Đề xuất lựa chọn hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh cho tập đoàn bưu chính viễn thông việt nam

Từ nhu cầu thực tiễn của các hãng truyền thông nước ngoài và thực tế cơ sở mạng lưới có sẵn tại Việt Nam, nghiên cứu và lựa chọn giải pháp xây dựng hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hì

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN THỊ THÙY DƯƠNG

ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH CHO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, năm 2010

Trang 2

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA………

LỜI CẢM ƠN………

2 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT……… 4

DANH MỤC CÁC BẢNG………

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ………

7 8 MỞ ĐẦU……… 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 12 1.1 Giới thiệu truyền hình số……… 12

1.1.1 Hệ thống truyền hình số……… 12

1.1.2 Đặc điểm của truyền hình số……… 15

1.1.2.1 Yêu cầu về băng tần……… 15

1.1.2.2 Tỉ lệ tín hiệu/tạp âm (Signal/Noise)……… 15

1.1.2.3 Méo phi tuyến……… 16

1.1.2.4 Chồng phổ (Aliasing)……… 16

1.1.2.5 Giá thành và độ phức tạp……… 16

1.1.2.6 Xử lý tín hiệu……… 17

1.1.2.7 Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh……… 17

1.1.2.8 Hiệu ứng Ghost (bóng ma)……… 17

1.2 Tín hiệu video số……… 18

1.2.1 Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video màu tổng hợp……… 18

1.2.1.1 Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp……… 18

1.2.1.2 Tiêu chuẩn 4f SC NTSC……… 19

1.2.1.3 Tiêu chuẩn 4f SC PAL……… 19

1.2.2 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần……… 20

1.2.2.1 Tiêu chuẩn 4:4:4……… 21

1.2.2.2 Tiêu chuẩn 4:2:2……… 21

1.2.2.3 Tiêu chuẩn 4:2:0……… 22

1.2.2.4 Tiêu chuẩn 4:1:1……… 23

1.3 Cơ bản về nén tín hiệu……… 24

1.3.1 Mục đích của nén……… 24

Trang 3

1.3.2 Bản chất của nén……… 24

1.3.3 Phân loại nén……… 25

1.3.4 Nén tín hiệu video……… 26

1.3.5 Nén tín hiệu audio……… 29

1.3.6 Đóng gói và mã hoá tín hiệu……… 30

1.3.6.1 Tín hiệu MPEG……… 30

1.3.6.2 Quản lý và phân tích……… 32

1.3.6.3 Mã hoá không gian và mã hóa thời gian……… 33

1.3.7 Đánh giá……… 35

1.4 Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số……… 35

1.5 Kết luận……… 38

CHƯƠNG II: TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH……… 39

2.1 Giới thiệu……… 39

2.2 Hệ thống vệ tinh……… 40

2.2.1 Vệ tinh……… 41

2.2.2 Trạm mặt đất……… 42

2.2.3 Định dạng truyền……… 43

2.2.4 Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh……… 44

2.3 Một số tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới……… 47

2.3.1 Tiêu chuẩn DVB ( Digital Video Broadcasting)……… 48

2.3.1.1 Giới thiệu……… 48

2.3.1.2 Đặc điểm của các hệ thống DVB……… 48

2.3.1.3 DVB-S……… 51

2.3.2 Chuẩn ISDB ( Intergrated Services Digital Broadcasting)……… 52

2.3.2.1 Giới thiệu……… 52

2.3.2.2 ISDB-S……… 53

2.3.3 Chuẩn ATSC ( Advanced Television System Committee)……… 54

2.4 Tình hình phát triển truyền hình số vệ tinh trên thế giới và ở Việt Nam……… 55

2.4.1 Tình hình phát triển truyền hình số vệ tinh trên thế giới……… 55

2.4.2 Dự kiến lộ trình đổi mới công nghệ của Việt Nam……… 57

2.5 Kết luận……… 60

Trang 4

CHƯƠNG III: ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU

TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH CHO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

VIỆT NAM (VNPT)………

61 3.1 Thực trạng hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam ……… 61

3.2 Đề xuất lựa chọn hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh cho Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam ……… 64

3.3 DVB-S2 – Công nghệ truyền dẫn vệ tinh của tương lai……… 66

3.3.1 Giới thiệu……… 66

3.3.2 Công nghệ DVB-S2……… 67

3.3.2.1 Điều chế và mã sửa sai cao cấp……… 69

3.3.2.2 DVB-S2 truyền tải bất cứ định dạng dữ liệu nào……… 70

3.3.3 Một số điểm đáng chú ý trong thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn DVB-S2……… 71

3.3.3.1 Tăng dung lượng truyền dẫn trên cùng một băng thông……… 71

3.3.3.2 Tăng hiệu quả công suất của quá trình truyền dẫn……… 72

3.3.3.3 DVB-S2 được thiết kế với các tính năng tối ưu……… 72

3.3.3.4 Yêu cầu về tỷ số C/N thấp……… 73

3.3.4 Mã sửa sai BCH & LDPC……… 74

3.3.5 Điều chế và mã hóa thay đổi VCM……… 75

3.3.6 Điều chế và mã hoá tương thích ACM……… 75

3.3.7 Các chế độ tương thích ngược……… 77

3.3.8 Hiệu quả của công nghệ DVB-S2 so với DVB-S……… 79

3.4 Kết luận……… 80

CHƯƠNG IV: TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ KIỂM CHỨNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ QUA VỆ TINH CHO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM (VNPT)……… 81

4.1 Triển khai giải pháp bằng lý thuyết……… 81

4.1.1 Mạng thu phát hình quốc tế của Trung tâm Viễn thông Quốc tế khu vực 1……… 81

4.1.2 Hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh tại Trung tâm phát hình quốc tế (TOC1) của Công ty Viễn thông Quốc tế (VTI)……… 85

4.1.2.1 Sơ đồ khối mạng thu phát hình số tại TOC1……… 85

4.1.2.2 Những tham số cơ bản của thiết bị thu phát hình kỹ thuật số tại TOC1……… 86

Trang 5

4.1.2.3 Thiết lập và đo thử đường truyền……… 108

4.2 Triển khai giải pháp bằng mô phỏng sử dụng Matlab……… 110

4.3 Kết luận……… 117

KẾT LUẬN CHUNG……… 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 119

Trang 6

Đề xuất lựa chọn hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh cho VNPT

- 11 -

MỞ ĐẦU

Công ty Viễn thông Quốc tế, tên giao dịch quốc tế là Vietnam Telecom International (viết tắt là VTI), là một đơn vị thành viên trực thuộc Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Thu phát hình quốc tế là một loại hình dịch vụ quan trọng của Công ty VTI Hình ảnh về đất nước, con người, những sự kiện chính trị, văn hoá, thể thao, những thành tựu đổi mới đất nước của Việt Nam luôn được các hãng thông tấn báo chí trong và ngoài nước quảng bá đi khắp thế giới thông qua việc sử dụng dịch vụ phát hình quốc tế Hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh đang được triển khai ở VTI Truyền hình qua vệ tinh có vùng phủ sóng rộng, không phụ thuộc địa hình, thiết lập đường truyền nhanh chóng Đặc biệt, truyền hình qua vệ tinh dễ dàng đưa chương trình truyền hình ra hải đảo, biên giới, nước ngoài nên có lợi về kinh tế và ổn định về kỹ thuật Công ty VTI đang xây dựng mạng thu phát hình quốc tế qua vệ tinh theo tiêu chuẩn DVB-S và DVB-S2 để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số SD và HD theo xu hướng phát triển chung của thế giới Để đáp ứng dịch vụ cho khách hàng quốc tế, trong những năm qua Công ty VTI đã không ngừng đầu tư về trang thiết bị mạng lưới để có một Trung tâm thu phát hình quốc tế (TOC) đồng bộ, hiện đại như ngày nay

