  Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 1   Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 2   !" Trong những năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bước ngoặt mới - Quá trình chuyển đổi từ công nghệ truyền hình tương tự sang truyền hình số. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng thời đại “Video số, Truyền hình số” đã bắt đầu công nghệ tương tự đã hết thời nhường đường cho công nghệ số. Công nghệ truyền hình đang trải nghiệm một sự thay đổi lớn lao về chất. Trên thực tế các nhà sản xuất đã ngừng sản xuất các thiết bị truyền hình tương tự và vì thế thiết bị tương tự dần vắng bóng trên thị trường. Trong tương lai không xa, các thiết bị sản xuất chương trình, các máy phát hình, các thiết bị video, audio sẽ được thay thế bằng thiết bị số. Trên thế giới đã có rất nhiều nước đang bắt đầu áp dụng truyền hình số như Mỹ, Nhật, các nước phương Tây và một số nước Châu Á khác. Do vậy Đài truyền hình Việt Nam cần phải có chiến lược phát triển truyền hình số để tránh tụt hậu về công nghệ và có điều kiện hội nhập với quốc tế. Vì những lý do trên cho nên em đã chọn đề tài này, tuy nhiên vì đây là một đề tài rộng và mới mẻ cho nên không thể tránh khỏi được những thiếu sót. Vì vậy em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn quan tâm. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Viện Điện Tử Viễn Thông Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Tiến Quyết đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này. Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 3  #$% &'()#* +,&-.&/012  ! "#$% &'$())*+,+-./)01'. 2)34 Truyền hình số là từ chỉ một hệ thống truyền hình mới, trong đó các thiết bị kỹ thuật số đều làm việc theo nguyên lý kĩ thuật số. Theo nguyên lý đó thì từ một ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được đổi thành tín hiệu biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả màu sắc và độ chói) mà nó sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (là một dãy các số 0 và 1). • 56+"#$().7)*+,+-./)01'. 2)34.8'' 9+: + ! +0;'+<",'+ ! "# ()+ = (+> Lựa chọn độ phân giải cho một hình ảnh số. Độ dài từ mã nhị phân là một trong những chỉ tiêu chất lượng của kỹ thuật số hóa tín hiệu, nó phải ánh mức sáng tối, mầu sắc của hình ảnh được ghi nhận và chuyển đổi. Về nguyên tắc độ dài từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lượng, nghĩa là nó được xem như độ phân giải của quá trình số hóa. Tuy nhiên độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định nào đó là thỏa mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay cũng như khả năng phân biệt của mắt người. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit. ()+ = ,4> Lựa chọn tần số lấy mẫu. Giá trị của tần số lấy mẫu đương nhiên là phản ánh độ phân tích của hình ảnh số, nhưng mục đích của sự chọn lựa là tìm một số giá trị tối ưu giữa một bên là chất lượng và một bên là tính kinh tế của thiết bị. ()+ =?,> Lựa chọn cấu trúc lấy 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 của hiện tượng bóng, viền, nâng cao độ phân tích của hình ảnh. Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 4  ()+ =+0> Lựa chọn tín hiệu số hóa, kết hợp hay thành phần. Đây chính là vấn đề liên quan đến chất lượng và tính kinh tế trên toàn bộ hệ thống, cả trước mắt cũng như lâu dài. ()+ =@A> Lựa chọn giao diện số trong sản xuất khi truyền tín hiệu số từ thiết bị này sang thiết bị khác cũng như từ phòng máy này sang phòng máy khác với khoảng cách vài mét đến vài trăm mét. ()+ ="B> Lựa chọn tiêu chuẩn chung về thiết bị cho cả hai hệ thống 625 và 525 dòng để dễ dàng trao đổi chương trình quốc tế. Điều đó chính là liên quan đến