Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền hình số

MỤC LỤC
***
LỜI NÓI ĐẦU 2
CHƯƠNG I 4
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN HÌNH 4
1.1. Giới thiệu chương 4
1.2.Truyền hình tương tự 5
1.2.1 Truyền hình đen trắng 5
1.2.2 Truyền hình màu 10
1.3. Truyền hình số 16
1.3.1. Đặc điểm của truyền hình số 16
1.3.2. Số hóa tín hiệu truyền hình tương tự 17
CHƯƠNG II 26
QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH DÒNG TRUYỀN TẢI TIÊU CHUẨN MPEG
TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ 26
2.1. Giới thiệu chương 26
2.2. Quá trình nén dữ liệu 27
2.2.1. Nén video 27
2.2.2. Nén audio 38
2.2.3. Nén video và audio theo tiêu chuẩn MPEG -2 40
2.3. Ghép kênh chương trình và tạo dòng truyền tải 41
2.3.1 Dòng cơ sở 42
2.3.2. Dòng chương trình 45
2.3.3. Dòng truyền tải 47
CHƯƠNG III 50
TRUYỀN DẪN DÒNG TRUYỀN TẢI 50
3.1.Giới thiệu chương 50
3.2. Hệ thống truyền hình số mặt đất tiêu chuẩn DVB-T 51
3.2.1. Phần mã hóa nguồn dữ liệu và ghép kênh MPEG-2 52
3.2.2. Phần mã hóa kênh truyền 53
3.2.3. Phần điều chế và phát sóng 54

3.3. Kỹ thuật ghép kênh đa tần trực giao có mã COFDM 57
3.3.1. Nguyên lý OFDM 57
3.3.2. Can nhiễu do phản xạ đa đường và khoảng thời gian bảo vệ 61
3.3.3. Mã hoá đường truyền và chống nhiễu trong COFDM 63
3.3.4. Điều chế trong COFDM 65
3.3.5. Cấu trúc khung của COFDM 67
3.3.6. Mô hình hệ thống COFDM 70
KẾT LUẬN 73
1
LỜI NÓI ĐẦU
***
Cùng với sự phát triển của xã hội thì yêu cầu về số lượng và chất lượng
các chương trình truyền hình ngày càng cao. Kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn
tương tự ngày càng tỏ ra kém ưu thế. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử, tin
học và viễn thông trong kỷ nguyên số hóa đã tạo ra các kỹ thuật xử lý tín hiệu
số, các thuật toán nén tín hiệu hình ảnh, các kỹ thuật truyền dẫn số ra đời, là
nền tảng cho sự xuất hiện truyền hình số. Truyền hình số đã thể hiện các ưu
thế vượt trội và đã giải quyết triệt để các khiếm khuyết của truyền hình tương
tự, nó sẽ chiếm vị trí thống lĩnh trong tương lai gần. Hòa cùng với xu thế phát
triển của ngành truyền hình, em đã chọn "truyền hình số" làm đề tài tốt nghiệp
của mình, cuốn đồ án này bao gồm ba chương:
Chương I: Cơ sở lý thuyết truyền hình, nêu lên những vấn đề cơ bản
nhất của truyền hình tương tự và sự chuyển đổi từ tín hiệu truyền hình tương
tự sang dạng số với ba bước cơ bản là lấy mẫu, lượng tử, mã hóa.
Chương II: Quá trình hình thành dòng truyền tải tiêu chuẩn MPEG
trong truyền hình số. Các tín hiệu truyền hình số nhận được từ quá trình số
hóa tín hiệu truyền hình tương tự không thể truyền trực tiếp do yêu cầu băng
tần quá rông nên buộc phải nén xuống. MPEG (cụ thể là MPEG-2) là tiêu
chuẩn nén được áp dụng cho tín hiệu truyền hình, kết quả của quá trình nén là
các dòng truyền tải (hoặc dòng chương trình).

Chương III: Truyền dẫn dòng truyền tải. Dòng truyền tải sẽ được
truyền theo các phương thức khác nhau tạo nên các dịch vụ truyền hình khác
nhau như cáp, vệ tinh, hay mặt đất. Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn
DVB-T có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như khả năng
chống nhiễu cao, tự phát hiện và sửa lỗi, chất lượng trung thực, ít bị ảnh
hưởng bởi nhiễu đường truyền sẽ được đề cập trong chương ba với phương
thức truyền dẫn cơ bản OFDM.
2
Với ba chương ngắn gọn, cuốn đồ án này đã mô tả một cách định tính
quá trình chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số và quá trình
truyền dẫn tín hiệu truyền hình số. Tuy nhiên do hạn chế về mặt thời gian
cũng như kiến thức thực tế, cuốn đồ án này sẽ khó tránh khỏi những thiếu sót.
Em mong được sự góp ý của các thầy và các bạn để hoàn thiện bài viết của
mình hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của giảng
viên - Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Nguyên là người đã trực tiếp giúp em hoàn
thành cuốn đồ án này. Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy cô, các bạn đã dành
thời gian đọc và quan tâm tới đề tài này.

