Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB t

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho nhữngdịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sửdụng hệ thống đa sóng mang, ghép

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiếntriển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trênInternet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyềnthông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển Việc nghiên cứu và pháttriển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyềnthông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên” làng thông tin toàn cầu”

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc rất nhiều vàođặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băngthông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tácđộng qua lại của các tín hiệu

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho nhữngdịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sửdụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) làmột trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này Cũng vìnhững ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường,nên trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, em đã ứng dụng kĩ thuật OFDM vàotrong truyền hình số mặt đất DVB_T

Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như:nhạy với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bìnhcao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn đề đồng bộ cũngphức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang

Nội dung của đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Truyền hình số

Chương 2: Tổng quan về OFDM

Chương 3: Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Chương 4: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chếnên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm,phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư

và các Thầy Cô trong Khoa để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp này

Vinh, ngày 15 tháng 5 năm 2010

Sinh viên thực hiện

1.1 Giới thiệu chung

CD cùng với hàng trăm kênh truyền hình mới và nhiều dịch vụ mới Truyền hình sốcho thuê bao xem được nhiều chương trình truyền hình mới với chất lượng caonhất

Đối với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên môi trường sốlàm giảm viêc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp các ứng dụngthuê bao và mở rộng ra một lĩnh vực mới, các cơ hội mới về thương mại, nhiều dịch

vụ mới trên cơ sở truyền hình số sẽ được hình thành:

- Truy cập internet tại các tốc độ

- Chơi game trên mạng với nhiều người

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

- Cung cấp các dòng video và audio

- Dịch vụ thanh toán tiền từ nhà (home banking)

- Các dịch vụ thương mại điện tử

đòi hỏi đầu tư mới máy thu hình số, máy phát hình số, các thiết bị sản xuất và hậu

kỳ số cho chương trình truyền hình, điều đó dẫn đến phải sử dụng một băng sốchung, mở ra các cơ hội cho thị trường dân dụng

1.1.2 Đặc điểm của truyền hình số

- Ít bị tác động của nhiễu như truyền hình tương tự

- Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu 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, tínhiệu điều khiển, dữ liệu đều được xử lý giống nhau

- Chất lượng phục 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

Sơ đồ khối tổng quát và nguyên lý hoạt động của một hệ thống phát thanh

truyền hình số

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát và nguyên lý hoạt động của một hệ thống

Phát thanh truyền hình số

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ được tiếp nhận tín hiệu truyền hìnhtương tự Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biến đổi tín hiệutruyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số Các tham số và đặc trưng và đặctrưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình lựa chọn

Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hốnguồn, tại đây tín hiệu truyền hình cĩ tốc độ dịng bít cao sẽ được nén thành dịngbít cĩ tốc độ thấp hơn, phù hợp cho từng ứng dụng Dịng bít tại đầu ra bộ mã hố

Hệ thống Video

Hệ thống Audio

Nén và mã hoá

Truyền Tải

Hệ thống phát

thu-Mã hoá kênh

Điều chế

Dữ liệu phụ

Dữ liệu điều khiển

nguồn được đưa tới thiết bị phát (mã hoá kênh thông tin và điều chế tín hiệu) truyềntới bên thu qua kênh thông tin.

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh Mãhoá kênh đảm bảo chống các sai sót trong tín hiệu, trong kênh thông tin khi tín hiệutruyền hình số được truyền theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là

bộ điều chế và bộ giải điều chế

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

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lýtại phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi truyền hình số thànhtín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc

mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình

1.1.3 Ưu điểm của truyền hình số

Trong nhiều năm trở lại đây, truyền hình số đã trở thành đối tượng nghiên cứucủa nhiều nhà khoa học và nhiều tổ chức trên thế giới Cùng với sự tiến bộ của côngnghệ chế tạo các vi mạch tổ hợp cao, tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu làm việc với thờigian thực, công nghệ truyền hình số đã có những tiến bộ vượt bậc Truyền hình sốmặt đất có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như:

- Sử dụng một máy phát có khả năng truyền tải được 3 đến 5 chương trìnhđồng thời

- Với cùng một vùng phủ sóng thì công suất phát yêu cầu của máy phát số sẽnhỏ hơn từ 5 đến 10 lần so với máy phát tương tự, điều này giúp cho việc tiết kiệmđầu tư và chi phí vận hành

- Một điều rất đáng quan tâm nữa là chất lượng chương trình trung thực, ít bịnhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng hình thường gặp ở truyền hìnhtương tự

Tại Việt Nam, nhận thức được những ưu điểm của truyền hình số và tính tấtyếu của việc truyền hình số tương tự sẽ nhường chỗ cho truyền hình số, từ năm

1997, đài truyền hình Việt Nam đã có một số đề tài nghiên cứu về truyền hình số và

khả năng ứng dụng của nĩ, năm 1998 đã triển khai nghiên cứu dự án về lộ trìnhphát triển truyền hình số tại Việt Nam.

1.2 Cơ sở của biến đổi tín hiệu truyền hình số

1.2.1 Biến đổi tín hiệu video

Tín hiệu video sau khi được số hố 8 bít cĩ tốc độ 216 Mbit/s

Để cĩ thể truyền được trong một kênh truyền hình thơng thường tín hiệu video

số cần phải được “nén” trong khi đĩ vẫn đảm bảo chất lượng ảnh

Mặc dù tín hiệu video đã được nén từ những năm 1950, cùng với sự ra đời củatruyền hình màu, ba tín hiệu thành phần R, G, B với bề rộng dải thơng 15 MHz, đãđược nén trong một tín hiệu video màu hỗn hợp với bề rộng dải thơng là 5 MHz.Dải thơng được giảm 3 lần hay nĩi cách khác thì hệ số nén là 3:1