Mục đích của đề tài: Giới thiệu truyền hình số SD và HD, các phương thức truyền dẫn, kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh, đưa ra một số giải pháp tổng quan về các phương thức này trên thế giới Từ nhu cầu thực tiễn của các hãng truyền thông nước ngoài và thực tế cơ sở mạng lưới có sẵn tại Việt Nam, nghiên cứu và lựa chọn giải pháp xây dựng hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình

số qua vệ tinh cho Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Hiện nay, DVB-S2 đang được Công ty Viễn thông Quốc tế VTI ứng dụng phát thử nghiệm truyền hình có độ phân giải cao HDTV trên 2 vệ tinh IOR60 và Asiasat-5 (100.5 độ Đông) Theo kế hoạch trong Hội nghị ASEAN 17diễn ra tại Việt Nam (năm 2010), các chương trình tại các Hội nghị này sẽ được truyền dẫn bằng HDTV sử dụng công nghệ DVB-S2

Trang 7

- 12 -

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ

Truyền hình số là tên gọi một 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 (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

1.1 Giới thiệu truyền hình số 1

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần

mà không làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp, tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự (bộ lọc là một ví dụ như thế) Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp 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 Hệ thống truyền hình số đã và đang được phát triển trên toàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong công nghiệp truyền hình

1Đỗ Hoàng Tiến, Dương Thanh Phương (2004), Truyền hình kỹ thuật số, NXB Khoa học và kỹ thuật, tr

81-83

Trang 8

- 13 -

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra như trên hình 1.1

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

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

tự Trong thiết bị mã hóa (biến đổi AD), tín hiệu hình 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 qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu 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

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 trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế

Ví dụ về sơ đồ cấu trúc một hệ thống truyền hình số được vẽ trên hình 1.2 Tuỳ theo phương pháp biển đổi tín hiệu sử dụng tín hiệu tổng hợp hay tín hiệu thành phần, mà đặc điểm của hệ thống truyền hình số cũng thay đổi theo

Trang 9

- 14 -

Hình 1.2: Ví dụ sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền hình số

M· ho¸ tÝn hiÖu phô

ThiÕt bÞ ph¸t

M· ho¸ tÝn hiÖu tiÕng

M· ho¸ tÝn hiÖu h×nh Gia c«ng

t−¬ng tù ADC Gia c«ng sè

GhÐp kªnh

M· ho¸

chèng nhiÔu §iÒu chÕ

Gia c«ng t−¬ng tù ADC GIa c«ng sè

C¸p quang vµ èng dÉn sãng

Gi¶i m· tÝn hiÖu phô

ThiÕt bÞ thu

Gi¶i m· tÝn hiÖu tiÕng

Gi¶i m· tÝn hiÖu h×nh

Gia c«ng t−¬ng tô DAC

Gia c«ng sè Ph©n

kªnh Gi¶i m· ho¸

kªnh Gi¶i ®iÒu

chÕ

Gia c«ng t−¬ng tù DAC

TÝn hiÖu phô

TÝn hiÖu tiÕng TÝn hiÖu h×nh

Trang 10

- 15 -

1.1.2 Đặc điểm của truyền hình số 2

1.1.2.1 Yêu cầu về băng tần

Tín hiệu số gắn liền với yêu cầu băng tần rộng hơn tín hiệu tương tự Ví dụ, đối với tín hiệu tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu đối với hệ NTSC là 14,4MHz, nếu thực hiện mã hóa với những từ mã dài 8 bit, tốc độ dòng bit sẽ là 115,2Mbit/s, độ rộng băng tần khoảng 58MHz Trong khi đó, tín hiệu tương tự cần một băng tần 4,25MHz Nếu có thêm các bit sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa Tuy nhiên, trong thực tế băng tần này không phải chỉ sử dụng cho tín hiệu hình ảnh, ngược lại, với dạng số khả năng cho phép giảm độ rộng tần số là rất lớn Với các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt được có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa (các mức độ nén này có thể gây ảnh hưởng xấu cho chất lượng hình ảnh) Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dự báo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băng tần tín hiệu

1.1.2.2 Tỉ lệ tín hiệu/tạp âm (Signal/Noise)

Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi

Nhiều tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỉ lệ S/N của toàn bộ

hệ thống là do tổng cộng các nguồn nhiễu thành phần gây ra, vì vậy luôn luôn nhỏ hơn tỉ lệ S/N của khâu có tỉ lệ thấp nhất

Với tín hiệu số, nhiễu là các bit lỗi – ví dụ xung “on” chuyển thành “off” Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi Bằng các mạch này

có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi Tỉ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm

2Đỗ Hoàng Tiến, Dương Thanh Phương (2004), Truyền hình kỹ thuật số, NXB Khoa học và kỹ thuật, tr

83-86

Trang 11

- 16 -

rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỉ lệ lỗi BER (Bit Error Rate) quá lớn, làm các mạch sửa lỗi mất tác dụng Khi đó dòng bit không còn ý nghĩa tin tức Trong khi đó, đối với các hệ thống tương tự, khi có nguồn nhiễu lớn, tín hiệu vẫn có thể sử dụng được (tất nhiên chất lượng kém đi rất nhiều)

Tính chất này của hệ thống số đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình với các chức năng biên tập phức tạp – cần nhiều lần đọc và ghi Ghi băng bằng tín hiệu số đã được sử dụng rộng rãi trong các năm gần đây 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

1.1.2.3 Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền Cũng như đối với tỉ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghi đọc chương trình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuếch đại vi sai như hệ NTSC

1.1.2.4 Chồng phổ (Aliasing)

Một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên

có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tương tự như nhau Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist Để ngăn ngừa hiện tượng méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự

1.1.2.5 Giá thành và độ phức tạp

Các ngành công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính đã thúc đẩy

sự phát triển các lực lượng nòng cốt trong lĩnh vực kỹ thuật số Các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI (Large Scale Integration) và rất lớn VLSI (Very Large Scale

Trang 12

1.1.2.7 Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một 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 phần là do khả năng thay thế xung xóa và xung đồng bộ bằng các từ mã – nơi mà trong hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớn nhất

Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, tạo cơ hội cho nhiều trạm phát hình có thể phát các chương trình với độ phân giải cao HDTV như các hệ truyền hình hiện nay

1.1.2.8 Hiệu ứng Ghost (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

Với các ưu điểm của mình, hệ thống truyền hình số đã được thực hiện ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Đây là một quá trình tất yếu

Trang 13

- 18 -

1.2 Tín hiệu video số 3

Số hóa tín hiệu truyền hình thực chất là việc biến đổi tín hiệu truyền hình màu tương tự sang dạng số Có hai phương pháp biến đổi là:

• Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp

• Biến đổi riêng từng phần tín hiệu video màu thành phần

Việc lựa chọn phương pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộc vào nhiều yếu tố: yêu cầu về khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu, yêu cầu về truyền dẫn và phát sóng …

1.2.1 Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video màu tổng hợp

1.2.1.1 Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp

Xu hướng phát triển các studio hoàn toàn kỹ thuật số yêu cầu chuẩn hóa công nghiệp cho các thiết bị video số Các tiêu chuẩn video số tổng hợp được xây dựng để hướng tới mục tiêu đó Phù hợp với yêu cầu công nghệ, hai hệ thống tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video tổng hợp đã được phát triển rộng rãi Đó là:

• Tiêu chuẩn 4f SC NTSC

• Tiêu chuẩn 4f SC PAL

Tín hiệu video tổng hợp tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng 4 lần tần số sóng

mang phụ (4f SC) Số bit biểu diễn mẫu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng ảnh và tính kinh tế của thiết bị Thông thường các thiết bị sử dụng 8 hoặc 10 bit

Đối với hệ SECAM, tần số lấy mẫu f sa không thể chọn bằng hài bậc cao của tải

màu f SC , bởi vì hệ SECAM sử dụng điều tần Việc chọn f sa ở đây có nhiều khó khăn hơn

3 Đỗ Hoàng Tiến, Dương Thanh Phương (2004), Truyền hình kỹ thuật số, NXB Khoa học và kỹ thuật, tr

143-188

Trang 14

- 19 -

Chuẩn SMPTE 244M xác định các tham số của tín hiệu video tổng hợp theo hệ

NTSC 4f SC cũng như tính chất kết nối song song của hệ thống Đặc điểm của tiêu chuẩn này được mô tả trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Các thông số mã hóa tiêu chuẩn 4f SC NTSC

Hình 1.3: Phổ của tín hiệu lấy mẫu 4f SC NTSC

Tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang phụ hay bằng 14,2MHz Tín hiệu xung clock được lấy từ xung đồng bộ màu của tín hiệu video tổng hợp Hình 1.3 minh

họa phổ lấy mẫu 4f SC NTSC Ở đây có một khoảng cách giữa các tần số 4,2MHz, tần

số cao nhất hệ NTSC tiêu chuẩn, và tần số 7,16MHz (tần số Nyquist)

Tín hiệu tương tự PAL và NTSC có nhiều điểm tương đồng, song tín hiệu số

theo chuẩn 4f SC của hai hệ thống này rất khác nhau Bảng 1.2 tổng kết đặc điểm của tín

hiệu số hệ 4f SC PAL

Trang 15

- 20 -

Bảng 1.2: Tóm tắt các thông số mã hóa tiêu chuẩn 4f SC PAL

Tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang phụ hay bằng 17,73MHz Tín hiệu xung clock được lấy từ xung đồng bộ màu của tín hiệu video tổng hợp

Hình 1.4 minh họa phổ lấy mẫu 4f SC PAL Ở đây có một khoảng cách giữa các tần số 5MHz, tần số cao nhất hệ PAL cơ bản, và tần số 8,86MHz (tần số Nyquist)

Hình 1.4: Phổ của tín hiệu lấy mẫu 4f SC PAL

1.2.2 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần

Trong hệ thống thành phần tương tự, thông tin được biến đổi thành các tín hiệu

R, G, B hoặc Y, R-Y, B-Y có biên độ liên tục trong một giới hạn nhất định Việc sử dụng

tín hiệu thành phần tại studio cho phép loại bỏ được những hiệu ứng không mong muốn như trong tín hiệu tổng hợp Ngược lại, thiết bị thành phần có giá thành cao, phức tạp

Nỗ lực chuẩn hóa của Bắc Mỹ và Châu Âu mà kết quả là sự ra đời của tiêu chuẩn CCIR-601, tiêu chuẩn mã hóa truyền hình số tại studio phù hợp với cả hai hệ truyền hình có 525 và 625 dòng quét, và là cơ sở cho việc ra các tiêu chuẩn con Ban

Trang 16

Đề xuất lựa chọn hệ thống truyền dẫn tớn hiệu truyền hỡnh số qua vệ tinh cho VNPT

- 21 -

đầu, chuẩn này xỏc định 8 bit cho mó húa tớn hiệu video, tuy nhiờn, ngày nay, số bit xỏc định cho mó húa là 10 bit

Cơ sở của tớn hiệu mó húa là cỏc tớn hiệu chúi và hai tớn hiệu hiệu màu, hoặc là

cỏc tớn hiệu màu cơ bản (R, G, B)

Cú nhiều tiờu chuẩn lấy mẫu tớn hiệu video số thành phần, điểm khỏc nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương phỏp lấy mẫu tớn hiệu chúi và cỏc tớn hiệu màu, trong đú bao gồm: Tiờu chuẩn 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:1:1 Cỏc định dạng số video

cú nộn chỉ lấy mẫu cho cỏc dũng tớch cực của video

1.2.2.1 Tiờu chuẩn 4:4:4

Mẫu tớn hiệu chỉ được lấy đối với cỏc phần tử tớch cực của tớn hiệu video Với

hệ PAL, màn hỡnh được chia làm 625ì720 điểm (pixel)

Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y

Điểm lấy mẫu màu đỏ CR

Điểm lấy mẫu màu lam CB

Hỡnh 1.5: Tiờu chuẩn 4:4:4

Cỏc tớn hiệu chúi (Y), cỏc tớn hiệu hiệu màu (C R , C B) được lấy mẫu tại tất cả cỏc điểm lấy mẫu trờn dũng tớch cực của tớn hiệu video Cấu trỳc lấy mẫu là cấu trỳc trực giao, vị trớ lấy mẫu như hỡnh 1.5

Theo tiờu chuẩn 4:4:4 cú khả năng khụi phục chất lượng hỡnh ảnh tốt, thuận tiện cho việc xử lý tớn hiệu Với chuẩn 4:4:4 tốc độ dũng dữ liệu (vớ dụ cho hệ PAL) được tớnh như sau:

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

• Khi lấy mẫu 10 bit: (720+720+720)ì 576 ì 10 ì 25 = 311 Mbit/s

1.2.2.2 Tiờu chuẩn 4:2:2

Trờn hỡnh 1.6, trờn một dũng tớch cực:

• Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ ba tớn hiệu: chúi (Y) và hiệu màu (C R , C B)

Trang 17

- 22 -

• Điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu tớn hiệu Y, cũn hai tớn hiệu hiệu màu khụng lấy mẫu Khi giải mó suy ra từ mà của điểm ảnh trước

• Điểm sau nữa lại lấy mẫu đủ cả ba tớn hiệu Y, C R , C B

Tuần tự như thế, cứ 4 lần lấy mẫu Y, thỡ cú hai lần lấy mẫu C R, hai lần lấy mẫu

C B tạo nờn cơ cấu 4:2:2

Đối với hệ PAL tốc độ dũng dữ liệu theo chuẩn này được tớnh như sau:

• Khi lấy mẫu 8 bit: (720+360+360)ì 576 ì 8 ì 25 = 166Mbit/s

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

Điểm lấy mẫu màu đỏ C R

Điểm lấy mẫu màu lam C B

1.2.2.3 Tiờu chuẩn 4:2:0

Theo hỡnh 1.7, lấy mẫu tớn hiệu Y tại tất cả cỏc điểm ảnh của dũng, cũn tớn hiệu

màu thỡ cứ cỏch một điểm sẽ lấy mẫu cho một tớn hiệu màu Tớn hiệu màu được lấy xen

kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tớn hiệu C R thỡ hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tớn hiệu C B

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

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

Điểm lấy mẫu màu lam C B

Trang 18

- 23 -

1.2.2.4 Tiờu chuẩn 4:1:1

Chuẩn 4:1;1 trỡnh tự lấy mẫu như hỡnh 1.8

Điểm lấy mẫu màu lam CB

• Trong điểm đầu lấy mẫu đủ Y, CR , C B , ba điểm ảnh tiếp sau chỉ lấy mẫu Y, khụng lấy mẫu của tớn hiệu C R , C B Khi giải mó, màu của ba điểm ảnh sau phải suy từ

