ và đồng pha với nhau mới đáp ứng được sự phân tích ảnh ở phía phát và tổng hợp ảnh ở phía thu Sự đồng bộ ở đây được thực hiện bởi một bộ tạo xung đồng bộ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình

Truyền hình sử dụng hai nguyên tắc chính:

 Truyền hình phải qua hai công đoạn chính : phía phát phải chuyển đổi tín hiệu của bức ảnh sang tín hiệu điện (chuyển quang thành điện) và phía thu phải chuyển đổi tin tức về điện thành tin tức về độ chói của bức ảnh (chuyển điện thành quang)

 Không thực hiện truyền bức ảnh đi một lượt mà chỉ truyền đi từng điểm ảnh của một cảnh theo tứ tự từ trái qua phải và từ trên xuống dưới

Quét theo chiều ngang từ trái qua phải gọi là quét dòng, quét theo chiều dọc từ trên xuống dưới gọi là quét mành Có hai phương pháp quét ảnh là quét liên tục và quét xen kẽ

Để vị trí các điểm ảnh bên thu và bên phát giống nhau khi kết thúc hành trình quét thuận phải truyền đi các xung đồng bộ tương ứng (đồng bộ dòng, đồng bộ mành) Trong mỗi hành trình quét ngược phía phát phải truyền đi các xung xoá để xoá tia quét ngược

Hiện nay truyền hình tiêu chuẩn (SDTV) sử dụng hai hệ: 625 dòng/ảnh và 525 dòng/ảnh với kiểu quét xen kẽ tương ứng với 25 ảnh(50 mành) và 30 ảnh (60 mành) trong một giây Tương ứng với tần số quét dòng cho hai hệ 625 và 527 là: 15625Hz

1.2.2 Khả năng phân biệt của mắt

Khả năng phân biệt của mắt được đặt trưng bằng khoảng cách bé nhất giữa hai điểm mà mắt còn nhận thấy hai điểm đó là phân biệt Góc nhìn bé nhất mà mắt còn phân biệt là 1‟ † 1.5‟ Điều đó có nghĩa là phải chọn số dòng quét đủ lớn, để cho lúc nhìn hai dòng quét kề nhau với góc nhìn bé hơn góc nhìn cho phép Theo tiêu chuẩn OIRT 625 dòng, tiêu chuẩn FCC 525 dòng

1.2.3 Quán tính của thị giác và tần số nhấp nháy của ảnh truyền hình

Khi mắt người nhìn một vật nào đó và hình ảnh của vật đó mất đi thì ảnh có thể lưu lại trên võng mạc sau khi chấm dứt là (1/24s) Chính vì vậy trong truyền hình phải truyền đi tối thiểu 24 hình/s để đảm bảo cho việc cảm nhận tính liên tục của bức ảnh truyền đi

Đối với màn ảnh truyền hình, tần số nhấp nháy vào khoảng 48 ÷ 50 Hz

1.2.4 Kích thước của màn ảnh truyền hình

Khi quan sát một tấm ảnh phẳng có chiều cao là h, phải để tấm ảnh cách xa mặt một khoảng l bằng (5÷6) h thì cảm thấy ảnh rõ nhất, Vì vậy, người ta chọn kích thước của màn ảnh là: Tỷ số chiều ngang b trên chiều cao h của màn ảnh được gọi

1.3 Nguyên lý truyền hình màu

1.3.1 Nguyên lý trộn màu

Thực nghiệm đã xác định rằng, có thể nhận được gần như tất cả các màu sắc tồn tại trong thiên nhiên bằng cách trộn ba chùm ánh sáng màu đỏ, màu lục, màu lam theo các tỉ lệ xác định

Theo cấu tạo quang học, mắt có ba loại tế bào nhạy cảm 3 màu cơ bản, hệ thống thị giác của người có khả năng phân tích và tổng hợp màu cơ bản theo các tỉ

lệ khác nhau, hình thành nên sự cảm thụ màu sắc không gian môi trường sống xung quanh con người

Tổ hợp ba màu được xem là ba màu cơ bản khi chúng thoả mãn yêu cầu : Ba màu đó độc lập tuyến tính Nghĩa là trộn hai màu bất kỳ trong ba màu đó trong điều kiện bất kỳ , theo tỉ lệ bất kỳ đều không tạo ra màu thứ ba

1.3.2 Các màu cơ bản và các màu phụ

Để tiêu chuẩn hoá việc đo màu trên thế giới , dựa vào các kết quả thực nghiệm của CIE đã quy định ba màu cơ bản và ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công

 Màu đỏ ký hiệu bằng chữ R (Red) có bước sóng λR =780 nm

 Màu lam ký hiệu bằng chữ B (Blue) có bước sóng λB =460 nm

 Màu lục ký hiệu bằng chữ G (Green) có bước sóng λG =580nm Mỗi màu cơ bản có một màu phụ tương ứng mà khi trộn màu cơ bản với màu phụ tương ứng sẽ thu được màu trắng Màu phụ của màu đỏ là màu xanh lơ (C) Màu phụ của màu lục là màu mận chín (M) Màu phụ của màu lam là màu vàng (Y)