3
CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN HÌNH
***
1.1. Giới thiệu chương
Truyền hình là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo
thành tín hiệu điện và truyền tới máy thu, tại đây nó được biến đổi ngược lại
thành dạng ban đầu và hiện thị lên màn hình dưới dạng hình ảnh.
Truyền hình dựa trên đặc điểm cảm nhận ánh sáng của mắt người để
truyền các thông tin về độ sáng và màu sắc của vật. Tuy nhiên người ta không
thể truyền trực tiếp thông tin này dưới dạng ánh sáng (ảnh quang) mà phải

biến đổi nó thành các tín hiệu điện để có thể truyền đi xa. Quá trình này được
gọi là quá trình biến đổi quang - điện và được thực hiện nhờ camera. Dòng tín
hiệu điện sau camera đã mang tin tức của ảnh được gọi là dòng tín hiệu hình
(tín hiệu video). Nó sẽ được khuyếch đại, gia công rồi truyền đi theo kênh
thông tin sang phía thu. Ở phía thu, tín hiệu hình lại tiếp tục được khuyếch đại
đến mức cần thiết rồi đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu - ảnh để biến đổi thành
dạng ảnh quang, nhờ vậy mà mắt người có thể cảm nhận được màu sắc và độ
sáng của vật. Đó là nguyên lý chung về thu và phát tín hiệu truyền hình.
Truyền hình tương tự và truyền hình số đều dựa trên nguyên tắc này, điểm
khác nhau giữa hai hệ thống là cách biểu diễn thông tin về màu sắc và độ chói
của ảnh, truyền hình tương tự biến đổi tín hiệu điện theo sự thay đổi của
thông tin, truyền hình số biểu diễn các thông tin đó thành chuỗi số (bit 0,1).
Trong chương này, ta không đề cập đến vấn đề thu, phát mà chỉ quan tâm tới
các thông tin trong dòng tín hiệu video tương tự và quá trình biến đổi tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số.
4
1.2.Truyền hình tương tự
1.2.1 Truyền hình đen trắng
1.2.1.1. Dòng tín hiệu truyền hình đen trắng
Như chúng ta đã biết, thông tin cần truyền của ảnh bao gồm độ chói và
màu sắc tuy nhiên đối với truyền hình đen trắng, ta chỉ truyền thông tin về độ
chói. Bộ quét trong camera sẽ thực hiện việc chuyển đổi độ chói thành tín
hiệu điện bằng một lượt quét gồm các dòng quét theo chiều ngang từ trái qua
phải, từ trên xuống dưới. Lúc này có thể xem ảnh quang như một tập hợp gồm
các điểm ảnh, mỗi điểm ảnh có một độ chói nhất định, giá trị độ chói trung
bình của tất cả các điểm ảnh chính là độ chói của ảnh cần truyền. Quá trình
quét sẽ chuyển đổi độ chói của mỗi điểm ảnh thành các giá trị điện áp tương
ứng và cứ thế lặp lại cho hết một ảnh rồi tới ảnh tiếp theo. Tuy nhiên, để quá
trình khôi phục ảnh là chính xác thì cần có sự đồng bộ giữa phía thu và phía
phát. Đồng bộ dòng đảm bảo cho điểm xuất phát quét ở mỗi dòng phía thu và

phát là như nhau. Tương tự đồng bộ mành sẽ đảm bảo cho điểm xuất phát ở
mỗi mành phía thu và phát là trùng nhau. Ngoài các xung đồng bộ dòng và
đồng bộ mành ta cần truyền thêm các xung xóa dòng và xung xóa mành để
xóa các vết quét từ cuối dòng quét cũ về vị trí bắt đầu dòng quét mới hay từ
cuối mành cũ tới vị trí đầu mành mới, để trên màn hình không có các vệt sáng
di chuyển gây khó chịu cho mắt. Các xung đồng bộ và các xung xóa được
truyền trong thời gian xóa dòng. Như vậy, thông tin trong dòng tín hiệu hình
đen trắng bao gồm thông tin về độ chói truyền trong thời gian quét tích cực và
các xung đồng bộ và xung xóa truyền trong thời gian xóa dòng.
5
1.2.1.2. Phổ của tín hiệu hình
Muốn phát tín hiệu nào đó đi xa ta phải xác định độ rộng kênh truyền,
nó phụ thuộc vào phổ của tín hiệu cần truyền đi. Trong tín hiêu hình, các
thành phần tần số thấp ứng với các chi tiết lớn của ảnh, các thành phần tần số
cao ứng với các chi tiết nhỏ của ảnh. Thành phần tần số thấp nhất của tần phổ
được xác định bằng tần số quét mành (quét ảnh). Thành phần tần số cao nhất
quyết định bởi tần số quét cùng kích thước và độ phân giải của ảnh theo chiều
ngang. Tần số này có thể xác định gần đúng theo công thức sau:
AAAAHHH
p
f
a
b
ZfNfZNfN
t
f ⋅⋅≅===≅
2
max
2
1

2
1
2
1
2
1
2
1
(1.1)
Trong đó:
p
t
- thời gian cần thiết để truyền tín hiệu mang thông tin về một
phần tử nhỏ nhất của ảnh theo chiều ngang;
A
H
H
fZ
T
f ==
1
- tần số quét dòng;
H
T
- chu kỳ quét dòng;
Z
- số dòng quét trong một ảnh;
A
f
- tần số quét ảnh;

pHp
H
H
tft
T
N
1
==
- số phần tử phân giải ứng với thời gian truyền
toàn bộ một dòng quét
H
T
;
pAp
A
A
tft
T
N
1
==
- số phần tử phân giải ứng với thời gian truyền
toàn bộ một ảnh
A
T
.
a
b
- tỷ lệ kích thước giữa chiều dài và chiều rộng của ảnh.
Xét hệ thống truyền hình quảng bá với số dòng quét

625
=
Z
dòng/ảnh với tỉ lệ
khuân hình 4/3, số ảnh truyền trong một giây là
Hzf
A
50=
(tần số tới hạn để
tránh hiện tượng nhấp nháy đối với mắt người), thì tần số cao nhất của tín
hiệu hình có giá trị cỡ:
MHzHzf 13101350
3
4
625
2
1
62
max
=⋅≅⋅⋅⋅≅
.
6
Giá trị này là rất lớn xét theo cả hai khía cạnh: băng tần đòi cần thiết
để truyền dẫn và khả năng đảm bảo dải thông của các thiết bị vô tuyến điện
thông thường (Ví dụ: so sánh với phổ của tín hiệu âm thanh chỉ có giá trị một
vài đến cỡ 20KHz). Chính vì vậy người ta đã cố gắng giảm nó xuống một nửa
(chỉ còn 6,5 MHz) bằng biện pháp quét xen dòng. Trong đó mỗi ảnh được
chia thành hai nửa (2 mành - Frame): mành thứ nhất bao gồm tất cả các dòng
lẻ của ảnh còn mành thứ hai - các dòng chẵn. Các mành chẵn, lẻ được truyền
đi lần lượt với tần số