Hình 1.2 Nén Video tương tự

Tín hiệu video như chúng ta đã biết cĩ dải phổ từ 0 MHz đến 6 MHz, trongnhiều trường hợp thì năng lượng phổ chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp, bởi lẽthành phần tần số cao chỉ xuất hiện ở tại đường viền của hình ảnh Như vậy đa sốthơng tin về hình ảnh tập trung ở miền tần số thấp chỉ cĩ rất ít thơng tin dư thừatrong tín hiệu video

Cơng đoạn đầu tiên của quá trình nén là xác định thơng tin dư thừa trong miềnkhơng gian của một ảnh của tín hiệu video

Nén khơng gian được thực hiện bởi phép biến đổi cosin rời rạc DCT (DiscreteCosin Transform) được biểu thị bằng cơng thức: F (u, v)

Và phép biến đổi ngược được biểu diễn bằng: f (x, y)

Do bản chất của tín hiệu video, phép biến đổi DCT cho ta những hệ số ứng vớicác thành phần tần số cao với giá trị rất nhỏ

Điều Chế

+

R(0÷5 MHz) G(0÷5 MHz) B(0÷5 MHz)

R(0÷5 MHz) R-Y(0÷1,5 MHz) B-Y(0÷1,5 MHz)

Tín hiệu Video màu tổng hợp (0÷5 MHz)

Biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ flm thu được một chuỗi cácxung hẹp với tần số lấy mẫu được tính bằng

flm = 1/Tlm

flm: tần số lấy mẫuT: chu kỳ lấy mẫu

Hình 1.4 Phổ của tín hiệu lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu tương đương với quá trình điều biên tín hiệu (f0) trên sóngmang có tần số bằng tần số lấy mẫu (flm), quá trình điều biên tạo ra các biên trên vàbiên dưới Song lấy mẫu có dạng hình chữ nhật phổ của nó bao gồm thành phần tần

số lấy mẫu và các hài của nó ở hình trên

Thực tế việc lấy mẫu của tín hiệu dựa trên cơ sở của định lý Nyquitst- shamen.Tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế cắt tại ω hoàn toàn được xácđịnh bằng một dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn:

Về mặt toán học có thể mở rộng về phía tần số âm cho các trị số âm của k Vớikhoảng cách lấy mẫu ∆t nhỏ hơn hoặc bằng л/ωc: ∆t ≤ л/ωc, trong đó ωc là tần sốcao nhất trong phổ của hàm x (t)

f

Hình 1.5 Phổ lấy mẫu lý tưởng

Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó toàn bộ thông tin mang tín hiệu gốc nếu tínhiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức là nó không có những phần tử có tần số nằmngoài một tần số fc nào đó

Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn hai lần fc tức là fSa ≥ 2fc.

Hình 1.5 minh hoạ phổ tần số lấy mẫu lý tưởng khi tín hiệu băng cơ bản có dảithông fc và tần số lấy mẫu 2fc.Như vậy dải biên trên và dải biên dưới đều có dảithông là fc với tần số này không xuất hiện nhiễu băng cơ bản và dải biên dưới

Hình 1.6 minh họa trường hợp lấy mẫu với tần số nhỏ hơn 2fc Một phần dảibiên dưới của tín hiệu lấy mẫu chồng lên phổ của tín hiệu băng cơ bản (do nguyênnhân gây nên hiện tượng méo chồng phổ)

Tín hiệu video, do các đặc trưng riêng nên ngoài việc thoả mãn định lýNyquist, quá trình lấy mẫu cần phải thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tínhtương thích giữa các hệ thống Quá trình này phải xác định được tần số lấy mẫu, cấutrúc lấy mẫu cần phải đạt được, chỉ tiêu về hình ảnh, tính tương thích giữa các hệtruyền hình, tốc độ bít thích hợp và mạch thực hiện đơn giản

fA

A

f

Đối với tiêu chuẩn tần số Nyquist, việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số flm ≤

fNy là nguyên nhân của méo chồng phổ làm giảm độ phân dải theo chiều ngang.Thành phần tần số cao nhất đối với hệ truyền hình tương tự là:

có đặc trưng lý tưởng, đặc tính mạch lọc ngoài dải thông không phải là suy giảmhoàn toàn nên sử dụng băng tần bảo vệ Cho phép sử dụng các mạch lọc mang tínhthực tế

Hình 1.7 Băng tần bảo vệ

Việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệu khác:tín hiệu chói, tín hiệu màu cơ bản, tín hiệu màu và video tổng hợp Tần số lấy mẫucũng phụ thuộc vào hệ truyền hình màu

Tín hiệu video tổng hợp được lấy mẫu với tần số bằng bội số của tần số sóngmang phụ Chọn tần số lấy mẫu bằng 3fsc, với hệ NTSC có tần số lấy mẫu 10,7MHz và hệ PAL là 13,3 MHz Khi tần số lấy mẫu là 4fsc,với hệ NTSC tương ứng có

f

tần số lấy mẫu là 14,3 MHz và hệ PAL 17,7 MHz Tần số lấy mẫu càng cao càng dễdàng cho việc sử dụng các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo cũng như đưa lạimột đặc tuyến tần số tốt hơn Kỹ thuật hiện nay cho phép giảm nhỏ các khó khăntrong việc thiết kế các bộ biến đổi A/D bằng việc sử dụng các thiết bị có tần số lấymẫu ở tần số cao.

