Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN Luận văn Công nghệ truyền hình số 1 Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội hiện đại thì thông tin, tri thức chính là những nhân tố quan trọng nhất trong đời sống kinh tế xã hội của từng quốc gia nói riêng và toàn thế giới nói chung. Chính vì thế nên mỗi nước đều dành một sự đầu tư thích đáng cho nghiên cứu và phát triển công nghệ để làm đòn bẩy cho sự phát triển của các nghành kinh tế quốc dân khác. Ngay từ khi mới ra đời truyền hình đã chứng tỏ là một phương tiện thông tin đại chúng rất quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội. Nó không chỉ là một công cụ thông tin phổ biến kiến thức, giải trí đơn thuần mà đã trở thành phương tiện không thể thiếu trong mỗi gia đình. Truyền hình cung cấp tin tức về các sự kiện chính trị, văn hoá thể thao, thông tin kinh tế xã hội…từ khắp nơi trên thế giới đến từng cá nhân, từng giờ, từng phút. Truyền hình là cầu nối quan trọng giữa con người với thế giới bên ngoài. Cùng với sự ra đời của kỹ thuật số thì công nghệ truyền hình đã có một sự phát triển nhảy vọt về chất bằng việc số hoá tín hiệu truyền hình. Công nghệ truyền hình số ra đời có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với truyền hình tương tự như : tính chống nhiễu cao, chất lượng âm thanh, hình ảnh tốt và đồng đều, dàn dựng được nhiều kỹ xảo phức tạp mà truyền hình tương tự không thể thực hiện được, có thể ghi nhiều hay lưu trữ trong thời gian dài không làm ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Bên cạnh đó là sự phát triển của nghành công nghệ điện tử tin học nói chung cũng là một sự hỗ trợ đắc lực để truyền hình ngày càng hoàn thiện hơn, phục vụ tốt hơn cho nhu cầu ngày cang cao của con người trong xã hội hiện đại. Có thể nói truyền hình số là tương lai của công nghệ truyền hình. 2 Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ 1 CHƯƠNG I : TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ TRÊN CON ĐƯỜNG CHUYỂN ĐỔI CÔNG NGHỆ Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mới mà tất cả các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số. Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả về độ chói và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự_số. 1.1. Một số vấn đề trong biến đổi tín hiệu truyền hình. Trong quá trình biến đổi tín hiệu truyền hình, có một số vấn đề chủ yếu được đặt ra: 1.1.1. Lựa chọn độ phân giải cho một hình ảnh số: Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân biểu diễn một ảnh số là một trong những chỉ tiêu chất lượng của kỹ thuật số hoá tín hiệu truyền hình. Nó phản ánh độ sáng, tối , màu sắc của hình ảnh được ghi nhận và chuyển đổi. Về nguyên tắc, độ dài của từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lượng, nó được xem như độ phân giải của quá trình số hoá. Tuy nhiên, độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định là đủ thoả mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay cũng như khả năng phân biệt của mắt người xem. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bít. 1.1.2. Lựa chọn tần số lấy mẫu . Giá trị tần số lấy mẫu đương nhiên phản ánh độ phân tích của hình ảnh số. Nhưng mục đích của sự lựa chọn là tìm được một số giá trị tối ưu giữa một bên là chất lượng và một bên là tính kinh tế của thiết bị. Tần số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình ảnh nhận được có chất lượng cao, tín hiệu truyền với tốc độ bít nhỏ và mạch thực hiện đơn giản. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn tần số và tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu (trong biến đổi tín hiệu video thành phần). Tần số lấy mẫu tín hiệu truyền hình phụ thuộc hệ thống truyền hình màu. Nếu lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp, nhất thiết tần số lấy mẫu phải là một bội số của tần số sóng mang màu. Thông thường: f sa = 3÷4 f sc Với : f sa : Tần số lấy mẫu 3 Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN f sc : Tần số sóng mang màu Nếu không thoả mãn điều này, sẽ xuất hiện thêm các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa f sa và f sc hoặc hài của f sc trong phổ tín hiệu lấy mẫu, đặc biệt thành phần tín hiệu (f sa - 2f sc ) sẽ gây méo tín hiệu video tượng tự được khôi phục lại từ tín hiệu số. Loại méo này được gọi là méo điều chế chéo (intermodulation). Méo điều chế chéo không xuất hiện nếu biến đổi tín hiệu video thành phần. Do vậy, nếu biến đổi tín hiệu video thành phần, khái niệm tần số lấy mẫu là bội số nguyên lần tần số sóng mang màu là không cần thiết. Có thể chọn tần số lấy mẫu cho tín hiệu tổng hợp như sau: f sa = 3f sc f sa = 4f sc PAL 13,3 MHz 17,7 MHz NTSC 10,7 MHz 14,3 MHz Theo các nghiên cứu cho thấy, sẽ có rất nhiều lợi ích nếu chọn tần số lấy mẫu là số nguyên lần tần số dòng: f sa = nf H . Với tần số dòng của các hệ truyền hình hiện nay : * Tiêu chuẩn 625/50: f H = 15625 MHz. * Tiêu chuẩn 525/60: f H = 15734,25 MHz. thì tần số f = 13,5 MHz là tần số duy nhất là bội số chung của tần số dòng cho cả hai hệ truyền hình. 13,5 MHZ = 864 x f H đối với 625 dòng. = 858 x f H đối với 525 dòng. Một điều vô cùng may mắn là : theo nghiên cứu của các tổ chức quốc tế, khi tần số lấy mẫu tới gần phạm vi 13 MHz, chất lượng ảnh khôi phục sẽ rất tốt, nếu tần số lấy mẫu giảm nhỏ hơn 13 MHz, chất lượng ảnh giảm đi rõ rệt. Bởi vậy, tần số lấy mẫu f sa = 13,5 MHz là tần số được các tổ chức quốc tế thừa nhận hiện nay. Về tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu, có một số tiêu chuẩn như sau: 4 Bảng I.1.1: Tần số lấy mẫu tín hiệu Video Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN Y C R C B 14 7 7 12 6 6 4 4 4 4 2 2 4 2 0 4 1 1 2 1 1 Hai tổ hợp đầu không được sử dụng vì không có sự liên hệ với tần số dòng. Dạng thức được sử dụng phổ biến nhất là 4:2:2. Có nghĩa là tần số lấy mẫu tín hiệu chói gấp hai lần tần số lấy mẫu các tín hiệu hiệu màu. Trong tiêu chuẩn truyền hình số quốc tế Rec_601 do tổ chức ITU_R qui định, tỉ lệ tần số lấy mẫu là 4:2:2. Đây cũng là cấu trúc sử dụng trong tiêu chuẩn truyền hình độ phân giải cao, màn hình rộng với tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 18 MHz. 1.1.3. Lựa chọn cấu trúc mẫu. Nếu coi hình ảnh số là tập hợp của các con số thì việc sắp xếp, bố trí chúng theo một quy luật nào là có lợi nhất. Mục đích của vấn đề là giảm tối thiểu các hiện tượng viền, bóng, nâng cao độ phân tích của hình ảnh. Việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc vào tọa độ các điểm lấy mẫu . Vị trí các điểm lấy mẫu hay còn gọi là cấu trúc mẫu được xác định theo thời gian, trên các dòng và các mành. Tần số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất. Do vậy, tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu phải thích hợp theo cả ba chiều t,x,y. Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video . Đó là: ♦ Cấu trúc trực giao: Đối với cấu trúc trực giao, các mẫu trên các dòng kề nhau được sắp xếp thẳng hàng theo chiều đứng. Cấu trúc này là cố định theo mành và ảnh, tần số lấy mẫu thoả mãn tiêu chuẩn Nyquish nên cần sử dụng tốc độ bít rất lớn. 5 Bảng I.1.2: Tỉ lệ lấy mẫu tín hiệu chói v tín hià ệu m uà Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN Với các tỉ lệ lấy mẫu 4:2:2 và 4:2:0, vị trí các điểm lấy mẫu cho trên hình vẽ sau: Đối với tiêu chuẩn 4:2:2 , trên một dòng tích cực: ∗ Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ 3 tín hiệu : tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu. 