E y = 0,3E R + 0,59E G + 0,11E B

E R - E y = 0.7E R - 0,59E G - 0,11E B

E B - E y = - 0.3E R +0,41E G - 0,11E B

E G - E y = - 0.3E R - 0,59E G + 0,89E B

1.3.4 Lựa tín hiệu để truyền trong truyền hình:

Tín hiệu màu được truyền đi là E y , E R - E y , E B - E y Việc loại bỏ tín hiệu E G -

E y vì nguyên nhân sau:

Với cùng cường độ ánh sáng chuẩn như nhau, E G - E y có quãng biến thiên bé

nhất, chỉ có 0,41 làm cho thông tin không rõ ràng

Mắt người khá nhạy cảm với màu lá cây, do đó đòi hỏi dải tần cao hơn nhiều

so với hai dải tần còn lại (chỉ khoảng 1,5 MHz)

Tại máy thu, E G - E y , sẽ được suy ra từ E R - E y , E B - E y

E G - E y = - 0,518 (E R - E y ) - 0,186 (E B - E y)

1.3.5 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu tương tự

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu

Hình ảnh cần truyền qua camera truyền hình màu được biến đổi thành 3 tín

hiệu màu cơ bản E R , E G , E B Sau đó được đưa qua mạch hiệu chỉnh gamma để bù

méo Các tín hiệu đã bù méo E’ R , E’ G , E’ B được đưa vào ma trận tạo tín hiệu chói

E’ Y và hai tín hiệu màu S 1 , S 2 Các tín hiệu S 1 , S 2 điều chế dao động sóng mang phụ tạo ra truyền hình màu cao tần EC Trong bộ cộng, các tín hiệu E‟Y và Ec được trộn với nhau tạo thành tín hiệu truyền hình tổng hợp EM = E‟y + Ec Tín hiệu E M được truyền đến bên thu bằng cáp, hệ thống viba hoặc máy thu phát vô truyến điện

1.3.6 Tín hiệu âm thanh

Tai người có thể nghe thấy được các tần số thấp tới 16 Hz và tần số cao tới 20000

Hz Dải tần số từ 16 Hz tới 20000Hz gọi là dải tần số âm thanh, gọi tắt là âm tần

Âm thanh không thể trực tiếp truyền đi trong một khoảng cách quá xa Vì vậy

để truyền âm thanh, một hệ thống thiết bị sẽ biến đổi năng lượng âm thanh thành tín hiệu điện , các tín hiệu này sẽ truyền đến phía thu , tại đó thực biến đổi năng lượng tín hiệu điện thành âm thanh ban đầu

Tín hiệu điện mang thông tin của âm thanh gọi là tín hiệu audio Tín hiệu audio được truyền đi cùng tín hiệu video trong hệ thống truyền hình Tại phía thu, tín hiệu audio và video được tánh riêng để tạo lại âm thanh và hình ảnh tương ứng

1.4 Các hệ truyền hình màu

1.4.1 Hệ truyền hình màu NTSC

Năm 1953, hệ thống truyền hình màu NTSC (National Television Standard

Commitee) được hình thành tại Mỹ có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới

 Tín hiệu chói Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B dải tần (0 ÷ 4.3)MHZ

I = 0.74(R-Y) - 0.27(B-Y) dải tần 1.5 MHZ

Q = 0.48(R-Y) + 0.41(B-Y) dải tần 0.5 MHZ

 Hai tín hiệu I và Q được điều biên nén cùng với tần số sóng mang màu fc = 3.58 MHZ nhưng lệch pha 900

 Xung đồng bộ màu có tần số fsc = 3.58 MHz

 Phổ của tín hiệu màu tổng hợp

Gồm tín hiệu chói Y và tín hiệu sắc C gồm 2 tín hiệu I và Q điều tần vào tần số sóng mang phụ fsc truyền đi dải biên tần trên và 1 phần biên tần dưới

Hình 1.3 Phổ của tín hiệu hệ NTSC

1.4.2 Hệ truyền hình PAL

Hệ truyền hình PAL là hệ truyền hình màu do CHLB Đức nghiên cứu được công bố là hệ tiêu chuẩn từ năm 1966 Hệ truyền hình này đồng thời truyền đi tín hiệu chói và tín hiệu màu, thay đổi pha theo từng dòng, là hệ truyền mầu ra đời ở Đức theo tiêu chuẩn FCC

 Tín hiệu chói Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B dải tần(0 † 5.5)MHZ

 Hai tín hiệu hiệu mầu U, V được truyền đồng thời sang phía thu

U = 0.877(R-Y)

V = 0.493(B-Y)

