Truyền hình số mặt đất DVB t và thực trạng sử dụng tại việt nam luận văn tốt nghiệp đại học

CÁC T NG VI T T T S D NG TRONG Ừ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Ữ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Ử DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ỤNG TRONG ĐỒ ÁN ĐỒ Á

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

Truyền hình số mặt đất DVB – T và thực

trạng sử dụng tại Việt Nam

Người hướng dẫn : ThS Cao Thành Nghĩa Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trường Giang Lớp : 47K - ĐTVT

Vinh, 5-2010

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 4

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 5

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 6

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 8

CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 9

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ 11

1.1 Giới thiệu chung về truyền hình số 11

1.1.1 Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống truyền hình số 12

1.1.2 Đặc điểm của truyền hình số 13

1.2 Các hệ thống truyền hình số quảng bá 17

1.2.1 Hệ thống truyền hình số hữu tuyến ( truyền hình cáp ) DVB-C 18

1.2.2 Hệ thống truyền hình số mặt đất 18

1.2.3 Hệ thống truyền hình số vệ tinh 19

1.3 Các tiêu chuẩn nén trong truyền hình số 20

1.3.1 Nén video theo tiêu chuẩn MPEG 22

1.3.2 Nén video theo MPEG – 1 27

1.3.3 Nén video theo MPEG – 2 29

1.3.4 Nén video theo MPEG – 4 35

1.4 Kết luận chương 1 37

Chương 2 TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T 38

2.1 Giới thiệu về truyền hình số mặt đất DVB – T 38

2.1.1 Sơ đồ khối 40

2.1.2 Đặc điểm 42

2.2 Điều chế trong truyền hình số 43

2.2.1 Tổng quan kỹ thuật điều chế COFDM 44

2.2.2 Đặc tính của COFDM 46

2.2.3 Nguyên tắc của COFDM 47

2.2.4 Điều chế số 49

2.2.5 Đồng bộ kênh 54

2.2.6 Khoảng bảo vệ 56

2.2.7 Mạng đơn tần SFN 57

2.3 Mã hóa kênh và điều chế trong DVB – T 58

2.3.1 Phân tán năng lượng 58

2.3.2 Mã ngoài và tráo ngoài 59

2.3.3 Mã trong 60

2.3.4 Tráo trong 61

2.3.5 Hàm tín hiệu COFDM trong chuẩn DVB – T 62

2.3.6 Máy thu DVB – T thực tế 64

2.4 Các thông số đo kiểm tra 66

2.4.1 độ chính xác tần số RF 66

2.4.2 Độ chọn lọc 67

2.4.3 Phạm vi điều khiển tự động tần số 67

2.4.4 Công suất RF/IF 67

2.4.5 Công suất tạp nhiễu 68

2.4.6 Độ nhạy máy thu/ dải động đối với kênh gaussian 68

2.4.7 Hiệu suất công suất 69

2.4.8 Can nhiễu liên kết 69

2.4.9 Quan hệ giữa ber và tỉ số c/n khi thay đổi công suất máy phát 69

2.5 Kết luận chương 2 70

Chương 3 TRIỂN KHAI TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT TẠI VIỆT NAM 71

3.1 Tình hình phát triển truyền hình số mặt đất trên thế giới 71

3.2 Truyền hình số mặt đất tại Việt Nam 73

3.2.1 Lý do Việt Nam chọn hệ thống truyền hình số DVB – T 74

3.2.2 Quá trình thử nghiệm 75

3.2.3 Tình hình phát triển 77

3.2.4 Đánh giá 78

3.3 Tình hình sử dụng và quản lý thiết bị 80

3.3.1 Tình hình sử dụng thiết bị 80

3.3.2 Tình hình quản lý thiết bị 82

3.3.3 Xây dựng tiêu chuẩn 83

3.4 Kế hoạch số hóa truyền hình tương tự mặt đất tại Việt Nam 84

3.4.1 Mục tiêu cụ thể 84

3.4.2 Nguyên tắc thực hiện kế hoạch số hóa 85

3.4.3 Kế hoạch số hóa truyền hình tương tự mặt đất 85

3.5 Tiêu chuẩn DVB – T2 87

3.5.1 Giới thiệu 87

3.5.2 Mô hình hệ thống DVB – T2 88

3.5.3 Đặc tính kỹ thuật của DVB – T2 88

3.5.4 Tương lai phát triển của chuẩn DVB – T2 91

3.5 Kết luận chương 3 92

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bướcphát triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin

dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt khắp mọi nơi cũng như nhucầu về truyền thông đa phương tiện trên di động đang ngày một tăng cao Vàtruyền hình số với những ưu điểm vượt trội hơn so với truyền hình tương tựcũng đã ra đời như một tất yếu

Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB – T hiện đangđược sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới Với nhiều ưu điểm về kỹthuật cũng như phù hợp với điều kiện tự nhiên – xã hội, hệ truyền hình số mặtđất theo tiêu chuẩn này đang được triển khai và sử dụng tại Việt Nam

Em nhận thấy truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB – T

là công nghệ có nhiều tiềm tiềm năng hiện nay với khả năng phát triển vững

chắc và lâu dài Đề tài cho đồ án tốt nghiệp của em là “ Truyền hình số mặt đất

DVB – T và thực trạng sử dụng tại Việt Nam”

Đồ án tốt nghiệp gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan truyền hình số

Chương 2: Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB – T

Chương 3: Triển khai truyền hình số mặt đất DVB – T tại Việt NamTrong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do lượng kiếnthức vẫn đang con hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rấtmong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tìnhcủa Thầy cô và các bạn trong lớp

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáotrong khoa Điện tử viễn thông đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn ThS Cao Thành Nghĩa, đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trường Giang

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trước sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, truyền hình

kỹ thuật số ra đời và đang từng bước thay thế hoàn toàn truyền hình tương tự

Hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB – T hiện đangđược sử dụng rộng rãi trên thế giới là một điển hình

Đồ án tốt nghiệp của em trình bày quá trình phát triển, đặc điểm kỹthuật, các băng tần, kỹ thuật điều chế COFDM và việc triển khai, ứng dụngtiêu chuẩn DVB – T tại Việt Nam

ABSTRACT THESIS

In the face of ongoing development of science and technology, DigitalVideo Broadcasting been formed and step by step eventually replaced theother broadcastings The Digital Video Broadcasting – Terrestrial according

to Europe standards is used widely around the world

Project presented a summary of the development process, specifications,

in depth bands, the standard modulation technique COFDM and thedeployment, the application of DVB – T standard in Viet Nam