6 Dòng 1, m nh 1à Dòng 2, m nh 1à Dòng 1, m nh 2à Dòng 2, m nh 2à Hình I.1.1: Cấu trúc lấy mẫu trực giao Hình I.1.2: Vị trí các điểm lấy mẫu theo hai tiêu chuẩn 4:2:2 v 4:2:0à Lấy mẫu tín hiệu chói Lấy mẫu tín hiệu G-Y Lấy mẫu tín hiệu B-Y Lấy mẫu 4: 2: 2 Lấy mẫu 4: 2: 0 Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN ∗ Điểm tiếp theo lấy mẫu tín hiệu chói, không lấy mẫu hai tín hiệu hiệu màu. Khi giải mã, màu được nội suy từ điểm ảnh trước. ♦ Cấu trúc quincux mành. Đối với cấu trúc quincux mành, các mẫu trên các dòng kề nhau thuộc một mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng. Các mẫu trên các mành khác nhau lệch nhau một nửa chu kỳ lấy mẫu. Với việc sắp xếp thẳng hàng các mẫu cho phép giảm tần số lấy mẫu theo dòng của mành thứ nhất. Song phổ tần cấu trúc của mành thứ hai có thể bị lồng phổ của phổ tần cơ bản, đây là nguyên nhân gây méo chi tiết ảnh. ♦ Cấu trúc quincux dòng. Đối với cấu trúc quincux dòng, các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu. Các mẫu trên các dòng tương ứng của hai mành cũng lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu . 1.1.4. Lựa chọn tín hiệu số hoá. Khi số hoá tín hiệu truyền hình, có hai phương thức: 7 Dòng 1, m nh 1à Dòng 2, m nh 1à Dòng 1, m nh 2à Dòng 2, m nh 2à Hình I.1.3: Cấu trúc lấy mẫu quincux m nhà Dòng 1, m nh 1à Dòng 2, m nh 1à Dòng 1, m nh 2à Dòng 2, m nh 2à Hình I.1.4: Cấu trúc lấy mẫu quincux dòng Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN ♦ Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp (Composite Signal). Phương pháp biến đổi này cho ta dòng số có tốc độ bít thấp. Song tín hiệu video số tổng hợp còn mang đầy đủ các khiếm khuyết của tín hiệu video tương tự, nhất là hiện tượng can nhiễu chói-màu. ♦ Biến đổi riêng các tín hiệu video thành phần (Component Signal): Các tín hiệu video thành phần là các tín hiệu chói, hiệu màu R-Y, hiệu màu B- Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản : R,G,B được đồng thời truyền theo thời gian hoặc ghép kênh theo thời gian. Phương pháp biến đổi tín hiệu video thành phần tuy cho tốc độ dòng bít lớn hơn song đã khắc phục được các nhược điểm của tín hiệu số video tổng hợp. Mặt khác, biến đổi tín hiệu video thành phần không còn phụ thuộc vào dạng hệ truyền hình màu PAL, SECAM, NTSC nên tạo thuận lợi cho việc trao đổi các chương trình truyền hình, tiến tới xây dựng một chuẩn chung về truyền hình số cho toàn thế giới. Bởi vậy, các tổ chức truyền thanh, truyền hình quốc tế đều khuyến cáo sử dụng hình thức biến đổi này. 1.2. Quá trình chuyển đổi công nghệ tương tự-số. Chúng ta cố gắng chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tương tự sang truyền hình số, quá trình chuyển đổi công nghệ dựa theo nguyên tắc chuyển đổi từng phần và xen kẽ. 8 Cam (analog) Dựng (analog) Analog Studio (analog) Cam (digital) Digital Máy thu (digital) Dựng (digital) Studio (digital) Phát Máy thu (analog) Máy thu (analog) Dựng (A/D) Dựng (D/A) Bộ chuyển đổi Hộp Set_top Thu Hình I.1. 5: Quá trình chuyển đổi công nghệ từ truyền hình tương tự sang truyền hình số Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN Khái niệm từng phần và xen kẽ được hiểu là sự xuất hiện dần các camera số gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số tiến đến một dây truyền sản xuất hoàn toàn số. Mô hình trên cũng cho chúng ta thấy rằng: đến một giai đoạn nào đó, sẽ xuất hiện tình trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ. Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời máy phát số đồng thời các máy thu hoàn toàn số và các hộp SETTOP là các hộp chuyển đổi (từ số sang tương tự) dành cho các máy thu thông thường hiện nay. Lí do cho việc chuyển đổi từng phần và xen kẽ là do chi phí tài chính cũng như phải bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thường xuyên. 