Lời nói đầu Trong những năm gần đây, với chính sách mở cửa đúng đắn của Đảng và nhà nước nền kinh tế của nước nhà đã và đang phát triển với một tốc độ cao. Các thành tựu khoa học kỹ thuật mới trên thế giới đã nhanh chóng thâm nhập vào nước ta. Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử-viễn thông, sự xuất hiện những công nghệ hiện đại, những dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với hệ thống điều khiển tự động tiên tiến .đã tạo điều kiện thúc đẩy các thành phần kinh tế trong nước phát triển vượt bậc cả về số lượng lẫn chất lượng. Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đã xâm nhập vào hầu hết tất cả các lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình cũng không nằm ngoài quá trình đó. Công nghệ số diễn ra trong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao về chất lượng của dịch vụ truyền hình mà còn do sức Ðp đang tăng lên đối với nguồn tài nguyên phổ tần số. Đối với những nước có nền công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh, vấn đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết. Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh trong nền kinh tế thị trường đã thúc Ðp các nước này phải nhanh chóng xác lập và lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung ra các thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thế thượng phong trên thị trường. Hầu hết các nước hiện nay đã đặt ra lộ trình chuyển đổi sang số và sẽ chấm dứt truyền hình tương tự trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới. Đối với Việt Nam, một nước nghèo với những đặc thù riêng của mình, vấn đề số hoá lại còn có một ý nghĩa khác. Về tài nguyên phổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 năm tới, chúng ta cũng chưa bị thúc Ðp gay gắt như các nước có ngành truyền hình-viễn thông phát triển hiện nay. Bên cạnh mục đích nâng cao chất lượng phục vụ người xem, truyền hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽ buộc phải chuyển sang số vì các thiết bị tương tự sẽ không được sản suất nữa. Như vậy, số hoá truyền hình là con đường tất yếu 1 mà truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khó khăn trước mắt như điều kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật còn non trẻ . Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quá trình thực hiện số hoá đối với tín hiệu truyền hình tương tự, đồng thời trình bày khái quát về các phương thức truyền dẫn, các tiêu chuẩn truyền hình số. Bố cục đồ án bao gồm 6 chương: Chương1: Giới thiệu chung : trình bày về quá trình phát triển, giới thiệu khái quát về hệ thống truyền hình số. Chương2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá và thực hiện nén tín hiệu video. Chương3: Xử lý tín hiệu audio : số hoá và thực hiện nén tín hiệu audio. Chương4: Ghép kênh và truyền tải các dịch vụ : trình bày về quá trình ghép kênh các kênh video, audio,số liệu phụ .của một hay nhiều chương trình truyền hình. Chương5: Các hệ thống truyền hình số : trình bày về các hệ thống truyền hình số ATSC, DVB, ISDB. Chương6: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số : trình bày về các phương thức dịch vụ truyền dẫn như qua cáp, vệ tinh, phát mặt đất . Mặc dù bản thân đã có nhiều cố gắng song do trình độ chuyên môn còn giới hạn, tài liệu tham khảo hạn chế cộng với thời gian thực hiện không dài nên trong quá trình thực hiện chắc không tránh được những sai lầm, thiếu sót. Vì điều kiện thực tế không cho phép nên đồ án của em chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết. Rất mong được sự thông cảm và hướng dẫn, chỉ bảo thêm của các thầy cô và bè bạn để em có thể hiểu rõ hơn về lĩnh vực này. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Khải, thầy đã trực tiếp chỉ dẫn, định hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành đồ án. 2 Chương 1 Giới thiệu chung. Trong những năm gần đây kĩ thuật số đã có những bước phát triển nhảy vọt với các sản phẩm công nghệ cao, giá thành hạ đang được ứng dụng mạnh mẽ vào các ngành kĩ thuật khác. Trước khi kĩ thuật số được áp dụng vào kĩ thuật truyền hình, công nghệ kĩ thuật số đã phát triển ở mức độ cao trong các hệ thống xử lý dữ liệu và hệ thống truyền tin. Kết quả là truyền hình số đã phát triển rất nhanh, thể hiện nhiều ưu điểm so với truyền hình tương tự và đang dần chiếm lĩnh ưu thế tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong công nghiệp truyền hình. Sự dịch chuyển từ các dịch vụ truyền hình dựa trên các ứng dụng của kỹ thuật tương tự sang các dịch vụ truyền hình dựa trên ứng dụng các kỹ thuật số đang phát triển một cách nhanh chóng. Sự dịch chuyển của các dịch vụ truyền hình này một phần là nhờ 3 kết quả của sự hội tụ của các lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, các ngành khoa học và đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số. Tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống truyền hình, tại camera và tại đầu thu tương ứng vốn là là tín hiệu tương tự. Nh vậy, có một câu hỏi tự nhiên được đặt ra tại sao phải số hoá. Trong khi sù suy giảm tín hiệu của các tín hiệu tương tự được tích luỹ thì khả năng để tái tạo lại một chuỗi xung số một cách chính xác rất dễ dàng. Luồng bit số có thể được xen kẽ trong một kênh, quá trình xen kẽ này cho phép phát xạ, truyền dẫn, lưu trữ , hoặc xử lý tín hiệu phụ cùng với tín hiệu video và audio. Hơn nữa, các kỹ thuật nén số dựa trên sự cắt giảm độ dư thừa có thể được ứng dụng để số hoá các dịch vụ video và audio cho phép truyền một dịch vụ HDTV hoặc nhiều dịch vụ truyền hình bình thường trên một kênh có độ rộng bằng kênh phát hình tương tự quảng bá hiện tại. Sử dụng phương pháp số để tạo,lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình. Trong một số ứng dụng tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực 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 nhiều lần mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn với tín hiệu tương tự (ví dụ nh bộ lọc). Mặc dù vậy xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt được một sự thống nhất chung, là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kĩ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Sù ra đời của các đầu ghi băng video số thế hệ hai và ba, các bộ chuyển mạch, đồ hoạ chuyển động và các bộ tạo kỹ xảo đặc biệt và sự thoả thuận sử dụng giao diện số nối tiếp năm 1990 đã đẩy nhanh việc cài đặt các thiết bị sản xuất chương trình truyền hình số. Việc sản xuất chương trình truyền hình số sử dụng các đầu ghi hình số đã cho phép 4 các nhà sản xuất chương trình có thể sao chép nhiều lần hơn so với đầu ghi hình tương tự mà vẫn đảm bảo chất lượng . Các ứng dụng của kỹ thuật số cho phép giảm thời gian cài đặt camera từ vài giờ xuống gần nh tức thời. Các hệ thống thư viện số làm cho các phương tiện được ghi, bảo quản tư liệu một cách tiện lợi và tìm kiếm thông tin nhanh và dễ dàng. Các lĩnh vực chính trong phát quảng bá còn lại đối với thế giới tương tự là truyền dẫn giữa các trung tâm sản xuất chương trình và truyền dẫn đến đến người sử dụng. Các ngăn cản cuối cùng này cũng đã được vượt qua vào đầu những năm 1990 với những ứng dụng của kỹ thuật nén số, nhìn chung được xây dựng dựa trên ứng dụng của mã hoá chuyển dạng cosin rời rạc (DCT), sử dụng điều chế biên độ vuông góc (QAM) và các kỹ thuật điều chế đa mức gần đây. Vào khoảng năm 1990, các tổ chức truyền hình Bắc Mỹ với nỗ lực của mình đã tìm ra phương tiện phát hình ảnh HDTV trong