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số 12

Hình 1.2 Các dạng thức truyền dẫn DVB điển hình 20

Hình 1.3 Sơ đồ khối quá trình nén và giải nén 21

Hình 1.4 Hệ thống các chuẩn MPEG 23

Hình 1.5 Cấu trúc GOP mở 25

Hình 1.6 Cấu trúc GOP đóng 26

Hình 1.7 Bộ giải mã MPEG tiêu biểu 27

Hình 1.8 Cấu trúc các lớp trong MPEG – 2 33

Hình 1.9 Cấu trúc PS 34

Hình 1.10 Cấu trúc gói dòng truyền tải TS 35

Hình 2.1 Tiêu chuẩn DVB – T 40

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất 40

Hình 2.3 Sơ đồ khối chức năng hệ DVB – T 43

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM 45

Hình 2.5 Phổ của một sóng mang đơn 48

Hình 2.6 Phổ của sóng mang trực giao 48

Hình 2.7 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 51

Hình 2.8 Chòm sao phân cấp 52

Hình 2.9 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 54

Hình 2.10 Phân bố các pilot của DVB-T 55

Hình 2.11 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 56

Hình 2.12 Dạng tín hiệu minh họa khi có bảo vệ 57

Hình 2.13 Sơ đồ khối thực tế bên trong máy phát DVB – T 58

Hình 2.14a Gói sau ghép truyền dẫn MPEG – 2 59

Hình 2.14b Các gói truyền dẫn đã được ngẫu nhiên hóa 60

Hình 2.14c Các gói chống lỗi mã 60

Hình 2.14d Cấu trúc dòng dữ liệu sau tráo ngoài 60

Hình 2.15 Mã chập gốc với tốc độ mã 1/2 61

Hình 2.16 Thời gian một symbol đã chèn khoảng bảo vệ 63

Hình 2.17 Sơ đồ khối thực tế bên trong máy thu phát DVB – T 64

Hình 2.18 Máy phát DVB – T 66

Hình 2.19 Máy thu DVB – T 68

Hình 3.1 Phân bố truyền hình số mặt đất trên thế giới 72

Hình 3.2 Phạm vi phủ sóng DVB – T tại Việt Nam 73

Hình 3.3 Máy phát hình số DVB – T 80

Hình 3.4 Mô hình hệ thống DVB – T2 88

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Khái quát các tiêu chuẩn nén 22

Bảng 1.2 Tham số theo chuẩn nén MPEG – 1 [2] 29

Bảng 1.3 Các level và profile của MPEG - 2 32

Bảng 2.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB -T 39

Bảng 2.2 Tín hiệu trong điều chế QPSK 50

Bảng 2.3 Các hoán vị trong mode 2k 62

Bảng 2.4 Các hoán vị trong mode 8k 62

Bảng 2.5 Các giá trị của các khoảng phòng vệ 63

Bảng 3.1 Thiết bị cung cấp tín hiệu cơ sở đầu vào 82

Bảng 3.2 Thiết bị phát sóng truyền hình số DVB-T 83

Bảng 3.3 So sánh tiêu chuẩn DVB-T và DVB-T2 88

CÁC T NG VI T T T S D NG TRONG Ừ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Ữ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Ử DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ỤNG TRONG ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN ÁN

AIIM Association of Image and Infomation Hiệp hội hình ảnh và thông tinANSI American National Standard Institule Tiêu chuẩn quôc gia Mỹ

CCIR Comite’ Consultatif International

CCITT Consultative Commitee International

Telephone and Telegraph

Uỷ ban tham vấn quốc tế điện thoại và điện tín

COFDM Code Orthoginal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

mã trực giao

DVB-T Digital Video Broadcasting-Terrestrial Hệ thống truyền hình số mặt đất

FDMA Frequency Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo tần

số

OFDM Orthoginal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế pha cầu phương

thống

gian

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ

Ngày nay, kỹ thuật số đang phát triển hết sức mạnh mẽ với nhiều thànhtựu to lớn Với việc ứng dụng kỹ thuật số, truyền hình số đã đem lại nhiềutiện ích, ưu điểm lớn so với truyền hình tương tự Trong khuôn khổ chươngnày, em xin giới thiệu về truyền hình kỹ thuật số

1.1 Giới thiệu chung về truyền hình số [1]

Truyền hình số là tên gọi của một hệ truyền hình mà tất cả các thiết bị kỹthuật từ Studio 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 như hình ảnh quanghọc nói trên (cả về độ chói và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãy tínhiệu nhị phân (dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự - số

Trong nhưng năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sangmột bước ngoặt mới Quá trình chuyển đổi từ công nghệ tương tự sang côngnghệ số Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu củachương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệtrộng rãi cho các thiết bị truyền hình Trong một số ứng dụng, tín hiệu số đượcthay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được cácchức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khóthực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiềulần mà không làm giảm đi chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải trong tất cảcác trường hợp, tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn so với tín hiệutương tự Mặc dù vậy xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyềnhình trên thế giới, nhằm đạt được một sự thống nhất chung, là một hệ thốnghoàn 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, tạonên một cuộc cách mạng thực sự trong công nghiệp truyền hình.

Đối với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên môi trường

số sẽ làm giảm việc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp cácứng dụng Internet cho thuê bao và mở ra một lĩnh vực mới, các cơ hội mới vềthương mại, Nhiều dịch vụ mới trên cơ sở truyền hình số sẽ được hình thành:

Truy cập Internet tốc độ cao

Chơi Game và giải trí trên mạng

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

Cung cấp các dòng video và audio

Dịch vụ thanh toán tiền tại nhà (home banking)

Các dịch vụ thương mại điện tử

1.1.1 Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống truyền hình số

Mã hóa tín hiệu Mã hóa kênh Biến đổi tín hiệu

Kênh truyền hình

Biến đổi tín hiệu Giải mã tín hiệu Giải mã kênh

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ được tiếp nhận tín hiệu truyềnhình tương tự Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biếnđổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số Các tham số

và đặc trưng 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 mãhoá nguồn, tại đây tín hiệu truyền hình có tốc độ dòng bít cao sẽ được nénthành dòng bít có tốc độ thấp hơn, phù hợp cho từng ứng dụng Dòng bít tại

đầu ra bộ mã hoá nguồn được đưa tới thiết bị phát (mã hoá kênh thông tin vàđiều chế tín hiệu) truyền tới bên thu qua kênh thông tin.

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoákênh Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót trong tín hiệu, trong kênhthông tin khi tín hiệu truyền 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 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 Khitín hiệu số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi

là bộ điều chế và giải điều chế Khái niệm mã hóa trong kênh được phổ biếnkhông những trong đường thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thốngtruyền 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 lý tại phiá phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi truyềnhình số thành tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số sẽ trựctiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình

1.1.2 Đặc điểm của truyền hình số

Truyền hình số có những ưu điểm sau:

 Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio (trung tâmtruyền hình) mà tỉ số S N không giảm (biến đổi chất lượng cao) Trongtruyền hình tương tự thì việc này gây ra méo tích lũy ( mỗi khâu xử lýđều gây méo )

 Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chấtlượng không bị giảm

 Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nhờ máy tính

 Có khả năng lưu tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản vàsau đó đọc nó với tốc độ tùy ý

 Khả năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mãsửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ )

 Dễ tạo dạng lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệtruyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, dể thực hiện những kỹxảo trong truyền hình.

 Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng và không cần điềuchỉnh các thiết bị trong khi khai thác

 Có khả năng xử lý nhiều lần đồng thời một số tín hiệu (nhờ ghép kênhphân chia theo thời gian)

 Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường Hiện tượng bóng mathuờng xảy ra trong hệ thống truyền hình tương tự do tín hiệu truyềnđến máy thu theo nhiều đường.Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệthống thông tin số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hìnhquảng bá

 Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệnén có thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được

sự suy giảm chất lượng Từ đó có thể truyền được nhiều chương trìnhtrên một kênh sóng, trong khi truyền hình tương tự mỗi chương trìnhphải dùng một kênh sóng riêng

 Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin 2chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm Do sựphát triển của công nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác ngàycàng phong phú đa dạng và ngày càng mở rộng

Tuy nhiên truyền hình số cũng có những nhược điểm đáng quan tâm:

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

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

 Chất lượng phục vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùngphục vụ

Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống

đo kiểm tra tương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đokiểm tra tín hiệu chuẩn Sau đây là một số đặc điểm của thiết bị truyền hình

số so với truyền hình tương tự

a Yêu cầu về băng tần

Đối với tín hiệu số tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu bằng bốn lần tấn sốsóng mang màu như đối với hệ NTSC là 14,4MHz nếu thực hiện mã hoá vớinhững mã 8 bit, tốc độ bit sẽ là 115,2 Mbit/s độ rộng băng tần khoảng 58MHz Trong khi đó, tín hiệu tương tự cần một băng tần 4,3 MHz Nếu cóthêm các bit sửa lỗi yêu cầu băng tần sẽ phải tăng lên nữa Tuy nhiên trongthực tế băng tần này không phải chỉ dùng cho tín hiệu hình ảnh ngược lại vớidạng số khả năng cho phép giảm độ rộng tần số là rất lớn Với các kỹ thuậtnén băng tần tỷ lệ đạt được có thể lớn hơn Với kỹ thuật nén băng tần tỷ lệ đạtđược có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hìnhảnh như sự lặp lại, khả năng dự báo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băngtần tín hiệu

 Đối với tín hiệu số nhiễu là các bit lỗi được khắc phục bằng mạch sửalỗi Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảmbằng cách che lỗi, tỷ số S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổitrừ trường hợp tỷ lệ lỗi quá lớn làm cho mạch sữa lỗi mất tác dụng khi

đó dòng bit không còn ý nghĩa tin tức

c Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi vàtruyền cũng như đối với tỷ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghiđọc chương trình nhiều lần đặc biệt với các hệ thống truyền hình nhạy cảmvới các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC.

d Chồng phổ

Một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều ngang và chiều dọc nên cókhả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng Theo chiều dọc, chồng phổtrong hệ thống tương tự và số là như nhau Độ lớn của méo chồng phổ theochiều ngang phụ thuộc vào thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giớihạn Nyquist Để ngăn ngừa hiện tượng chồng phổ theo chiều ngang có thểthực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu bằng hai lần tần số cao nhất trong

f Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở mộtkhoảng 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 xoá và xung đồng bộ bằng các từ mã - nơi mà hệthống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớn nhất Việc giảm khoảng cách giữacác trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, tạo cơ hội chonhiều trạm phát hình có thể phát các chương trình với độ phân giải cao

g Hiệu ứng ghost (bóng ma)

Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đếnmáy thu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũnglàm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá.

h Giá thành và độ phức tạp

Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn các mạch tương tự, khi mới xuấthiện, giá thành các thiết bị số cao hơn nhiều so với các thiết bị tương tự.Thêm nữa việc thiết lập, sử dụng và duy trì chúng còn khá bỡ ngỡ đối vớinhững người làm chuyên môn Tuy nhiên, các vấn đề này đã nhanh chóngđược thực hiện dễ dàng nhờ sự phát triển của công nghiệp truyền thông sốvafcông nghiệp máy tính Các ngành công nghiệp này đã thúc đẩy sự phát triểncác lực lượng nòng cốt trong lĩnh vực kĩ thuật số Các mạch số thích hợp LSI(Large Scale Integration) và rất lớn VLSI(very Large Scale Integration) xuấthiện làm giảm giá thành trang thiết bị số Kết quả là nhiều hệ thống số này đã

có giá thành rẻ hơn hệ thống tương tự cùng chức năng

1.2 Các hệ thống truyền hình số quảng bá

Truyền hình quảng bá là truyền hình số kết hợp với công nghệ nén sốcho ưu điểm nổi bật là tiết kiệm được bộ nhớ và tiết kiệm kênh truyền Mộtkênh truyền hình quảng bá truyền thống khi truyền tín hiệu truyền hình số cóthể truyền trên 6 chương trình và mỗi chương trình có thể kèm theo 2 đến 4đường tiếng Ứng dụng kỹ thuật truyền hình số có nén có thể truyền mộtchương trình truyền hình độ phân giải cao HDTV trên một kênh thông thường

có băng thông (6-8)MHz, điều mà kỹ thuật tương tự không thể giải quyết được.Truyền hình số có nén được sử dụng rộng rãi cho nhiều cấp chất lượngkhác nhau Từ SDTV có chất lượng tiêu chuẩn đến HDTV có chất lượng caovới tốc độ bít từ 5-24Mb/s, được truyền dẫn và phát sóng qua cáp, qua vệ tinh

và trên mặt đất Có rất nhiều tiêu chuẩn nén dùng cho truyền hình số:

MPEG-1, 2, 3, 4, 7…(Moving Picture Experts Group)

Việc phát chương trình quảng bá truyền hình số (digital videobroadcasting DVB) chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG - 2, nó có phương

thức sửa mã sai; căn cứ vào các chương trình multimedia, sẽ chọn lựa cácphương thức điều chế tương ứng và biên mã của các đường thông tin.

