Cong nghe thong tin CDDHde an tot nghiep dai hoc

Qua việc tìm hiểu về đề tài “ Xử lý tín hiệu trong truyền hình số và ứng dụng ” Em đã tìm hiểu các nguyên lý cơ bản cho hệ thống truyền hình từ việc xử lý các tín hiệu âm thanh, hình ảnh[r]

b¸o c¸o thùc tËp tèt nghiÖp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Xö LÝ TÝN HIÖU

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Phượng

Sinh viên thực hiện : Bùi Thế Anh

Lớp : ĐHLT_ĐTTT_K14C

NỘI DUNG ĐỀ TÀI GỒM CÓ :

 Nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng truyền hình, đưa thông tin chính xác và kịp thời về các lĩnh vực kinh tế, chính trị, văn hóa và xã hội Việt Nam chúng ta đã nghiên cứu triển khai và ứng dụng công nghệ Truyền Hình Số (Digital Broadcasting) vào thực tế Công nghệ này đã khắc phục được các nhược điểm của công nghệ truyền hình tương tự (Analogue

Broadcasting) như ảnh hưởng của thời tiết, hạn chế khoảng cách truyền dẫn, chất lượng tín hiệu….

 Bên cạnh đó cùng với lộ trình xóa bỏ truyền hình tương tự trên cả nước đến năm 2020 thì hầu hết các nhà khai thác, các đài truyền hình đang dần dần số hóa hoàn toàn các kênh chương trình và sử dụng các công nghệ tiên tiến nhất trên thế giới như các kỹ thuật nén tín hiệu âm thanh, hình ảnh, các tiêu chuẩn hình ảnh chất lượng cao SD(Standard Definition), HD(High- definition).

 Trước nhu cầu sử dụng truyền hình nhiều kênh chất lượng cao ngày càng gia tăng ở hầu

khắp các địa phương trong cả nước, với số lượng lớn thuê bao nhanh chóng đạt được.

PHẦN MỞ ĐẦU :

 Tổng Công Ty Truyền Hình Cáp Việt Nam (VTV Cap) – VCTV

 Công ty TNHH Truyền Hình Cáp Saigontourist (SCTV Co.Ltd)

 Công ty TNHH Truyền Hình Số Vệ Tinh Việt Nam (K+)

nghiên cứu trong quá trình thực tập tốt nghiệp

Tại Việt Nam hiện nay có các đơn vị triển khai truyền hình số như sau:

CHÖÔNG I

TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB - T

1.1 Giới thiệu

1.2 Nén và mã hóa

1.3 Điều chế sóng mang tín hiệu số

1.4 Ưu điểm của DVB-T

1.5 Nhược điểm của DVB-T

CÁC PHẦN CỦA CHƯƠNG

 Trong phạm vi phủ sóng chất lượng ổn định, khắc phục được các vấn đề phiền toái như hình ảnh có bóng, can nhiễu, tạp nhiễu , tạp

âm, …+

Hình 1.1 Sơ dồ khối hệ thống thu phát tín hiệu truyền hình số mặt đất

Quá trình phát sóng trên truyền hình trên mặt đất bao gồm

những thành phần sau:

 Biến đổi tín hiệu video và audio thành các dữ liệu số

 Mã hóa nguồn dữ liệu số (source coding) thực hiện nén số ở các tỉ số nén khác nhau Việc nén được thực hiện bằng bộ mã hóa MPEG-2.Việc mã hóa được thực hiện khá phức tạp dựa trên cơ sở nhiều khung hình ảnh chứa

nhiều thông tin với sự sai khác rất nhỏ Do đó, MPEG làm việc bằng cách chỉ gửi đi những sự thay đổi này và dữ liệu lúc này có thể giảm từ 100 đến 200 lần Với audio cũng như vậy, việc nén dựa trên nguyên lý tai người khó phân biệt được âm thanh trầm nhỏ so với âm thanh lớn khi chúng có tần số lân cận nhau và những bit thông tin của âm thanh trầm nhỏ này có thể bỏ đi và không được sử dụng

1.1 giíi thiÖu

 Mã hóa nguồn chỉ liên quan đến các đặc tính của nguồn Phương tiện truyền phát không ảnh hưởng gì đến mã hóa nguồn

 Gói và đa hợp video, audio và các dữ liệu phụ vào một dòng dữ liệu, ở đây là dòng truyền tải MPEG-2.