V
f
có giá trị bằng tần số tới hạn để mắt không cảm thấy
sự nhấp nháy. Do mỗi ảnh gồm hai mành nên tần số truyền ảnh đã giảm đi
một nửa
VA
ff
2
1
=
. Kết quả là tần số cực đại của tín hiệu video cũng giảm đi
một số lần tương ứng mà chất lượng của ảnh cũng như yêu cầu về mức độ
nhấp nháy đối với mắt người vẫn được đảm bảo.
7
f
u
f
V
2f
V
nf
V
f
H
-f
V
f
H
f
H

+f
V
2f
H
+f
V
2f
H
2f
H
-f
V
Hình 1.1. cấu trúc phổ của tín hiệu
video đen trắng
Xét về mặt cấu trúc, phổ tín hiệu hình được sắp xếp khá đặc biệt
(Hình 1.1). Nó bao gồm các hài của tần số mành f
v
và dòng f
H
, trong đó tần số
càng cao thì biên độ càng bé. Năng lượng chủ yếu tập trung trong khoảng tần
số từ 0 đến cỡ 1,5MHz. Giữa các nhóm phổ hài tần số dòng tồn tại các
khoảng trống. Có thể lợi dụng các khoảng trống này để truyền những tín hiệu
khác. Trong trường hợp hai tín hiệu có cấu trúc phổ như nhau, nếu bố trí sao
cho các nhóm phổ của tín hiệu thứ hai nhằm vào các khoảng trống giữa các
nhóm phổ của tín hiệu thứ nhất thì có thể truyền cả hai tín hiệu ấy trên cùng
một kênh thông tin, và sau đó tách chúng ra được. Tính chất này được áp
dụng để ghép các tín hiệu màu vào tín hiệu chói trong truyền hình màu.
1.2.1.3. Băng tần của một kênh truyền hình đen trắng
Trong truyền hình quảng bá các tham số về tần số, số dòng quét và giá

trị tần số cực đại của tín hiệu video được được quy định theo tiêu chuẩn một
số tiêu chuẩn sau (Bảng 1).
Bảng 1: Một số tiêu chuẩn truyền hình đen trắng
Tên tiêu
chuẩn
Tổng số dòng
quét/ số dòng
quét ngược
f
V
xf
H
[Hz]
fmax
[MHz]
fs
[MHz]
FCC 525/40 60x15750 4,2 4,5
CCIR 625/50 50x15625 5 5,5
OIRT 625/50 50x15625 6 6,5
Trong đó
s
f
là tần số sóng mang phụ của tín hiệu âm thanh (dùng điều
chế FM) được lựa chọn nằm ngoài vùng phổ của tín hiệu hình. Phân bố phổ
của tín hiệu video đen trắng và tín hiệu âm thanh đi kèm được minh hoạ trên
Hình 1.2.
8
Để thực hiện truyền dẫn tín hiệu video người ta dùng phương pháp điều chế
AM với biên tần cụt. Xét giá trị cực đại của phổ tín hiệu hình cùng tần số

s
f
tương ứng của các tiêu chuẩn trên, băng tần cần thiết để truyền dẫn một kênh
truyền hình có giá trị từ 6-8MHz.
Hình 1.2.a.Phân bố các kênh trên dải tần số
0 1,5 fmax fs f (MHz)
Hình 1.2.b.Phổ của tín hiệu video đen trắng và tín hiệu âm thanh
9
Độ rộng kênh N-1
Độ rộng kênh N
f
N-1
f
N
f
N
+f
s
f
N-1
+f
s
f
1.2.2 Truyền hình màu
1.2.2.1. Tín hiệu truyền hình màu
Truyền hình màu ra đời khi truyền hình đen trắng đã trưởng thành và
còn đang được xây dựng. Vì vậy giải pháp đặt ra đối với truyền hình màu là
phải giữ nguyên toàn bộ hệ thống đen trắng sẵn có, các máy thu đen trắng vẫn
sử dụng được.
Theo thuyết ba màu, tất cả các màu sắc tồn tại trong tự nhiên đều có thể

tạo ra từ ba màu: R (Red), G (Green), B (blue), tỉ lệ trộn giữa chúng cho ta
biết màu sắc, còn độ lớn của chúng có thể cho ta biết độ chói của vật. Nếu ở
phía phát ta phân tích được màu của điểm ảnh theo các tỉ lệ trộn R, G, B và
truyền đi các giá trị điện áp E
R,
, E
G
, E
B
(chúng được gọi tà các tín hiệu màu)
biểu diễn các màu cơ bản R, G, B thì ở phần thu hoàn toàn có thể tái tạo lại
được màu và độ chói của điểm ảnh. Giá trị điện áp biểu diễn độ chói trung
bình E
Y
tính qua E
R,
, E
G
, E
B
theo công thức:
E
Y
= 0,299 E
R
+ 0,587 E
G
+ 0,114 EB (1.2)
Như vậy đối với truyền hình màu, ta chỉ cần truyền đi ba giá trị E
R,

, E
G
,
E
B
là đủ nhưng để máy thu đen trắng vẫn thu được tín hiệu từ các đài phát
màu thì các đài phát màu phải phát thêm tín hiệu độ chói E
Y
. Xét mối quan hệ
(1.2) ta thấy để tái tạo lại được các tín hiệu màu thì chỉ cần truyền E
Y
và hai
trong ba tín hiệu màu. Ngoài ra để giảm thiểu nhiễu cho tín hiệu độ chói thì
thay vì việc truyền toàn bộ tín hiệu màu người ta lựa chọn hai trong ba các tín
hiệu hiệu số màu sau:
E
R-Y
=E
R
-E
Y
; E
B-Y
=E
B
-E
Y
; E
G-Y
=E