Hiện nay có ba tiêu chuẩn truyền hình số có nén dùng trong truyền dẫn

và phát sóng là DVB (châu Âu), ATSC (Mỹ), ISDB - T (Nhật), trong đó DVB

tỏ ra có nhiều ưu điểm và có khoảng 84% số nước trên thế giới, trong đó có

VN lựa chọn sử dụng

1.2.1 Hệ thống truyền hình số hữu tuyến (truyền hình cáp) DVB-C

Hệ thống truyền hình cáp - CATV - xuất hiện vào những năm cuối củathập niên 40 Đây là một hệ thống truyền hình có khả năng phục vụ cho mộtkhu vực tập trung đông dân cư, nơi khó có thể nhận được tín hiệu truyền hình

từ các máy thu hình đặt trong các nhà riêng do khoảng cách tới đầu phát quá

xa hay do sự ảnh hưởng của đồi núi.Vì vậy cần thiết lập các anten đặt tại cácđiểm phù hợp để có thể thu được tín hiệu truyền hình đảm bảo chất lượng vàtruyền qua đường cáp phục vụ cho một nhóm dân cư nào đó

Nhờ sự phát triển của hệ thống chuyển tiếp viba, rất nhiều dịch vụ đã rađời có khả năng phục vụ tốt cho một khu vực như trên Vào cuối những năm

70 vệ tinh viễn thông ra đời cho phép hệ thống truyền hình cáp nhận được tất

cả các chương trình truyền hình trên toàn thế giới Đồng thời dung lượng kênhtruyền cũng tăng lên đáp ứng được nhu cầu của cả một thành phố rộng lớn

Hệ thống cung cấp tín hiệu truyền hình số qua mạng cáp, sử dụng cáckênh cáp có dung lượng 7 Mhz đến 8 Mhz và phương pháp điều chế 64QAM DVB - C có mức SNR cao và điều biến kí sinh thấp

Tốc độ bit lớp truyền tải MPEG – 2 tối đa là 38,1 Mbps

1.2.2 Hệ thống truyền hình số mặt đất

DVB-T: Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộngkênh 7-8MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s.Người ta sử dụng phương pháp điều chế số mã hoá ghép kênh theo tần số trựcgiao COFDM do sự truyền tải của hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt

đất tương đối đặc biệt, có hiện tượng phản xạ tín hiệu nhiều lần, can nhiễu rấtnghiêm trọng.

Tín hiệu truyền dẫn được tổ chức thành các khung Mỗi khung gồm 68symbol OFDM Các symbol này có thể chứa dữ liệu và thông tin tham chiếu.1.2.3 Hệ thống truyền hình số vệ tinh

Truyền hình qua vệ tinh là một phương pháp phủ sóng có hiệu quả hơn

so với các phương pháp khác Truyền hình qua vệ tinh có những ưu điểm màcác hệ thống phát sóng truyền hình khác không thể có được

- Một đường truyền vệ tinh có thể truyền đi các tín hiệu với khoảngcách rất xa như vậy có thể đạt hiệu quả cao cho các đường truyền dài cũngnhư cho dịch vụ điểm - điểm

- Đường truyền vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình vìmôi trường truyền dẫn ở rất cao so với bề mặt của quả đất

- Việc thiết lập một đường truyền qua vệ tinh được thực hiện trong thờigian ngắn, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thu thập tin tức

Trong truyền hình vệ tinh điều quan trọng nhất được chú ý là số kênh vệtinh được thiết lập dành cho chương trình truyền hình Các chương trình này

có thể phục vụ cho hệ thống CATV hay truyền hình quảng bá Trong truyềnhình vệ tinh quảng bá, một số kênh về vệ tinh được dùng cho các chươngtrình cố định

Khác với các phương pháp truyền dẫn khác như truyền hình mặt đất haytruyền hình cáp, phương pháp truyền dẫn qua vệ tinh cũng có nhưng đặc điểmriêng phụ thuộc vào mục đích truyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh Do đặc điểmtruyền dẫn tín hiệu qua vệ tinh là truyền dẫn tín hiệu trong tầm nhìn thẳng, hệ

số định hướng của anten lớn, tín hiệu ít bị ảnh hưởng của phản xạ nhiềuđường Tuy nhiên do cồng suất vệ tinh la hữu hạn, đồng thời cự ly thông tinlớn, suy hao đường truyền lớn, dễ bị ảnh hưởng của mưa nhất là băng tần Ku

vì vậy tỷ số C/N của đường truyền không cao so với các phương pháp truyềndẫn khác Chính vì vậy hiệu suất sử dụng băng thông không cao Hệ thống

truyền hình số qua vệ tinh hiện nay sử dụng hầu hết theo tiêu chuẩnEN300421 của tổ chức phát thanh truyền hình châu Âu DVB.

Hệ thống truyền tải qua vệ tinh Bề rộng băng thông mỗi bộ phát đáp từ

Mã hóa kênh

Mã hóa kênh

Điều chế QAM

Điều chế QPSK

Điều chế COFDM

1.3 Các tiêu chuẩn nén trong truyền hình số

Với công nghệ hiện nay, các thiết bị đều có dải thông nhất định Cácdòng số tốc độ cao yêu cầu dải thông rất rộng vượt quá khả năng cho phépcủa thiết bị Nói một cách sơ bộ, nén là quá trình làm giảm tốc độ bít của cácdòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn đảm bảo chất lượng của hình ảnh hoặc âmthanh cần truyền tải

Bản chất của nén video là quá trình trong đó lượng dữ liệu (data) biểudiễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cáchloại bỏ những tín hiệu dư thừa trong tín hiệu video Các chuỗi ảnh truyền hình

có nhiều phần tử giống nhau Vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu

dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin hình ảnh đó Đó là quá

trình xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùngảnh nền giống nhau hoặc khác nhau rất ít Thường thì chuyển động trong ảnhtruyền hình có thể dự báo, do đó chỉ cần truyền các thông tin chuyển động.Các phần tử lân cận trong ảnh giống nhau do đó chỉ cần truyền các thông tinbiến đổi Các hệ thống nén sử dụng sử dụng đặc tính này của tín hiệu video vàcác đặc trưng của mắt người (kém nhạy sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết

mà các phần tử chuyển động) Quá trình sau nén là giãn ảnh để tạo lại ảnh gốchoặc một ảnh xấp xỉ ảnh gốc

Giải mã Biến đổi ngược

Hình 1.3 Sơ đồ khối quá trình nén và giải nén

 Biến đổi: Một số phép biến đổi và kỹ thuật được sử dụng để loại bỏtính có nhớ của nguồn dữ liệu ban đầu, tạo ra một nguồn dữ liệu mới tươngđương chứa lượng thông tin ít hơn Ví dụ như kỹ thuật tạo sai số dự đoántrong công nghệ DPCM hay phép biến đổi cosin rời rạc củ công nghệ mã hóachuyển đổi Các phép biến đổi phải có tính thuận nghịch để có thể khôi phụctín hiệu ban đầu nhờ phép biến đổi ngược

 Mã hóa: Các dạng mã hóa được lựa chọn sao cho có thể tận dụngđược xác suất xuất hiện của mẫu Thông thường sử dụng mã RLC ( mã hóaloạt dài ) và mã VLC Gắn cho mẫu xác suất xuất hiện cao từ mã có độ dàingắn sao cho chứa một khối lượng thông tin nhiều nhất với số bit truyền tải ítnhất mà vẫn đảm bảo chất lượng yêu cầu