 Điều chế tín hiệu phát sóng bằng dòng dữ liệu Quá trình này bao gồm cả mã hóa truyền dẫn, mã hóa kênh và các kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi, chống lại các suy giảm chất lượng do fading, tạp

nhiễu,…Thu: mở gói, giải mã, hiển thị hình và tiếng ra máy thu 1.1 giíi thiÖu

1.2 nÐn vµ m· hãa

 Tín hiệu đã được mã hoá và nén thành 1 dòng tín hiệu MPEG-2 (moving pitureepert group chuẩn nén tín hiệu video /audio cua châu âu, sử dụng cho Việt Nam) sẽ đưa đến bộ ghép kênh nhóm chuyên gia MPEG-2 đã định

nghĩa 1 tập các tiêu chuẩn nén các dạng file bao gồm hệ thống đồ hoạ video MPEG-2 tiêu chuẩn nén tín hiệu số MPEG-2 được chấp nhận ở 190 nước và là tiêu chuẩn nén video số…

1.3 ®iÒu chÕ sãng mang tÝn hiÖu sè

 Tín hiệu số là dòng xung vuông biểu hiện giá trị bít “0”

và ”1” để tăng hiệu suất của điều chế, nhiều bít được ghép chung với nhau trong 1 symbol Số lượng bít trong mỗi symbol phụ thuộc vào đặt tính kênh truyền dẫn.

1.3 ®iÒu chÕ sãng mang tÝn hiÖu sè

* Các phương thức điều chế và truyền dẫn tương ứng:

Phương thức điều chế QPSK và QAM:

Hình trên thể hiện khái quát quá trình điều chế và giải điều chế QAM các symbol đầu vào đã được mã hoá mang n bit được biến đổi thành 2 tín hiệu I (đồng pha) Q (lệch pha 90) mỗi tín hiệu được mã hoá mang n/2 bit tương ứng với mỗi tín hiệu sẽ có trạng thái Sau khi thực hiện chuyển đổi số tương tự (DAC) tín hiệu I được điều chế tại 1 đầu ra của bộ dao động tại chỗ và tín hiệu

Q được điều chế tại đầu ra khác và lệch pha 90 với tín hiệu đầu kia kết quả của quá trình này sẽ tạo thành 1 chùm các điểm (chòm sao – contellation) trong hệ toạ độ I/Q

1.3 ®iÒu chÕ sãng mang tÝn hiÖu sè

Bảng 1: Một số mode điều chế QAM:

Bảng 2: Đặc điểm của truyền hình số DVB:

1.4 Ư u ®iÓm cña dvb-t

 Công nghệ DVB-T dã khắc phục hầu hết các nhược điểm của hệ thống phát sóng mặt đất analog.

 Công nghệ DVB-T cho hình ảnh chất lượng cao,

không bóng ma, không hạt không nhiễu

 Công nghệ DVB-T cho phép mở rộng vùng phủ

sóng ổn định

 Công nghệ DVB-T cho phép phát nhiều chương

trình trên 1 máy phát sóng

 Ngoài ra công nghệ DVB-T mở ra khả năng phát

âm thanh chất lượng cao truyền hình âm thanh sẽ

là hifi stereo dolby.

1.5 nh Ưîc ®iÓm cña dvb-t

 Các chương trình phát bằng công nghệ DVB-T vẫn chịu tác động của thời tiết, địa hình và môi trường truyền sóng…

 Ở công nghệ DVB-T, nhiễu không thể hiện trên màn hình

TV (những vệt chấm trắng, vân đen) như ở công nghệ analog, nhưng nó có thể làm giảm chất lượng tín hiệu, làm ảnh hưởng đến việc thu sóng Còn đòi hỏi máy phát hình có công suất lớn.

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VIDEO

2.3 SỐ HÓA TÍN HIỆU VIDEO

2.5. MÃ HÓA KÊNH TRONG TIÊU CHUẨN DVB-T

2.6.BIỂU ĐỒ CHÒM SAO TÍN HIỆU VÀ SỰ ÁNH XẠ BIT

2.1 HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ

2.4 GHÉP ĐA TẦN TRỰC GIAO OFDM TRONG

TRUYỀN HÌNH SỐ DVB-T

CHÖÔNG II

XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ

2.7.MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRUYỀN HÌNH SỐ ĐANG ĐƯỢC

TRIỂN KHAI TẠI VIỆT NAM

2.1 HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được

đưa ra như trên hình 2.1:

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền số

 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Trong thiết bị mã hoá(biến đổi A/D), tín hiệu hình

sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn.

 Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát Sau đó qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị thu cấu tạo

từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát.

 Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự.Hệ thống truyền hình

số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu

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

bộ giải điều chế.