Dải tần của cả U và V là 0 đến 1.5 MHZ

 Cả hai tín hiệu U và V cùng được điều biên nén vuông góc trên cùng một tần

số sóng mang mầu phụ fsc = 4.43MHZ nhưng tần số fsc của tín hiệu V được đảo pha theo từng dòng ± 900 còn tín hiệu U được giữ nguyên

MHz

f

4.3 3.58

 Xung đồng bộ màu có tần số fsc = 4.43 MHz làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh tần số và góc pha của bộ tạo dao động sóng mang màu phụ của máy thu để luôn đồng bộ với bên phát

 Phổ của tín hiệu màu tổng hợp

Gồm tín hiệu chói Y có dải tần 0 ÷ 5.5MHz và tín hiệu sắc C gồm 2 tín hiệu V

và U điều tần vào tần số sóng mang phụ fsc truyền đi dải biên tần trên và 1 phần biên tần dưới

Hình 1.4 Phổ của tín hiệu hệ PAL

1.4.3 Hệ truyền hình màu SECAM

Hệ truyền hình màu SECAM (Séquetiel Couleur A Mémoire) là hệ truyền hình màu đồng thời - lần lượt Sau nhiều năm hoàn thiện, năm 1967, hệ này có thể là SECAM IIIB hay còn gọi là SECAM tối ưu Hệ SECAM IIIB có tính chống nhiễu

tương đối cao, kém nhạy với méo pha, méo pha - vi sai, mép biên độ - vi sai (tính theo tiêu chuẩn OIRT)

 Tín hiệu chói Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B dải tần(0 ÷ 6)MHZ

 Hai tín hiệu hiệu mầu R-Y, B-Y được tạo thành tín hiệu DR và DB

DR = - 1.9(R-Y) dải tần 1.5 MHZ

DB = 1.5 (B-Y) dải tần 1.5 MHZ

 Hai tín hiệu DR và DB được điều tần bởi 2 tần số sóng mang màu phụ khác nhau và lần lượt truyền đi theo từng dòng Sóng mang màu fR = 4.40625 MHZ , fB = 4.25 MHZ

 Xung đồng bộ màu thực hiện cả theo dòng và mành

MHz

f 5.5 4.43

f sc

Y

V

U Mức

Gồm tín hiệu chói Y và tín hiệu sắc C gồm 2 tín hiệu DR và DB điều tần vào tần

số sóng mang phụ fR , fB truyền đi dải biên tần trên và 1 phần biên tần dưới

Hình 1.5 Phổ của tín hiệu hệ SECAM

1.5 Sơ đồ và đặc điểm hệ thống truyền hình số

1.5.1 Sơ đồ

Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình trên kênh thông tin Do có những ưu việt hơn so với tín hiệu tương tự, như tạo, xử lý tín hiệu, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng ảnh, tín hiệu số đang thay dần hoặc hoàn toàn tín hiệu tương tự trong một số thiết bị Phương pháp truyền hình số được mô tả theo sơ đồ tổng quát sau:

Biến đổi A/D

Biến đổi D/A

Nén Ghép kênh

Tách kênh giải nén

Mã hóa kênh

Giải mã hóa kênh

Điều chế

Giải điều chế

Kênh thông tin

f B

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình

tương tự Trong thiết bị mã hóa (biến đổi A/D), tín hiệu hình sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được

hệ thống truyền hình lựa chọn

Tín hiệu truyền hình số được đưa đến thiết bị phát, sau đó qua kênh thông tin

và lại được đưa tới thiết bị thu Tại thiết bị thu, tín hiệu được xử lý ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát

Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi 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

1.5.2 Đặc điểm của truyền hình số

- Ít bị tác động nhiễu so với truyền hình tương tự

- Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu truyền hình âm thanh và hình ảnh

- Có khả năng áp dụng kỹ thuật sửa lỗi

- Do chỉ truyền đi các giá trị “0” và “1” nên các tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu điều khiển, dữ liệu đều được xử lý giống nhau

- Có thể khóa mã dễ dàng

- Công suất truyền dẫn thấp

- Các kênh có thể định vị tương đối dễ dàng

- Các hệ thống điều chế được phát triển sao cho có khả năng chống được hiện tượng bóng hình và sai pha

- Chất lượng dịch vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùng phục vụ

- Đòi hỏi tần số mới cho việc phát thanh và truyền hình quảng bá

- Người xem phải mua máy mới hoặc sử dụng bộ chuyển đổi SETTOP

- Những sự đầu tư mới được yêu cầu về các phương tiện tại các trạm phát

1.6 Số hoá tín hiệu video

1.6.1 Các khâu số hóa

bằng tần số lấy mẫu fsa, kết quả cho ta một chuỗi các mẫu Tín hiệu sau khi lấy mẫu phải mang đầy đủ thông tin của dòng tín hiệu vào Biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ T phải tuân theo định lý Nyquist- Shannon, tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn hai lần tần số cực đại của tín hiệu tương tự cần chuyển đổi fCđược tính bằng : fsa = 1/T ≥ 2fC Nếu tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2fC sẽ xảy ra hiện tượng chồng phổ