1.3.1 Nén video theo tiêu chuẩn MPEG

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

Bảng 1.1. Khái quát các tiêu chu n nén ẩn nén

CCITT T.4CCITT 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

là MPEG

1.3.1.1 Khái niệm và phân loại

Nén tín hiệu video theo chuẩn MPEG ( Moving Picture Experts Group )

là phương pháp nén ảnh động không những làm giảm dư thừa không gian màcòn làm giảm dư thừa thời gian giữa các khung ảnh

Chuẩn MPEG định nghĩa một khái niệm mới là nhóm các khung ảnh(GOP) để giải quyết dư thừa thời gian và cho phép truy xuất ngẫu nhiên khi

mã hóa MPEG dùng để lưu trữ Trong chuẩn MPEG, người ta quy định baloại khung ảnh phụ thuộc vào phương pháp nén: nén trong khung ảnh, nénước đoán và nội suy hai chiều theo thời gian

Chuẩn nén MPEG bao gồm các tiêu chuẩn nén video có tốc độ luồng bitkhác nhau

 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, làchuẩn nén ảnh động và âm thanh Nó cung cấp một dải các ứng dụng như: lưutrữ số liệu, truyền hình quảng bá và truyền thông

 MPEG – 3: Tiêu chuẩn nén tín hiệu số xuống còn  50 Mbps đểtruyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao (HDTV) Sau đó nhập chungvào MPEG – 2 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế MPEG – 2 vào tháng 11 –

1994 (ISO/IEC 1381)

 MPEG – 4: Là sự hợp nhất cung cấp cho rất nhiều ứng dụng truyềnthông, truy cập, điều khiển dữ liệu âm thanh số như: Điện thoại hình, thiết bịđầu cuối đa phương tiện (Multimedia), thư điện tử và cảm nhận từ xa MPEG-

4 cho khả năng truy cập rộng rãi và hiệu suất nén cao

 MPEG – 7: Chuẩn này được đề nghị vào tháng 7 – 1998 và thànhchuẩn quốc tế vào 9 – 2001 Là chuẩn mô tả thông tin của rất nhiều loại đaphương tiện Mô tả này sẽ kết hợp với chính nội dung của nó cho phép khảnăng tìm kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng Chính vì vậyMPEG – 7 được gọi là giao thức mô tả nội dung đa phương tiện

1.3.1.2 Các cấu trúc ảnh

MPEG định nghĩa các loại ảnh khác nhau cho phép sự linh hoạt để cânnhắc giữa hiệu quả mã hóa và truy cập ngẫu nhiên Các loại ảnh đó như sau:

 Ảnh loại I (Intra-picture)

Là ảnh được mã hóa riêng, tương tự như việc mã hóa ảnh tĩnh trongJPEG Ảnh I chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toàn bộ hình ảnh vì chúng đượctạo thành bằng thông tin của chỉ một ảnh và để dự báo cho ảnh B,P Ảnh Icho phép truy cập ngẫu nhiên, tuy nhiên cho tỷ lệ nén thấp nhất

 Ảnh loại P (Predicted-picture)

Là ảnh được mã hóa có bù chuyển động từ ảnh I hoặc ảnh P phía trước.Ảnh P cung cấp cho hệ số nén cao hơn ảnh I và có thể sử dụng làm một ảnh

so sánh cho việc bù chuyển động cho các ảnh P và B khác

 Ảnh loại B (Bi-directional predicted picture)

Là ảnh được mã hóa sử dụng bù chuyển động từ các ảnh I hoặc P ở phíatrước và ở phía sau Ảnh B cho tỷ lệ nén cao nhất

 Ảnh loại D (Dc-coded picture)

Là ảnh được sử dụng trong MPEG-1 và MPEG-4 nhưng không được sửdụng trong MPEG-2 Nó giống như ảnh I, tuy nhiên chỉ có thành phần mộtchiều ở đầu ra DCT được thể hiện Nó cho phép dò tìm nhanh nhưng chấtlượng ảnh thấp

Đối với chuẩn MPEG, chất lượng ảnh không những phụ thuộc vào tỷ lệnén trong từng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh.Nhóm ảnh (GOP-Group of picture) là khái niệm cơ bản của MPEG Nhómảnh là đơn vị mang thông tin độc lập của MPEG

MPEG sử dụng ba loại ảnh I, B, P Trong đó, ảnh P, B không phải là mộtảnh hoàn chỉnh mà chỉ chứa sự khác biệt giữa ảnh đó và ảnh xuất hiện trước

nó (đối với ảnh P) hay sự khác biệt đối với cả khuôn hình xuất hiện trước vàsau nó (đối với ảnh B) Để có một khuôn hình hoàn chỉnh ảnh P và B cần có

dữ liệu từ các ảnh lân cận, chính vì vậy đối với MPEG một khái niệm mới là

GOP (nhóm ảnh) được sử dụng Mỗi GOP bắt buộc phải bắt đầu bằng mộtảnh hoàn chỉnh I và tiếp sau nó là một loại các ảnh P và B Nhóm ảnh có thể

mở (Open) hoặc đóng (Closed)

Nhóm ảnh mở luôn bắt đầu từ một ảnh I và kết thúc ở một ảnh trước ảnhtrước ảnh I tiếp theo, tức là ảnh cuối cùng của GOP dùng ảnh đầu tiên củaGOP tiếp theo làm ảnh chuẩn

Thứ tự hiện …….

Thứ tự truyền ….

Ảnh ……….

1 1 I

2 3 B

3 4 B

4 2 P

5 6 B

6 7 B

7 5 I

GOP

Hình 1.5 Cấu trúc GOP mở

Trong Hình 1.5, ảnh P (ảnh 4) được dự báo trước trên cơ sở ảnh I (ảnh1) Ảnh B được dự đoán từ hai hướng, ảnh B (ảnh 2) và ảnh B (ảnh 3) được

dự đoán từ hai ảnh I (ảnh 1) và ảnh P (ảnh 4) Ảnh B (ảnh 5,6) được dự đoán

từ ảnh P (ảnh 4) và ảnh I tiếp theo (ảnh 6) Một điều chú ý là thứ tự truyềnảnh và hiện ảnh trên màn hình là không giống nhau

Đối với cấu trúc khép kín (đóng), việc dự đoán ảnh không sử dụng thôngtin của GOP khác Trong trường hợp này, theo quy định, ảnh cuối cùng củamột GOP bao giờ cũng là ảnh P

Thứ tự hiện …….

Thứ tự truyền ….

Ảnh ……….

1 1 I

2 3 B

3 4 B

4 2 P

GOP

Hình 1.6 Cấu trúc GOP đóng

Nhóm ảnh được xác định bởi hai thông số m và n Thông số m xác định

số khung hình P và khung hình B xuất hiện giữa hai khung hình I gần nhaunhất Số n xác định số khung hình B giữa hai khung hình P

Tỷ lệ nén video của MPEG phụ thuộc rất nhiều vào độ dài của GOP.Tuy nhiên, GOP dài thường gây khó khăn cho quá trình tua, định vị, sửa lỗi

Do đó tùy thuộc vào từng khâu (sản xuất, dựng hình, truyền dẫn, phát sóngv v) mà ta chọn độ dài GOP thích hợp Trong sản xuất hậu kỳ, nếu có yêucầu truy cập ngẫu nhiên vào bất cứ ảnh nào, điều đó cũng có nghĩa là yêu cầudựng chính xác đến từng ảnh, GOP đương nhiên sẽ phải chỉ có duy nhất ảnh

I Trong trường hợp này, tỷ lệ nén sẽ đạt rất thấp Để tăng tỷ lệ nén cho truyềndẫn và phát sóng, trong GOP số lượng ảnh P, B sẽ phải tăng lên Lúc nàykhông cho phép việc dựng hình cũng như làm các kỹ xảo trên chuỗi hình ảnh

đó Trong trường hợp này ta có thể có GOP gồm 12 ảnh

1.3.1.3 Bộ mã hóa MPEG

Quá trình nén theo chuẩn MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nénliên ảnh Tín hiệu đầu vào có dạng 4:2:2 hoặc 4:2:0 được nén liên ảnh nhằmtạo ra ảnh khác biệt ở đầu ra bộ cộng Ảnh khác biệt này sau đó được néntrong ảnh qua các bước: biến đổi DTC, lượng tử hóa, mã hóa Cuối cùng ảnh

này được trộn với véc tơ chuyển động đưa đến bộ khuếch đại đệm sẽ thuđược ảnh đã nén

Tốc độ bit của tín hiệu video không được nén cố định, phụ thuộc nộidung ảnh đang xét Ngược lại, tại đầu ra bộ mã hóa, dòng bit phải cố định đểxác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền Do đó, tại đầu ra bộ mã hóa phải

có bộ nhớ đệm đủ lớn Bộ mã hóa phải kiểm tra trạng thái đầy của bộ nhớđệm Khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần đạt cực đại, thì các hệ số biến đổiDCT ngược được lượng tử hóa ít chính xác hơn Ngược lại thì việc lượng tửhóa các hệ số sẽ tăng lên

1.3.1.4 Quá trình giải mã

Quá trình giải mã theo lí thuyết, là quá trình ngược với quá trình mã hóa

và được minh họa như hình sau:

Tái lập trật tự khung ảnh

Hệ số DCT

Các véc tơ chuyển động

Hình 1.7 Bộ giải mã MPEG tiêu biểu

Chuỗi tín hiệu vào được giải mã entropy tại VLD Sau đó tách số liệu ảnh(hệ số biến đổi DCT) ra khỏi các véc tơ chuyển động Số liệu sẽ được giảilượng tử hóa và biến đổi DCT ngược Trong trường hợp ảnh loại I bắt đầu ởmỗi nhóm ảnh trong chuỗi, sẽ nhận được ảnh đầu ra hoàn chỉnh bằng cách trên

Nó được lưu trong bộ nhớ ảnh và được sử dụng để giải mã các ảnh tiếp theo.1.3.2 Nén video theo MPEG – 1

1.3.2.1 Tiêu chuẩn nén video MPEG-1

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 chứathông tin 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 cácđiểm ảnh) Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản), ảnh videochuyển động có khả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyềnthông Chúng có thể được lưu 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 đógiải nén nhiều lần để truy cập thông tin Ví dụ trò chơi game

- Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén phải công bằngvới 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 cậpngẫu nhiên (Random Access) Cách thức mã hoá tốt nhất cho truy cập ngẫunhiên là mã hoá Intraframe đơn thuần Song do sự dư thừa thông tin về thờigian chưa được loại bỏ nên hiệu suất nén rất thấp Do vậy trong tiêu chuẩnnén MPEG-1, có sự cân bằng giữa nén trong ảnh (Intraframe) và nén liên ảnh(interframe) bằng cách sử dụng các công nghệ sau:

1.3.2.2 Tham số theo chuẩn nén MPEG – 1

Các tham số chính của chuẩn MPEG – 1 được minh họa theo bảng

Bảng 1.2 Tham số theo chuẩn nén MPEG – 1 [2]

Tín hiệu mã hóa Cấu trúc lấy mẫu Kích thước ảnh tối đa (điểm ảnh X điểm ảnh)

Biểu diễn mẫu

Độ chính xác của lượng tử hóa và DTC

Phương pháp lượng tử hóa hệ số DC

Cấu trúc khối trong quá trình lượng tử hóa

thích nghi

Độ chính xác cực đại của hệ số DC

Biến đổi VLC Bảng VLC

Hệ số cân bằng các khối

Bù chuyển động Quét

Độ chính xác dự đoán chuyển động

Tốc độ khi nén

Y và Cr, Cb 4:2:0

4095 X 4095

8 bit

9 bit DPCM tuyến tính

16 X 16 bit

8 bit

Mã Huffman Không thể truyền tải

Có thể biến đổi Trong khung hình và giữa các

khung hình Tuần tự

½ điểm ảnh 1,85 Mbps cho nén tham số

100 Mbps cho dòng đầy đủ tham

số

1.3.3 Nén video theo MPEG – 2

1.3.3.1 Tiêu chuẩn nén video MPEG-2 [2]

Tiêu chuẩn MPEG-2 còn được gọi là ISO/IEC 13818 là sự phát triển tiếptheo của MPEG-1 ứng dụng cho độ phân giải tiêu chuẩn của truyền hình doCCIR - 601 quy 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 tracác yêu cầu của MPEG-2

So với MPEG-1, MPEG-2 có nhiều cải thiện, ví dụ về kích thước hìnhảnh và độ phân giải ảnh, tốc độ bít tối đa, tính phục hồi lỗi, khả năng co giãndòng bít Khả năng này cho phép khả năng giải mã một phần dòng bít mã hoá

để nhận được ảnh khôi phục có chất lượng tuỳ theo mức độ yêu cầu

1.3.3.2 Đặc điểm chủ yếu của MPEG-2

 Hỗ trợ nhiều dạng thức video, đặc biệt là các dạng thức video độ phângiải không 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 hiệnqua 4 hình thức tương hợp:

+ Tương hợp thuận: Bộ giải mã MPEG-2 có khả năng giải mã dòngbít (hoặc một phần dòng bít MPEG-1)

+ Tương hợp ngược: Bộ giải mã MPEG-1 có khả năng giải mã đượcmột phần dòng bít MPEG-2

