nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số dvb – t
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.42 MB, 100 trang )
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
#$%
&'()#*
+,&-.&/012
! "#$% &'$())*+,+-./)01'. 2)34
Truyền hình số là từ chỉ một hệ thống truyền hình mới, trong đó các thiết bị kỹ
thuật số đều làm việc theo nguyên lý kĩ thuật số. Theo nguyên lý đó thì từ một ảnh
quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được đổi thành tín
hiệu biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả màu sắc và độ chói)
mà nó sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (là một dãy các số 0 và 1).
• 56+"#$().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#&506127
- 89+0612:;<)6=>7
- 2?,@A&(@,067
- &/3B(+,)'06127
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
! CB+! . 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
4D 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/)FAG+!"FH(+$%D B+"I'+ 01'H->
Chúng ta còn thấy hệ thống truyền hình tương tự hiện nay vẫn đang sử dụng,
chúng đóng góp một vai trò quan trọng trong việc sản xuất chương trình. Giả sử
có một sự thay đổi đáng kể về trang thiết bị của phần trung tâm sản xuất chương
trình trên một băng tần quy định (Trong công nghệ Analog chỉ cho phép phát
một chương trình trên một băng tần duy nhất) do đó hiệu quả đưa đến đối với
người xem một cách rõ rệt nếu như mạng lưới máy thu vẫn là máy thu tương tự.
Công nghệ truyền hình số chỉ có thể coi là hoàn thiện khi giải quyết được
vấn đề nói trên.
J &'$().7K,+LAM 4. 2)34+:+ ! +0;'+<
",'+ ! "#
JN F@'. 2)34+:ABD B++0;'+<",'ABD 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.
JJ <. 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.
JOB.$()PQR49.. 4,"S$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.
JYZ0[$+\.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?44'
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
Bất kỳ tín hiệu nào từ bộ lọc hoặc tín hiệu Analog rò rỉ ra đều được xóa sạch
nhờ tải.
Tương tự như vậy tín hiệu Analog được nối vào đầu vào dải rộng và cũng
được tách ra hai đường nhờ một bộ coupler 3 dB. Tuy nhiên lúc này hai nửa tín
hiệu được phản xạ từ các bộ lọc và kết hợp lại vẫn nhờ bộ coupler 3 dB đó trước
khi đưa ra anten.
Các bộ lọc được yêu cầu phải lọc các tín hiệu số, khóa các kênh dải rộng và
đặc biệt là các kênh liền kề thì quan trọng. Tuy nhiên dùng bộ lọc sẽ dẫn đến
vấn đề trễ nhóm, đây chính là nguyên nhân của sự suy giảm tín hiệu, làm ảnh
hưởng đến khả năng lựa chọn của chính các bộ lọc đó. Nhằm tránh vấn đề này
cần phải sử dụng một bộ tiến sửa dải gốc (baseband precorrector).
? N b. )X4),M-
Các mạng phát hình thứ cấp là tập hợp những máy có công suất thấp và các
bộ lọc repeater dùng để bao phủ hoàn toàn những trạm phát chính. Chính việc
dùng các kênh số trên kênh trạm thứ cấp nên cũng dẫn đến những vấn đề như
trạm phát chính. Khuếch đại đa kênh là cách thức kết hợp kênh số có thể thực
hiện với những coupler không cần khả năng lựa chọn nên chi phí rất thấp.
,CD,.E1
- Thu các kênh nhờ các anten.
- Lọc và chuyển đổi lại kênh đầu vào trung tần IF.
- Xử lý trung tần.
- Chuyển đổi RF.
- Thực hiện coupling kênh có công suất thấp.
- Khuếch đại công suất ghép kênh.
. a',+\AT4. /D B+ ! "#A*+)(+
Đầu tiên cần phải tìm một vị trí thích hợp cho anten mới dựa trên cấu trúc cột
anten hiện thời. Trong nhiều trường hợp, độ mở tại cấu trúc hiện thời sẽ không
phù hợp cho các anten UHF mới đòi hỏi về mặt cắt ngang. Với những mặt cắt
ngang loại lớn này thiết kế cho dải rộng là rất khó.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 11
Tuy nhiên lợi thế chính là việc không dùng các bộ cộng RF công suất cao
nhưng hạn chế chính là chưa lọc được phát ngoài kênh. Do đó cần phải sử dụng
các bộ lọc tại đầu ra máy phát, như vậy thì rất có thể vùng phủ sóng của anten sẽ
khác so với anten Analog.
Cũng cần quan tâm về phối hợp dải thông và sự tương hợp của anten cũng
như hạn chế ERP để bảo vệ các dịch vụ truyền hình tương tự, vì những lý do đó
nên việc chi phí cho anten mới là cao.
O3'K,$+ ! "#
Oc*.)42A.d,+ ! "#
Những năm gần đây các hãng và các tổ chức đang tập trung nghiên cứu, thiết
kế để đưa ra hệ thống truyền hình số. Truyền hình số đang dần trở thành hiện
thực và sẽ dần thay thế hệ thống truyền hình tương tự.
Tại sao truyền hình tương tự đang thịnh hành như vậy lại lu mờ trước truyền
hình số? Đó là do những đặc điểm của truyền hình số tỏ ra thế mạnh tuyệt đối so
với truyền hình tương tự. Một số đặc điểm chính của truyền hình số như sau:
- Tín hiệu số ít nhạy với các dạng méo xảy ra trên đường truyền.
- Ít bị tác động của các nhiễu so với truyền hình tương tự.
- Có khả năng phát hiện lỗi và sửa sai.
- Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu (có hệ số nén rất lớn so
với tín hiệu tương tự).
- Tính phân cấp (kênh có thể được sử dụng chỉ phát một chương trình độ phân
dải cao hoặc một vài chương trình truyền hình tiêu chuẩn).
- Có thể truyền được nhiều loại hình thông tin khác nhau với cách xử lý giống
nhau.
- Tiết kiệm được năng lượng, cùng với một công suất phát sóng, diện tích phủ
sóng rộng hơn so với công nghệ truyền hình tương tự.
- Có thể khóa mã dễ dàng.
- Dễ dàng thích nghi với các bước chuyển tiếp sang tín hiệu độ phân giải cao
hoặc phát thanh với chất lượng CD.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 12
- Thị trường đa dạng, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đông
đảo khán giả hoặc từng cá nhân.
- Tính tương tác hai chiều.
- Cho phép thu di động.
- Phù hợp với công nghệ VLL.
- Chi phí khai thác thấp.
- Hoàn toàn có khả năng hòa nhập vào xa lộ thông tin
OJ^;)WM #4 9+ #'+ ! "#
Một hệ thống truyền hình số theo tiêu chuẩn có thể coi gồm 3 thành phần
chính sau:
F2@G?(H
F2H+;I(@G?&/3B7
F2J/KL+,1?7
,^;)WM #4
! J^;)WM #4 9+ #'+ ! "#
?'-+e.V%A$49.
9+ #'D B+>
Các tín hiệu tương tự sau khi được chuyển đến A/D và đưa qua các phân hệ
tương ứng để thực hiện mã hóa và nén tín hiệu.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 13
Biến đổi
D/A
Máy thu
tương tự
Giải mã
hóa
nguồn
T/h
Truyền
hình
số
Giải mã
hóa kênh
Giải điều
chế số
T/h
Truyền
hình
số
T/h
Truyền
hình
tương
tự
Biến đổi
A/D
Mã hóa
nguồn
4b+?fD B+
Mã hóa
kênh
Điều chế
số
4b+?f+
Dòng tín hiệu số sau đó được ghép kênh với tín hiệu điều khiển phụ tại bộ
ghép kênh thành một dòng truyền. Dòng tín hiệu này được ghép mã truyền dẫn,
mã kênh và điều chế trước khi đưa ra anten phát.
9+ #'+ >
Quá trình xử lý của hệ thống thu ngược lại với quá trình xử lý của hệ thống
phát. Tín hiệu cao tần thu qua bộ tuner được giải điều chế cao tần. Tín hiệu tần
số thấp được giải mã hóa kênh, giải mã truyền dẫn rồi đưa đến bộ giải mã ghép
kênh. Tín hiệu được đưa đến bộ giải mã ghép kênh được đến bộ chuyển đổi D/A
của Audio và Video và đưa đến máy thu phát tương tự.
OOc*.)42A.d,+ ! "#
,g-.7$?@'+7>
Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa truyền hình số và
truyền hình tương tự. Truyền hình số yêu cầu băng tần rộng hơn.
?hV9.8'"(+i8'"(++XDLAj^4',Vi/4"\kRj^ik>
Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễm
trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi.
Với truyền hình số, nhiễu là các bit lỗi. (VD: Xung “on” chuyển thành
“off”).
Nhiễu trong truyền hình số được khắc phục nhờ các mạch và các mã sửa lỗi.
Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu. Khi có quá
nhiều bit lỗi sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi.
Tuy nhiên trong truyền hình quảng bá truyền hình số gặp phải vấn đề khó
khăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm trên kênh truyền. Tại đây cần
phải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số. Đây là công việc lớn có khối lượng
lớn và phức tạp.
. 5l/D 4+b>
Truyền hình số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và
truyền
G W'D 3jV4,"4'k>
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 14
Truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên
có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng. Theo chiều thẳng đứng chồng
phổ trong hay hệ thống tương tự là như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ theo
chiều ngang phụ thuộc vào méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực
hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao
nhất trong hệ thống tương tự.
\ 4B+ % $%)6D =.+XD>
Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn mạch tương tự nên giá thành của thiết
bị số cao hơn nhiều so với thiết bị tương tự. Nhưng với sự phát triển của các
ngành công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính đã ra đời các mạch
tích hợp cỡ lớn LSL (Large Scale Integration) và rất lớn VLS đã làm giảm giá
thành của trang thiết bị số.
m _V[+E 49>
Truyền hình số có thể xử lý và chuyển đổi tốt các chức năng mà hệ thống
tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn. Sau biến đổi A/D truyền
hình còn lại là một chuỗi các bit “0” và “1” do đó có thể thao tác các công việc
phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Khả năng này được tăng lên
nhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh.
Với truyền hình số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một
khoảng cách gần nhau hơn so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu.
g. 49='?I'A,j /"+k>
Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy
thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũng làm
giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 15
#$M
8N/H
JN B449A. '
JN B4 49A. '
Jcf ' n,
Nén tín hiệu số là biểu diễn tín hiệu số với số bít ít hơn nhưng thông tin
phải được bảo toàn hoặc mất mát có thể chấp nhận được.
B.V/X4l>
+ Nén tín hiệu số : Digital Signal Compression
+ Nén số liệu : Data Compression
+ Giảm số liệu : Data Reduction
+ Giảm tốc độ bit : Bit Rate Reduction
+ Mã hóa nguồn : Source Coding
JJ5`.)E. .d,l+E 49"#
- Để giảm dung lượng phải truyền dẫn.
- Giảm băng thông truyền dẫn.
- Làm giảm tốc độ bít của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn đảm bảo chất
lượng hình ảnh, âm thanh cần truyền tải.
! J^;)Wl$%'4F4l
JOB.+ 8'"#$l
+ Tỉ số nén: Ví dụ 100Mbit/s nén 20Mbit/s (tỷ số nén 5:1).
+ Phần trăm nén: Ví dụ 100Mb/s nén 20Mb/s (tương đương nén 80%).
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 16
Nén (mã hóa
nguồn)
Kênh truyền
dẫn lưu trữ
Giải nén (giải
mã nguồn)
Phát Truyền dẫn hay lưu trữ Thu
+ Số bit/Symbol: Ví dụ cần 8 bit/pixel nén 2 bit/pixel (tỷ số nén 4:1,75%).
JYF. (+.d,l
Khác với nguồn dữ liệu một chiều như nguồn âm, đặc tuyến đa chiều của
nguồn ảnh cho thấy: Nguồn ảnh chứa nhiều sự dư thừa hơn các nguồn thông tin
khác. Đó là:
* Sự dư thừa về mặt không gian (Spatial redundancy): các điểm ảnh kề
nhau trong một mành có nội dung gần giống nhau.
* Sự dưa thừa về mặt thời gian (Temporal redundancy): các điểm ảnh có
cùng vị trí ở các mành kề nhau rất giống nhau.
* Sự dư thừa về mặt cảm nhận của con người: Mắt người nhạy cảm hơn
với các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với sự thay đổi nhanh, tần số cao.
Do vậy, có thể coi nguồn hình ảnh là nguồn có nhớ.
Nén ảnh thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các
loại dư thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn dữ liệu mới
có lượng thông tin nhỏ hơn. Đồng thời sử dụng các dạng mã hoá có khả năng tận
dụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lượng bít sử dụng để mã hoá
một lượng thông tin nhất định là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng theo
yêu cầu.
,B.+ % D 7+ 8'+4
- Thông tin chứa trong một tín hiệu có thể được chia làm 2 thành phần
chính:
+ Lượng tin hay entropy hay độ bất định (uncertainty).
+ Độ dư thừa (redundancy).
- Tuỳ theo nội dung của thông tin, phần entropy lại được chia thành 2 phần.
+ Thông tin phù hợp (irrelevance): Thông tin không có giá trị đối với hệ
thống cảm thụ chủ quan của con người.
+ Thông tin cốt lõi tức là phần còn lại của entropy: Thông tin này có thể
chia thành nhiều phần nhỏ khác nhau tuỳ theo mức độ quan trọng đối với sự cảm
thụ của con người.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 17
?lM 8'+3 ,/
>
.l.I+3 ,/
- Sau khi nén không tổn hao tín hiệu, kết quả được đem đi sàng lọc ra thông
tin không phù hợp và thông tin cốt lõi, ta lại tiếp tục loại bỏ những thông tin
không phù hợp.
- Thông tin cốt lõi lại được tiếp tục sàng lọc để phân loại ra thông tin quan
trọng hơn và thông tin ít quan trọng hơn để loại bỏ thông tin ít quan trọng
- Với một mảng hình lớn (tần số thấp) thì quan trọng hơn những hình chi
tiết (tần số cao).
- Nén càng nhiều chất lượng thông tin càng giảm. Vì vậy tuỳ thuộc vào chất
lượng thông tin yêu cầu mà ta nén nhiều hay nén ít.
* Cơ sở toán học:
- Nén không tổn hao.
+ Tốc độ bit R = H + ξ
R: Tốc độ bit
H: entropy
ξ: Một số dương rất nhỏ tiến dần về 0.
- Nén có tổn hao.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 18
Độ dư thừa
entropy
Tín hiệu
Nén
Entropy
H
Độ méo D
O 100%
JJlM 8'+3 ,/>
- Nén không tổn hao hay “mã hoá nguồn” là quy trình biểu diễn các ký hiệu
trong dòng bit nguồn thành dòng các từ mã (Codeword) mỗi từ mã gồm một số
bit, sao cho giảm được tốc độ bit. Mã hoá có hiệu quả càng cao thì số bit trung
bình dùng biểu diễn một ký hiệu càng tiến gần giá trị entropy.
, LV/X4>
- Nén theo mô hình thống kê (mã hoá Symbol (VLC+RLC)).
- Nén theo mô hình tự điển (không dùng trong phát thanh truyền hình).
?5o /BZj,4,?V\Z\'+ /G4'kp5o /BmmA,
Trong các dạng mã hoá thì mã hoá Huffman là dạng được sử dụng phổ
biến nhất. Bảng mã Huffman có thể cho độ dài mã trung bình để mã hoá cho
một mẫu là nhỏ nhất do tận dụng được xác suất xuất hiện cao nhất sẽ được gắn
với một từ mã có độ dài ngắn nhất. Mặc dù có độ dài mã thay đổi song mã
Huffman vẫn có khả năng giải mã đúng do có thuộc tính tiền tố duy nhất (không
có bất cứ từ mã nào là phần đầu của từ mã tiếp theo).
Phương pháp mã hoá Huffman sẽ trở nên nặng nề khi số tin của nguồn
quá lớn. Trong trường hợp này, người ta dùng một biện pháp phụ để giảm nhẹ
công việc mã hoá. Trước tiên liệt kê các tin của nguồn theo thứ tự xác suất giảm
dần. Sau đó ghép thành từng tin có tổng xác suất gần bằng nhau. Dùng một mã
để mã hoá các tin trong cùng một nhóm. Sau đó xem nhóm tin như một khối tin
và dùng phương pháp Huffman để mã hoá các khối tin. Từ mã cuối cùng tương
ứng với mỗi tin của nguồn gồm hai phần: Một phần là mã Huffman và một phần
là mã đều. Mã Huffman chỉ tối ưu khi đã biết trước xác xuất của mã nguồn và
mỗi biểu trưng của mã nguồn được mã hoá bằng số bit nguyên.
Một Symbol (8 bít) có 256 Symbol khác nhau, có những Symbol xuất
hiện nhiều, có những Symbol xuất hiện ít. Những Symbol xuất hiện nhiều thì
gán cho từ mã có độ dài bít ngắn hơn những Symbol xuất hiện ít. Trong một
dòng bít, lấy xác suất xuất hiện của các Symbol để gán mã, kết quả cho một
dòng ít ngắn hơn nhưng vẫn đảm bảo được thông tin đầy đủ.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 19
.5o /BPZjPZ\'+ /G4'k
- Loại mã hoá này chính là các ký hiệu nguồn (hoặc các ký hiệu ở đầu ra
của bộ lượng tử) có độ dài thay đổi được mã hoá thành các từ mã có độ dài cố
định, tiếp tục mã hoá các từ mã này thành lần nữa bởi mã hoá Huffman. Loại mã
hoá này được áp dụng nhiều trong các phương pháp ảnh tĩnh, nén Video.
Mã hoá RLC rất hiệu quả khi gặp một loại các ký hiệu giống nhau (RUN)
xuất hiện liên tiếp (Ví dụ: 100 bit 0 liền nhau được biểu diễn: (0,100); 80 bit 1
liền nhau được biểu diễn: (1,80). Tóm lại: Mỗi “Run” được biểu diễn bằng một
cặp (LEVEL, RUN), trong đó: LEVEL biểu thị giá trị 1 bít hay 1 ký hiệu; RUN
biểu thị số lần lặp lại của một bít hay một ký hiệu.
Các từ mã sau khi được mã hoá RLC thì lại được mã hoá VLC (Mã hoá
Huffman).
JOl.I+3 ,/
Nguyên lý hệ thống nén và giải nén (mã hoá và giải mã) có tổn hao
được mô tả như sau:
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 20
Dòng bit
chưa nén
BIẾN
ĐỔI T
MÃ HÓA
C
bit nénLượng tử
hóa Q
GIẢI MÃ
D
Giải
lượng tử
R
BIẾN ĐỔI
NGƯỢC
T
-1
Dòng bit
giải nén
Dòng bit
chưa nén
9+ #'l.I+3 ,/
9+ #''4F4l.I+3 ,/
! JJ>9+ #'l$%'4F4l.I+3 ,/
JO6?4b)34j,"m/A\k
Bộ biến đổi T áp dụng một phép biến đổi 1-1 đối với số liệu đầu vào. Ở đầu
ra bộ biến đổi T thì có một cách biểu diễn số liệu thích hợp hơn để nén. Về phía
giải nén, ta có bộ biến đổi ngược T
-1
, với chức năng ngược một số phép biến đổi
tiêu biểu được liệt kê sau đây:
,4b)34G<)/B+b+E jZ4\,\G4.+4$\,"m/Ak
* Điều xung mã vi sai DPCM (Differrentral Lulse Modulation).
Thay truyền f
n
ta truyền sai số dự đoán e
n
f
i
25 35 30 41 72 72 72 83
Dự đoán f
i
= f
i-1
0 25 35 30 41 72 72 72 83
Sai số dđ e
n
25 10 -5 11 31 0 0 11
Trong một dòng nhiều Pixel giống nhau nên sai số dự đoán tập trung vào
điểm 0 nhiều.
* Đánh giá bù chuyển động (Motion Estimation & Compensation):
Đây là dạng dự đoán Inter có xét đến chuyển động của các vật thể trên ảnh
khi nén Video. Ta lấy ảnh cũ gần giống ảnh mới dự đoán thay vì truyền ảnh chỉ
truyền sai số dự đoán và véc tơ chuyển động.
?4b)34q4+,jq4+,,"m/Ak
Biến đổi Unita là biến đổi tín hiệu số trong miền thời gian (tín hiệu Audio
số) hoặc trong miền không gian 2D (ảnh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số.
Biến đổi DCT là một trường hợp của biến đổi Unita.
Biến đổi DCT (Disscrete Cosine Transform) là dựa vào phép biến đổi
Fourier để chuyển mảng ảnh từ không gian 2 chiều sang miền tần số, để thấy
được tần số cao ở đâu và tần số thấp ở đâu, để sau đó loại bỏ tần số cao.
.4b)34),D L'4F4
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 21
Sai số dự đoán
bộ dự đoán
Dự đoán f
n
= f
n-1
f
n
Biến đổi đa phân giải là chia tín hiệu thành tập các tín hiện con có độ phân
giải khác nhau.
56+"#?4b)34+4-?42>
+ Mã hóa giải con (Subband Coding)
+ Biến đổi Wavelet.
JOJZ0r'+_ I,CjC,+4s\k$%?6'4F4V0r'+_ I,P
- Lượng tử hóa là quá trình biểu diễn một tập giá trị liên tục ở ngõ vào bằng
một lượng giới hạn các ký hiệu ở ngõ ra. Đây chính là khâu gây ra tổn hao khi
loại bỏ thông tin không phù hợp (độ dư thừa tâm lý) hay thông tin ít quan trọng
và dĩ nhiên phải chấp nhận một độ méo (độ suy giảm chất lượng) nhất định. Về
phía giải nén ta có bộ giải lượng tử với chức năng ngược lại.
- Có thể phân biệt hai lượng tử chủ yếu:
+ Lượng tử vô hướng (Scalar Quantization) là lượng tử từng giá trị một
cách độc lập.
+ Lượng tử vectơ (Vector Quantization) là quá trình biểu diễn một tập Vector
(mỗi vector gồm nhiều giá trị) bằng một số hữu hạn các ký hiệu ngõ ra.
- Lượng tử hóa có thể được áp dụng cho các giá trị trong miền thời gian,
không gian cũng như các hệ số trong miền tần số.
JOO5o I,j/G\k$%'4F4Aoj\./G\k
Bộ mã hóa có hai nhiệm vụ:
- Loại bỏ dư thừa trong các ký tự ở ngõ ra bộ lượng tử hóa.
- Ánh xạ các ký tự này thành các từ mã hợp thành dòng bit ra. Bộ mã hóa này
chính là bộ mã hóa ký hiệu - mã hóa entropy vì sử dụng mô hình thống kê để mã
hóa. Các loại mã hóa thông dụng thường được sử dụng là VLC, RLC ở phía giải
nén ta có bộ giải mã D với chức năng ngược lại.
JOO5o I,G<)/Bj\G4.+4$\./G4'k
Nguồn ảnh chứa một thông tin rất lớn, nếu mã hóa trực tiếp nguồn tin này theo
PCM, tốc độ dòng bít thu được sẽ rất cao. Mặt khác, nguồn ảnh lại chứa đựng sự dư
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 22
thừa và tính “có nhớ”, giữa các điểm ảnh lân cận có mối quan hệ tương hỗ với nhau.
Do đó mã hóa dự đoán được xây dựng trên nguyên tắc cơ bản sau:
* Lợi dụng mối quan hệ tương hỗ này, từ các giá trị điểm ảnh lân cận, theo
một nguyên tắc nào đó có thể tạo nên một giá trị gần giống điểm ảnh hiện hành.
Giá trị này gọi là giá trị “dự báo”.
* Loại bỏ đi tính “có nhớ” của nguồn tín hiệu bằng một bộ lọc đặc biệt có
đáp ứng đầu ra là hiệu giữa tín hiệu vào s(n) và giá trị dự báo cho nó.
* Thay vì lượng tử hóa trực tiếp các mẫu điểm ảnh, mã hóa dự đoán lượng
tử và mã hóa các “sai số dự báo” tại đầu ra bộ lọc.
“Sai số dự báo” là sự chênh lệch giữa trị dự báo và giá trị thực sự của
mẫu hiện hành. Do nguồn “sai số dự báo” là nguồn không có nhớ và chứa đựng
lượng thông tin thấp, nên số bít cần mã hóa sẽ giảm đi rất nhiều.
Phương pháp tạo điểm ảnh dựa trên tổng giá trị của các điểm dự đoán và sai
số dự báo gọi là “ /)@G1OPQR7
! JO6Ao I,5
! JY6'4F4Ao5
i (k): Mẫu điểm tuần tự.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 23
Bộ dự đoán
+
e(k) i’(k)
+
e(k)
i’(k)
i(k)
i(k)
i’(k)
Lượng tử hoá
Bộ dự đoán
e(k)
+
+
e (k): Chênh lệch dự đoán (sai số dự đoán).
e (k): Giá trị dự đoán của e (k) với lỗi lượng tử quy định (k).
JOOJ5o I,. 2)34j,"m/A/G4'k
Trong phương pháp mã hóa chuyển đổi, tính có nhớ của nguồn tín hiệu được
loại bỏ đi bằng một phép biến đổi. Một khối các điểm ảnh được chuyển sang miền
tần số theo một ma trận biến đổi phù hợp. Từ khối N giá trị mẫu điểm lân cận s
= {s(n), s(n+1) s(n-N+1)}, thu được khối N hệ số c = (c
1
,c
2
c
N
). Phép biến đổi
này có tính thuận nghịch, các hệ số này hoàn toàn có thể hồi phục thành giá trị
tín hiệu ban đầu bằng phép chuyển đổi ngược.
So với giá trị thực của điểm ảnh, nguồn các hệ số là không có nhớ. Mặt
khác thông tin của nguồn ảnh tập trung phần lớn ở các thành phần tần số thấp
nên trong khối các hệ số, thông tin cũng tập trung tại một số ít các hệ số chuyển
đổi c
i
. Do vậy sẽ giảm được lượng bít nếu mã hóa số này thay cho việc mã hóa
trực tiếp các mẫu. Số lượng bít mã hóa còn có thể giảm hơn nữa nếu lợi dụng
đặc điểm của mắt người không nhạy cảm với sai số ở tần số cao. Bởi vậy, có thể
sử dụng bước lượng tử thô cho các hệ số ứng với tần số cao mà không làm giảm
sút chất lượng ảnh khôi phục.
! J],CB+! Ao /B. 2)34 ,4. 4
! J]?CB+! '4F4Ao. 2)34 ,4. 4
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 24
Biến đổi
hai chiều
Lượng tử, mã
hoá entropy
q
p
B
pxq
Biến đổi ngược
hai chiều
Giải mã
entropy
p
q
B
pxq
Ảnh số được chia thành các khối cỡ p x q. Các khối này sẽ được chuyển đổi
sang miền tần số. Các hệ số biến đổi sẽ được lượng tử hóa và mã hóa. Quá trình
giải mã sẽ được áp dụng phép biến đổi ngược đối với các hệ số để khôi phục
ảnh ban đầu.
Trong mã hóa chuyển đổi, một điều vô cùng quan trọng là phải chọn được
phép biến đổi phù hợp có khả năng giảm tối đa mối quan hệ tương hỗ giữa các
điểm ảnh trong cùng một khối. Bản thân phép biến đổi trong mã hóa chuyển đổi
không nén dữ liệu. Song nếu lượng tử hóa các hệ số, rất nhiều hệ số tần số cao
sẽ quy tròn về giá trị 0. Việc lựa chọn bảng lượng tử và số bit mã hóa cho các hệ
số cũng rất quan trọng do phần lớn hiệu suất nén dữ liệu tập trung trong quá
trình này. Cuối cùng mã hóa entropy được chọn để giảm tối đa tốc độ dòng bít.
Phép biến đổi tốt nhất cho bình phương sai số của ảnh khôi phục nhỏ nhất là
phép biến đổi Karhumen - Loeve (KL) nhưng phép biến đổi này không phù hợp
cho nhiều ứng dụng của ảnh số. Do vậy, trong nén ảnh số sử dụng phổ biến cho
một phép biến đổi khác gọi là “phép biến đổi cosin rời rạc”. Biến đổi cosin một
chiều (1D - DCT) dành cho một dãy các điểm ảnh. Việc chuyển đổi một khối n x
m điểm ảnh sang miền tần số được thực hiện bằng chuyển đổi DCT 2 chiều (2D
- DCT).
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 25