R
-E
Y
.
Lưu ý rằng các tín hiệu hiệu số màu có giá trị rất nhỏ khi với ảnh màu
với độ bão hoà thấp (nó bằng “0” với ảnh đen trắng). Trong 3 giá trị trên
người ta loại bỏ tín hiệu E
G-Y
và thực hiện truyền E
R-Y
, E
B-Y
.Việc loại bỏ E
G-Y
được lý giải như sau:
10
• Với cùng một độ sáng chuẩn như nhau, G-Y có quãng biến thiên bé
nhất làm cho thông tin không rõ ràng.
• Mắt người khá nhạy cảm với màu xanh lá cây (G), do đó đòi hỏi dải tần
của G-Y cao hơn nên khó truyền hơn so với dải tần B-Y và R-Y chỉ vào
khoảng 1,5 MHz.
Như vậy các thông tin trong dòng tín hiệu màu so với tín hiệu đen trắng
sẽ có thêm hai tín hiêu màu E
R-Y
, E
B-Y
. Các tín hiệu này có thể được ghép
chung thành một tín hiệu gọi là tín hiệu video tổng hợp để tương thích với hệ
truyền hình đen trắng hoặc truyền trên 3 kênh riêng (gọi là các tín hiệu video
thành phần). Tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm là tiết kiệm được băng tần

truyền dẫn song khả năng xử lý hình ảnh lại kém linh động. Tín hiệu video
thành phần hoàn toàn khắc phục nhược điểm này nhưng phải trả giá bằng việc
tốn kém phổ tần. Do mỗi loại tín hiệu có những ưu nhược điểm riêng nên các
hệ thống truyền hình cho phép dùng cả hai dạng tín hiệu video tổng hợp và tín
hiệu video thành phần tùy vào mục đích sử dụng.
1.2.2.2. Ghép phổ tín hiệu mang màu và độ chói
Sau khi đã loại bỏ tín hiệu màu E
G-Y
, tin tức cần truyền đi là E
R,
, E
G
, E
B
(hay E
y
,

E
R-Y
, E
B-Y
). Vấn đề đặt ra là làm thế nào để gói các tín hiệu màu E
R-
Y
, E
B-Y
(gọi là các tín hiệu C1, C2) vào tín hiệu chói Ey mà không làm thay
đổi phổ E
Y

. Người ta đã lợi dụng tính chất đặc biệt trong phổ tín hiệu hình đen
trắng là tồn tại những khoảng trống có thể ghép xen kẽ tín hiệu mang màu vào
đó để truyền đi cùng với tín hiệu đen trắng. Để ghép xen kẽ, tín hiệu mang
màu được đem điều chế với một dao động có tần số sóng mang phụ f
sc
sao
cho tín hiệu đã điều chế (gọi là tín hiệu mang màu cao tần) có các vạch phổ
nằm đúng vào khe hở của tín hiệu chói trong cùng một giải tần số. Muốn vậy
thì tần số mang phụ f
sc
phải bằng (n-1/2)f
h
, (n là số nguyên, f
h
là tần số dòng).
Khi chọn tần số sóng mang phụ cần phải lưu ý. Tần số sóng mang phụ phải ở
miền tần số cao của phổ tín hiệu chói để giảm thiểu tối đa ảnh hưởng lẫn nhau
giữa tín hiệu độ chói và tín hiệu màu vì càng ở tần số cao biên độ tín hiệu chói
11
càng giảm, đồng thời f
sc
phải nhỏ hơn tần số cao nhất của phổ tần tín hiệu chói
nhằm tiết kiệm giải thông.
Phép điều chế ở đây nhằm dịch phổ của tín hiệu mang màu lên phía tần
số cao của tín hiệu chói, đồng thời đảm bảo cho các vạch phổ của hai loại tín
hiệu có thể đan nhau mà không trùng pha. Bằng cách này, giải tần rộng 6MHz
vừa mang được cả tin tức về màu và độ chói của ảnh. Hình 1.3 minh họa phổ
tín hiệu chói và tín hiệu màu cao tần.
Hình 1.3.a. Phổ tín hiệu chói
Hình 1.3.b. Phổ tín hiệu màu

12
A
y
(f)
nf
H
(n-1)f
H
f
f
H
f
h
/2
A
m
(f)
ff
sc
=n-1/2)f
H
1.2.2.3. Các hệ truyền hình màu
Tùy vào cách mã hóa và điều chế tín hiệu mang màu, ta có các hệ thống
truyền hình màu khác nhau. Hiện nay có ba hệ truyền hình màu là: NTSC,
PAL, SECAM.
Theo hệ NTSC hai tín hiệu sắc (E
R-Y
, E
B-Y
) trước khi chèn vào tín hiệu

chói được quay pha 33
o
để giảm tối đa phổ chiếm của nó, giảm tối đa ảnh
hưởng tới tín hiệu chói, tín hiệu này sau khi quay pha gọi là I và Q sẽ được
đem điều biên nén vuông góc với sóng mang phụ f
sc
. Các tham số cơ bản cần
lưu ý với hệ với NTSC 525 dòng : f
H
= 15734,25Hz, tần số mặt f
v
= 59,94
Hz, f
sc
=3,58Mhz, f
max
=5MHz.
Hệ PAL tương tự như hệ màu NTSC. Hệ PAL cũng dùng một sóng
mang phụ mang đồng thời hai tín hiệu màu U và V, điều biên nén vuông góc
nhưng thành phần sóng mang phụ mang tín hiệu V đảo pha theo từng dòng
quét nên so với hệ NTSC, nó khắc phục được sự nhạy cảm của tín hiệu màu
với méo pha và méo pha vi sai. Các tham số cơ bản của hệ PAL gồm: tần số
dòng f
H
= 15625Hz, tần số mành f
v
= 50Hz, f
sc
=4,43Mhz, f
max