Đối với hệ SECAM do sử dụng phương pháp điều tần, nên quá trình số hóa tínhiệu video không thực hiện lấy mẫu tín hiệu tổng hợp Tín hiệu SECAM được mãhoá thành tín hiệu thành phần tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần

số dòng quét

1.2.2.2 Cấu trúc lấy mẫu

Tín hiệu từ hình ảnh camera và được hiển thị trên màn hình chứa thông tin vềđồng bộ theo mành và dòng đó là các ảnh hai chiều Vậy để khôi phục chính xáchình ảnh, tần số lấy mẫu có liên quan đến tần số dòng và tần số lấy mẫu phải là bộicủa tần số dòng Với quan hệ này điểm lấy mẫu trên các dòng quét kề nhau sẽ thẳnghàng với nhau và tránh được các hiện tượng đường biên xảy ra

Như vậy lấy mẫu không phụ thuộc vào việc lấy mẫu theo thời gian mà còn phụthuộc vào toạ dộ các điểm lấy mẫu Vị trí các điểm lấy mẫu hay cấu trúc lấy mẫuđược xác định theo thời gian trên các dòng và mành Hàm lẫy mẫu có thể biến đổidạng xq (t, x, y), tần số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khôi phụchình ảnh tốt nhất

Vì vậy tần số lấy mẫu phải thích hợp cho cả ba chiều t, x, y Tuy nhiên trong cấutrúc lấy mẫu phổ biến, ta chỉ xét các mẫu được biểu diễn bằng hai đại lượng (x, y)

Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúclấy mẫu tín hiệu video

a Cấu trúc trực giao.

Được sắp xếp trên các dòng, mành kề nhau thẳng hàng theo chiều đứng

Cấu trúc này là cố định theo mành và theo hai ảnh (hai mành)

Phân bố phổ tần của cấu trúc Quincunx mành rất có ý nghĩa đối với mành một,

nó cho phép làm giảm tần số lấy mẫu theo dòng Phổ tần cấu trúc nói trên ở mànhthứ hai so với mành một bị dịch và có thể lồng với phổ tần cơ bản gây ra méo ở cácchi tiết hình ảnh (khi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳng đứng)

c Cấu trúc Quincunx dòng

Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấymẫu, còn các mẫu trên dòng một mành đầu lệch so với các mẫu trên dòng tiếp sau(của mành sau) một nửa chu kỳ lấy mẫu Ở đây không xảy ra trường hợp lồng cácphổ chính và không bị méo điều đó cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ hơn 25%tần số Nyquist và tiết kiệm được độ rộng phổ của tín hiệu số

Tuỳ theo cấu trúc lấy mẫu, sẽ xuất hiện loại méo ảnh đặc trưng Với cấu trúctrực giao, độ phân dải ảnh sẽ giảm Đối với cấu trúc Quincunx mành sẽ xuất hiệncác điểm ảnh Ngược lại với cấu trúc Quincunx dòng sẽ xuất hiện các vòng tròntheo chiều ngang.

Tóm lại cấu trúc trực giao cho hình ảnh cao nhất vì đối với mắt người thì độphân dải giảm dễ chịu hơn là hai loại méo nêu trên

Hình 1.10 Cấu trúc Quincunx dòng

d Các tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video

Quá trình lấy mẫu là bước đầu tiên của việc số hóa tín hiệu video, trước hết tatìm hiểu về một vài tiêu chuẩn lấy mẫu Có nhiều tiêu chuẩn video số thành phần,điểm khác nhau cơ bản giữa chúng ở tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấymẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu, trong đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2,4:2:0,4:1:1 Dưới đây ta xét phương thức từng chuẩn tốc độ lấy mẫu dựa trên cơ sở tần sốchuẩn là 3,375 MHz

e Tiêu chuẩn 4:4:4

Mẫu tín hiệu chỉ được lấy đối với các phần tử tích cực của tín hiệu video.Với hệ PAL màn hình được chia làm 625 x 720 điểm (pixel)

Hình 1.11 Tiêu chuẩn 4:4:4

Các tín hiệu chói (Y), tín hiệu màu (CR, CB) được lấy mẫu tại tất cả các điểmlấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video Cấu trúc trực giao, vị trí lấy mẫu trìnhbày như hình vẽ trên.

Tiêu chuẩn 4:4:4 có khả năng khôi phục hình ảnh chất lượng tốt trong các tiêuchuẩn, thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu Tiêu chuẩn này có thể dùng trong trườnghợp xử lý tín hiệu chói và tín hiệu màu R, G, B Nó có thể được dùng trong studionhằm rời rạc hoá tín hiệu Tuy nhiên tiêu chuẩn này sẽ đòi hỏi tốc độ bít cao Các tổchức tiêu chuẩn quốc tế đã thống nhất chỉ tiêu tần số lấy mẫu cho truyền hình sốtheo tiêu chuẩn này với tên gọi CCIR-601

Với tiêu chuẩn 4:4:4 tốc độ bít dữ liệu (ví dụ cho hệ PAL) được tính như sau:Khi lấy mẫu 8 bít: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mbit/s

Chip lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 720) x 576 x 10 x25 = 311 Mbit/s

f Tiêu chuẩn 4:2:2

Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu: Chói (Y) và tín hiệu màu (CR, CB).Điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu tín hiệu chói (Y), còn hai tín hiệu màu không lấymẫu Chip giải mã màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước

Điểm nữa là lấy mẫu đủ ba tín hiệu Y, CR, CB

Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu tín hiệu chói Y, thì hai lần lấy mẫu CR, hailần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2

Hình 1.12 Tiêu chuẩn 4:2:2

Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo tiêu chuẩn này được tính như sau:Khi lấy mẫu 8 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360) x 576 x 8 x 25 = 166 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các360) x 576 x 10 x 25= 270 Mbit/s

Tiêu chuẩn 4:2:2 là tiêu chuẩn cơ bản của truyền hình số Chất lượng hình ảnhcủa tiêu chuẩn này cao hơn tiêu chuẩn 4:4:4 Nó cho phép xử lý tín hiệu một cáchthuận lợi

g Tiêu chuẩn 4:2:0

Hình 1.13 Tiêu chuẩn 4: 2: 0

Theo chuẩn này, tín hiệu Y được lấy mẫu tại các điểm ảnh của dòng, còn tínhiệu màu thì cứ cách một điểm sẽ lấy mẫu cho một tín hiệu hiệu màu Tín hiệu nàyđược lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu màu CR thì dòng sẽ lấy mẫucho tín hiệu màu CB

Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo tiêu chuẩn này được tính như sau:Khi lấy mẫu 8 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360) x 576 x 8 x 25 = 124, 4 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360) x 576 x 10 x 25 = 155, 5 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 180 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 180) x 576 x 10 x 25 = 155, 5 Mbit/s