kênh truyền hình 6Mhz hiện tại, kênh truyền hình UHF được tập trung chủ yếu vào việc sử dụng các phương thức và kỹ thuật nén số để đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống. Các kết quả mô phỏng có tính khả thi thực tế của các hệ thống khác nhau ở Bắc Mỹ đã nhanh chóng được phát triển ở nhiều nơi nh ở Châu Âu và các nước và vùng châu Á Thái Bình Dương. Kết quả quá trình số hoá hình ảnh truyền hình 525 dòng, 625 dòng tạo ra dòng số liệu video 270Mbit/s, số hoá hình ảnh HDTV tạo ra luồng số liệu 1200Mbit/s. Một kênh có độ rộng 6, 7, 8Mhz chỉ có thể thể mang được tốc độ số liệu tối đa cỡ khoảng 20Mbit/s. Do vậy yêu cầu phải nén số liệu với tỷ lệ 60:1 đối với các dịch vụ truyền hình HDTV. Vào giữa năm 1991, các báo cáo về công việc đang được làm ở Mỹ, các nước Bắc Âu, Anh, Pháp,Ý, Nhật và các nước khác đã chỉ ra rằng phương thức giảm tốc độ bit với tỷ lệ 60:1 có thể được áp dụng cho cả hình ảnh HDTV và các hình ảnh truyền hình thông thường. Kết quả này cho thấy hình ảnh của truyền hình có độ phân giải cao HDTV có thể được truyền trên các kênh tương đối hẹp với tốc độ bit từ 15 đến 25Mbits/s và các 5 dịch vụ truyền hình analog thông thường có thể có thể được truyền với tốc độ 1,5 - 12Mbit/s tuỳ thuộc vào chất lượng của dịch vụ. Sử dụng các tiêu chuẩn, các kỹ thuật điều chế đa mức sẽ có thể truyền một kênh truyền hình HDTV hoặc nhiều kênh truyền hình thông thường trong các kênh truyền hình dải VHF và UHF hiện tại có băng thông 6, 7 hoặc 8Mhz. Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 sự phát triển của các chuẩn giao tiếp chung giữa các hệ thống vệ tinh số, cáp và phát quảng bá mặt đất đã mở ra một bước ngoặt mới. Nhóm làm việc 11/3 của ITU đã đưa ra các khuyến nghị đối với các thành phần chung của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất. Những chi tiết đối với phục vụ quảng bá bằng vệ tinh số, cáp được chấp thuận ở một số vùng lãnh thổ theo các khuyến nghị của ITU và chuẩn theo vùng địa lý. Những ứng dụng của kỹ thuật số đối với truyền hình đã đem lại công nghệ truyền hình số với rất nhiều ưu điểm. Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệ truyền hình tương tự trên nhiều lĩnh vực: • Chất lượng của dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực do tín hiệu số Ýt nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đường truyền, có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai (nếu có). • Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu. • Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nén và độ tin cậy của hệ thống cao. • Mật độ chương trình được gia tăng, khả năng cung cấp nhiều dịch vụ trên một kênh dịch vụ truyền hình hiện tại, hiệu quả sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệu quả sử dụng tần số. 6 • Có tính phân cấp, ví dụ: một dòng dữ liệu có thể được sử dụng để truyền một chương trình truyền hình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chương trình truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn. • Khả năng truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông đảo khán giả hoặc từng cá nhân tạo ra một thị trường đa dạng. • Tiết kiệm năng lượng,với cùng một công suất phát sóng, diện phủ sóng rộng hơn so với công nghệ tương tự. • Khoá mã đơn giản. • Hoàn toàn có khả năng hoà nhập vào môi trường truyền thông đa phương tiện. Truyền hình đã và đang đáp ứng nhu cầu của toàn thể nhân loại trong việc cập nhật thông tin, giải trí. Thế giới đã bước vào một kỉ nguyên mới của thời đại thông tin bằng sự hội tụ của các phương tiện truyền thông. Tuy nhiên, với hệ thống truyền hình quảng bá tương tự, sự hội nhập của công nghệ truyền hình vào hệ thống đa phương tiện rất khó khăn. Để theo kịp xu