=5 MHz.
SECAM là hệ truyền hình màu đồng thời - lần lượt. Tín hiệu chói được
truyền ở tất cả các dòng, còn hai tín hiệu màu D
R
và D
B
không được truyền đi
cùng một lúc, mà chỉ truyền một trong hai, hoặc D
R
hoặc D
B
lần lượt cho mỗi
dòng quét. Phương pháp điều chế hai tín hiệu màu là phương pháp điều tần
với hai sóng mang phụ có tần số trung tâm f
OR
và f
OB
.Vì sử dụng phương pháp
điều tần nên khi chuyển sang tín hiệu số rất khó khăn trong việc xác định tần
số lấy mẫu, do vậy người ta chỉ số hóa tín hiệu video thành phần với hệ màu
SECAM mà không áp dụng với tín hiệu video tổng hợp.
Như vậy truyền hình tương tự hiện tại tồn tại ba hệ màu cơ bản là
NTSC, PAL, SECAM và hai tiêu chuẩn truyền 25 ảnh trên một giây, mỗi ảnh
có 625 dòng hoặc truyền 30 ảnh, mỗi ảnh chúa 525 dòng.
13
Quá trình ghép các tín hiệu màu và tín hiệu chói để tạo ra tín hiệu
truyền hình tổng hợp được tóm tắt qua hình 1.4. Các thông số trong hình là
của hệ NTSC 525 dòng. Mổ tả sơ lược hình 1.4 như sau:
Tín hiệu độ chói Y kèm theo các thông tin đồng bộ dòng và đồng bộ
mành (H.sync và V.sync) gói gọn trong dải phổ 0 > 4,2 MHz (với hệ PAl

cần giải phổ rộng hơn một chút là 5MHz ).
Hai tín hiệu sắc C
1,
C
2
nhận được bằng cách biến đổi E
R-Y
, E
B-Y
,

có dải
tần cỡ 1,5 MHz được đưa vào điều chế với sóng mang phụ f
sc
= 3,58 (hoặc
4,43 MHz) sau đó được ghép vào với tín hiệu chói để phổ tín hiệu màu nằm
xen kẽ với phổ tín hiệu chói.
Tín hiệu âm thanh (sound) đem điều tần với sóng mang phụ ở 4,5 MHz
(FCC) hoặc 6,5 MHz (OIRT). Sóng FM 4,5 MHz (hoặc 6,5 MHz) nằm ngoài
giải tần của video 0 > 4,2 MHz (hoặc từ 0 >6 MHz) do đó có thể nhập
chung nó với đường tín hiệu video để truyền đi trên cùng một đường mà
không bị lẫn lộn với nhau. Tất cả 6 tin tức trên cùng nằm chung trên một tín
hiệu (gọi là tín hiệu hình màu) rồi đưa vào mạch điều biên (AM) với sóng
mang 187,5 MHz. Tín hiệu sau bộ điều biên là tín hiệu hình màu tổng hợp.
Như vậy, truyền dẫn tín hiệu tương tự tổng hợp chỉ cần một kênh truyền có
băng tần không rộng lắm, cỡ 6 đến 8 MHz là có thể truyền đi được.
14
Hình 1.4. Mã hóa và phát sóng tín hiệu truyền hình màu
15
1.3. Truyền hình số

1.3.1. Đặc điểm của truyền hình số
So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số có nhiều ưu điểm hơn, ví dụ như
cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng hình
ảnh, khả năng xử lý tạo kỹ xảo ảnh, khả năng giảm giá thành hệ thống nhờ
việc tiêu chuẩn hoá các thiết bị số, khả năng phát triển truyền hình tương tác
và đa truyền thông Tuy có những ưu điểm như vậy nhưng truyền hình số ra
đời khá muộn so với truyền hình tương tự. Đó là do tín hiệu số có yêu cầu
băng tần rất rộng. Ví dụ, nếu tính sơ bộ tốc độ bit (V
bit
=F
lấy mẫu
x (số bít 1
mẫu)), đối với tín hiệu tương tự tổng hợp, khi số hóa với yêu cầu tần số lấy
mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang màu - như đối với hệ NTSC là 14,4 MHz;
thực hiện mã hóa mỗi mẫu bằng một từ mã có độ dài 8 bit, tốc độ dòng bit là
115,2 Mbps, độ rộng băng tần khoảng 58 MHz. Trong khi đó, tín hiệu tương
tự chỉ cần một băng tần rộng cỡ 4,2 MHz. Nếu có thêm các bit sửa lỗi, yêu
cầu băng tần tín hiệu số còn tăng lên nữa. Vì vậy mãi sau này, khi kỹ thuật
nén băng tần và nén tín hiệu phát triển, các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình
ảnh như sự lặp lại, khả năng dự báo cũng được đưa vào khai thác sử dụng, tỉ
lệ nén có thể đạt được 100:1, độ rộng băng tần tín hiệu số không cần lớn lắm
thì truyền hình số mới ra đời.
Quá trình số hóa tín hiệu truyền hình tương tự cũng giống như quá trình
số hóa thông thường, bao gồm các bước: lấy mẫu, lượng tử, mã hóa nhưng
mang các đặc trưng riêng của tín hiệu video. Có hai cách số hóa : biến đổi
trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp hoặc biến đổi riêng từng tín hiệu video
màu thành phần. Biến đổi tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm là yêu cầu băng
tần không lớn lắm nhưng không loại bỏ được những nhược điểm của tín hiệu
video tổng hợp tương tự như hiện tượng can nhiễu chói màu, hay khó thực
hiện xử lý, tạo kỹ xảo truyền hình. Những nhược điểm này hoàn toàn có thể

16
khắc phục trong tín hiệu video số thành phần. Vì vậy, mặc dù tín hiệu video
số thành phần yêu cầu băng tần rộng hơn nhưng nhờ những tính chất ưu việt
nên phương pháp biến đổi tín hiệu thành phần vẫn được khuyến khích sử
dụng và sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tương lai.
1.3.2. Số hóa tín hiệu truyền hình tương tự
1.3.2.1. Lấy mẫu tín hiệu video
1.3.2.1.1.Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp
Lấy mẫu tín hiệu tương tự là quá trình rời rạc hóa theo thời gian bằng
tần số lấy mẫu fsa, kết quả cho ta một chuỗi các mẫu. Việc lựa chọn tần số fsa
sẽ ảnh hưởng tới chất lượng khôi phục hình ảnh. Tần số lấy mẫu càng cao thì
quá trình số hóa càng chính xác, chất lượng hình ảnh khôi phục càng tốt, tuy
nhiên ta không thể tăng mãi tần số mẫu fsa được. Nó bị giới hạn trên bởi độ
rộng băng tần tín hiệu. Băng tần dành cho tín hiệu số là hữu hạn kéo theo giới
hạn về tốc độ bit, tức là giới hạn về tần số lấy mẫu. Tần số fsa bị giới hạn
dưới bởi tiêu chuẩn Nyquyst. Theo tiêu chuẩn này, để tránh hiện tượng méo
chồng phổ, fsa phải lớn hơn 2 lần tần số cao nhất của phổ tín hiệu (tức là fsa
lớn hơn 8,4 MHz với hệ NTSC và lớn hơn 10 MHz với hệ PAL). Các giá trị
8,4 MHz và 10 MHz là các giá trị tần số lấy mẫu bé nhất có thể được.
Như đã nói ở phần trên, tín hiệu video có những đặc trưng riêng nên
ngoài việc thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquyst, quá trình lấy mẫu còn phải thỏa
mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữa các hệ thống v.v ,
khi chọn tần số lấy mẫu (fsa) có thể xuất hiện các trường hợp:
• fsa gấp nhiều lần fsc
• fsa không có quan hệ trực tiếp với fsc. Trong trường hợp này, sẽ xuất
hiện (ngoài thành phần tín hiệu có ích) thêm các thành phần tín hiệu
phụ do liên hợp giữa fsa và fsc hoặc hài của fsc trong phổ tín hiệu lấy
mẫu. Đặc biệt thành phần tín hiệu (fsa - 2fsc) sẽ gây méo tín hiệu video
17
tương tự được khôi phục lại (méo điều chế chéo). Các thành phần tín

hiệu điều chế chéo có tần số nằm trong kênh màu sẽ tạo nên các "hình
đồng màu", thể hiện rất rõ trong các ảnh có nền đồng màu và độ bão
hòa màu cố định.
Như vậy để tránh méo điều chế chéo thông thường chọn tần số lấy mẫu
bằng bội số của tần số sóng mang màu. Ở hệ NTSC, PAL do sử dụng một
sóng mang màu nên việc chọn giá trị tần số fsa tối ưu sẽ đơn giản. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy, khi tần số lấy mẫu tiến đến gần phạm vi 13 MHz,
chất lượng hình ảnh khôi phục sẽ rất tốt. Nếu lấy tần số lấy mẫu nhỏ hơn 13
MHz, chất lượng hình ảnh giảm rõ rệt. Ta thường lấy fsa = 4fsc, hiện nay có
hai tiêu chuẩn là: tiêu chuẩn 4fsc NTSC và tiêu chuẩn 4fsc PAL.
Tiêu chuẩn 4fsc NTSC xây dựng dựa trên hệ NTSC 525 dòng. Tần số
lấy mẫu là 14,3181 MHz. Tần số này không chỉ thỏa mãn điều kiện bằng
nguyên lần tần số sóng mang màu (fsa = 4fsc = 3,58 MHz (chính xác là
3,579525 MHz)) mà còn thỏa mãn điều kiện bội của tần số dòng, do thỏa mãn
điều kiên này mà điểm lấy mẫu trên các dòng quét sẽ thẳng hàng nhau và
tránh được các hiệu ứng méo đường biên gây ra, việc khôi phục ảnh sẽ chính
xác hơn.
Việc lấy mẫu không những phụ thuộc vào thời gian (tần số lấy mẫu)
mà còn phụ thuộc vào tọa độ các điểm lấy mẫu (cấu trúc lấy mẫu). Tần số lấy
mẫu phù hợp với cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất.
Tiêu chuẩn 4fsc NTSC và 4fsc PAL quy định cấu trúc lấy mẫu theo kiểu trực
giao. Các mẫu được sắp xếp trên các dòng kề nhau thẳng hàng theo chiều
đứng. Trong cấu trúc trực giao các mẫu được lặp lại giống nhau trên từng
dòng, từng mành, từng ảnh. So với các cấu trúc quincunx mành và quincunx
18
dòng, cấu trúc trực giao giảm thiểu được hiện tượng đường viền hoặc nhòe do
có sự so le ở mỗi dòng, mỗi mành.
Xác định được tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu ta có thể xác định
được cấu trúc của một dòng video số cũng như cấu trúc của mành số. Với f
sa

=
14,3181 MHz, tần số quét dòng f
h
=15734,25 Hz, tổng số mẫu thu được trên
một dòng là f
sa
/ f
h
= 910 mẫu. Dòng video tích cực chiếm 768 mẫu. 142 mẫu
còn lại dành cho đồng bộ dòng tín hiệu số. Điểm nửa biên độ của sườn xung
đồng bộ dòng của tín hiệu video tương tự nằm giữa hai mẫu số 784 và 785.
Mẫu đầu tiên trong 910 mẫu tương ứng với mẫu đầu tiên của dòng tích cực số
và được ký hiệu là mẫu số 0. Các mẫu tương ứng sẽ được đánh số từ 0 đến
909. Dòng số tích cực bao gồm từ 0 đến 767. Dòng xóa bắt đầu từ mẫu 768
đến mẫu 909. Hình 1.5.a mô tả một số mẫu đặc trưng trong dòng video số của
tiêu chuẩn 4fsc NTSC.
Tiêu chuẩn 4fsc PAL có tần số lấy mẫu bằng 4 lần f
sc
(và bằng
17,734475 MHz). Với f
h
là 15625Hz, f
sa
không thỏa mãn điều kiện bằng
nguyên lần tần số quét dòng (17734475/15625=1135,0064). Quá trình xử lý
tín hiệu yêu cầu một số nguyên các mẫu trên mỗi dòng quét. Số mẫu được
chọn trên mỗi dòng quét là 1135 mẫu. Để bù các mẫu còn thiếu, trên các dòng
313 và 625, người ta cộng thêm mỗi dòng một mẫu. Các dòng này đều thuộc
khoảng xóa mành nên việc thêm mẫu sẽ không ảnh hưởng tới chất lượng hình
ảnh. Cấu trúc dòng số theo tiêu chuẩn 4f

sc
PAL như sau. Mỗi dòng tích cực có
1135 mẫu, trong đó có 948 mẫu tích cực (được đánh số từ 0 đến 947), 187
mẫu còn lại thuộc khoảng xóa dòng . Khoảng xóa dòng số bắt đầu từ mẫu 948
đến mẫu 1134 trên tất cả các dòng không thuộc khoảng xóa mành (Hình
1.5.b).
19
Hình 1.5.a. Dòng video số của tiêu chuẩn 4fsc NTSC
20
Điểm cuối
dòng video
tích cực
Điểm bắt đầu
dòng xóa số
Điểm bắt đầu
dòng video
tích cực
Điểm kết thúc
dòng xóa số
Dòng chuẩn

Hình 1.5.b. Dòng video số theo tiêu chuẩn 4fsc PAL
Cấu trúc mành số có các đặc điểm khác với mành tương tự. Khoảng
thời gian tích cực của mành số trong cả hai tiêu chuẩn đều vượt quá thời gian
tích cực của mành tương tự. Một chu kỳ tích cực của mành số bắt đầu trước
và kết thúc sau chu kỳ tích cực của mành tương tự. Dòng tích cực số cũng
vượt quá dòng tích cực tương tự. Khoảng xóa dòng tương tự sẽ nằm trong
dòng số tích cực. Khoảng xóa dòng số bắt đầu từ mẫu 768 đến mẫu 909 với
tiêu chuẩn 4fsc NTSC (và từ mẫu 948 đến mẫu 1134 với tiêu chuẩn 4fsc
PAL) ở tất cả các dòng không thuộc khoảng xóa mành.

21
Điểm bắt đầu
dòng video
tích cực
Điểm cuối
dòng video
tích cực
Dòng chuẩn
Điểm bắt đầu
dòng xóa số
Điểm kết thúc
dòng xóa số
1.3.2.1.2. Lấy mẫu tín hiệu video thành phần
Các tín hiệu video thành phần được truyền trên 3 kênh riêng biệt và
không dùng sóng mang màu, nên không có sự ảnh hưởng của tín hiệu màu lên
tín hiệu chói hay ngược lại. Vì vậy trong quá trình số hóa tín hiệu video thành
phần, khái niệm tần số lấy mẫu phải bằng bội lần tần số sóng mang màu là
không cần thiết. Thậm chí, tần số lấy mẫu của mỗi loại tín hiệu không nhất
thiết phải bằng nhau. Yêu cầu số hóa chính xác của tín hiệu độ chói cao hơn
rất nhiều so với tín hiệu màu vì nó liên quan trực tiếp tới độ sáng trung bình
của ảnh, mắt người dễ dàng nhận biết. Do vậy tần số lấy mẫu tín hiệu chói
phải lớn hơn rất nhiều tần số lấy mẫu tín hiệu màu. Việc giảm tần số lấy mẫu
của tín hiệu màu là cần thiết vì nó sẽ tiết kiệm được băng tần truyền dẫn.
Đối với tín hiệu chói tần số lấy mẫu được chọn bằng 13,5 MHz vừa để
tiến tới sự thống nhất các tiêu chuẩn truyền hình và vừa thỏa mãn cấu trúc lấy
mẫu tín hiệu là trực giao bởi vì giá trị 13,5 là một số nguyên lần tần số dòng
cho cả hai tiêu chuẩn 625 và 525 dòng (13,5 MHz = 864 x 15625 = 864f
h
với
chuẩn 625 dòng; 13,5MHz = 858 x 15750 = 858f

h
với tiêu chuẩn 525 dòng).
Tần số lấy mẫu của các tín hiệu màu có thể nhỏ hơn. Tùy vào tỉ lệ giữa tần số
lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu màu mà ta có các tiêu chuẩn
lấy mẫu khác nhau. Hiện nay có 4 tiêu chuẩn là: 4:4:4; 4:2:2; 4:2:0; 4:1:1. Số
4 ở mỗi đầu chuẩn biểu thị tần số lấy mẫu của tín hiệu chói nhưng không còn
bằng bốn lần tần số sóng mang màu như trước. Các con số khác biểu thị tỉ lệ
giữa tần số lấy mẫu tín hiệu màu so với tín hiệu chói.
Cấu trúc một dòng số theo tiêu chuẩn hay dùng nhất là tiêu chuẩn 4:2:2
như sau: với tần số lấy mẫu là 13,5 MHz, tổng số mẫu tín hiệu chói mỗi dòng
là 864 mẫu với hệ 625 dòng (858 mẫu với hệ 525 dòng), trong đó có 720 mẫu
tích cực và 144 mẫu (138 mẫu) trong khoảng thời gian xóa dòng. Tần số lấy
mẫu tín hiệu màu bằng một nửa tần số lấy mẫu tín hiệu chói nên số mẫu tín
hiệu màu cũng chỉ bằng một nửa số mẫu tín hiệu chói, ứng với 720 mẫu độ
22
chói sẽ có 360 mẫu C
R
và 360 mẫu C
B
. Sau khi lấy mẫu, các mẫu tín hiêu chói
và tín hiệu màu có thể được xử lý riêng biệt hoặc ghép theo thời gian. Nếu
ghép các mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu thì tổng số mẫu trong một dòng
của hệ 625 dòng là 1728 mẫu (1440 mẫu tích cực, 288 mẫu trong khoảng xóa
dòng) hoặc bằng 1715 đối với hệ 525 dòng (1440 mẫu tích cực, 276 mẫu
trong khoảng xóa dòng).
Cấu trúc mành số như sau: ở hệ 625 dòng, mỗi ảnh được chia làm hai
mành, mành 1 có 312 dòng và mành 2 có 313 dòng, thời gian xóa của mỗi
mành 1 là 24 dòng, của mành 2 là 25 dòng. Tổng số dòng tích cực của hệ là
576 dòng. Ở hệ 525, mỗi ảnh cũng được chia làm hai mành, mành 1 có 262
dòng, mành 2 có 263, khoảng xóa của mỗi mành chứa 19 dòng. Tổng số dòng

tích cực của hệ là 487dòng.
1.3.2.2. Lượng tử và mã hóa
Lượng tử hóa là bước tiếp sau quá trình lấy mẫu. Toàn bộ giải động
của tín hiệu được chia thành các mức cách đều nhau một khoảng là Q (Q gọi
là bước lượng tử). Giá trị điện áp của các mẫu được làm tròn ứng với các mức
đó. Quá trình làm tròn giá trị điện áp gây nên sai số lượng tử trong phạm vi
Q/2. Sai số lượng tử có thể coi như một nguồn nhiễu. Tuy nhiên, trong các hệ
thống sử dụng 8 bit trở lên, nhiễu lượng tử hoàn toàn có thể loại bỏ được. Các
giá trị điện áp của các mẫu sau khi làm tròn sẽ được mã hóa bằng một từ mã.
Độ dài của mỗi từ mã có thể là 8 hay 10 bit. Số bit dùng càng lớn (tức là bước
lượng tử càng nhỏ) thì việc mã hóa càng chính xác nhưng điều này sẽ làm cho
tốc độ bit tăng lên. Vì vậy, ta phải lựa chọn bước lượng tử hợp lý, cân bằng
các điều kiện để tốc độ bit không quá lớn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác
của tín hiệu.
Quá trình lượng tử hóa và mã hóa đối với cả tín hiệu video thành phần
và tín hiệu video tổng hợp đều có đặc điểm sau: thang lượng tử được chia
23
thành các khoảng bao gồm khoảng bảo vệ phía trên (mức trắng), khoảng bảo
vệ phía dưới (mức đen), các mức lượng tử trong khoảng này sẽ được mã bằng
các từ mã cấm (là các từ mã không xuất hiện trong dòng số), phần giữa của
thang lượng tử sẽ dùng để biểu diễn các giá trị điện áp của các mẫu, bao gồm
cả giá trị điện áp của các mức đồng bộ và mức xóa. Riêng đối với tín hiệu
video thành phần trước khi đem lượng tử thì các tín hiệu màu C1 và C2 sẽ
được nhân thêm các hệ số phù hợp để khoảng biến đổi của chúng ( bằng từ
- 0,5 đến + 0,5) giống như tín hiệu chói.
Ta sẽ tính tốc độ bit đối với mỗi loại tín hiệu video số để thấy rõ yêu
cầu về độ rộng băng tần của tín hiệu số. V
bit
= (số ảnh truyền/1s) x (số dòng/1
ảnh) x (số mẫu/1 dòng) x (số bit/ 1 mẫu).

Tiêu chuẩn 4fsc NTSC truyền 30 ảnh trong một giây, mỗi ảnh gồm 525
dòng, mỗi dòng chứa 910 mẫu, mỗi mẫu mã bằng một từ mã 8 bit, tốc độ
dòng số là : 30 x 525 x 910 x 8 = 114660000 bit/s= 114,66 Mb/s.
Tiêu chuẩn 4fsc PAL truyền 25 ảnh trong một giây, mỗi ảnh gồm 625
dòng, mỗi dòng chứa 1135 mẫu, mỗi mẫu mã bằng một từ mã 8 bit, tốc độ
dòng số là : 25x 625x 1135x 8 = 141875000 bit/s= 141,875 Mb/s.
Với hệ 625 dòng, tiêu chuẩn 4:2:2, ta chỉ lấy mẫu cho 576 dòng tích
cực, mỗi dòng có 1728 mẫu, tốc độ bít là: 1728 x 576 x 25 x 8 =
199065600bit/s ≈ 199,065 Mb/s.
Tương tự với hệ 525, tốc độ bit là: 1715 x 487x 30 x 8 = 196744800
bit/s = 196,7448 Mb/s.
Như vậy, tốc độ bit của tín hiêu truyền hình số là rất lớn cỡ 100 Mb/s
đối với các tín hiệu số tổng hợp, còn với các tín hiệu số thành phần thì tốc độ
bit lớn hơn rất nhiều, cỡ 200 Mb/s. Muốn truyền tải tốc độ này thì yêu cầu
băng tần ít nhất phải bằng nửa tốc độ bit, tức là khoảng 50 MHz (hoặc
100MHz với tín hiệu số thành phần). Dải băng tần này là quá rộng, nếu dành
24
để truyền tín hiệu truyền hình thì không có chỗ để truyền thêm các loại tín
hiệu khác. Vì vậy, yêu cầu nén tín hiệu, giảm tốc độ bit là một vấn đề mang
tính sống còn đối với truyền hình số.
25