vấn đề chọn lựa tần số lấy mẫu và cấu trúc mẫu. Từ đó cho đến nay nhiều vấn đề lý luận và thực tiễn của quá trình số hóa truyền hình vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển đó là: - 3(4#&506127 - 89+0612:;<)6=>7 - 2?,@A&(@,067 - &/3B(+,)'06127 Vấn đề ghi dựng trên ổ đĩa cứng (hay còn gọi là dựng phi tuyến tính) hiện nay đang là công nghệ kỹ thuật mới có nhiều ưu điểm như truy cập nhanh, kỹ xảo phong phú, đảm bảo chất lượng, lưu trữ lâu dài, an toàn. Nhưng hiện nay chi phí sản xuất còn lớn (Ví dụ: Một ổ đĩa cứng 9 Gbit nén ở tốc độ 50 Mbit/s ghi được 24 phút tín hiệu hình có giá thành khoảng 2000 USD).Vì vậy việc ghi dựng hình nói chung nhất là trong lĩnh vực lưu trữ thì công nghệ băng từ là chủ yếu. Mô hình sau mô tả khái quát quá trình 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. Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 5  ! CB+! . 2)34.8'' 9+:+ ! +0;'+<",' + ! "# Khái niệm từng phần và xen kẽ được hiểu là sự xuất hiện dần dần các camera số gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số tiến đến một dây chuyền sản xuất hoàn toàn số. Mô hình trên cũng cho chúng ta một nhận xét rằng đến một giai đoạn nào đó sẽ xuất hiện tình trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ khác nhau. Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời máy phát số và đồng thời là các máy thu hoàn toàn số và các bộ SET – TOP – BOX là các hộp chuyển đổi dành cho các máy thu tương tự. Tại sao lại phải chuyển đổi từng phần và xen kẽ? Có mấy lý do cơ bản như sau: - Chi phí tài chính. - Bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thường xuyên. Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 6 Cam (Analog) Studio (Analog) Cam (Analog) Studio (Digital) Dựng (Analog) Dựng (A/D) Dựng (Digital) Dựng (D/A) Analog Bộ chuyển đổi Digital Máy thu Analog Máy thu Analog Máy thu Digital Hộp Set-top box Hệ thống máy phát Hệ thống máy thu   4D E+%4. E > Chi phí tài chính là vấn đề hàng đầu trong quá trình chuyển đổi công nghệ nói chung cũng như bước quá độ nói riêng. Có thể lấy một ví dụ sau: Một Studio Analog (hoặc một xe truyền hình lưu động) trị giá khoảng 1 triệu usd thì một studio số tiêu chuẩn 4:2:2 giá trị khoảng 2 triệu usd tức là gấp hai lần giá trị của studio tương tự. So sánh với khu vực khác cũng vậy, nếu một trung tâm truyền hình có khoảng 10 studio, 5 xe truyền hình lưu động, vài chục máy quay gọn nhẹ vài chục phòng hậu kỳ video, audio thì chi phí cho việc chuyển đổi là rất lớn. Khi bắt đầu xuất hiện mạng lưới máy thu số, nếu dự tính giá trị của một máy thu số là 500 USD (Khi đã trở thành quảng bá) thì với 10 triệu máy thu số chi phí sẽ là 5 tỷ USD, chưa kể đầu tư cho các nhà máy sản xuất máy thu số màn hình phẳng. Như vậy chúng ta thấy rằng chi phí chung cho việc chuyển đổi toàn hệ thống là rất lớn. Điều đó giải thích vì sao công nghệ truyền hình số vẫn chưa trở thành quảng bá như hệ thống viễn thông. F/)FAG+!"FH(+$%D B+"I'+ 01'H-> Chúng ta còn thấy hệ thống truyền hình tương tự hiện nay vẫn đang sử dụng, chúng đóng góp một vai trò quan trọng trong việc sản xuất chương trình. Giả sử có một sự thay đổi đáng kể về trang thiết bị của phần trung tâm sản xuất chương trình trên một băng tần quy định (Trong công nghệ Analog chỉ cho phép phát một chương trình trên một băng tần duy nhất) do đó hiệu quả đưa đến đối với người xem một cách rõ rệt nếu như mạng lưới máy thu vẫn là máy thu tương tự. Công nghệ truyền hình số chỉ có thể coi là hoàn thiện khi giải quyết được vấn đề nói trên. J &'$().7K,+LAM 4. 2)34+:+ ! +0;'+< ",'+ ! "# JN F@'. 