2.1 HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VIDEO

Có 2 PHƯƠNG PHáP BIếN ĐổI VIDEO Là :

 Biến đổi trực tiếp video màu tổng hợp

Tớn hiệu video số tổng hợp thực chất là sự chuyển đổi tớn hiệu video tương

tự tổng hợp sang video số

Hỡnh 2.2 biến đổi A/D tớn hiệu màu tổng hợp

 Biến đổi riêng từng tín hiệu video màu thành phần

Hỡnh 2.3 sơ đồ biến đổi A/D tớn hiệu màu thành phần

 Biến đổi riêng từng tín hiệu video màu thành phần

 Tớn hiệu video số thành phần là sự chuyển đổi từ tớn hiệu video

tương tự thành phần sang số, và được quy định theo tiờu chuẩn

quốc tế CCIR 601 Tớn hiệu video số thành phần cũn gọi là tiờu

chuẩn D-1 hoặc tiờu chuẩn 4:2:2.

 Đối với tiờu chuẩn này tớn hiệu chúi được lấy mẫu với tần số

13,5MHz, hai tớn hiệu màu được lấy mẫu với tần số 6,75 MHz

Mỗi mẫu được lượng tử hoỏ 8/10bit, cho ta tốc độ bit bằng 216/270 Mbit/s lượng tử hoỏ bởi 8 bit cho ta 256 mức và 10 bit cho ta 1024 mức với tỉ số tớn hiệu tạp õm (S/N) cao hơn.

 Biến đổi tớn hiệu thành phần cho ta dũng số cú tốc độ bit cao hơn tớn hiệu số tổng hợp Tuy nhiờn dũng tớn hiệu thành phần số cho phộp xử lý dể dàng cỏc chức năng ghi, dựng, tạo kỹ xảo v.v…Hơn nữa chất lượng ảnh khụng chịu ảnh hưởng can nhiễu chúi màu

như tớn hiệu tổng hợp.

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.1 Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi tương tự

là ngăn ngừa mức chéo

đồng hồ và lấy mẫu

Mạch tạo xung dùng để lấy mẫu

và đồng bộ tất cả các nhân trong mạch ADC

Mạch này có hai nhiệm vụ:

+ Lấy mẫu tín hiệu tương tự tai những điểm khác nhau và cách điều nhau( rời rạc tín hiệu về mặc thời gian)

+Giữ cho biên độ điện áp tại thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình

chuyển đổi tiếp theo Mạch lượng tử hoá

Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lương tử hoá để thực hiện làm tràn với độ chính xác

Mạch lượng tử hoá làm rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt biên độ

hoá

Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá, trong mạch mã hoá, kết quả lượng

tử hoá được nếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu

cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.2 Các phương pháp chuyển đổi tương

tự - số Người ta chia ra làm 4 phương pháp

biến đổi tương tự sang số bao gồm:

- biến đổi song song

- biến đổi nối tiếp theo mã đếm

- biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân

- biến đổi song song – nối tiếp kết hợp.

a, Chuyển đối A/D theo phương pháp song song

Hình 2.5 sơ đồ nguyên lý bộ đối A/D

theo phương pháp song song

Trong phương pháp chuyển đối song song, tín hiệu tương tự U A được đồng thời đưa đến các bộ so sánh S 1 S n như hình 2.8 Điện áp chuẩn U ch được đưa đến đầu vào thứ hai của các bộ so sánh qua thang điện trở R Do đó các điện

áp đặc vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm đên từ S 1 đến S n Đầu ra các

bộ so sánh có đien áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có mức logic “1”, các đầu ra còn lại có mưc logic “0”.

a, Chuyển đối A/D theo phương pháp song song

Hình 2.5 sơ đồ nguyên lý bộ đối A/D theo phương pháp song song

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.2 Các phương pháp chuyển đổi tương

tự - số

Tất cả các đầu ra được nối với mạch “ và”, một đầu mạch

“và” nối với mạch tạo xung nhịp Chỉ khi có xung nhịp đưa đến đầu vào “và” thì các xung trên đầu ra bộ so sánh mới đưa vào mạch nhớ FF ( Flip Flop) Xung nhịp đảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ Bộ nhớ mã hoá biến đối tín hiệu vào dưới dạng mã nhị phân.

Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đối nhanh, vì quá trình so sánh được thực hiện song song , nhưng kết cấu mach phức tạp với số linh kiện rất lớn.

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.2 Các phương pháp chuyển đổi tương

tự - số b, Chuyển đổi A/D nối tiếp dùng vòng hồi

tiếp

Kết quả so sánh được đưa vào một mạch logic đồng thời với tín

hiệu nhịp Tuỳ thuộc vào tín hiệu ra SS, tại những điểm có xung

nhịp, mạch logic sẽ điều khiển bộ đếm sao cho ứng với + A thì bộ

đêm thuận và – A thì bộ đêm ngược Tín hiệu đi được một vòng ứng với chu kỳ của xung nhịp.