Thành phần tần số cao nhất đối với các hệ truyền hình tương tự là:

+ Hệ PAL : fc = 5.5 MHz

+ Hệ NTSC : fc = 4.2MHz

 Để khôi phục chính xác hình ảnh, tần số lấy mẫu phải là bội của tần số dòng Việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc vào tọa độ các điểm lấy mẫu Tần số lấy mẫu phụ thuộc vào cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất

 Cấu trúc " quincunx" dòng

Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy

1.6.1.2 Lượng tử hóa

Lượng tử hoá là quá trình biến đổi biên độ tín hiệu tương tự thành một số hữu hạn các mức rời rạc Chia biên độ của tín hiệu thành nhiều mức, cách nhau một khoảng là Q Khoảng cách Q giữa các mức gọi là bước lượng tử Q Nếu khoảng cách Q giữa các mức là bằng nhau gọi là lượng tử đồng đều Nếu khoảng cách Q giữa các mức là không bằng nhau gọi là lượng tử không đồng đều Một điện áp tín hiệu tương tự được lấy ra gọi là một mẫu

Nếu n là số bit biểu diễn mỗi mẫu và lượng tử hoá theo mã nhị phân (0,1) thì ta

có giá trị số bước lượng tử Q xác định theo biểu thức : Q = 2n

Lượng tử hoá thực chất là đưa các giá trị điện áp thành các mức nhất định Việc làm này sẽ có những sai số nhất định Yêu cầu sai số không được lớn hơn ± Q/2

Hệ thống số sử dụng 8 bit hoặc lớn hơn 8 bit để biểu diễn mẫu với 8 bit mã hoá

có thể loại bỏ hết các tạp âm nhiễu do tín hiệu video

1.6.1.3 Mã hoá

Quá trình mã hoá biến đổi các mức tín hiệu đã lượng tử hoá thành chuỗi các bit

"0" và "1"và sắp xếp chúng theo một trật tự nhất định Độ dài tín hiệu của dãy nhị phân này gọi là từ mã nhị phân và được tính bằng số lượng các con số 1 và 0 Nó quyết định chất lượng số hóa tín hiệu Độ dài từ mã nhị phân càng lớn thì độ phân giải của hình ảnh càng cao Độ dài từ mã nhị phân tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit/mẫu Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được phân chia một cách quy ước thành 4 nhóm:

 Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình

 Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin

 Các mã thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ bên thu

 Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền hình số

Các mã sơ cấp chủ yếu được sử dụng để mã hoá tín hiệu truyền hình, xử lý số,

trong các thiết bị studio của trung tâm truyền hình số v.v

 NRZ (Non Retm to Zero): không trở Lại mức "0"

 RZ (Retum to Zero): trở lại mức "0"

 BiPH (Bi Phase): hai pha

1.6.1.4 Chuyển đổi D/A

Hình 1 8 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự

Bộ biến đổi số - tương tự (D/A) là 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)

Chuyển đổi D/A không phải là phép nghịch đảo của quá trình A/D vì không thể

thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hoá

Đầu ra của một bộ biến đổi D/A là một chuỗi các xung hình chữ nhật có biên

+ Tổng số mẫu trên một dòng video

+ Số mẫu trên một dòng video tích cực

+330, +1320, +2310, +3030

10 bit/mẫu

D/A Lấy

mẫu

Lọc thông thấp >

Xung lấy mẫu

Tín hiệu

video số

Tín hiệu Video

số tương tự

Mạch logic

Chuẩn SMPTE 244M xác định các tham số của tín hiệu video tổng hợp theo hệ NTSC 4fsc cũng như tính chất kết nối song song của hệ thống

1.6.2.2 Tiêu chuẩn 4f sc PAL

Tín hiệu tương tự PAL và NTSC có nhiều điểm tương đồng, song tín hiệu số theo chuẩn 4fsc của hai hệ thống này rất khác nhau

Bảng 1.2 Các thông số mã hoá tiêu chuẩn 4f sc PAL

8 hoặc 10 bít/mẫu

1.6.3 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần

Cơ sở của tín hiệu mã hoá là các tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu hoặc là các tín hiệu màu cơ bản (R, G, B)

1.6.3.1 Các chuẩn lấy mẫu

Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video số thành phần như tiêu chuẩn 4:4:4,

4:2:2, 4.2:0, 4:1:1 Điểm khác nhau chủ yếu là tỉ lệ tần số lấy mẫu và phương pháp

lấy mẫu tín hiệu chói, các tín hiệu màu Các định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của video

a Tiêu chuẩn 4:4:4

Các tín hiệu chói (Y) tín hiệu hiệu màu (CR, C B ) được lấy mẫu tại tất cả các

điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video Cấu trúc lấy mẫu là cấu trúc trực giao (Hình 1.9.a)