2)34+:ABD B++0;'+<",'ABD B+"# Thực ra việc chuyển đổi là không hề đơn giản. Nó phụ thuộc vào việc thiết kế của các tầng khuếch đại và tầng kích của máy phát. Nói chung thì các máy Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 7  phát số yêu cầu bộ khuếch đại có độ tuyến tính cao hơn so với máy phát tương tự. Cả bộ khuếch đại Klystron và Tube đều có khả năng thay đổi được, tuy nhiên để đạt được sự tuyến tính với mức ổn định cao thì nên thay hẳn các tầng khuếch đại và tầng kích. Với các tầng khuếch đại Tube, đòi hỏi công suất lớn để điều khiển nên nói chung việc chuyển đổi là tốn kém. Với các bộ khuếch đại Klystron, hệ số khuếch đại lớn hơn và yêu cầu công suất đầu vào thấp, nên việc thực hiện chuyển đổi sẽ rẻ hơn. Và đối với bộ khuếch đại Klystron điều khiển theo xung thì phải bỏ đi các bộ tạo tín hiệu xung khi thực hiện việc chuyển đổi. Các máy phát Solid state gồm nhiều module khuếch đại song song nhau. Đó là các khối có hệ số cao do cấu tạo bởi nhiều bộ khuếch đại nối tiếp. Nếu một trong các bộ khuếch đại song song này có khả năng khuếch đại số thì máy phát sử dụng chúng cũng có thể làm việc được với tín hiệu số. Với các ứng dụng số thì một điều rất đáng quan tâm trong giai đoạn thiết kế là phải đảm bảo sao cho không có một tầng nào phải làm việc quá tải vì nó là nguyên nhân gây ra sự không tuyến tính. Tất cả các tầng và đặc biệt là tầng kích phải thật tuyến tính. Tầng đầu ra thường là phần không tuyến tính nhất nên cần phải có bộ tiền sửa lỗi. Thật ra sửa lỗi này đều quan trọng đối với cả tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Các bộ sửa lỗi này cũng không thể làm việc với hiệu số, nên trong quá trình chuyển đổi cần phải thay thế. Vì lý do này mà nhiều exciter sử dụng việc sửa lỗi trong bộ điều chế, thực hiện việc Mapping trong exciter cần phải tách các Symbol dữ liệu thành các phần thực và phần ảo bằng việc điều chỉnh cả về biên độ và pha tại tầng này, có thể làm méo tín hiệu điều chế trước, sau đó ở tầng khuếch đại cuối cùng sẽ có quá trình ngược lại. Quá trình này sẽ làm giảm méo sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại. Trong mọi trường hợp bộ điều chế phải được thây thế bằng một bộ có khả năng tạo tín hiệu đầu ra số. Do những tần số IF của bộ exciter số chưa được tiêu chuẩn hóa nên đòi hỏi phải có sự thay đổi đối với bộ Upconverter. JJ <. 49. 2)34 Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 8  Với các máy phát có bộ khuếch đại kết hợp cả hình cả tiếng thì chỉ cần thay đổi bộ điều chế và bộ lọc tạo dao động nội. Một bộ lọc thông dải đầu ra được yêu cầu thay thế cho các bộ lọc sóng ảo mang phụ, cần có bộ lọc thông này để giảm nhiễu với những dịch vụ của các kênh cận kề. Còn các máy phát không kết hợp, cần bỏ đi bộ khuếch đại tiếng và bộ khuếch đại hình với tiếng sẽ được thay thế bằng một bộ lọc thông dải như trên. Tất nhiên là phải có một bộ điều chế số và một hệ thống sửa lỗi mới. JOB.$()PQR49.. 4,"S$T4.B..;"U,V/'),'+W+X4 Việc chia sẻ với các cơ sở đang tồn tại là hoàn toàn có thể, tuy nhiên cũng có những đòi hỏi về mặt kinh tế và kỹ thuật phải phù hợp. Và khi đưa ra các dịch vụ số thì một điều đáng lưu ý là không gây ra những khó khăn không cần thiết trước mắt những người xem tiềm năng. Các kênh dùng cho phát sóng từ một cơ sở cũ có thể được lựa chọn sao cho gần với kênh Analog vì điều này sẽ giúp tái tạo sử dụng các hệ thống Anten cũ đang sử dụng, tuy nhiên khi sử dụng các kênh cận kề thì cần quan tâm đến việc phát ngoài kênh, đặc biệt là các máy công suất lớn. Một trong những nguyên nhân của việc phát sóng ngoài kênh danh định là sự không tuyến tính của các bộ khuếch đại công suất. Trong các kênh kề cận việc phát ngoài kênh của máy phát tương tự sẽ được các máy thu số nhận thấy như là nhiễu đồng kênh. Các phương án nhằm làm giảm việc phát ngoài kênh vẫn đang được sử dụng đó là phải sử dụng các bộ lọc tại đầu ra máy phát hoặc sử dụng các bộ cộng lựa chọn RF. Nếu sử dụng toàn bộ Anten hiện hành, có hai phương án chúng ta phải làm: - Thứ nhất là sử dụng cộng RF cho cả nơi công suất cao và nơi công suất thứ yếu. - Thứ hai là phải dùng giải pháp thay thế cho các cơ sở thứ yếu, đó là sử dụng các ứng dụng đa kênh. JYZ0[$+\.8'"(+ Khi phát sóng cần phải xem xét tất cả những đặc tính dù là bình thường ở phát số là rất khác. Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 9  Lưu ý các bộ khuếch đại khi chuyển đổi sẽ không thể tạo ra một công suất như trước. Công suất đầu ra số hiệu dụng sẽ phải thấp hơn 7 – 10 dB so với công suất đỉnh tín hiệu sync ban đầu. Tuy nhiên đây không phải là vấn đề đối với DVB – T vì công suất số thấp hơn – 15 đến – 20 dB so với công suất đỉnh sync tín hiệu Analog hiện hành thì vẫn đạt được cùng một diện tích phủ sóng. J]^_G`'VX4.B.,+\),'Ga' Các kênh được lựa chọn cho truyền hình số mặt đất phải ở trong hoặc gần sát với dải thông của anten tương tự có thể đem lại một vùng phủ sóng chung cho cả hai dịch vụ. Hầu như các anten thu hiện nay đều thích hợp. Tuy nhiên việc giới hạn ERP (Efective Radiater Power) để bảo vệ các điểm phát sóng kênh tương tự hiện có khỏi bị xuyên nhiễu bởi các điểm hàng xóm lân cận có thể không được đảm bảo. Anten và các fido hiện có phải hỗ trợ tổng công suất ghép kênh bao gồm tất cả các công suất đỉnh của các kênh số. Với kiến trúc Cascading rất khó tạo ra sự kết hợp các kênh số và tương tự vì có sự suy hao khi phối hợp. Trong trường hợp này phải xác định suy giảm nhiễu tương đương (Equivalent Noise Dergadation) , PQ./A?44' Trong nhiều trường hợp việc định vị dải phát hình số trong các kênh cận kề của các kênh phát hình Analog hiện hành sẽ rất có lợi. Khi đó khả năng lựa chọn của bộ cộng sẽ là điểm có tính quyết định khi xem xét việc đưa giải thông hữu ích của tín hiệu DVB – T (7,63 Mhz) vào một kênh ITU – R (8 Mhz ở UHF). Bộ cộng gồm các Coupler 3 dB (chia nửa), hai bộ lọc thông dải giống nhau và một tải giả. Bộ cộng có một đầu vào có khả năng lựa chọn gọi là “Dải hẹp” và một đầu vào “Dải rộng”. Các bộ lọc thông dải được sử dụng cho các kênh đầu vào dải hẹp. Tín hiệu số sẽ được nối vào đầu vào dải hẹp và được tách ra hai đường bởi một bộ coupler 3dB rồi đi qua hai bộ lọc thông dải giống nhau. Hai nửa tín hiệu sau đó lại được cộng lại nhờ một bộ coupler 3 dB thứ hai trước khi gửi tới anten. Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 10 [...]... sẽ dần thay thế hệ thống truyền hình t ơng t T i sao truyền hình t ơng t đang thịnh hành như vậy lại lu mờ trước truyền hình số? Đó là do những đặc điểm của truyền hình số t ra thế mạnh tuy t đối so với truyền hình t ơng t M t số đặc điểm chính của truyền hình số như sau: - T n hiệu số t nhạy với các dạng méo xảy ra trên đường truyền - t bị t c động của các nhiễu so với truyền hình t ơng t - Có... hiện t ợng này trong truyền hình quảng bá Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 15 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: Nguyễn Công Nghĩa Chương 2 T ng quan về nén 2.1 Khái niệm chung 2.1.1 Khái nhiệm chung 2.1.1.1 Định nghĩa Nén t n hiệu số là biểu diễn t n hiệu số với số b t t hơn nhưng thông tin phải được bảo toàn hoặc m t m t có thể chấp nhận được Các loại nén: + Nén t n hiệu số :... Kênh truyền dẫn lưu trữ Giải nén (giải mã nguồn) Truyền dẫn hay lưu trữ Thu Hình 2.1 Sơ đồ nén và giải nén 2.1.1.3 Các thông số về nén + T số nén: Ví dụ 100Mbit/s nén 20Mbit/s (t số nén 5:1) + Phần trăm nén: Ví dụ 100Mb/s nén 20Mb/s (t ơng đương nén 80%) Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 