+ Tương hợp lên: Bộ giải mã độ phân giải cao có khả năng giải mãđược dòng bít có độ phân giải thấp

+ Tương hợp xuống: Bộ giải mã độ phân giải thấp có thể giải mãđược 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:

+ Cho phép sử dụng nhiều cấu trúc lấy mẫu: 4:4:4, 4:2:2,4:2:0

+ Hệ số DC được mã hoá với độ chính xác đặc biệt

+ Cho phép cả hai dạng quét: quét xen kẽ và quét liên tục

 Simple Profile (profile đơn giản): có số công cụ thấp nhất, sử dụng tốc

độ bit thấp và không dùng B frame Nó tương đương với đặc điểm kỹthuật MPEG-1

 Main Profile (profile chính): có tầm ứng dụng khá rộng Nó rất quantrọng vì đáp ứng được độ phân giải đối với truyền hình quy ước Nócho chất lượng ảnh tốt hơn với cùng một tốc độ bít so với low profilenhưng thời gian trì hoãn khi mã hóa và giải mã tăng lên

 SNR scalable profile (profile phân cấp theo SNR): có các công cụ củamain profile và cho phép phân cấp tỉ số tín hiệu trên tạp âm Chuỗi ảnh có thểchia thành hai phân lớp phân biệt nhau về chất lượng Các lớp thấp bao gồmcác ảnh có chất lượng cơ sở, lớp cao

 Bao gồm các lớp hoàn thiện hơn, cho phép khôi phục ảnh chất lượng tốt hơn

 Spatially scalable profile (phân cấp theo không gian): tương tự như SNRprofile nhưng thêm vào lớp cơ bản lớp nâng cao chất lượng độ phân giải ảnh

 High profile (profile cao): nó bao gồm toàn bộ các công cụ củaspatially scalable profile cộng thêm khả năng mã hóa nhiều tín hiệu khác nhaucùng một lúc Nó được dự định dùng cho HDTV, cho phép các bộ thu HDTVgiải mã cả hai lớp để hiện thị một ảnh HDTV Đây là một hệ thống hoàn hảođược thiết kế cho toàn bộ ứng dụng mà không hạn chế tốc độ bit

Bảng 1.3 Các level và profile của MPEG - 2

Level Profiles

Đơn giản( simple )4:2:0

Chính( Main )4:2:0

Phân cấp theo SNR4:2:0

Phân cấp theo không gian4:2:0

Cao4:2:2

 Main level (mức chính): Độ phân giải của truyền hình tiêu chuẩn

 High – 1440 level (mức cao 1440): Độ phân giải của HDTV với 1440mẫu/dòng

 High level (mức cao): Độ phân giải HDTV với 1920 mẫu/dòng

1.3.3.4 Cấu trúc các lớp trong MPEG – 2

Định dạng nguồn Định dạng thức nguồn

Đa hợp dòng PS

Đa hợp dòng TS

Giải mã đa hợp dòng PS

Giải mã đa hợp dòng TS

Lớp hệ

thống

Lớp nén

Tín hiệu video, audio, data

Hình 1.8 Cấu trúc các lớp trong MPEG – 2

 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, audiođộc lập được mã hoá MPEG – 2 để tạo ra các dòng độc lập gọi là dòng cơ bản

 Lớp hệ thống: Định nghĩa tổ hợp các dòng bít audio và video riêngbiệt thành một dòng đơn để lưu trữ (dòng chương trình PS) hay truyền tải(dòng truyền tải TS), như mô tả ở hình 1.18 Hệ còn gồm cả thông tin đồngthời và thông tin khác cần cho giải đa hợp audio, video và để đồng bộ audio –video ở phía giải mã; thông tin chuẩn đồng hồ hệ thống (system clockreference SCR) và nhãn thời gian trình diễn (presentation time stamp PTS)được chèn vào dòng bít MPEG

Chuẩn MPEG định nghĩa một hệ thống ba dòng data có thứ bậc: dòng sơcấp đã đóng gói, dòng chương trình và dòng truyền tải

 Dòng sơ cấp đã đóng gói PES: Qua bộ đóng gói, dòng sơ cấp đượcchia thành các gói có độ dài tuỳ ý Nội dung gói có nguồn gốc từ một haynhiều dòng sơ cấp, dòng audio hay dòng video đã được mã hoá

 Dòng chương trình: Các gói PES có nguồn gốc từ 1 hay nhiều dòng sơcấp dùng chung gốc thời gian như là dòng audio, data, được ghép thành mộtdòng chương trình PS như các lô (pack) có tính lặp lại Trong phần headercủa lô, SCR đảm bảo các gói audio và video được định thời Đó là tín hiệuthời gian thực chỉ báo thời gian truyền lô đó Các lô PS có độ dài tuỳ ý Sốlượng và trình tự các gói trong lô không được định nghĩa, nhưng các gói đượcgửi theo trình tự thời gian Một PS có thể mang tới 32 dòng audio, 16 dòngvideo, tất cả đều có chung gốc thời gian PS nhạy với lỗi và được dùng trongghi hình đa phương tiện và phân phối nội bộ, trong các ứng dụng có sai sốtruyền có thể bỏ qua

Hình 1.9 Cấu trúc PS

Hình 1.10 Cấu trúc gói dòng truyền tải TS

 Dòng truyền tải TS: Có thể tạo thành từ tổ hợp một hay nhiều dòng PS

có gốc thời gian độc lập nhau hoặc từ một tổ các PES như ở hình 1.10 Tuynhiên, PS không phải là một bộ con của TS, do TS không chứa tất cả thôngtin bán ảnh chương trình Khi trích PS từ TS phải thu được vài thông tin trêncác gói PES có nguồn gốc từ một hay nhiều dòng sơ cấp ES dùng chung gốcthời gian hay gốc thời gian khác nhau như dòng audio, video, và data đượcphép ghép thành một dòng tải trên TS gồm các gói truyền tải kích cỡ nhỏmang tính lặp lại, như hình 1.10 Một hay nhiều PS có clock chuẩn khác nhaucũng có thể ghép thành một TS qua sự chuyển đổi trong gói PES

1.3.4 Nén video theo MPEG – 4

MPEG-4 bao gồm 2 phần là version 1và version 2 Bắt đầu từ năm 1993

và hình thành các đề nghị vào tháng 7 năm 1995 Các đề nghị về audio vàvideo được đánh giá bởi các chuyên gia và đưa ra bản thảo vào tháng 11 năm

1997 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC vào năm 1999 Năm 2000MPEG-4 được bổ xung và nâng cấp lên thành các version 3 và 4

Đặc điểm chính của MPEG-4 là mã hóa video và audio với tốc độ bitrất thấp Thực tế tiêu chuẩn đưa ra với 3 dãy tốc độ bit