hướng phát triển của ngành công nghiệp truyền thông kĩ thuật truyền hình cũng cần có sự cải tiến về công nghệ trong toàn bộ hệ thống từ ghi, dựng, truyền dẫn và phát sóng. Các tổ chức quốc tế đã thống nhất các tiêu chuẩn truyền hình số để tạo đà phát triển cho hệ thống mới này. Trước những vấn đề trên, truyền hình số ngày càng thể hiện rõ các ưu điểm của mình và chắc chắn sẽ dần thay thế hệ thống truyền hình tương tự trong một tương lai không xa để kết hợp với các mạng truyền thông khác tạo thành một thế giới thông tin số đa phương tiện phục vụ cho con người một cách hữu hiệu. Để dịch vụ truyền hình số phát triển nhanh chóng bắt buộc phải có sự hợp nhất giữa các chuẩn về mã hoá kênh, mã hoá nguồn, phương thức điều chế, nhận dạng trong, chống lỗi và sửa sai . 7 Số hoá toàn bộ hệ thống truyền hình có nghĩa là chuyển tín hiệu tương tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình. Việc số hoá hệ thống truyền hình hiện nay (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM) chủ yếu là các khâu phân tích ảnh cho đến đầu vào máy phát hình (điều chế, sửa và xử lý tín hiệu). Số lượng các máy thu hình hiện nay là rất lớn, nên việc số hoá hệ thống truyền hình phải được thực hiện qua từng giai đoạn (ngoại trừ các hệ thống truyền hình mới, ví dụ hệ thống truyền hình chất lượng cao HDTV). Sử dụng các hệ thống số trong truyền hình đòi hỏi phải biến đổi video tương tự (từ camera truyền hình ở studio) thành tín hiệu video số. Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự ở đầu vào máy phát hình. Các thông số của hệ thống số phải được chọn sao cho chất lượng hình ảnh bằng hoặc tốt hơn so với hệ thống số tương tự. Đó là giai đoạn sử dụng hỗn hợp truyền hình tương tự và truyền hình số. Các ứng dụng của kĩ thuật số vào ngành truyền hình có một số nguyên tắc kỹ thuật và các tiến trình riêng biệt bao gồm : • Sự phát triển của phương thức nén số liệu , hình ảnh, âm thanh tương thích với các nhu cầu của hệ thống phát hình số và cung cấp các mức thích hợp của hiệu năng hệ thống. • Phải có sự nhận dạng của ghép kênh hình ảnh, âm thanh, số liệu , các đặc điểm mã hoá kênh và điều chế đáp ứng yêu cầu của hệ thống. • Tìm hiểu phổ và các khía cạnh đặt kế hoạch của các dịch vụ truyền hình số bao gồm vùng phủ sóng cho bé thu khác nhau và các điều kiện môi trường khác nhau. • Khả năng cung cấp hệ thống phát số trong dải VHF và UHF cho phép khả năng hoạt động đồng thời với các dịch vụ truyền hình tương tự đang tồn tại. 8 Tu theo phng phỏp bin i tớn hiu m c im ca h thng truyn hỡnh s cng thay i theo. Cu trỳc,nguyờn lý cu to ca h thng v cỏc thit b truyn hỡnh s tng quỏt nh sau: 9 Gia công tương tự ADC Ghép kênh Xử lý tín hiệu ADC Gia công tương tự Gia công số Gia công số Mã hoá chống nhiễu Điều chế Đồng bộ Đo kiểm tra Tín hiệu hình Tín hiệu tiếng Tín hiệu phụ Phát Môi trường truyền dẫn Giải điều chế Giải mã hoá kênh Phân kênh Chọn đồng bộ Phát đồng bộ Gia công số Gia công tương tự ADC Gia công số ADC Gia công tương tự Xử lý tín hiệu Tín hiệu hình Tín hiệu tiếng Tín hiệu phụ Tín hiệu đo kiểm tra Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình 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 đã được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa tới thiết bị phát. Sau đó qua kênh thông tin rồi được 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 truyền hình. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số vói kênh thông tin. Khi tín 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 hoá trong kênh được phổ biến không những trong đường thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số ví dụ như máy ghi hình số, bộ điều chỉnh khoảng cách thời gian sè, gia công tín hiệu truyền hình số . 10