Tiêu chuẩn này chất lượng hình ảnh tương đối thấp, thường được dùng chođịên thoại truyền hình

1.3 Lượng tử hoá video

1.3.1.1 Khái niệm

Lượng tử hoá là quá trình rời rạc hoá theo biên độ tín hiệu (đã được rời rạc hoátheo thời gian) có nghĩa là chia biên độ ra nhiều khoảng (mức) khác nhau và mỗimức được gán bằng một giá trị biên độ

1.3.1.2 Quá trình biến đổi A/D là lượng tử hoá

Trong quá trình này, biên độ tín hiệu được chia thành các mức gọi là mứclượng tử, khoảng cách giữa hai mức kề nhau gọi là bước lượng tử Các mẫu có được

từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử

Hình 1.15 Biến đổi A/D

Giá trị lượng tử Q được xác định theo biểu thức Q = 2N

Trong đó N là số bít biểu diễn mỗi mẫu

Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu, nguyên nhân

do quá trình lượng tử hoá xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu Hình trên chothấy tất cả các giá trị biên độ nằm trong giới hạn của một mức lượng tử đều đượcthiết lập một giá trị như nhau đó chính là mức lượng tử Q Có hai phương pháplượng tử hoá:

Lượng tử hoá tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau

Lượng tử hoá phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau

Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio, tất cả các mức lượng tửđều có biên độ bằng nhau, và quá trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hoá đồngđều Đây là quá trình biến đổi từ một chuỗi các mẫu với vô hạn các biên độ sang cácgiá trị nhất định, vì vậy quá trình này gây ra sai số, gọi là sai số lượng tử Sai sốlượng tử là một nguồn nhiễu không thể thoát khỏi trong hệ thống số Biên độ tínhiệu video biến đổi theo thời gian Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong

phạm vi 1/2 Q, trong đó Q là bước lượng tử Trong các hệ thống số sử dụng 8 bít và(lớn hơn 8 bít) để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử có thể được coi như một nguồn tínhiệu không mong muốn (nhiễu) cộng thêm vào tín hiệu trong quá trình lượng tử.Trong các hệ thống sử dụng ít hơn 8 bít để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử sẽ ảnhhưởng nghiêm trọng đến tín hiệu ban đầu, làm méo dạng sóng, tăng hiệu ứng viễnkhông mong muốn.

ε (t) = | x (t) – x’ (t) |Trong đó: ε (t) - sai số lượng tử

x (t) - giá trị các mẫu tín hiệu trước khi lượng tửx’ (t) - giá trị các mẫu tín hiệu sau khi lượng tử

Sai số ε (t) tuỳ thuộc vào tính thống kê của nguồn tín hiệu vào và các độ rộngcủa bước lượng tử Có thể xem ε (t) là một loại nhiễu do quá trình lượng tử hoá gây

ra, gọi là méo lượng tử

Méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử Đối với tín hiệu video, méolượng tử xuất hiện ở hai dạng chính là hiệu ứng đường viên và hạt ngẫu nhiên.Hiệu ứng đường viên xuất hiện ở những vùng có độ sáng thay đổi chậm và đềutheo chiều ngang, khi đó có những sọc với độ sáng cố định chia thành nhiều đường

rõ nét theo chiều đứng theo đường biên Nếu tăng số mức lượng tử, hiệu ứng đườngviên sẽ giảm Đối với ảnh có nhiễu, chi tiết méo lượng tử phân bố ngẫu nhiên thìhiệu ứng đường viên xuất hiện ít Khi sử dụng mã 8 bít biểu diễn mẫu thì hiệu ứngđường viên sẽ gần như không còn nhận biết được nữa

Nhiễu hạt ngẫu nhiên xuất hiện ở vùng ảnh rộng và có độ sáng đồng đều, làdạng nhiễu going các hạt giống như sương mù Hiện có thể được sử dụng để điềuchỉnh chất lượng qua việc biến đổi méo từ dạng ngẫu nhiên

1.4 Mã hoá video

1.4.1 Định nghĩa mã hóa

Là biến đổi nó thành tín hiệu số bằng việc sắp xếp cho mỗi mức tín hiệu (hệđếm thập phân) theo hệ đếm nhị phân (0 và 1), và là khâu cuối cùng của bộ biến đổiA/D Mã hoá theo quan điểm thống kê là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn màkhông làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thốngtruyền tin

Dữ liệu sau mã hoá có ưu điểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thànhtương đương khả năng thông qua của kênh.

Quá trình này biến đổi các mức tín hiệu đã lượng tử hoá thành các chuỗi bít

“0” và “1” Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này thuật ngữ chuyên môn gọi là từ mãnhị phân được tính bằng số lượng các con số “0”, “1”, là một trong những chỉ tiêuchất lượng kỹ thuật số hoá tín hiệu Nó phản ánh mức sáng tối, màu sắc của hìnhảnh được ghi nhận và biến đổi Về nguyên tắc độ dài của từ mã nhị phân càng lớnthì quá trình biến đổi các chất lượng, nghĩa là nó được xem như là độ phân giải của

số hoá Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit/mẫu

Các mã được sử dụng trong truyền hình số được phân chia một cách quy ướcthành bốn nhóm:

- Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình

- Các mã để truyền hình 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 truyềnhình số

1.4.2 Các đặc tính cơ bản của mã hoá

Quá trình biến đổi rất nhiều các điểm đến lượng tử hoá của tín hiệu (trong đó

có tín hiệu truyền hình) thành tổ hợp các ký hiệu khác nhau gọi là sự mã hóa, còncác nhóm ký hiệu thông tin cách điểm mã hoá gọi là mã hoá

Các thuật ngữ “mã hoá” và “mã” đặc trưng cho quy trình của việc đối chiếu tínhiệu truyền hình đã được lượng tử hoá để xác định các nhóm ký hiệu mã Đồng thờitrong hệ thống truyền hình số, việc gia công và truyền thông tin được thực hiện với

sự giúp đỡ của các tín hiệu mà một hoặc vài thông số của nó đã được điều chế phùhợp với mã thông tin

Các mã mà các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu như nhau được gọi

là các mã đều đặn, còn các mã các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu khácnhau gọi là mã không đều đặn

Lý thuyết mã có hai hướng nghiên cứu:

- Thứ nhất là nghiên cứu các cấu trúc mã mà nó nâng cao độ chính xác củaviệc truyền theo kênh thông tin có nhiễu (như các mã chống sai số).

- Thứ hai là nghiên cứu cấu trúc mã triệt tiêu độ dư của tín hiệu đã mã hoátrong kênh không nhiễu

Để phục vụ yêu cầu về ghi, truyền tín hiệu video, mã hoá được sử dụng trongcác trường hợp sau:

Mã hoá sơ cấp: Dùng để tạo tín hiệu số ở Studio

Mã bảo vệ sửa sai: Tăng khả năng chịu đựng của tín hiệu trong kênh có nhiễu

Mã truyền tuyến tính: Tăng khả năng truyền dẫn

Mã có cấu trúc tuyệt đối

Mã có cấu trúc tương đối

1.4.3 Các mã sơ cấp

Các mã sơ cấp được dùng chủ yếu để mã hoá tín hiệu truyền hình, xử lý số,trong các thiết bị tổ hợp Studio của trung tâm truyền hình số, …

Mã sơ cấp trong truyền hình số là mã đồng đều, có cấu trúc tuyệt đối:

- NRZ (Non Return to Zero): Không trở lại mức không

- RZ (Return to Zero): Trở lại mức không

- BiPh (Bi Phase): Hai pha

Bảng từ mã của mã sơ cấp cần thoả mãn điều kiện qn-1 < N ≤ qn Trong đó N làcác mức lượng tử của tín hiệu truyền hình được mã hoá

Trong truyền hình số, cơ số của mã sơ cấp bằng hai, nghĩa là mã này là mã nhịphân

Các mã sơ cấp được phân thành loại có trọng số và không có trọng số bao gồmcác mã mà bên cạnh mỗi bậc của tổ hợp mã của nó được nhận biết một hệ số trọngnào đó

1.5 Các tiêu chuẩn nén

1.5.1 Khái quát về các tiêu chuẩn nén

Các tổ chức quốc tế đã tiêu tốn hàng triệu USD để phát triển các tiêu chuẩnnén Như vậy có thể thấy, các tiêu chuẩn nén là cần thiết

Hiểu một cách đơn giản, tiêu chuẩn nén cũng như ngôn ngữ chính thống của

để thuận lợi giao tiếp, cần một ngôn ngữ chính thống trên toàn lãnh thổ Như vậy,chìa khoá ở đây là “sự dễ dàng trong giao tiếp” Chúng ta cần có tiêu chuẩn nén đểthuận tiện trao đổi giữa các hệ thống khác nhau.

Vậy tại sao cần có nhiều tiêu chuẩn nén?

Câu trả lời thật đơn giản: chúng ta có nhiều ứng dụng đòi hỏi nhiều tiêu chuẩnkhác nhau Không có bất cứ một tiêu chuẩn nén nào có thể đáp ứng được tất cả cácyêu cầu ứng dụng đó

Các tiêu chuẩn nén gồm hai mức: mức quốc gia và mức quốc tế

- Ở mức quốc gia có: ANSI (American National Standard Institule)

AIIM (Association of Image and Information)Tại Canada có tổ chức tiêu chuẩn của Canada

- Ở mức quốc tế có: ISO (International Standard Organization)

IEC (International Electrotechnical Commission)ITU (Internotional Telecommunication Union, CCITT)

Và một số tổ chức khác

Các tiêu chuẩn nén với ứng dụng của chúng được khái quát trong bảng sau:

Bảng 1.1.Khái quát các tiêu chuẩn nén

CC ITT T.4

CC ITT T.6JPEG

CC ITT H.261MPEG-1MPEG - 2MPEG – 4

Fax, ảnh dữ liệuFax, ảnh dữ liệuẢnhFax, ảnh dữ liệuĐiện thoại hìnhẢnh, HDTV, DSMTruyền thanh thông thường, quảng bá,

cảm nhận từ xa

Trong số đó, được sử dụng phổ biến và có phạm vi ứng dụng rộng rãi làMPEG

- Chuẩn nén MPEG: MPEG (Moving Pictures Experts Group) là một chuỗi

các chuẩn bao gồm: MPEG-1, MPEG-2 và MPEG- 4 Trong đó MPEG-1 là cơ bản,MPEG-2 và MPEG- 4 là sự phát triển và mở rộng của MPEG-1

- MPEG-1 còn được gọi là tiêu chuẩn ISO/IEC 11172 là chuẩn nén audio vàvideo với tốc độ khoảng 1,5 Mb/s

- MPEG-2 nén tín hiệu audio và video với một dải tốc độ từ 1,5 tới 60 Mb/s.Tiêu chuẩn này còn gọi là tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818, là chuẩn nén ảnhđộng và âm thanh Nó cung cấp một dải các ứng dụng như: lưu trữ số liệu, truyềnhình quảng bá và truyền thông

- MPEG- 4 là sự hợp nhất cung cấp cho rất nhiều ứng dụng truyền thông, truycập, điều khiển dữ liệu âm thanh số như: Điện thoại hình, thiết bị đầu cuối đaphương tiện (Multimedia), thư điện tử và cảm nhận từ xa MPEG- 4 cho khả năngtruy cập rộng rãi và hiệu suất nén cao

1.5.2 Nén video theo MPEG-1

1.5.2.1 Tiêu chuẩn MPEG-1 gồm 4 phần:

Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 11172-1)

Phần 2: Nén video (ISO/IEC 11172-2)

Phần 3: Nén Audio (ISO/IEC 11172-3)