MPEG-4 là chuẩn quốc tế đầu tiên dành cho mã hoá các đối tượng(object) video Với độ linh động và hiệu quả do mã hoá từng đối tượng video,MPEG-4 đạt yêu cầu ứng dụng cho các dịch vụ nội dung video có tính tươngtác và các dịch vụ truyền thông video trực tiếp hay lưu trữ Trong MPEG-4,khung ảnh của một đối tượng video (hay còn gọi là phẳng đối tượng video)được mã hoá riêng lẽ Sự cách ly các đối tượng video như vậy mang đến độmềm dẻo hơn cho việc thực hiện mã hoá thích nghi làm tăng hiệu quả néntính hiệu Mặc dù tập trung vào những ứng dụng tốc độ bit thấp nhưngMPEG-4 cũng bao gồm cả studio chất lượng cao và HDTV

Ba đặc tính rất quan trọng của MPEG-4 là:

MPEG-4 cho khả năng mã hóa video và audio hơn hẳn MPEG-2 cũngnhư khả năng khôi phục lỗi Tuy nhiên sức mạnh thật sự của MPEG-4 là cácứng dụng mới mà có thể xây dựng dựa vào việc mã hóa độc lập các objectcho hiệu suất mã cao hơn, và việc tách riêng các object cho phép tương táccác object với nhau đặc biệt là các chương trình giáo dục và các trò chơi Vàcũng do khả năng tách biệt các object mà có thể thay đổi tỷ lệ tạm thời chẳnghạn như vẫn duy trì độ phân giải của các object cận cảnh quan trọng nhưnggiảm ảnh phong xuống tốc độ thầp hơn nếu hệ thống sử dụng có băng thông

bị hạn chế hoặc thiếu tài nguyên (bộ nhớ, tốc độ tính)

Tuy nhiên cũng có một số nhược điểm là bộ giải mã phải có khả nănggiải mã hết tất cả các luồng bit mà nó hổ trợ và có khả năng kết hợp Do đóphần cứng của bộ giải mã MPEG-4 phức tạp hơn so với bộ giải mã MPEG-2

Và ngày nay thì càng có nhiều bộ mã thực hiện giải mã bằng phần mềmnhưng bộ giải mã bằng phần cứng có thể bị hạn chế về khả năng linh hoạt

Ở chương đầu tiên, em đã trình bày tổng quan về truyền hình kỹ thuật số,những vấn đề về kỹ thuật nén tín hiệu trong truyền hình số, một số tiêu chuẩnnén cụ thể Đó là những nền tảng lý thuyết quan trọng để sử dụng trong nhữngchương tiếp theo

Chương 2 TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB – T

Chuẩn truyền dẫn truyền hình số (DTV - Digital television) sử dụng quá trình nén và xử lý số để có khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều chương trình

TV trong một dòng dữ liệu, cung cấp chất lượng ảnh khôi phục tuỳ theo mức

độ phức tạp của máy thu

DTV là một sự thay đổi đáng kể trong nền công nghiệp sản suất vàquảng bá các sản phẩm truyền hình Nó mang lại tính mềm dẻo tuyệt vờitrong sử dụng do có nhiều dạng thức ảnh khác nhau trong nén số

Hiện nay trên thế giới tồn tại song song ba tiêu chuẩn truyền hình số.Trong chương này em xin trình bày về tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất theotiêu chuẩn châu âu DVB – T

2.1 Giới thiệu về truyền hình số mặt đất DVB – T

Việc phát triển các tiêu chuẩn DVB đã khởi đầu vào năm 1993 và tiêuchuẩn DVB-T đã được tiêu chuẩn hoá vào năm 1997 do Viện tiêu chuẩntruyền thông châu Âu (ESTI: European Telecommunication StandardsInstitute) Hiện nay tiêu chuẩn này đã được các nước Châu Âu và nhiều nướckhác trên thế giới thừa nhận Năm 2001 đài truyền hình Việt Nam đã quyếtđịnh chọn nó làm tiêu chuẩn để phát sóng cho truyền hình mặt đất trongnhững năm tới DVB là sơ đồ truyền dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2,là mộtphương pháp phân phối từ một điểm tới nhiều điểm video và audio số chấtlượng cao có nén Nó là sự thay thế có tăng cường tiêu chuẩn truyền hìnhquảng bá tương tự vì DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt đểphối hợp video, audio và các dịch vụ dữ liệu Trong truyền hình số mặt đấtkhông thể sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang được vì multipath

sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chỉ tiêu kĩ thuật của truyền sóng mangđơn tốc độ cao vì lý do này OFDM đã được sử dụng cho tiêu chuẩn truyền

hình mặt đất DVB_T DVB-T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào sốsóng mang được sử dụng.

Hệ thống trạm mặt đất DVB- T: Các kênh VHF/UHF của trạm mặt đất lànhững phương tiện quan trọng nhất với việc truyền dẫn tín hiệu số tốc độ cao

vì các thủ tục truyền lại đa đường tạo ra sự dội vang và sự giảm âm thanh củatần số lựa chọn Trễ của việc mở rộng các tín hiệu trong việc truyền lặp là do

sự phản xạ của núi, đồi hay dãy nhà cao … có thể lên tới hàng chục μs Trongs Trongtrường hợp phía thu có thể di chuyển, tín hiệu tín hiệu trực tiếp từ phía phát

có thể bị mất (kênh Rayleigh) do đó bên phía thu buộc phải khai thác nhữngđám mây tín hiệu phản hồi xung quanh vật thể

Bảng 2.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB - T

Số lượng sóng mang con

4464hz7.61MhzT/4, T/8, T/12QPSK, 16-64QAM

6817

s

 896

1116Hz7.61Mhz

T/4, T/8

QPSK, 64QAMKiểu 2K phù hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và cho các mạng SFNloại nhỏ có khoảng cách bộ truyền giới hạn, nó sử dụng 1705 sóng mang con.Kiểu 8K có thể được sử dụng cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như chocác mạng SFN loại nhỏ và lớn; nó sử dụng 6817 sóng mang con Để giảm nhỏảnh hưởng không bằng phẳng của kênh thì dùng nhiều sóng mang càng tốt.Tuy nhiên khi số sóng mang nhiều, mạch sẽ phức tạp hơn, trong giai đoạn đầukhi công nghệ chế tạo chip chưa hoàn thiện các chip điều chế còn đắt người tathường dùng mode 2K vì công nghệ chế tạo chip đơn giản và rẻ hơn

16-Trong mạng đơn tần số (SFN), sự lựa chọn tần số kênh có thể rất quantrọng khi tất cả các máy phát tín hiệu giống nhau ở cùng thời điểm và có thểphát các tín hiệu lặp lại “nhân tạo” trong khu vực dịch vụ (trễ lên đến vài trăm