Tốc độ dòng bit hệ Pal của chuẩn 4:4:4 được tính như sau:

Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 720 + 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mbit/s

b Tiêu chuẩn 4:2:2

Một cách tuần tự, cứ 4 lần lấy mẫu Y thì có 2 lần lấy mẫu CR, 2 lần lấy

mẫu CB (Hình 1.9 b) Tốc độ dòng bit dữ liệu hệ Pal theo chuẩn này được tính: Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360 + 360) x 576 x 8 x 25 =166 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207 Mbit/s

c Tiêu chuẩn 4:2:0

Thực hiện lấy mẫu Y tại tất cả các điểm ảnh của dòng, còn tín hiệu màu thì cứ

cách một điểm sẽ lấy mẫu cho một tín hiệu màn Tín hiệu màu được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu màu CR thì hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu CB (hình 1.9c) Tốc độ dòng bit dữ liệu hệ Pal theo chuẩn này được tính:

Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360) x 576 x 8 x 25 = 124,4 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s

Hình 1.9 Các tiêu chuẩn lấy mẫu

d Tiêu chuẩn 4:1:1

Một cách tuần tự, cứ 4 lần lấy mẫu Y, thì điểm ảnh đầu tiên lấy mẫu đầy đủ Y,

CR, CB, ba điểm ảnh còn lại chỉ lấy mẫu Y, không lấy mẫu CR, C B (hình 1.9d) Tốc

độ dòng bit dữ liệu hệ Pal theo tiêu chuẩn này được tính:

Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 180 + 180) x 576 x 8 x 25 = 124,4 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 1 80 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s

1.6.3.2 Lấy mẫu tín hiệu video thành phần

Tần số lấy mẫu phải thoả mãn các điều kiện như phù hợp tiêu chuẩn Nyquist, cấu trúc lấy mẫu là bội số của sóng mang màu và tần số dòng là tần số chung cho cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525 và 625 dòng

Sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần số quét dòng, tạo ra một cấu trúc các mẫu được xếp lần lượt theo các dòng và theo các mành

Số các mẫu tín hiệu chói trên một dòng được tính bằng fsa/fh, trong đó fsa =13,5 MHz và fh là tần số quét dòng Số các mẫu của tín hiệu chói trên một dòng theo tiêu chuẩn 525/60 được tính bằng 858, đánh số từ 0 đến 857 và theo tiêu chuẩn 625/50

là 864, đánh số từ 0 đến 863

Với tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu fsa = 6,75 MHz, số các mẫu của tín hiệu hiệu màu trên một dòng theo tiêu chuẩn 525/60 được tính bằng 429, đánh số từ 0 đến 428 và theo tiêu chuẩn 625/50 là 432, đánh số từ 0 đến 431 Tương ứng sẽ có

720 mẫu tín hiệu chói đánh số từ 0 đến 719 và 360 mẫu đánh số từ 0 đến 359 của mỗi tín hiệu hiệu màu CR và CB trên một dòng tích cực cho cả hai tiêu chuẩn

Khoảng xoá dòng gồm 138 mẫu, từ mẫu số 720 đến mẫu số 857 (tiêu chuẩn 525/60) và 144 mẫu từ mẫu số 729 đến mẫu số 863 (tiêu chuẩn 625/50)

1.6.4 CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản

Việc lựa chọn các thông số cơ bản của truyền hình số được đặt ra từ năm 1972 thông qua các tổ chức EBU, OIRT trên cơ sở xem xét các yếu tố :

 Thuận tiện cho quá trình sản xuất, trao đổi chương trình

 Tính tương thích của các thiết bị video số

 Dễ dàng trong việc xử lý tín hiệu

Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản đã được các tổ chức EBU, OIRT nghiên cứu trao đổi và đi đến thống nhất với tên gọi CCIR - 601 Tiêu chuẩn này phù hợp cho cả hai hệ truyền hình 525 và 625 còn được gọi là tiêu chuẩn 4:2:2 Các thông số tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản được chỉ ra trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Chỉ tiêu truyền hình số cơ bản

6 Phương thức mã hóa Lượng tử hóa đồng đều đối với tất

Khoảng cách từ điểm cuối

của dòng số (thời gian tích cực)

đến điểm bắt đầu của một dòng

225 mức, đối xứng qua trục tại mức 128

10 Tín hiệu đồng bộ

Từ mã tương ứng với các mức 0 đến 255 tuyệt đối chỉ dùng cho tín hiệu đồng bộ Từ mức 1  254 có thể được

sử dụng cho tín hiệu video

1.7 Tín hiệu audio số

Biến đổi audio số gồm các giai đoạn: lấy mẫu, lượng tử hoá, mã hóa

Lấy mẫu tương ứng với mỗi quá trình điều biên với tín hiệu điều chế là các xung có tần số bằng tần số lấy mẫu

Các mẫu thu được biểu diễn bằng một mã nhị phân Trong hệ thống tuyến tính

4 bit có 16 mẫu để mã hoá biên độ cho mỗi mẫu

Các hệ thống mã hoá được sử dụng ra điều xung mã (PCM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều xung mã vi sai (DPCM)

Trong tín hiệu truyền hình, tín hiệu audio số cần được đồng bộ với tín hiệu chuẩn video số, để đảm bảo được các tương quan giữa tín hiệu audio và video cũng như cho phép sử dụng các tín hiệu này một cách riêng biệt

Trong hệ thống 625/50, số các mẫu tín hiệu audio trong một khung video là xác định (với tần số lấy mẫu là 48 KHz) thì tần số lấy mẫu 1920 mẫu Tín hiệu audio có thể được đồng bộ với tín hiệu video bằng cách lấy ra tín hiệu chuẩn video 625/50 Các tần số lấy mẫu và số mẫu trên một khung hình trong tiêu chuẩn

Bảng 1.4 Tần số Lấy mẫu và số mẫu trên một khung hình

Tần số lấy mẫu

KHz

Chuẩn quét

2997 Khung hình/giây

Chuẩn quét 25 Khung hình/giây

Chuẩn quét 30 Khung hình/giây

48

44,1

32

8008/5 147147/100 16016/15

1920/1 1764/1 1280/1

1600

1470 3200/3

Trong hệ thống 525/60 các số mẫu audio trên một khung video không phải số nguyên (bằng 8008/5) được tính như sau:

6 , 1601 s

208333

s 67 , 33366







mẫu Trong đó: 33 366,67 s là thời gian của một khung của một khung video và 20,8333 s là thời gian của một khung hình audio Theo đó cứ 5 khung video lại thu được một số nguyên các mẫu audio Thứ tự số các mẫu tương ứng trong 5 khung video liên tiếp được biến đổi lần lượt giữa các số 1602 và 1602 sao cho trong 5 khung video này số mẫu audio này đúng bằng 8008

1.8 Kĩ thuật điều chế và truyền dẫn tín hiệu truyền hình số

1.8.1 Kĩ thuật điều chế

Khi phát một luồng số trên kênh vô tuyến, các tín hiệu băng gốc số phải được biến đổi thành các tín hiệu băng tần vô tuyến, quá trình này gọi là điều chế Quá trình tái tạo lại tín hiệu số từ các tín hiệu trong băng tần vô tuyến gọi là giải điều chế

Quá trình điều chế bao gồm việc khoá chuyển biên độ, tần số hai pha của sóng mang tần, ba phương pháp điều chế để truyền dẫn số là điều biên, điều tần và điều pha

1.8.2 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số

 Truyền qua cáp đồng trục:

Để truyền tín hiệu video số có thể sử dụng cáp đồng trục cao tần Kênh có thể

có nhiễu làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền và sai số truyền Ví dụ nhiễu nhiệt

Ngược lại, nhiễu tuyến tính của kênh sẽ không xảy ra trong trường hợp truyền số với các thông số tới hạn

Để đạt được chất lượng truyền hình cao, cáp có chiều dài 2500km cần đảm bảo mức lỗi trên đoạn trung chuyển là 10 -11

÷ 10-10

Độ rộng kênh dùng cho tín hiệu video bằng khoảng 3/5 tốc độ bit của tín hiệu Độ rộng kênh phụ thuộc vào phương pháp mã hoá và phương pháp ghép kênh

theo thời gian cho các tín hiệu cần truyền và rộng hơn nhiều so với độ rộng kênh truyền tín hiệu truyền hình tương tự

 Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang

Cáp quang có nhiều ưu điểm trong việc truyền dẫn tín hiệu số so với cáp đồng trục:

 Băng tần rộng cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ cao

 Độ suy hao thấp trên một đơn vị chiều dài

 Suy giảm giữa các sợi quang dẫn cao (80 dB)

 Thời gian trễ qua cáp quang thấp

Muốn truyền tín hiệu video bằng cáp quang phải sử dụng mã truyền thích hợp Để phát hiện được lỗi truyền người ta sử dụng thêm các bit chẵn Mã sửa sai thực tế không sử dụng trong cáp quang vì độ suy giảm đường truyền < 20 dB, lỗi xuất hiện nhỏ và có thể bỏ qua được

 Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh:

Kênh vệ tinh khác với kênh cáp và kênh phát sóng trên mặt đất là có băng tần rộng và sự hạn chế công suất phát Khuếch đại công suất của các Transponder làm việc gần như bão hòa trong các điều kiện phi tuyến Do đó sử dụng điều chế QPSK là tối ưu

Các hệ thống truyền qua vệ tinh thường công tác ở dải tần số cỡ Ghz

VD: Băng Ku: Đường lên: 14÷ 15GHz

Đường xuống: 11,7 ÷ 12,5 GHz

 Phát sóng truyền hình số trên mặt đất :

Hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất sử dụng phương pháp điều chế COFDM (ghép kênh theo tần số mã trực giao) COFDM là hệ thống có khả năng chống nhiễu cao và có thể thu được nhiều đường, cho phép bảo vệ phát sóng số trước ảnh hưởng của can nhiễu và các kênh lân cận

nhiều tải trực giao với nhau Do đó mỗi tải điều chế với một dòng số liệu, bao nhiêu lần điều chế thì bấy nhiêu tải

Các tín hiệu số liệu được điều chế M - QAM, có thể dùng 16 - QAM hoặc 64

- QAM Phổ các tải điều chế có dạng sinx/x trực giao Có nghĩa các tải kề nhau có giá trị cực đại tại các điểm 0 của tải trước đó

Điều chế và giải điều chế các tải thực hiện nhờ bộ biến đổi Fourier nhanh FFT dưới dạng FFT 2K và FFT 8K Với loại vi mạch trên có thể thiết kế cho hoạt động của 6785 tải Các hãng RACE có thiết bị phát sóng truyền hình cho 896 tải, hãng NTL cho 2000 tải

CHƯƠNG 2: NÉN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 2.1 Sự cần thiết phải nén

Trong tất cả các dạng tín hiệu thì tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin Tín hiệu video số thành phần ( 8 bit) có tốc độ bit bằng 216 Mbit/s Dải tần phổ cần thiết để truyền tín hiệu này phải có bề rộng không dưới (3/4) 216 = 162 MHz Do đó việc truyền tín hiệu video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27 MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7†8 MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn sẽ rất khó khăn , thậm chí không thể thực hiện Vì vậy, nén tín hiệu là một công đoạn không thể thiếu để khắc phục những khó khăn trên

Nén tín hiệu là giảm bớt những số liệu dư thừa trong tín hiệu video Do các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều thành phần ảnh giống nhau Ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin Các phần xóa dòng, xóa mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động chậm Do đó chỉ cần truyền thông tin về chuyển động Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu video Quá trình sau nén là dán ảnh để tạo lại ảnh xấp

xỉ ảnh gốc Các định dạng nén tín hiệu video và audio phổ biến nhất là JPEG và MPEG

2.2 Mô hình nén

Hình 2.1 Mô hình hệ thống nén video

Tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuận tiện để nén có hiệu quả nhất Sự biểu diễn chứa nhiều thông tin để mô tả tín hiệu, chỉ phần nhỏ dữ liệu là cần thiết cho việc tái tạo lại tín hiệu Để truyền tín hiệu qua kênh số, những thông tin biểu diễn được lượng tử hóa thành một số hữu hạn các mức Sau đó là gán các từ mã,

Giải lượng

tử hóa

Biểu diễn thuận lợi

Mọi giai đoạn đều loại bỏ những thông tin dưa thừa, những thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền

2.3 Lý thuyết thông tin - entropy

Thông tin chứa trong một chi tiết ảnh tỷ lệ nghịch với khả năng xuất hiện của

nó, sự kiện ít xảy ra chứa đựng nhiều thông tin hơn sự kiện có nhiều khả năng xảy

ra

Entrropy đo giá trị thông tin trung bình chứa trong một bức ảnh, theo lý thuyết thông tin, lượng thông tin của phần tử ảnh được định nghĩa là logarit cơ số 2 của nghịch đảo xác xuất xuất hiện của phần tử ảnh đó:

I(x) = log2

  xiP

1

trong đó: I(x) là lượng thông tin của phần tử ảnh xi (tính bằng bit)

P(xi) là xác xuất xuất hiện của phần tử ảnh

Gọi lượng thông tin trung bình của hình ảnh là H(x) (entropy của ảnh), ta có:

i 2 i n

1 i

i

i I X P X log P XX

Độ dài trung bình của một từ mã là giá trị trung bình thống kê của tất cả các từ

mã trong một bộ mã nó không thể nhỏ hơn entropy của nguồn số liệu được mã hóa Entropy của ảnh có ý nghĩa quan trọng vì nó xác định số lượng bit trung bình tối thiểu cần thiết để biểu diễn một phần tử ảnh

Trong công nghệ nén không tổn hao Entropy giới hạn dưới của tỷ số bit/pixel Nếu tín hiệu video được nén với tỷ số bit/ phần tử nhỏ hơn entropy, hình ảnh sẽ bị mất thông tin và quá trình nén sẽ có tổn hao

2.4 Các phương pháp nén tín hiệu Video

Nhiều các kỹ thuật nén mất và không mất thông tin đã được phát triển trong nhiều năm qua Chỉ có một số ít trong chúng có thể áp dụng cho nén video số Hình 2.2 mô tả các kỹ thuật nén được sử dụng để tạo thành các tín hiệu nén JPEG ( joint photographic export group) và MPEG ( moving picture export group)

Hình 2.2 Sự phối hợp các kỹ thuật trong JPEG và MPEG

2.4.1 Nén không mất thông tin

Nén không mất thông tin cho phép hồi phục đúng tín hiệu ban đầu sau khi giải nén Đây là một quá trình mã hóa có tính thuận nghịch Hệ số nén không mất thông tin nhỏ hơn 2:1 Các kỹ thuật nén không mất thông tin bao gồm:

2.4.1.1 Mã hóa với độ dài từ mã thay đổi VLC

Đây là phương pháp mã hóa Huffman và mã hóa entropy dựa trên khả năng xuất hiện của các biên độ trùng hợp trong một bức ảnh, thiết lập một từ mã ngắn cho các giá trị có tần suất xuất hiện cao nhất và từ mã dài cho các giá trị còn lại Khi giải nén sử dụng các băng tìm kiếm

2.4.1.2 Mã hóa với độ dài từ mã động RLC

Phương pháp này dựa trên sự lặp đi lặp lại của từng giá trị mẫu để tạo ra các mã đặc biệt biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trị được lặp lại Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hóa Các mẫu có giá trị bằng không được truyền đi theo cùng dòng quét Các chuỗi 0 được tạo ra bằng quá trình giải tương quan như phương pháp DCT hay DPCM

2.4.1.3 Sử dụng khoảng xóa dòng và xóa mành

Thông tin xóa dòng và mành không được ghi giữ và truyền đi Chúng được

2.4.1.4 Biến đổi Cosin rời rạc DCT

Quá trình DCT thuận nghịch được coi là không mất thông tin nếu độ dài từ mã

hệ số là 13 hoặc 14 băng tần số đối với dòng video số sử dụng 8 bít biểu diễn mẫu Nếu độ dài từ mã hệ số của phép biến đổi DTC nhỏ hơn, quá trình này sẽ bị mất thông tin

2.4.2 Nén mất thông tin

Sau khi nén một số thông tin sẽ bị mất chất lượng hình ảnh giảm do quá trình làm tròn và loại bỏ giá trị trong phạm vi khung hình hay giữa các khung hình Nếu nén nằm trong giới hạn sự cảm nhận của mắt người thì chất lượng suy hao không nghiêm trọng Với việc nén có tổn hao này, nén tín hiệu mới thật sự có ý nghĩa đối với truyền hình

Nén mất thông tin đạt tới hệ số nén 100/1 Các kỹ thuật nén không mất thông tin bao gồm:

2.4.2.1 Lấy mẫu con (Sub Sampling)

Đây là phương pháp nén có hiệu quả cao, song độ phân giải của ảnh sau khi giải nén giảm so với ảnh ban đầu Kỹ thuật lấy mẫu con không áp dụng cho tín hiệu chói Cấu trúc lấy mẫu 4:1:1 dùng trong ứng dụng ghi, cấu trúc 4:2:0 dùng trong các ứng dụng sản xuất và truyền dẫn chương trình MPEG

2.4.2.2 Điều xung mã vi sai (DPCM)

Phương pháp mã dự đoán hay còn gọi là điều xung mã vi sai (DPCM – Differental pulse code modulation) không mã hoá thông tin có biên độ ở mỗi mẫu,

mà chỉ mã hoá thông tin có biên độ vi sai ( biên độ chênh lệch )giữa mẫu đã cho và trị dự báo (được tạo từ các mẫu trước đó)

Phương pháp DPCM còn sử dụng đặc điểm của mắt người (kém nhạy với mức lượng tử có chênh lệch về độ chói giữa các điểm ảnh gần nhau, so với mức lượng tử hoá chênh lệch nhỏ ) và cho phép dùng đặc trưng phi tuyến về lượng tử hoá

 Mã hoá DPCM

Trong đó : V – Tín hiệu màu ;

e = V*p (p hệ số dự đoán )= Sai số dự báo

eq = Sai số lượng tử ;

V‟ = eq + p =Tín hiệu tạo lại

 Giải mã DPCM

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ mã hoá và giải mã DPCM

Nhằm tránh các lỗi có thể xuất hiện trong khi truyền, một mẫu đầy đủ được gửi

đi theo chu kỳ nhất định, cho phép cập nhận được các giá trị chính xác

2.4.2.3 Lượng tử hóa và mã hóa VLC các hệ số DCT

Phối hợp các kỹ thuật này cho phép biểu diễn một khối các điểm ảnh bằng số ít các bit, do vậy hiệu quả nén cao

2.4.3 Các mã dùng trong kỹ thuật nén

2.4.3.1 Mã RLC

Phương pháp RLC (Run Length Coding) được xây dựng trên cơ sở của sự lặp

đi lặp lại các điểm ảnh RLC tách chuỗi các giá trị giống nhau và biểu diễn như một tổng Kỹ thuật này chỉ có thể áp dụng cho các chuỗi Symbol tuyến tính, hình ảnh