2 CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ 2.1. Đặc điểm của phát thanh, truyền hình số.  Ít bị tác động của nhiễu so với truyền hình tương tự.  Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu truyền hình âm thanh và hình ảnh.  Có khả năng áp dụng kỹ thuật sửa lỗi.  Do chỉ truyền đi các giá trị 0 và 1 nên các tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu điều khiển, dữ liệu đều được xử lý giống nhau.  Có thể khoá mã dễ dàng.  Đòi hỏi công suất truyền dẫn thấp hơn.  Các kênh có thể định vị tương đối dễ dàng.  Các hệ thống điều chế được phát triển sao cho có khả năng chống được hiện tượng bóng hình và sai pha.  Chất lượng dịch vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùng phục vụ.  Đòi hỏi tần số mới cho việc phát thanh, truyền hình quảng bá.  Người xem phải mua máy mới hoặc sử dụng bộ chuyển đổi SETTOP.  Những sự đầu tư mới được yêu cầu về các phương tiện tại các trạm phát. 9 Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN 2.2. Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống phát thanh, truyền hình số . Sơ đồ khối của một hệ thống phát thanh, truyền hình số như sau: Tín hiệu video , audio tương tự được biến đổi thành tín hiệu số. Tín hiệu này có tốc độ bít rất lớn nên cần phải qua bộ nén để giảm tốc độ bít của chúng. Các luồng tín hiệu này được đưa tới bộ ghép kênh (MUX) rồi đưa tới bộ điều chế và phát đi. Ở phía thu thực hiện quá trình ngược lại, tín hiệu thu sẽ được giải điều chế và đưa tới bộ phân kênh (DEMUX). Tín hiệu từ bộ phân kênh được giải nén sau đó được chuyển đổi số _tương tự. 10 Video Subsys Encode and Comp Audio Subsys Encode and Comp Data Subsys Encode and Comp Hình I.2.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số MUX Transport Encode (mã chập, mã xoắn) Modulation Trasmitter Channel Coding Video Audio Data Video Subsys Decode and Exp Audio Subsys Decode and Exp Data Subsys Decode and Exp DE_ MUX Transport Decode Receiver Channel Decoding Video Audio Data [...]... liu ng b mnh u tiờn v ni tip bi 312 on d liu khỏc Sau ú n on d liu ng b mnh th 2 v 312 on d liu ca mnh sau 20 Multimedia Khoa in T Vin Thụng - HBKHN 828 biểu tr ng Đồng bộ mành số 1 312 đoạn dữ liệu Dữ liệu 46,8à s Đồng bộ mành số 2 Dữ liệu Hỡnh I.3.1: Khung d liu VSB 77,7à s Mi on d liu bao gm 4 biu trng dnh cho ng b on d liu v 828 biu trng d liu Mt gúi truyn ti MPEG - 2 cha 188 byte d liu v 20 byte... 512K Khối đầu vào VES4143X VES5453X DRAM Demultiplexer MPEG-2 VES2020 Decoder MPEG-2 Coder NTSC/PAL Miroprocessor điều khiển Các khối đầu ra Các phím điều khiển Giao điện bàn phím Điều khiển xa Đầu ra số HDTV Âm thanh L, R Máy thu đ/k xa Card thông minh Bộ điều chế TV Kênh cao tần 3/4 Đầu đọc card Y, C r,Cb NTSC/PAL UHF/VHF Hỡnh I.2.4: S khi mỏy thu (phn x lý tớn hiu) Tớn hiu t tuner c truyn n khi... trờn gii hn di di tn 3.1.2.1 Mỏy phỏt VSB S khi ca mt mỏy phỏt theo phng thc iu ch VSB cú dng nh sau Dữ liệu Ngẫu nhiên hoá dữ liệu Mã hoá Reed Solomon Tráo dữ liệu Mã hoá Trellis Anten Phách lên tần số cao Điều chế VSB Gửi tín hiệu pilot Ghép kênh Hỡnh I.3.2: S khi mỏy phỏt VSB 21 Đồng bộ Multimedia Khoa in T Vin Thụng - HBKHN Khi ngu nhiờn hoỏ d liu c thc hin bng mch hoc tuyt i v chui tớn hiu gi . nhảy vọt về chất bằng việc số hoá tín hiệu truyền hình. Công nghệ truyền hình số ra đời có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với truyền hình tương tự như : tính chống. nói truyền hình số là tương lai của công nghệ truyền hình. 2 Multimedia Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHBKHN PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ 1