điểm ảnh đầu

• Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu Y, cú một lần lấy mẫu CR, một lần lấy mẫu

C B, đõy là cơ cấu 4:1:1

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

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

Số “4” ở đầu mỗi chuẩn biểu thị tần số lấy mẫu tớn hiệu chúi (f sa = 13,5MHz),

tuy khụng cũn bằng bốn lần tần số súng mang như trước (4f SC) Cỏc con số khỏc biểu thị tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tớn hiệu hiệu màu so với tớn hiệu chúi 13,5MHz là tần số duy nhất trong khoảng từ 12MHz đến 14MHz cú giỏ trị bằng một số nguyờn lần tần số dũng cho cả hai tiờu chuẩn (525 và 625) và do vậy cho một số nguyờn lần số mẫu đối với cả hai hệ

Với tần số lấy mẫu 13,5MHz, tớn hiệu video số đó khụng cũn bị phụ thuộc vào cỏc tiờu chuẩn khỏc nhau của video tương tự Thiết bị trong cỏc trung tõm truyền hỡnh

số sẽ hoàn toàn giống nhau cho cả hai hệ thống, điều này sẽ tạo thuận lợi cho việc hợp tỏc sản xuất, trao đổi chương trỡnh giữa cỏc tổ chức truyền hỡnh

Trang 19

1.3.2 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

thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các sự dư thừa và loại bỏ

đi 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 hóa có khả năng tận dụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lượng bit sử dụng để mã hóa một lượng thông tin nhất định là nhỏ nhất

mà vẫn đảm bảo chất lượng theo yêu cầu

Trang 20

- 25 -

Nhìn chung quá trình nén và giải nén một cách đơn giản như sau:

Hình 1.9: 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 hóa 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

Trang 21

1.3.4 Nén tín hiệu video

Trong tất cả các chương trình gốc, có hai loại thành phần của tín hiệu: thành phần tín hiệu mới không thể đoán trước được và thành phần tín hiệu có thể cảm thấy trước được Thành phần tín hiệu mới được gọi là entropy và đó chính là phần mang thông tin của tín hiệu Phần còn lại của tín hiệu được gọi là phần dư thừa Tất

cả các hệ thống nén tín hiệu đều hoạt động trên nguyên tắc tách entropy ra khỏi phần dư thừa tại bộ mã hoá Chỉ thành phần entropy mới được ghi lại hoặc truyền đi

và bộ giải mã sẽ tính toán để loại bỏ phần dư thừa khỏi tín hiệu có ích (hình 1.10)

Hình 1.10:Sự giảm entropy của nguồn tín hiệu

Trang 22

- 27 -

Bộ mã hoá lý tưởng sẽ tách ra toàn bộ phần entropy và chỉ truyền phần entropy này tới bộ giải mã Một bộ giải mã lý tưởng sẽ tái tạo được tín hiệu nguyên gốc Trong thực tế, bộ mã hoá lý tưởng sẽ rất phức tạp và sẽ tốn rất nhiều thời gian cho việc tính toán phần dư thừa Một bộ mã hoá lý tưởng sẽ rất đắt tiền, vì vậy thực

tế không có một hệ thống nén lý tưởng

Trong thực tế, mức độ yêu cầu của bộ mã hoá tuỳ thuộc vào mức độ trễ của quá trình xử lý và độ phức tạp của nó Cách mà bộ mã hoá thực hiện trong quá trình nén số liệu phải được thông báo cho bộ giải mã để bộ giải mã có thể tự động phát hiện ra phần việc mà bộ mã hoá đã làm

Trong MPEG-2, việc mã hoá được phân ra nhiều profile có độ phức tạp khác nhau, và trong mỗi profile này có thể thực hiện một mức khác nhau tuỳ thuộc vào

độ phân giải của tín hiệu đầu vào

Có rất nhiều định dạng video số khác nhau và mỗi định dạng này lại có một tốc độ bit Ví dụ như hệ thống truyền hình độ phân giải cao có tốc độ bit cao gấp khoảng 6 lần so với hệ truyền hình tiêu chuẩn Tuy nhiên, nếu chỉ quan tâm đến tốc

độ bit ở đầu ra của bộ mã hoá là chưa đủ Cần lưu ý đến vấn đề hệ số nén, đó là tỷ

số giữa tốc độ bit đầu vào với tốc độ bit nén, ví dụ như 2:1, 5:1…

Tuy nhiên, trong thực tế do có sự tham gia bởi nhiều yếu tố khác nhau nên việc xác định hệ số nén rất khó khăn Đối với một bộ mã hoá lý tưởng, nếu toàn bộ phần entropy được truyền đi sẽ cho chất lượng tốt Nhưng, nếu hệ số nén tăng lên trong khi giảm tốc độ bit thì không phải toàn bộ entropy được truyền đi, do vậy lại làm giảm chất lượng Trong một hệ thống nén, nếu xuất hiện hiện tượng giảm chất lượng thì đó là điều không chấp nhận được Nếu tốc độ bit không đầy đủ thì cách tốt hơn là ngăn ngừa hiện tượng này bằng cách giảm nhỏ entropy của hình ảnh đầu vào Việc này được thực hiện bằng các bộ lọc nhưng cách này có thể gây ra việc làm giảm độ phân giải hình ảnh

Để nhận biết entropy một cách hoàn hảo, người ta sử dụng một bộ xử lý lý tưởng có độ siêu phức tạp Một bộ xử lý thực tế có thể kém phức tạp hơn do vấn đề kinh tế và bắt buộc phải gửi đi số lượng số liệu nhiều hơn để đảm bảo truyền hết

Trang 23

Mạng viễn thông lựa chọn phương án tốc độ bit không đổi cho các mục đích thực tế, nhưng một bộ nhớ đệm được sử dụng để điều tiết entropy trung bình khi có xảy ra hiện tượng tăng độ trễ Trong lĩnh vực ghi hình, một tốc độ bit có thể dễ dàng điều hành hơn

Intra-coding là kỹ thuật khai thác những dư thừa không gian trong hình ảnh; Inter-coding là kỹ thuật khai thác những dư thừa về thời gian Intra-coding có thể sử dụng độc lập, như trong tiêu chuẩn JPEG cho ảnh tĩnh, còn MPEG là sự kết hợp giữa Intra-coding và Inter-coding

Intra-coding nhận biết hai đặc điểm nổi bật của hình ảnh Thứ nhất, không phải tất cả tần số không gian đều xuất hiện đồng thời, thứ hai, ứng với tần số không gian càng cao thì biên độ tương ứng càng thấp Intra-coding yêu cầu phân tích tần

số không gian trong một bức ảnh Điều phân tích này nhằm biến đổi Wavelet hoặc DCT (Discrete Cosine Tranform) Qúa trình biến đổi này là phép hệ số hoá các biên

độ của mỗi tần số không gian Điều đặc biệt là đa số các hệ số này đều bằng không hoặc xấp xỉ bằng không và vì vậy các hệ số này có thể bỏ qua mà không làm giảm đáng kể đến tốc độ bit

Inter-coding tìm ra những điểm tương đồng giữa các ảnh kế tiếp nhau Nếu một ảnh đã được gửi tới bộ giải mã, ảnh tiếp theo chỉ cần gửi những thông tin khác biệt với ảnh trước đó Sự khác biệt của các ảnh sẽ tăng lên khi các đối tượng chuyển

Trang 24

MPEG có thể duy trì cả hai hình thức ảnh quét xen kẽ lẫn quét liên tục Một bức ảnh được xét tại một số điểm nhất định trên trục thời gian được gọi là một ảnh

“picture” bao gồm một trường (field) và một khung (frame) Quét cách dòng không phải là một nguồn lý tưởng cho nén video số bởi vì bản thân nó đã là kỹ thuật nén

Mã hoá thời gian khó thực hiện hơn vì các pixel trong một trường (field) có vị trí khác nhau trong ảnh tiếp theo

Bù chuyển động chỉ tối thiểu hóa chứ không loại trừ hoàn toàn sự khác nhau giữa các hình ảnh kế tiếp Sự khác nhau của hình ảnh tự bản thân nó là hình ảnh không gian và có thể được nén bằng việc sử dụng cơ sở chuyển đổi Intra-coding Bù chuyển động làm giảm số lượng số liệu hơn hẳn so với khác biệt của hình ảnh

Hiệu quả của bộ mã hóa thời gian tăng lên khi thời gian để thực hiện nó tăng lên Nếu yêu cầu một hệ số nén cao thì khoảng thời gian tính toán tín hiệu đầu vào phải tăng lên và vì vậy thời gian mã hoá cũng sẽ tăng lên Hệ thống sản xuất sẽ có giới hạn mức độ của mã hoá thời gian để cho phép biên tập và giới hạn này sẽ nằm trong giới hạn có thể của hệ số nén

1.3.5 Nén tín hiệu audio

Tốc độ bit của tín hiệu audio số PCM khoảng 1,5Mbit/s và chỉ bằng khoảng 0,5% của tín hiệu video 4:2:2 Với các tiêu chuẩn nén video có tỷ lệ nén thấp như Digital Betacam thì không cần phải nén audio Nhưng khi có yêu cầu cao về hệ số nén thì vấn đề nén audio lại trở nên quan trọng

Nén audio có hai điểm lợi thế Thứ nhất, với các tín hiệu audio điển hình, không phải toàn bộ các tần số đều xuất hiện cùng một lúc Thứ hai, do hiện tượng che lấp (masking) nên con người không thể phân biệt tất cả các chi tiết của tín hiệu

Trang 25

- 30 -

âm thanh Nén audio phân tách dải phổ âm thanh ra thành các băng con bằng các bộ lọc hoặc các phép chuyển đổi, nhờ đó mà giảm thiểu được số liệu biểu đạt các băng con Khi sử dụng hiệu ứng che lấp để giảm nhỏ ngưỡng nghe thấy thì có thể giảm nhỏ số liệu hơn nữa

Nén audio khó nhận biết ra hơn so với nén video bởi độ thính của tai Việc che lấp chỉ làm việc đúng khi sự che lấp và âm thanh che lấp xảy ra với cùng một không gian Việc trùng khớp này luôn được đảm bảo trong trường hợp ghi âm thanh mono, nhưng không đảm bảo khi ghi stereo, nơi mà mức tín hiệu nhỏ vẫn có thể nghe được nếu chúng được tạo ra bởi các nhạc cụ khác nhau Vì vậy, với hệ thống tín hiệu stereo và surround thì hệ số nén sẽ nhỏ hơn trường hợp tín hiệu mono khi yêu cầu cùng một mức chất lượng Một vấn đề làm phức tạp thêm cho nén audio là hiện tượng tạo ra tiếng vang khi sử dụng các loại loa chất lượng thấp Do đó, nếu kiểm tra tín hiệu audio có nén bằng các loại chất lượng thấp có thể thoả mãn chất lượng âm thanh, nhưng sẽ gây thất vọng khi thưởng thức chúng bằng các thiết bị tốt, đắt tiền

1.3.6 Đóng gói và mã hoá tín hiệu

1.3.6.1 Tín hiệu MPEG

Tín hiệu ra của một bộ mã hoá MPEG audio hay video được gọi là dòng cơ

sở (Elementary Stream) Một dòng cơ sở là tín hiệu vô tận gần thời gian thực Để thuận tiện, nó có thể được chia lẻ thành các khối dữ liệu trong một gói cơ sở (Packetised Elementary Stream – PES) Các khối dữ liệu này cần có thông tin đầu (Header) để nhận biết thời điểm bắt đầu của gói và bắt buộc phải có tem thời gian (time stamp) vì các gói đã bị xáo trộn về mặt thời gian

Hình vẽ 1.11 cho thấy cách một PES video và audio có thể trộn với nhau để tạo ra một dòng chương trình (Programme Stream) Tất cả các dòng chương trình này đều được đồng bộ về mặt thời gian bằng một chuẩn thời gian Tem thời gian trong mỗi PES có thể sử dụng để đồng bộ cho tiếng và hình

Các dòng chương trình có các độ dài gói thay đổi với các thông tin đầu Chúng được dùng để truyền tải thông tin từ cáp quang tới đĩa cứng và tuỳ từng loại

Trang 26

Một dòng truyền tải sẽ thuận tiện hơn một tín hiệu dồn kênh audio và video PES Nhìn chung đối với nén audio, video và số liệu thì một dòng truyền tải là sự kết hợp của cấu trúc dữ liệu và dòng bit Nó bao gồm bảng kết cấu chương trình – Programe Association Table (PAT) liệt kê tất cả các chương trình trong dòng truyền tải Mỗi một số liệu nhập vào PAT đánh dấu vào một bảng bản đồ chương trình –

Trang 27

- 32 -

Programe Map Table (PMT) để liệt kê các dòng cơ sở tạo nên mỗi chương trình Một số chương trình sẽ để mở, nhưng một số chương trình sẽ được mã hoá và thông tin này được mang đi cùng dữ liệu

Dòng truyền tải bao gồm các gói có kích thước cố định, mỗi gói sẽ gồm 188 byte Mỗi gói này sẽ được đánh dấu bởi mã nhận dạng PID Các gói của cùng một dòng cơ sở sẽ có cùng một mã nhận dạng PID, nhờ đó mà bộ giải mã có thể lựa chọn được dòng cơ sở cần thiết từ dòng truyền tải Hệ thống đồng bộ hiệu quả được

sử dụng để các bộ giải mã có thể nhận biết một cách chính xác điểm bắt đầu của mỗi gói và giải nối tiếp cho dòng bit

1.3.6.2 Quản lý và phân tích

Dòng truyền tải MPEG là một cấu trúc phức tạp sử dụng bảng liên kết và mã nhận dạng để phân chia các chương trình và dòng cơ sở trong một chương trình Trong mỗi dòng cơ sở có một cấu trúc phức tạp để bộ giải mã phân biệt giữa các vector, hệ số và bảng lượng tử

Các sai số có thể sắp xếp thành hai loại Trong loại thứ nhất, hệ thống truyền tải thực hiện truyền các thông tin chính xác từ bộ mã hoá/multiplexer đến bộ giải

mã mà không bị sai một bit nào hay bị cộng jitter, tuy nhiên bộ mã hoá/multiplexer hoặc bộ giải mã lại bị mắc lỗi Trong loại thứ hai, bộ mã hoá/multiplexer là tốt nhưng bản thân đường truyền lại mắc lỗi Một giải pháp nhắc trước được sử dụng

để xác định lỗi nằm ở đâu, ở trong bộ mã hoá/multiplexer, trên đường truyền hay bộ giải mã

Những vấn đề về đồng bộ, ví dụ như việc mất hoặc bị phá huỷ xung, có thể ngăn cản quá trình tiếp nhận dòng truyền tải đầu vào Thủ tục dòng truyền tải thiếu sót có thể ngăn cản bộ giải mã trong việc tìm ra toàn bộ số liệu của chương trình chẳng hạn như chỉ nhận được hình ảnh mà không có tiếng Nếu phân phát số liệu chính xác nhưng với lượng jitter vượt quá mức hạn định sẽ là nguyên nhân gây ra những vấn đề về thời gian tại bộ giải mã

Nếu một hệ thống sử dụng dòng truyền tải MPEG bị mắc lỗi thì lỗi này có thể nằm ở bộ mã hoá/ multiplexer hoặc bộ giải mã Để cô lập các lỗi, trước tiên đảm

Trang 28

- 33 -

bảo dòng truyền tải tuyệt đối tuân thủ tiêu chuẩn mã hoá MPEG Nếu như dòng truyền tải không đảm bảo việc tuân thủ này, sẽ gây khó khăn rất lớn cho bộ giải mã Ngược lại, bộ giải mã có thể dễ dàng phát hiện ra lỗi

Các công cụ kiểm tra tín hiệu video truyền thống như tín hiệu chuẩn, Waveform Monitor hay Vectorscope không còn phù hợp để phân tích hệ thống MPEG nữa, trừ khi công nhận rằng tín hiệu video vào và ra khỏi hệ thống MPEG là thoả mãn về chất lượng Thay vì tạo ra những tín hiệu MPEG chuẩn người ta đặc biệt quan tâm đến việc kiểm tra các thiết bị nhận và giải mã Với bộ phân tích thích hợp, hoạt động của các bộ mã hoá/multiplexer và giải multiplexer sẽ được kiểm định một cách khắt khe và độc lập

1.3.6.3 Mã hoá không gian và mã hóa thời gian

Nén video có thể loại bỏ cả hai loại dư thừa thời gian và dư thừa không gian Trong MPEG, dư thừa thời gian được giảm nhỏ trước bằng việc sử dụng sự giống nhau của các hình ảnh kế tiếp Càng nhiều thông tin của hình ảnh hiện tại được tạo

ra từ hình ảnh trước hay từ phần dự đoán càng tốt Khi kỹ thuật này được sử dụng thì chỉ cần gửi đi những hình ảnh khác biệt giữa hình ảnh hiện tại so với hình ảnh

dự đoán Hình ảnh khác biệt tiếp đó sẽ là đối tượng của nén không gian Thực tế, giải thích về nén không gian đơn giản hơn so với nén thời gian vì vậy mà nó lại hay được ưu tiên để trình bày trước

Nén không gian nhận biết ra sự giống nhau giữa các pixel liền kề trong một khoảng không gian rộng của hình ảnh và trong phần có tần số không gian vượt trội

Hệ thống JPEG chỉ dùng nén không gian, khi chúng được thiết kế để truyền tải ảnh tĩnh Tuy nhiên, JPEG vẫn có thể dùng để mã hoá các ảnh liên tục cho video Đó là các ứng dụng Motion-JPEG, tuy hệ số nén không tốt bằng trường hợp có sử dụng nén thời gian nhưng dòng bit này được dùng làm cơ sở cho dựng hình picture-by-picture

Bước đầu tiên trong mã hoá không gian là thực hiện phân tích các tần số không gian bằng cách áp dụng phép chuyển đổi Một phép chuyển đổi là cách đơn giản là chuyển cách biểu diễn tín hiệu sang một miền khác, trong trường hợp này là

Trang 29

- 34 -

miền tần số Đầu ra của bộ chuyển đổi là một tập hợp của các hệ số mà chúng biểu diễn được cho mọi tần số có mặt Một bộ chuyển đổi ngược sẽ tái tạo được lại tín hiệu gốc ban đầu Nếu các hệ số được xác lập với một độ chính xác cao thì đầu ra của bộ chuyển đổi ngược sẽ có được tín hiệu gốc với độ chính xác càng cao

Bộ chuyển đổi phổ biến nhất cho đến nay là chuyển đổi Fourier Phương pháp này tìm mỗi một tần số của tín hiệu đầu vào bằng cách nhân tín hiệu đầu vào với một tần số nào đó đã được chọn lựa, được gọi là hàm cơ sở, sau đó tích phân kết quả lại Khi tín hiệu đầu vào không chứa đựng tần số chọn lựa thì kết quả tích phân

sẽ bằng không Cần phải tiến hành thao tác này hai lần đối với mỗi một tần số với hàm cơ sở trực giao để đảm bảo cho tất cả pha của tín hiệu đầu vào đều được phát hiện

Biến đổi Fourier có một bất lợi là để biểu diễn mỗi một hệ số ứng với một tần số phải cần hai thành phần sin và cosin Trong biến đổi cosin, tín hiệu đầu vào là

tự đối xứng về mặt thời gian trước khi làm phép nhân với hàm số cơ sở

Phép biến đổi rời rạc hoá cosin - DCT là phép toán rời rạc hoá của biến đổi cosin được sử dụng rộng rãi ở dạng hai chiều trong MPEG Một khối 8x8 pixel được chuyển đổi thành khối 8x8 hệ số Do quá trình chuyển đổi cần phải nhân thêm một phần nhỏ nên có sự kéo dài thêm của từ mã, kết quả là các hệ số sẽ có độ dài từ

mã lớn hơn độ dài từ mã cử các pixel tương ứng Trường hợp đặc biệt, khối 8-bit pixel tạo ra khối 11-bit hệ số Như vậy, bản thân DCT không tạo ra hiệu quả nén mà ngược lại nó còn làm tăng thêm số liệu

Kết quả của phép chuyển đổi ngược của các hệ số riêng của khối 8x8 DCT, trong trường hợp tín hiệu chói, hệ số đầu tiên bên trái là phần độ sáng trung bình hay mức một chiều DC của cả khối Khi dịch chuyển sang phía bên phải trong cùng một hàng thì tần số không gian ngang sẽ tăng lên Dịch chuyển xuống phía dưới thì tần số không gian đứng sẽ tăng lên Với một bức ảnh thực thì tần số không gian đứng và tần số không gian ngang có thể xuất hiện đồng thời và một hệ số tại một số điểm trong khối sẽ là kết hợp của toàn bộ tần số không gian đứng và ngang có thể

Trang 30

- 35 -

Các hệ số như là một dạng sóng ngang một chiều, kết hợp các dạng sóng này với các biên độ khác nhau với bất kỳ cực tính có thể tạo ra bất kỳ một tập hợp 8 pixel Với loại DCT hai chiều, 64 hệ số được tạo ra từ khối 8x8 pixel gốc Rõ ràng

với tín hiệu màu, việc lấy mẫu tín hiệu hiệu màu là cần thiết Các số liệu Y, C r và C b

được phân chia làm các khối 8x8 tương ứng và được chuyển đổi một cách độc lập

Trong thực tế, hầu hết các hệ số DCT đều bằng không hoặc xấp xỉ bằng không nên không cần thiết phải truyền đi Đây chính là yếu tố tạo ra một phép nén không tổn hao Nếu có yêu cầu cao hơn về hệ số nén thì sẽ phải bỏ bớt đi những hệ

số không phải bằng không Sự cắt giảm này sẽ làm giảm bớt độ chính xác của các

hệ số và đó là nguyên nhân gây ra sự mất mát thông tin Độ mất mát này phải được cân nhắc để sao cho mắt người ít cảm nhận được nhất

1.3.7 Đánh giá

MPEG là nén có tổn hao nên tín hiệu sau bộ giải mã không phải là gốc ban đầu Entrropy của tín hiệu nguồn thay đổi, khi entropy cao, hệ thống nén có thể xuất hiện những hình giả sau khi giải mã Trong nén thời gian, dư thừa giữa các hình ảnh

kế tiếp được chấp nhận Các trường hợp khác sẽ gây ra lỗi

Giải pháp duy nhất để giải quyết vấn đề này là giảm bớt hệ số nén Người ta phải cân nhắc giữa vấn đề kinh tế và chất lượng tín hiệu để đưa ra được một hệ số nén thích hợp tương ứng với mức độ khác nhau của các hình ảnh giả Chính vì vậy

mà hiện nay người ta vẫn không ngừng nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa hệ thống nén để vừa nâng cao được hệ số nén vừa đảm bảo được chất lượng tín hiệu

1.4 Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 5

Việc sử dụng kỹ thuật số để truyền tín hiệu video đòi hỏi phải xác định tiêu chuẩn số của tín hiệu truyền hình, phương pháp truyền hình để có chất lượng ảnh thu không kém hơn chất lượng ảnh trong truyền hình tương tự

5 http://www.ebook.edu.vn/?page=1.6&view=4085, truy nhập cuối cùng ngày 15/06/2010

Trang 31

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 hóa 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

* Xuyên tín hiệu giữa các sợi quang dẫn thấp (-80dB)

* 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

Trang 32

- 37 -

thực tế không sử dụng trong cáp quang vì độ suy giảm đường truyền <20dB, lỗi xuất hiện nhỏ và có thể bỏ qua được

• Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh

Thông tin vệ tinh đặc biệt có ưu thế trong các trường hợp:

* Cự ly liên lạc lớn

* Liên lạc điểm đến đa điểm trên phạm vi rộng cũng như phạm vi toàn cầu

* Liên lạc đến các trạm di động trên phạm vi rộng (tàu viễn dương, máy bay, các đoàn thám hiểm)

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

• Phát sóng truyền hình số trên mặt đất

Diện phủ sóng hẹp hơn so với truyền hình vệ tinh song dễ thực hiện hơn so với mạng cáp 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

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

64-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

Trang 33

1.5 Kết luận

Trong nhiều năm trở lại đây, truyền hình số đã trở thành đối tượng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và nhiều tổ chức trên thế giới Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ chế tạo các vi mạch tổ hợp cao, tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu làm việc với thời gian thực, công nghệ truyền hình số đã có những tiến bộ vượt bậc

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

Với các ưu điểm của mình, hệ thống truyền hình số đã được thực hiện ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Đây là một quá trình tất yếu, truyền hình Việt Nam cũng đang ở giai đoạn chuyển tiếp Việc nghiên cứu truyền hình số và lựa chọn các tiêu chuẩn cho truyền hình Việt Nam đang được tiến hành

Hiện nay quá trình số hóa tín hiệu truyền hình ở Việt Nam là sự thay thế dần các công đoạn, trang thiết bị từ tương tự sang số Đó là quá trình số hóa từng phần Rồi đây truyền hình số sẽ thay thế hoàn toàn truyền hình tương tự, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp này phát triển mạnh mẽ hơn, kết hợp với các mạng truyền thông khác, tạo thành một thế giới thông tin số, phục vụ con người một cách hữu hiệu

Trang 34

ưu điểm, trong đó nổi bật là:

• Một đường truyền vệ tinh có thể truyền đi các tín hiệu với khoảng cách rất

xa, như vậy có thể đạt hiệu quả cao cho các đường truyền dài cũng như cho dịch vụ điểm – điểm

• Đường truyền vệ tinh không bị

ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình, địa

vật vì mô trường truyền dẫn ở rất cao so

với bề mặt quả đất Truyền hình vệ tinh

có thể thực hiện qua đại dương, rừng

rậm, núi cao cũng như ở các địa cực

• Việc thiết lập một đường truyền

qua vệ tinh được thực hiện trong thời

gian ngắn, điều này có ý nghĩa quan

trọng trong việc thu thập tin tức, một

công việc đòi hỏi thời gian thiết lập

nhanh chóng

Tr¹m ph¸t lªn Tr¹m nèi xuèng

VÕt

Ph¸t lªn Ph¸t xuèng

Trang 35

- 40 -

• Vệ tinh cũng được sử dụng cho các hệ thống điểm – đa điểm Với một vệ tinh, có thể đặt vô số trạm thu trên mặt đất, rất thuận lợi cho hệ thống CATV cũng như cho dịch vụ truyền hình trực tiếp đến tận từng gia đình (Direct-To-Home) Ngoài ra truyền hình vệ tinh còn có khả năng phân phối chương trình với các hệ thống liên kết khác

tinh được thiết lập dành cho các chương trình truyền hình Các chương trình này có thể phục vụ cho hệ thống CATV hay truyền hình quảng bá Trong truyền hình vệ tinh quảng bá, một số kênh vệ tinh được dùng cho các chương trình cố định Các chương trình này phát liên tục trong ngày Số kênh còn lại dành cho các dịch vụ như tin tức hay thể thao … thực hiện phát chương trình trong một khoảng thời gian nào

đó

Một trạm mặt đất thực hiện phát tín hiệu lên vệ tinh (uplink) – gọi là phát lên – bằng anten có búp sóng hẹp Tín hiệu được thu nhận, khuếch đại và dịch chuyển tần

số xuống dải tần số phát xuống qua một bộ chuyển đổi (transponder) – gọi là bộ phát đáp Tín hiệu được truyền xuống mặt đất bằng bộ nối xuống (downlink) Vùng

vệ tinh bao phủ được gọi là vệt vệ tinh Phạm vi của vệt vệ tinh được xác định bởi giá trị công suất bức xạ hiệu dụng EIRP

2.2 Hệ thống vệ tinh 7

Hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai bộ phận chính: Vệ tinh nhân tạo và

hệ thống thông tin Vệ tinh chứa các hệ thống cung cấp năng lượng cũng như bộ duy trì vệ tinh trên quỹ đạo của nó Hệ thống thông tin thành phần như anten, bộ thu, bộ chuyển đổi

7 Đỗ Hoàng Tiến, Dương Thanh Phương (2004), Truyền hình kỹ thuật số, NXB Khoa học và kỹ thuật, tr.450

-458

Trang 36

Cỏc kờnh truyền hỡnh

được cung cấp bằng cỏc tớn hiệu

phõn cực khỏc nhau, được gọi là

nguyờn lý sử dụng lại tần số

Theo nguyờn lý này cú thể nõng

số kờnh truyền hỡnh vệ tinh lờn

hai lần bằng cỏch sử dụng phõn

cực theo chiều ngang và theo

chiều đứng

Hỡnh 2.3 vẽ cỏc kờnh vệ

tinh băng C, bao gồm 24 kờnh 40

MHz, 12 kờnh cho mỗi phõn cực

Khoảng cỏch giữa cỏc kờnh đủ

lớn để trỏnh hiện tượng phõn cực

Bộ thu Chuyển đổi Bộ ghép

H (Horizontally) = Phõn cực ngang;

Hỡnh 2.3: Kờnh vệ tinh băng C

dành cho tớn hiệu phỏt xuống, thực hiện khuếch đại tớn hiệu trước khi phỏt xuống mặt đất

Trang 37

Dẫn sóng Phối

hợp

Xử lí tín hiệu Tạo sóng mang

Điều chế Chuyển đổi tăng tần

K.Đ công suất cao Video

Audio

Hỡnh 2.4: Sơ đồ chức năng trạm phỏt lờn

Sơ đồ bộ phỏt xuống được vẽ trờn hỡnh 2.5 Tớn hiệu từ anten thu qua bộ đổi tần xuống, thực hiện khuếch đại và giải điều chế để thu được tớn hiệu ban đầu Nếu dũng tớn hiệu bị khúa mó thỡ cần phải thực hiện giải mó để tỏch riờng tớn hiệu hỡnh

và tớn hiệu tiếng

Anten thu

Giải điều chế

Khuyếch

đại IF

Chuyển

đổi giảm tần

Giải mã

Dao

động

Chuyển

đổi ít tiêu hao

Trang 38

- 43 -

Một đại lượng dùng để đo mức chỉ tiêu của đường truyền vệ tinh, đó là giá trị G/T (tỉ số giữa hệ số khuếch đại của anten và nhiễu nhiệt tương đương) của hệ thống

Đặc điểm chỉ tiêu quan trọng nhất của một đường truyền vệ tinh được xác định bằng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, và chủ yếu dựa trên chỉ tiêu của trạm mặt đất Để đạt được tỉ số tín hiệu trên nhiễu như mong muốn là rất khó thực hiện đối với đường truyền vệ tinh, do khoảng cách khá xa giữa hai đầu đường truyền Sóng cao tần truyền đi trong không gian phải chịu nhiều ảnh hưởng và theo đó làm suy giảm tín hiệu

Nhiễu của hệ thống vệ tinh phần lớn không có quy luật, nó có tính chất tương đương như nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt tương đương thông thường được đo bằng phân

bố nhiễu của một thành phần hay hệ thống, và tính theo biểu thức:

T = 290 o (F n -1); (2.1)

trong đó: F n được biểu thị bởi hệ số bằng thương của tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu

ra của hệ thống chia cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào tại nhiệt độ tiêu chuẩn Nhiễu nhiệt của cả hệ thống sẽ bằng tổng nhiễu nhiệt của các thành phần

vào của máy thu Nhiễu từ anten do công suất bắn xạ của trái đất và anten thu sẽ thu nhận như nguồn tín hiệu Các mức nhiễu này phụ thuộc hướng tính và góc ngẩng của vệ tinh Ngoài ra, nhiễu của hệ thống còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, đặc biệt đối với băng Ku

2.2.3 Định dạng truyền

Dạng truyền cho hệ thống vệ tinh được xác định bằng dạng tín hiệu băng cơ bản Đối với tín hiệu số, có nhiều phương pháp điều chế khác nhau được sử dụng Các phương pháp này có sự khác nhau về công suất truyền, và khả năng chống nhiễu … Truyền hình số qua vệ tinh đang được ứng dụng rộng khắp và phát triển với tốc độ nhanh chóng

Trang 39

- 44 -

2.2.4 Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh

Để thấynhững đặc điểm của truyền hình số qua vệ tinh, ta có sơ đồ khối trạm phát lên vệ tinh hình 2.6

TuyÕn cao tÇn Coder

QPSK B¶o hiÓm

lçi truyÒn Khèi M·

Truy nhËp cã

®iÒu kiÖn

MUX TS

Coder Video Coder Audio

Coder Data

Hình 2.6: Sơ đồ khối phần phát hệ thống truyền hình vệ tinh

• Tất cả các tín hiệu hình, tiếng, số liệu của mỗi chương trình trong kênh được nén độc lập Tín hiệu hình và tiếng được nén theo tiêu chuẩn MPEG-2 Tiếp theo, tất cả các tín hiệu sau khi nén được ghép thành một dòng bit tín hiệu Ở đây sử dụng nguyên tắc “Multiplex thống kê”, có nghĩa tốc độ bit của các chương trình khác nhau phụ thuộc vào nội dung hình ảnh trong các chương trình Bộ ghép kênh Multiplexer ưu tiên tốc độ bit cho các chương trình phức tạp có tốc độ bit lớn hơn

và giảm tốc độ bit cho các chương trình khác ít phức tạp hơn tại cùng thời điểm Dòng dữ liệu bao gồm chuỗi các gói tin có các byte tiêu đề và byte tin tức Tiêu đề cho phép nhận dạng tín hiệu được truyền trong gói và các chương trình có liên quan đến nó Các khối nhận dạng tin được truyền trong gói và chương trình có liên quan đến nó

• Sau khối MUX, tín hiệu chuyển đến khối mã cho người xem trả tiền Trong khối mã này dòng tín hiệu được ghép và xáo trộn (Scrambling) theo một quy luật

mà chỉ người quản lý mới biết Đồng thời người ta có hình thức khóa mã Cách giải quyết đó tạo thuận lợi cho công tác quản lý việc thu xem chương trình trên bình diện toàn quốc

• Bảo hiểm lỗi truyền: Nhiễu sinh ra trong các linh kiện điện tử và các can nhiễu khác luôn phá tín hiệu hữu ích, cần truyền và gây ra sai Trong kỹ thuật

Trang 40

- 45 -

truyền dẫn và xử lý tín hiệu số để chống nhiễu có khái niệm là “mã sửa sai” Người

ta cài vào dòng dữ liệu một số loại mã để nếu xảy ra hiện tượng sai, đầu thu có thể phát hiện và sửa được sai

Việc hạn chế lỗi bằng mã có thể miêu tả khái quát như sau: Đối với mỗi từ

mã người ta cho thêm các phần tử dư không mang thông tin mà chỉ có nhiệm vụ kiểm tra Trong kỹ thuật truyền hình thường dùng mã sửa sai Viterbi hoặc mã Reed-Solomon

Mã Reed-Solomon (RS) là bộ mã phi nhị phân và nó có khả năng sửa sai

cụm, nguyên tắc lập mã của nó như sau: Muốn sửa được S byte sai thì cần phải có 2S byte kiểm tra, như vậy sẽ có 2m - 1 - 2S byte cho số liệu (m là số bit), S byte

kiểm tra này được xác định theo các byte số liệu bằng các quan hệ xác định trước Ở bên thu, từ mã thu được sẽ xác định tổ hợp đặc trưng (syndrome) theo các quan hệ

đã dùng bên mã hóa Nếu syndrome S = 0 thì từ mã thu được là đúng, còn syndrome

S ≠ 0 thì từ mã thu được bị sai và ta phải sửa sai Để sửa sai cần giải quyết được 2

vấn đề là xác định vị trí có sai và xác định giá trị sai

Mã RS ngày nay được sử dụng rất rộng rãi Mỗi đoạn tin cùng với tiêu đề (đối với dòng truyền tải mỗi đoạn tin dài 188 bytes) được bảo vệ bởi 16 bytes (mã Reed-Solomon), cho phép sửa sai được 9 bit sai số trong đoạn Tất nhiên, khi sử dụng nhiều số bit sửa sai sẽ làm cho dải thông cần truyền tăng lên nếu như ta giữ nguyên số lượng chương trình cần truyền đi Mà dải thông tăng lên, thì công suất phát cũng phải tăng Nếu không muốn tăng dải thông, thì hoặc là ta phải giảm số lượng chương trình, hoặc giảm chất lượng của một hai chương trình nào đó (bằng cách tăng hệ số nén bit của chương trình)

• Tiếp theo, tín hiệu số sẽ được điều chế số QPSK: Dòng tín hiệu phải có sóng cao tần cõng đi bằng cách điều chế Đối với tín hiệu số có ba phương pháp điều chế

cơ bản là điều biên, điều tần, điều pha Nếu truyền dòng xung có, không bằng phương pháp điều pha, thì pha của sóng cao tần cũng có sự dịch chuyển Người ta đặt tên là PSK (Phase Shift Keying = Khóa dịch pha)

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	4,43 MB

Đề xuất lựa chọn hệ thống truyền dẫn tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh cho tập đoàn bưu chính viễn thông việt nam

Truyền dẫn tớn hiệu truyền hỡnh số

Tiờu chuẩn DVB (Digital Video Broadcasting)