16 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: Nguyễn Công Nghĩa + Số bit/Symbol: Ví dụ cần 8 bit/pixel... Block Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 33 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: Nguyễn Công Nghĩa Matching cho dự đoán vector chuyển động đã được ph t triển và có giá trị trong khoa học như: 1 Giải thu t t m kiếm v t cạn 2 Giải thu t ba bước t m kiếm 3 Giải thu t t m kiếm logarit hai chiều 4 Giải thu t t m kiếm hai hướng liên hợp 5 Giải thu t t m kiếm m t chiều song song có thứ bậc... t n hiệu Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 13 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: Nguyễn Công Nghĩa Dòng t n hiệu số sau đó được ghép kênh với t n hiệu điều khiển phụ t i bộ ghép kênh thành m t dòng truyền Dòng t n hiệu này được ghép mã truyền dẫn, mã kênh và điều chế trước khi đưa ra anten ph t Hệ thống thu: Quá trình xử lý của hệ thống thu ngược lại với quá trình xử lý của hệ thống... prediction) sử dụng t t cả các giá trị a,b,c,d theo lu t trọng số lớn t p trung cho điểm s t bên trái điểm cần dự báo Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 29 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: Nguyễn Công Nghĩa Dự báo 2D t t cho ảnh bề m t (t c ảnh không có sự thay đổi theo rìa) Nếu ảnh có sự thay đổi rõ r t giá trị các điểm ảnh theo m t đường rìa nh t định thì dự báo 2-D cho sai số dự báo lớn... hơn và thông tin t quan trọng hơn để loại bỏ thông tin t quan trọng - Với m t mảng hình lớn (t n số thấp) thì quan trọng hơn những hình chi ti t (t n số cao) - Nén càng nhiều ch t lượng thông tin càng giảm Vì vậy tuỳ thuộc vào ch t lượng thông tin yêu cầu mà ta nén nhiều hay nén t * Cơ sở toán học: - Nén không t n hao + T c độ bit R = H + ξ R: T c độ bit H: entropy ξ: M t số dương r t nhỏ tiến dần... về 0 - Nén có t n hao H Độ méo D O Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 100% 18 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: Nguyễn Công Nghĩa 2.2 Nén không t n hao: - Nén không t n hao hay “mã hoá nguồn” là quy trình biểu diễn các ký hiệu trong dòng bit nguồn thành dòng các t mã (Codeword) mỗi t mã gồm m t số bit, sao cho giảm được t c độ bit Mã hoá có hiệu quả càng cao thì số bit trung bình... ph t T/h Truyền hình t ơng t Biến đổi A/D T/ h Truyền hình số Mã hóa Mã hóa Điều chế nguồn kênh số Thi t bị thu Máy thu t ơng t Biến đổi D/A T/ h Truyền hình số Giải mã hóa nguồn Giải mã Giải điều hóa kênh chế số Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số b Nguyên t c làm việc Hệ thống ph t: Các t n hiệu t ơng t sau khi được chuyển đến A/D và đưa qua các phân hệ t ơng ứng để thực hiện mã hóa và nén t n. .. hệ số trong miền t n số Biến đổi DCT là m t trường hợp của biến đổi Unita Biến đổi DCT (Disscrete Cosine Transform) là dựa vào phép biến đổi Fourier để chuyển mảng ảnh t không gian 2 chiều sang miền t n số, để thấy được t n số cao ở đâu và t n số thấp ở đâu, để sau đó loại bỏ t n số cao c Biến đổi đa phân giải Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 21 GVHD: Nguyễn Tiến Quy t Sv thực hiện: . 8'"#$l + T số nén: Ví dụ 100Mbit/s nén 20Mbit/s (t số nén 5:1). + Phần trăm nén: Ví dụ 100Mb/s nén 20Mb/s (t ơng đương nén 80%). Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 16. trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 13 Biến đổi D/A Máy thu t ơng t Giải mã hóa nguồn T/ h Truyền hình số Giải mã hóa kênh Giải điều chế số T/ h Truyền hình số T/ h Truyền hình t ơng. học: - Nén không t n hao. + T c độ bit R = H + ξ R: T c độ bit H: entropy ξ: M t số dương r t nhỏ tiến dần về 0. - Nén có t n hao. Nén t n hiệu trong truyền hình kỹ thu t số DVB – T 18