Phần 4: Kiểm tra (ISO/IEC 11172- 4)

MPEG-1 nghiên cứu cách thức ghép nối một hoặc vài dòng dữ liệu chứa thôngtin thời gian để hình thành nên một dòng dữ liệu Nó cung cấp quy tắc cú pháp đồng

bộ hoá quá trình phát lại cho một dải ứng dụng Video rộng rãi

MPEG-1 coi ảnh chuyển động như dạng thức dữ liệu máy tính (gồm các điểmảnh) Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản), ảnh video chuyển động cókhả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyền thông Chúng có thể đượclưu trữ trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu số như đĩa CD, đĩa Winchester và ổ quang.MPEG-1 cung cấp cả ứng dụng đối xứng và không đối xứng:

- Trong ứng dụng không đối xứng, ảnh động được nén một lần, sau đó giải nénnhiều lần để truy cập thông tin Ví dụ trò chơi game

- Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén phải công bằng với nhau.

Ví dụ như: Điện thoại hình, thư điện tử

Do MPEG-1 được phát triển cho dữ liệu số nên đòi hỏi có sự truy cập ngẫunhiên (Random Access) Cách thức mã hoá tốt nhất cho truy cập ngẫu nhiên là mãhoá Intraframe đơn thuần Song do sự dư thừa thông tin về thời gian chưa được loại

bỏ nên hiệu suất nén rất thấp Do vậy trong tiêu chuẩn nén MPEG-1, có sự cân bằnggiữa nén trong ảnh (Intraframe) và nén liên ảnh (interframe) bằng cách sử dụng cáccông nghệ sau:

- Mã hóa độ dài thay đổi (mã Huffman- VLC)

1.5.2.2 Một số tiêu chuẩn cơ bản của MPEG-1

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Chỉ có một cấu trúc lấy mẫu 4:2:0

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Kích thước cỡ ảnh tối đa 720 pixel với 576 dòng sử dụng các tham số mặcđịnh và cỡ 4095 x 4095 dùng tham số đầy đủ

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Độ chính xác mẫu đầu vào 8 bít

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Độ chính xác lượng tử hoá và DCT: 9 bít

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Sử dụng lượng tử hoá DPCM tuyến tính cho hệ số DC

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Lượng tử thích nghi cho lớp macroblock (16 x 16 điểm)

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Độ chính xác cực đại của hệ số DC là 8 bít

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Ma trận lượng tử chỉ có thể thay đổi ở lớp chuỗi;

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Sử dụng khung P và B

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Độ chính xác dự báo chuyển động là nửa điểm

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Tốc độ bít tối đa là 1,85 Mbps khi dùng tham số mặc định cho ảnh 720 x 576

và 100 Mbps khi dùng cho ảnh 4095 x 4095

MPEG-1 cho phép sự truy cập ngẫu nhiên các khung video, tìm kiếm nhanhthuận ngược theo dòng bít đã nén, phát lại ngược dòng video và khả năng dời bỏdòng bít.

1.5.2.3 Hệ thống nén MPEG-1

Sơ đồ khối chi tiết bộ code (bộ mã hoá và giải mã) trong chuẩn MPEG-1 như sau:

Bộ phận Inter/intra căn cứ vào thông tin phân loại ảnh (I, P, B) sẽ cho tín hiệu

ra Inter/intra xác định ảnh được mã hoá theo mode Inter hay mode Intra Thông tinnày là tác nhân chuyển mạch kích hoạt bộ tạo dự báo tương ứng

Nếu ảnh I (mã hoá Intra): sử dụng dự báo Intra, lấy MB lân cận trước đó làm

dự báo cho MB hiện hành MB lân cận này được phục hồi nhờ bộ giải lượng tử và

bộ biến đổi DCT ngược (IDCT)

Nếu ảnh B, P (mã hoá Inter): sử dụng bộ tạo dự báo Inter có bù chuyển động

- Bộ tạo dự báo này hoạt động như sau:

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Chuyển động của các MB được tính toán nhờ bộ ước lượng chuyển độngtheo các thuật toán Blocking Matching Kết quả cho vectơ chuyển động

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Vectơ chuyển động này được đưa đến khối dự báo có bù chuyển động để tạogiá trị dự báo có bù chuyển động

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Do quá trình ước lượng chuyển động cần so sánh giữa khung hiện hành vớikhung quá khứ (ảnh P) hoặc với cả khung quá khứ lẫn tương lai (ảnh B) nên cần cóhai bộ lưu trữ ảnh

Sai số giữa MB dự báo và hiện hành được biến đổi DCT, lượng tử hoá, mã hoáVLC rồi đưa tới bộ nhớ đệm Đầu ra bộ nhớ đệm là dòng bít đã được mã hoá và cótốc độ ổn định

Tham số lượng tử, thông tin phân loại Inter/Intrra và vectơ chuyển động sẽđược ghép kênh với thông tin ảnh đưa tới bên thu phục vụ cho quá trình tạo dự báo

và giải mã khôi phục ảnh

Hình 1.16 Sơ đồ khối bộ mã hoá MPEG-1

Hình 1.17 Sơ đồ khối bộ giải mã MPEG-1

Trong dòng bít truyền đi từ bên phát sẽ có thông tin ảnh gốc cũng như cáctham số quy định bước lượng tử và vectơ chuyển động Vectơ chuyển động nàyđược bên thu sử dụng để tạo dự báo có bù chuyển động tương tự như phía phát.Giá trị sai số dự báo từ bên thu sau khi giải lượng tử và biến đổi DCT ngượcđược cộng với giá trị dự báo Kết quả thu được kết quả cần phục hồi.

1.5.3 Nén video theo MPEG-2

1.5.3.1 Tiêu chuẩn nén video MPEG-2

Tiêu chuẩn MPEG-2 còn được gọi là ISO/IEC 13818 là sự phát triển tiếp theocủa MPEG-1 ứng dụng cho độ phân giải tiêu chuẩn của truyền hình do CCIR - 601quy định

- Phần 3: Audio (ISO/IEC 13818-3): Mã hoá và giải mã dữ liệu âm thanh

- Phần 4: Biểu diễn (ISO/IEC 13818-4): Định nghĩa quá trình kiểm tra các yêucầu của MPEG-2

So với MPEG-1, MPEG-2 có nhiều cải thiện, ví dụ về kích thước hình ảnh và

độ phân giải ảnh, tốc độ bít tối đa, tính phục hồi lỗi, khả năng co giãn dòng bít Khảnăng này cho phép khả năng giải mã một phần dòng bít mã hoá để nhận được ảnhkhôi phục có chất lượng tuỳ theo mức độ yêu cầu

1.5.3.2 Đặc điểm chủ yếu của MPEG-2

- Hỗ trợ nhiều dạng thức video, đặc biệt là các dạng thức video độ phân giảikhông gian cao, dạng thức video xen kẽ của truyền hình

- Cú pháp dòng bít MPEG -2 là sự mở rộng của dòng bít MPEG-1

- Nén video MPEG-2 tương hợp với nén video MPEG-1 được thể hiện qua 4hình thức tương hợp:

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Tương hợp thuận: Bộ giải mã MPEG-2 có khả năng giải mã dòng bít (hoặcmột phần dòng bít MPEG-1)

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Tương hợp ngược: Bộ giải mã MPEG-1 có khả năng giải mã được một phần

dòng bít MPEG-2

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Tương hợp lên: Bộ giải mã độ phân giải cao có khả năng giải mã được dòng

bít có độ phân giải thấp

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Tương hợp xuống: Bộ giải mã độ phân giải thấp có thể giải mã được một

phần dòng bít của bộ mã hoá có độ phân giải cao

- MPEG-2: Hỗ trợ khả năng co giãn: co giãn không gian, co giãn SNR, co giãn

phân chia số liệu

- Ngoài ra còn nhiều cải tiến khác:

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Cho phép sử dụng nhiều cấu trúc lấy mẫu: 4:4:4, 4:2:2,4:2:0

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Hệ số DC được mã hoá với độ chính xác đặc biệt

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Cho phép cả hai dạng quét: quét xen kẽ và quét liên tục

Các hệ thống MPEG-2 được trình bày trên hình 2.18.Có thể phân biệt 2 loại hệ

thống: hệ thống ghép kênh dòng chương trình và hệ thống ghép kênh dòng truyền tải

Hình 1.18 Hệ thống ghép kênh MPEG–2

Bộ mã hoá video tín hiệu video số định dạng CCIR-601 thành dòng sơ cấp

video (video ES) có chiều dài gần như vô tận và chỉ chứa những thông tin tối cần

thiết để khôi phục lại hình ảnh ban đầu

Bộ mã hóa audio mã hoá tín hiệu audio số định dạng AES/EBU thành dòng

Mã hóa audio

Đóng gói

Mã hóa video

DòngchươngtrìnhĐóng gói

Ghépkênhdòngchương trình

Ghépkênhdòngtruyềntải

Dòngtruyềntải

sơ cấp audio có chiều dài tuỳ ý (tần số lấy mẫu 48Khz, số bít mẫy 24 bít và tốc độ bít là 1152 Kbit/s).

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

có độ dài thay đổi Mỗi gói PES bao gồm một header và một số liệu trích ra từ dòng

sơ cấp Các gói PES lại được ghép với nhau tạo ra dòng chương trình PS (Program Stream) hay dòng truyền tải TS (Transport Stream)

- Các lớp trong hệ thống MPEG-2:

Hình 1.19 Hệ thống cấu trúc các lớp MPEG - 2

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Lớp nén: Mô tả cú pháp của dòng video và audio dựa trên cấu trúc dòngdata video và audio đã được trình bày ở trên Các chuỗi data hay video, audio độclập được mã hoá MPEG – 2 để tạo ra các dòng độc lập gọi là dòng cơ bản(Elementary Stream - ES)

Giải mã đa hợp dòng TS

Mã hoá nén

Đóng gói

Định dạng thức nguồn Giải mã nén

Giải gói

Đa hợp dòng PS

Giải mã đa hợp dòng PS Tín hiệu

video,audio,data

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Lớp hệ thống: Định nghĩa tổ hợp các dòng bít audio và video riêng biệtthành một dòng đơn để lưu trữ (dòng chương trình PS) hay truyền tải (dòng truyềntải TS), như mô tả ở hình 1.18 Hệ còn gồm cả thông tin đồng thời và thông tin kháccần cho giải đa hợp audio, video và để đồng bộ audio – video ở phía giải mã; thôngtin chuẩn đồng hồ hệ thống (system clock reference SCR) và nhãn thời gian trìnhdiễn (presentation time stamp PTS) được chèn vào dòng bít MPEG.

Chuẩn MPEG định nghĩa một hệ thống ba dòng data có thứ bậc: dòng sơ cấp

đã đóng gói, dòng chương trình và dòng truyền tải

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Dòng sơ cấp đã đóng gói PES: Qua bộ đóng gói, dòng sơ cấp được chiathành các gói có độ dài tuỳ ý Nội dung gói có nguồn gốc từ một hay nhiều dòng sơcấp, dòng audio hay dòng video đã được mã hoá MPEG – 2,như hình 1.20

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Dòng chương trình: Các gói PES có nguồn gốc từ 1 hay nhiều dòng sơ cấpdùng chung gốc thời gian như là dòng audio, data, được ghép thành một dòngchương trình PS như các lô (pack) có tính lặp lại Trong phần header của lô, SCRđảm bảo các gói audio và video được định thời Đó là tín hiệu thời gian thực chỉ báothời gian truyền lô đó Các lô PS có độ dài tuỳ ý Số lượng và trình tự các gói trong

lô không được định nghĩa, nhưng các gói được gửi theo trình tự thời gian Một PS

có thể mang tới 32 dòng audio, 16 dòng video, tất cả đều có chung gốc thời gian PSnhạy với lỗi và được dùng trong ghi hình đa phương tiện và phân phối nội bộ, trongcác ứng dụng có sai số truyền có thể bỏ qua được

Độ dài gói Kích cỡ bộ đệm

SCSIPLBS

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các Dòng truyền tải TS: Có thể tạo thành từ tổ hợp một hay nhiều dòng PS cógốc thời gian độc lập nhau hoặc từ một tổ các PES như ở hình 1.21 Tuy nhiên, PSkhông phải là một bộ con của TS, do TS không chứa tất cả thông tin bán ảnhchương trình Khi trích PS từ TS phải thu được vài thông tin trên các gói PES cónguồn gốc từ một hay nhiều dòng sơ cấp ES dùng chung gốc thời gian hay gốc thờigian khác nhau như dòng audio, video, và data được phép ghép thành một dòng tảitrên TS gồm các gói truyền tải kích cỡ nhỏ mang tính lặp lại, như hình 1.21 Mộthay nhiều PS có clock chuẩn khác nhau cũng có thể ghép thành một TS qua sựchuyển đổi trong gói PES.

Các bít chỉ sai số truyền; chỉ báo bắt đầu gói; ưu tiên truyền tải; nhận dạng gói; điều khiển xoá trộn v.v

Hình 1.21 Cấu trúc gói dòng truyền tải TS

Header

gói TS

2.1 Các nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành cácluồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trựcgiao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độthấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống.Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảngthời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗisymbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đasóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta

có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóngmang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóngnày cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóngmang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổtrong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng

kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mangtùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Hình 2.1 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)

và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).

x(n) x f (n

)

h(n )

y f (n )

y(n) Y(k)

DFT

Chèn pilot

Ước lượn

g kênh

Chèn dải bảo

vệ

Loại bỏ dải bảo

+τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng

mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát

đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện

biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do

đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường

(multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm: Trong phát thanh thông thường mỗi đài

phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự

ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm

với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm

được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được

truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả

các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với

nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này

chồng lấn nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang

(ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có

khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm

giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang

làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC)

và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đếnđầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với cáckênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễuxuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọcphía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyềntrên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnhhưởng như nhiễu trắng cộng AWGN, …

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đượctại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thờigian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùyvào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóngmang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Cácsymbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùngchúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Serial song song chuyển đổi

Điều chế f0Điều chế f1

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tínhiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm

vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin làdạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điềuchế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên(SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC).Các sơ đồ điều chế sóng mang được dùng cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên

độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng

dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k(bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN cótốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên

nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băngthông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăngkhả năng giao thoa sóng mang

Hình 2.5 Symbol OFDM với 4 subscriber

Nf=W

f

 2

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

Hình 2.6 Phổ của sóng mang con OFDM

2.2 Đơn sóng mang (Single Carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đichỉ trên một sóng mang

Hình 2.7 Truyền dẫn sóng mang đơn

Hình 2.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khitruyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phứctạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóngmang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băngthông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu cóích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữliệu có ích.

Hình 2.8 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bít thấp, các dữ liệu gốc sẽ thuđược chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗitiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường vàgiải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải cókhoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyềnsong song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bít thông tin Bằng cách này ta có thểtận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,… Để làm được điềunày, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điềuchế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là khôngthể chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổiIDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điềuchế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việcbiến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

)) ( ( 2 1 0

1 )

l

k l,k e s a

N-N t







Trong đó: al, k là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k

trong symbol OFDM thứ l

1 1

Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) làgiảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhautrùng lặp nhau Sự trùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mangđược chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mangtrực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từgiữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưngcòn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giáthành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệmạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn

2.4 Sự trực giao (Orthogonal)

Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của cácsóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóngmang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lạibằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máynhư vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau.Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cáchgiữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang đượcđịnh vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang Tuy nhiên,

có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủlên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễugiữa các sóng mang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về

mặt toán học Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mangxuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol đểphục hồi dữ liệu gốc Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóngmang này (trong một chu kỳ ) kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ làzero Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cáchgiữa các sóng là bội số của 1/ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu củacác sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.

Hình 2.9 Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ

bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI) Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi

là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix)

Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mangcon khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệthống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc

xử lý băng tần gốc

2.4.1 Trực giao miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổcủa nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc

(sin (x)/x) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng

mang Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT) Thời

miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị khôngđược đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bảnchất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này đượcphát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

2.4.2 Mô tả toán học của OFDM

Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành củamáy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trựcchuẩn (Orthogonal basis)

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệuđược thể hiện bởi công thức:

) (

).

(

1 )

n

t t j c

N t

(2.1)Trong đó,  = 0 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các n.

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy mẫu),thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:

0

.

1 ) (

N n

n kT n j n

N kT

(2.2)

Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giớihạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu Ta có mốiquan hệ:

 = N.TKhi 0 = 0 thì ta có:

) (

.

1 )

n

kT n j j n

N kT

/ 2

1)

n

N nk j

e NT

n G N kT

(2.4)Biểu thức (2.3) và (2.4) là tương đương nếu:



1 1







NT f

Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao Do đó kết quả của việc bảo toàn tínhtrực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier.

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau Có thểxem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức:

) exp(

) (t j k t

/ ) ( 2

dt

e j p q b

khi p ≠ q và (b-a) = τ (2.6) (p, q là hai số nguyên)

Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/, đạt đến yêu cầu của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn 

Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau Sự trực giao cho phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không cócan nhiễu Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng OFDM đạt được trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ Dải tần số cơ bản của một tải phụ được chọn là số nguyên lần thời giansymbol Kết quả là các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng Tcp Lúc này tín hiệu

được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0, T) là:

)(.)

Ở đây Фk (t)tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao

t kf j k

w f

T T

) , 0 [ 1

) (

) (

2 1

T t

T t e

T T t

CP T t kf j CP k

k l

x t