Tín hiệu số xác định trong bước so sánh thứ nhất qua DAC sẽ

dẫn ra được một giá trị mới để so sánh với U A trong bước tiếp theo Quá trình này được lặp lại cho đến khi < Lúc đó+ A = -A = 0, do đó mạch đếm giữ nguyên trạng thái và ta nhận được kết quả chuyển đổi chính xác của U A ứng với N bit yêu cầu.

Trong phương pháp nay có mạch đơn giản, các linh kiện được sử dụng lặp lại nhiều lần Mạch làm việc với tốc độ không cao lắm

nhưng chính xác.

Điện áp tương tự UA được

so sánh với một giá trị ước lượng cho trước U M

Khi U A > U M thì U h > 0, U A

< U M thì U h < 0

U h là điện áp sai số giữa U A

và U M Điện áp hiệu dụng này được khuyếch đạirồi đưa đến mạch so sánh số SS.

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.2 Các phương pháp chuyển đổi tương

tự - số c, Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm

đơn giảnĐiện áp U

A được so sánh với điện áp chuẩn dạng răng của U c nhờ bộ so sánh SS 1

Khi U A > U c thì SS 1 = 1, khi U A < U c thì SS 1 = 0

Bộ so sánh SS 2 so sánh điện áp răng cưa với mức 0 ( đất) U ss1 và

U ss2 được đưa đến mạch “AND” Xung ra U G có độ rộng tỉ lệ với độ lớn của điện áp vào U A với giả thiết xung chuẩn dạng răng cưa có độ dốc không đổi.

Mạch “AND” thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại xung

U G , nghĩa là trong khoảng rhời gian mà 0 < U C < U A mạch đếm đấu

ra sẽ đấu xung nhịp đó Đương nhiên số xung nay tỉ lệ với độ lớn

của U A

Hình 2.7.

Sơ đồ khối bộ A/D theo phương pháp đếm đơn giản

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.2 Các phương pháp chuyển đổi tương

tự - số d, Chuyển đối A/D phi tuyến

xung mã là một ứng dụng Nhờ đó tiếng nói nhỏ không bị tạp

âm và đó cũng là một cách làm cho quá trình lượng tử hoá thích ứng với đặc tính của tai người Đó là đặc tính lấn át được tạp âm khi tín hiệu vào lớn.

của kênh thoại do giảm lượng số bit với cùng chất lượng thông tin như khi lượng tử hoá tuyến tính Để có lại tín hiệu trung thực như ban đầu, bộ biến đối tín hiệu A/D theo phương pháp náy có cấu tạo sao cho đường đặc tín biến đối ngược của nó có dạng hàm mũ Đặc trưng biến đối A/D thường dùng hàm số:

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.3 Các phương pháp chuyển đổi số -

tương tự  Nguyên lý chuyển đổi DAC

Hình 2.8: Sơ đồ khối mạch đối số – tương tự

Chuyển đổi số – tương tự (DAC) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử (1 LSB) Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số chuyển đổi số tương tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi tương tự số,

vì không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hoá.

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.3 Các phương pháp chuyển đổi số -

tương tự  Mạch cơ bản của DAC bao gồm

- Mạch số (đa hài loại D) với nhiệm vụ tái tạo lại tín hiệu

số đầu vào.

- Mạch giải mã hoá – tương tự với nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tương ứng dưới dạng các xung có biên bộ thay đổi, (hình 2.9).

Hình 2.9 đồ thị thời gian của tín hiệu ra mạch chuyển đổi D/A

2.2.1 Chuyển đổi A/D, D/A

2.2.1.3 Các phương pháp chuyển đổi số -

tương tự  Chuyển đối số- tương tự bằng phương pháp

mạng điện trở

cần chuyển đổi được đưa đến mạch chuyển K khi một bit nào đó của tín hiệu điều khiển là “0” thì I 0 tương ứng với bit đó bị ngắn mạch qua khoá xuống đất Ngược lại, nếu tín hiệu điều khiển là “1” thì I 0 ứng với bit đó được dẫn đến đầu vào bộ khuyếch đại thuật toán qua mạng điện trở.

nhánh ngang bằng một nữa điện trở nhánh dọc, nên dòng điện khi qua mỗi khâu điện trở thì giảm đi một nữa Kết quả là dòng điện ở cửa sổ vào bộ khuếch đại thuật toán có trị số tương ứng với bit mà

nó đại diện.

 Trong sơ đồ điện trở của nhánh ngang cuối cùng có trị số là 2R bằng điện trở nhánh dọc Kết cấu này nhằm đảm bảo sự phân dòng

này số điện trở phải dùng khá lớn Nếu phải chuyển đổi N bit thì số điện trở phải dùng là 2(N-1), trong khi theo phương pháp thang điện trở chỉ phải dùng N điện trở mà thôi.

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở