Truyền hình số vệ tinh và ứng dụng trong mạng truyền hình cáp nội bộ luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ DỊCH VỤ MẠNG
MAN - E NGHỆ AN

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Cao Thành Nghĩa
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Trung Dương
Lớp
:
47K – ĐTVT

Vinh, 5/ 2011

1


LỜI NÓI ĐẦU
Truyền hình là một hình thức thông tin rất sinh động, được nhiều người,
nhiều ngành, quan tâm. Truyền hình đen trắng đã bắt đầu tư trước chiến tranh thế
giới lần thứ hai. Từ những năm 1953 đã bắt đầu truyền hình mầu các hệ truyền
hình màn NTSC, SECAM, PAL. Hiện nay đang trở thành truyền hình cổ điển để
nhường cho thế hệ truyền hình mới có độ phân giải cao.
So với truyền hình cổ điển, truyền hình bằng vệ tinh và cáp băng rộng đang
trở thành vấn đề rất thời sự hiện nay trên thế giới.Truyền hình vệ tinh có phần ưu
điểm đối với HDTV và cả truyền hình cổ điển. Phạm vi phủ sóng bằng vệ tinh

rất rộng, có thể vượt ra ngoài phạm vi của một lãnh thổ. Ở Châu Á, truyền hình
bằng vệ tinh đang rất phát triển, ở Việt Nam hiện nay có thể thu được 25 chương
trình truyền hình qua vệ tinh của các nước trên thế giới.
Muốn thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh, phần máy thu hình vệ tinh (DBS)
phải có cấu tạo đặc biệt so với máy thu hình thông dụng. Việc thu hình trực tiếp từ
vệ sinh có thể thực hiện tại gia đình hoặc thu tập thể rồi phân phối ddi các hộ gia
đình, cho một nhà cao tầng, khách sạn, cơ quan hoặc cho một tuyến phố, quận, xã...
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này, em tìm hiểu về hệ thống thu truyền
hình trực tiếp từ vệ tinh. Do lĩnh vực còn rất mới mẻ, thời gian có hạn, nên cuốn
đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được các thầy cô và các bạn
chỉ bảo. Qua đồ án nhỏ này em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo
hướng dẫn đồ án tốt nghiệp “CAO THÀNH NGHĨA” đã hết lòng chỉ bảo giúp
đỡ để đồ án hoàn thành tốt đẹp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày17 tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trung Dương

2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Truyền hình là một lĩnh vực không thể thiếu trong đời sống hiện nay, trải
qua nhiều giai đoạn phát triển từ truyền hình tương tự đến truyền hình số. Với
địa hình nhiều đồi núi và hải đảo như nước ta hiện nay, để có thể số hóa hoàn
toàn truyền hình vào năm 2020 thì sẽ có nhiều lựa chọn phương thức truyền dẫn,
trong đó truyền hình số vệ tinh là một lựa chọn tối ưu. Đây cũng là lý do em
chọn đề tài “Truyền hình số vệ tinh và ứng dụng trong mạng truyền hình cáp
nội bộ” làm đồ án tốt nghiệp đại học của mình.
Bố cục đồ án gồm có 3 chương trình bày những vấn đề cơ bản của truyền

hình số nói chung và truyền hình số vệ tinh nói riêng. Từ đó đồ án đặt ra bài
toán thiết kế và tính toán hệ thống thu truyền hình số vệ tinh cho tòa nhà
chung cư C1 – Đường Nguyễn Thái Học – Tp.Vinh – Nghệ An.

3


SUMMARY BLUEPRINTS
Television is an indispensable field of life today, undergo many stages of
development from Analog TV to Digital TV. With terrain has many mountains
and island as our country are now, to complete digitized the television into 2020
year then there will be many choice of transmission modes, in which the Digital
Satellite TV is the optimal choice. This is why i chose the subject: ” Satellite –
TV and applications in the internal cable television network” to do graduation
blueprints of me.
Blueprints’s layouts include there are three chapters, presented the basic of
Digital TV in general and presented separately about Digital – Satellite
television. From there set a project about design and calculated the receivers
system Satellite TV for apartments of condominium C1 – Nguyen Thai Hoc
Street – Vinh City – Nghe An province.

4


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN................................................................................................3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ..............................................................................7
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU.........................................................................8

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................................9
TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ....................................................................11
1.1. Sơ đồ khối hệ thống phát thanh truyền hình số............................................................................................11
1.2. Đặc điểm của phát thanh truyền hình số.....................................................................................................12
1.3. Vấn đề truyền dẫn truyền hình số................................................................................................................12
1.4. Vấn đề thu tín hiệu truyền hình số...............................................................................................................14
1.5.1. Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số..........................................................................................................17
1.5.2. Chuẩn nén MPEG.................................................................................................................................19
1.5.3. Biến đổi ADC và DAC.........................................................................................................................21
1.6. Điều chế tín hiệu số......................................................................................................................................22
1.6.1. Điều chế QAM......................................................................................................................................22
1.6.2. Điều chế Q-PSK...................................................................................................................................25
1.7. Kết luận chương I........................................................................................................................................26

TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH...........................................................................27
2.1. Hệ thống thông tin vệ tinh............................................................................................................................27
2.1.1. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh...............................................................................................................28
2.1.2. Quy mô và phạm vi các vùng được vệ tinh phủ sóng...........................................................................29
2.1.3. Góc ngẩng của các anten tram mặt đất.................................................................................................30
2.1.4. Thời gian truyền và thời gian trễ..........................................................................................................30
2.1.5. Nhiễu trong thông tin vệ tinh................................................................................................................30
2.1.6. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh..................................................................................................31
2.1.7. Cấu hình của hệ thống thông tin vệ tinh...............................................................................................33
2.2. Truyền hình số vệ tinh..................................................................................................................................35
2.2.1. Dải tần cho truyền hình vệ tinh.............................................................................................................36
2.2.2. Nguyên tắc sử dụng tối ưu các dải tần..................................................................................................37
2.2.3. Loại điều chế cho máy phát hình trên vệ tinh.......................................................................................38
2.2.4. Công suất máy phát hình trên vệ tinh...................................................................................................39
2.2.5. Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh...........................................................................................40
2.2.6. Các chương trình truyền hình vệ tinh thu được ở Việt Nam................................................................44

2.3. Hệ thống Tivi gia đình TVRO......................................................................................................................45
2.3.1. Sơ đồ khối tổng quát của TVRO..........................................................................................................45
2.3.2. Anten thu, góc ngẩng, góc phương vị và góc phân cực........................................................................46
2.3.3. Mạch tiền khuếch đại và dịch tần.........................................................................................................50
2.3.4. Khối thu vệ tinh....................................................................................................................................50
2.3.5. Ảnh hưởng của nhiễu............................................................................................................................56

5


2.3.6. Ảnh hưởng của công suất phát sóng, kích thước anten thu, mưa.........................................................57
2.4. Kết luận chương 2........................................................................................................................................58

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU TVRO CHO KHU CHUNG CƯ
C1.........................................................................................................................59
3.1. Khảo sát các đặc điểm cần để thiết lập nơi thu...........................................................................................59
3.2. Mô hình tổng quan thiết kế lắp đặt..............................................................................................................60
3.3. Khối thu thường gồm các thiết bị sau..........................................................................................................61
3.4. Tính toán các thông số cần thiết khi lắp đặt máy thu hình qua vệ tinh.......................................................62
3.4.1. Tính khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm cho trước trên mặt đất d...................................................63
3.4.2. Tính góc ngẩng của anten, khoảng cách giữa điểm thu trên mặt đất với vệ tinh.................................64
3.4.3. Tính góc nửa công suất sóng α1, α2....................................................................................................65
3.5. Khối phân phối.............................................................................................................................................69
3.6. Lựa chọn thiết bị lắp đặt..............................................................................................................................70
3.6.1. Chọn và lắp đặt Anten..........................................................................................................................70
3.6.2. Chọn bộ LNA và LNB..........................................................................................................................71
3.6.3. Chọn máy thu TVRO............................................................................................................................71
3.6.4. Chọn bộ Booter.....................................................................................................................................71
3.6.5. Chọn Cable...........................................................................................................................................71
3.6.6. Các loại Tap..........................................................................................................................................72

3.7. Thiết kế lắp đặt cụ thể..................................................................................................................................73
3.7.1. Khối thu tín hiệu...................................................................................................................................74
3.7.2. Khối phân phối.....................................................................................................................................76
3.7.3. Tính toán suy hao cho các tầng.............................................................................................................80
3.7.4. Bảng thống kê các thiết bị sử dụng.......................................................................................................84
3.8. Kết luận chương 3........................................................................................................................................85

6


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang

7


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang

8


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AM
ADC
COFDM

FFT
FM
GOP

HDTV
IF
LNA

Amplitude Modulation
Analog Digital Converter
Coded Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Demultiplexer
Differential Pulse-Code
Modulation
Direct Broadcating Satelite
Digital Video Interactive
Digital Analog Converter
Effective Isotropic Radiated
Power
Fast Fourier Transform
Frequency Modulation
Group Of Picture
High Definition Television
Internal Frequency
Low noise Amplifiers

LNB

Low Noise Block Converter

MPEG
MSE
MUX

NTSC

Motion Picture Experts Group
Mean Square Error
Multiplexer
National Television System
Commitee
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Phare Shift Key
Pulse Code Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude
Modulation
Radio Frequency
Signal-To-Noise Ratio

DEMUX
DPCM
DBS
DVI
DAC
EIRP

OFDM
PSK
PCM
QPSK
QAM
RF

SNR

Điều chế biên độ
Bộ biến đổi tương tự - số
Ghép kênh theo tần số mã trực
giao
Bộ phân kênh
Điều chế xung mã vi sai
Truyền hình trực tiếp qua vệ tinh
Truyền hình số tương tác
Bộ biến đổi tín số - tương tự
Công suất bức xạ đẳng hướng
hiệu dụng
Biến đổi furie nhanh
Điều chế tần số
Nhóm hình
Truyền hình số chất lượng cao
Tần số trung tần
Các bộ khuếch đại có mức nhiễu
thấp
Bộ chuyển đổi khối có mức
nhiễu thấp
Nhóm chuyên gia hình ảnh động
Lỗi trung bình bình phương
Bộ ghép kênh
Ủy ban quốc gia và các hệ thống
truyền hình
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trực giao
Khóa dịch chuyển về pha

Điều chế mã xung
Khóa dịch chuyển đảo pha
Điều chế biên độ cầu phương
Tần số vô tuyến
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
9


TVRO

Television Receive Only

UHF
VHF

Ultra High Frequency
Very High Frequency

Truyền hình vệ tinh dành cho cá
nhân và tập thể
Siêu cao tần
Tần số rất cao

10


Chương 1
TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ
Trong chương này nội dung của chính sẽ trình bày về truyền hình số.Là xu
hướng phát triển truyền hình của các nước trên thế giới hiện nay đang hướng đến

với nhiều ưu điểm về chất lượng và dịch vụ phục vụ khách hàng vượt trội so với
truyền hình tương tự cổ điển.
1.1. Sơ đồ khối hệ thống phát thanh truyền hình số

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số
Tín hiệu Video, Audio tương tự được biến đổi thành tín hiệu số. Tín hiệu
này có tốc độ bít rất lớn nên cần phải qua bộ nén để giảm tốc độ bit của chúng.
Các luồng tín hiệu này được đưa tới bộ ghép kênh (MUX) rồi đưa tới bộ điều chế
và phát đi.
Ở phía thu thực hiện quá trình ngược lại, tín hiệu sẽ được giải điều chế và
đưa tới bộ phân kênh (DEMUX). Tín hiệu từ bộ phân kênh được giải nén sau đó
được chuyển đổi số - tương tự. [2], [3]
11


1.2. Đặc điểm của phát thanh truyền hình số
- Ít bị tác động của nhiễu so với truyền hình tương tự.
- Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu truyền hình âm thanh và hình ảnh.
- Có khả năng áp dụng kỹ thuật sửa lỗi.
- Do chỉ truyền đi các giá trị 0 và 1 nên các tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín
hiệu điều khiển đều được xử lý giống nhau.
- Có thể khóa mã dễ dàng.
- Đòi hỏi công suất truyền dẫn thấp hơn.
- Các kênh có thể định vị tương đối dễ dàng.
- Các hệ thống điều chế được phát triển sao cho có khả năng chống được
hiện tượng bóng hình và sai pha.
- Chất lượng dịch vụ giảm nhanh khi không nằm trong vùng phục vụ.
- Đòi hỏi tần số mới cho việc phát thanh, truyền hình quảng bá.
- Người xem phải mua máy mới hoặc sử dụng bộ chuyển đổi.
- Những sự đầu tư mới được yêu cầu vè các phương tiện tại các tram phát. [2],[3]

1.3. Vấn đề truyền dẫn truyền hình số
Việc sử dụng kỹ thuật số để truyền tín hiệu Video đòi hỏi phải xác định tiêu
chuẩn số của tín hiệu truyền hình, phương pháp truyền hình để có chất lượng
hình ảnh thu không kém hơn chất lượng hình ảnh trong truyền hình tương tự.
Có thể sử dụng các phương thức truyền dẫn sau cho tín hiệu truyền hình số:
- Truyền qua cáp đồng trục: Để truyền tín hiệu Video có thể sử dụng cáp
đồng trục cao tần. Kênh có thể nhiễu làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền và sai
số truyền. Ví dụ nhiễu nhiệt.
Ngược lại, nhiễu tuyến tính của kênh sẽ không xảy ra trong trường hợp
truyền số với các thông số tới hạn.

12


Để đạt được chất lượng truyền hình cao, cáp có chiều dài 2500km cần đảm
bảo mức lỗi trên đoạn trung chuyển là 10−11 → 10−10 .
Độ rộng kênh dùng cho tín hiệu Video bằng khoảng 3/5 tốc độ bit của tín
hiệu. Độ rộng kênh phụ thuộc vào phương pháp mã hóa và phương pháp ghép
kênh theo thời gian cho các tín hiệu cần truyền và rộng hơn nhiều so với độ rộng
kênh truyền tín hiệu tương tự.
- Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang: Cáp quang có nhiều ưu
điểm trong việc truyền dẫn tín hiệu số hơn so với cáp đồng trục:
+ Băng tần rộng cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ cao.
+ Độ suy hao thấp trên một đơn vị chiều dài.
+ Suy giảm giữa các sợi quang dẫn cao (80dB).
+ Thời gian trễ qua cáp quang thấp.
Muốn truyền tín hiệu Video bằng cáp quang phải sử dụng mã truyền thích
hợp. Để phát hiện được lỗi truyền người ta sử dụng thêm các bit chẵn. Mã sửa
sai thực tế không sử dụng trong cáp quang vì độ suy giảm đường truyền <20dB,
lỗi xuất hiện nhỏ và có thể bỏ qua được.

- Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh: Kênh vệ tinh khác với kênh
cáp và kênh phát sóng mặt đất là có băng tần tần rộng và sự hạn chế công suất
phát. Khuyếch đại công suất của các Transponder làm việc gần như bão hòa
trong các điều kiện phi tuyến. Do đó sử dụng điều chế QPSK là tối ưu.
Các hệ thống truyền qua vệ tinh thường công tác ở dải tần số cỡ Ghz.
Ví dụ: Băng Ku:

Đường lên:

14GHz→15Ghz.

Đường xuống: 11,7GHz→12,5GHz.
- Phát sóng truyền hình số mặt đất: Hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất sử
dụng phương pháp điều chế COFDM (ghép kênh theo tần số mã trực giao). COFDM
là hệ thống có khả năng chống nhiễu cao và có thể thu được nhiều đường, cho phép
bảo vệ phát sóng số trước ảnh hưởng của can nhiễu và các kênh lân cận.

13


Hệ thống COFDM hoạt động theo nguyên tắc điều chế dòng dữ liệu bằng
nhiều tải trực giao với nhau. Do đó mỗi tải điều chế với một dòng số liệu, bao
nhiêu lần điều chế thì bấy nhiêu tải.
Các tín hiệu số liệu được điều chế M-QAM, có thể dùng 16-QAM. Phổ các
tải điều chế có dang sinx/x trực giao. Có nghĩa các tải kề nhau có giá trị cực đại
tại các điểm 0 của tải trước đó.
Điều chế và giải điều chế các tải thực hiện nhờ bộ biến đổi Fourier nhanh
FFT dưới dạng FFT 2K và FFT 8K. Với loại vi mạch trên có thể thiết kế cho
hoạt động của 6785 tải. Các hãng RACE có thiết bị phát sóng truyền hình cho
896 tải, hãng NTL cho 2000 tải. [2], [3]

1.4. Vấn đề thu tín hiệu truyền hình số
Quá trình thu là quá trình ngược lại của công việc phát hình. Máy thu hình
số và máy thu hình tương tự về mặt nguyên lý chỉ khác nhau ở phần trung tần
(IF), còn phần cao tần (RF) là hoàn toàn giống nhau. Sự khác chủ yếu là từ phần
trung tần đến phần giải điều chế và xử lý tín hiệu đầu ra. Nếu máy thu tương tự
sử dụng bộ điều chế và giải điều chế tương tự (AM, FM) thì máy thu số sử dụng
bộ điều chế số(PSK, QAM, OFDM hoặc VSB). Phần xử lý tín hiệu của hai loại
máy thu là hoàn toàn khác nhau do bản chất của hai loại tín hiệu số và tương tự.
Việc phát chương trình truyền hình số không ảnh hưởng đến việc thu truyền
hình tương tự bình thường. Truyền hình số bao gồm cả hình ảnh có độ phân giải
cao (HDTV) lẫn độ phân giải tiêu chuẩn (SDTV) và máy thu hình có thể thu
được chương trình truyền hình theo định dạng của hình. Ví dụ khi phát một
chương trình có chất lượng HDTV thì người xem có máy thu hình HDTV sẽ thu
được hình ảnh có chất lượng cao HDTV, trong khi đó người xem chỉ có máy thu
bình thường vẫn xem được chương trình nhưng hình ảnh có chất lượng SDTV.
Để có thể đáp ứng được viêc thu chương trình truyền hình số bằng máy thu
tương tự, nhiều hãng đã sản xuất thiết bị đêm SET-TOP-BOX trước khi đi đến
truyền hình số hoàn toàn.
14


Sau đây là sơ đồ khối của một hộp SET-TOP-BOX:

Hình 1.2. Sơ đồ khối hộp SET-TOP-BOX
Tín hiệu trung tần từ sau bộ trộn tần được đưa đến các bộ giải điều chế
tương ứng (COFDM, VSB đối với mặt đất; QPSK đối với truyền hình vệ tinh;
QAM đối với truyền hình cáp). Sau đó chúng được đưa tới bộ tách tín hiệu
(Demultiplexer) MPEG-2 để tách riêng tín hiệu hình, tín hiệu tiếng và các tín
hiệu bổ sung. Trong một kênh truyền hình thông thường có thể truyền 4 đến 5
kênh truyền hình SDTV theo tiêu chuẩn MPEG-2. Tiếp theo, tín hiệu được biến

đổi trong các bộ xử lý đặc biệt (bộ giải mã MPEG, bộ biến đổi DAC...). Các tín
hiệu đầu ra được đưa đến các thiết bị tương ứng.
Một phần tử quan trọng của SET-TOP-BOX là khối điều khiển. Cùng với
việc sử dụng kỹ thuật số, số lượng các chương trình truy nhập có thể lên đến vài
trăm. Việc tìm các chương trình mà người xem quan tâm không phải là đơn giản.
Vì thế trong tín hiệu MPEG-2 có cả thông tin bổ sung môt tả các chương trình
truyền hình. Nhiệm vụ của khối điều khiển là hình ảnh hóa các thông tin này cho

15


biết các hộ thuê bao có quyền thu chương trình mà họ muốn không ( các chương
trình đều được gài mã để thu tiền).
Máy thu hình được nối với trung tâm phát hình qua đường dây điện thoại.
Qua đó người xem có thể yêu cầu chương trình cần xem (Video-on-Demand)
hoặc mua bán qua truyền hình, đăng ký vé máy bay, tư vấn về một vấn đề gì đó...
Đó là truyền hình tương tác, có sự tham gia tích cực của người xem truyền hình.
Sơ đồ khối máy thu hình có thể có ba loại điều chế cho môi trường truyền
lan tương ứng (vệ tinh, cáp, mặt đất), do các môi trường lan truyền khác nhau
nên có định dạng khác nhau.
- Đường truyền cáp sử dụng điều chế QAM nhiều trạng thái (16, 32, 64 và
có thể 128, 256 trạng thái). Việc tăng số trạng thái sẽ làm tăng dung lượng kênh
thông tin nhưng đồng thời làm giảm tính chống nhiễu của tín hiệu. Bằng cách
điều chế này, dung lượng một kênh cáp có dải rộng 8MHz với khả năng truyền
dòng dữ liệ 38→40Mb/s, có thể truyền được 6 chương trình truyền hình thông
thường hoặc hai chương trình HDTV.
- Đường truyền vệ tinh có đặc tính phi tuyến do cấu tạo của các bộ khuyếch
đại trên các Transponder vệ tinh có độ bão hòa sâu. Đó là lý do các đường truyền
vệ tinh sử dụng điều pha PSK. Dải thông của mỗi kênh truyền hình vệ tinh ít
nhất 24MHz đủ rộng để có thể truyền hai chương trình truyền hình chất lượng

studio hoặc 5 đến 6 chương trình có chất lượng thấp hệ (PAL).
- Việc xác định tiêu chuẩn truyền dẫn phát sóng mặt đất có khó khăn vì phải
đảm bảo tính chống nhiễu trong trường hợp phản xạ sóng điện từ từ các vật cản khác
nhau, và trong chương này chúng ta cũng không đề cập đến vấn đề này. [2],[3]
1.5. Nén và mã hóa tín hiệu truyền hình
Trung tâm của một mạng phát sóng video số bao gồm hệ thống nén, nó
cung cấp chương trình video và audio chất lượng cao cho người xem bằng cách
chỉ sử dụng một phần nhỏ độ rộng băng tần mạng. Mục đích chính của nén là tối
thiểu hóa khả năng lưu trữ và truyền dẫn phát sóng thông tin (ghép nhiều tín hiệu
16


chương trình truyền hình vào một dòng truyền). Hệ thống nén tín hiệu gồm các
bộ mã hóa số (digital encodes) và các bộ ghép kênh (multiplexers), Các bộ
encodes có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự (video/audio) sang dạng số
(digitizing), nén (compressing) và xáo trộn (scrambling) thành một dòng audio,
video và dữ liệu (data) khác dưới dạng số có nén. Mã hóa số cho phép truyền
dẫn, phát sóng nhiều chương trình video/audio chất lượng cao qua cùng độ rộng
băng tần như một kênh sóng video/audio tương tự (ví dụ 8Mhz ở Việt Nam).
Tín hiệu đã được mã hóa và nén thành một dòng tín hiệu MPEG-2 (Moving
Pictures Experts Group: Chuẩn nén tín hiệu video/audio của Châu Âu, sử dụng
cho Việt Nam) sẽ được đưa đến bộ ghép kênh, nhóm chuyên gia MPEG đã định
nghĩa các tiêu chuẩn nén và định dạng file, bao gồm cả hệ thống đồ họa video
MPEG-2. Tiêu chuẩn nén tín hiệu video số MPEG-2 được chấp nhận ở 190
nước. Có nhiều tiêu chuẩn nén video/audio: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3,
MPEG-4, MPEG-5, MPEG-6, MPEG-7, MPEG-J(JAVA),…Tuy nhiên, truyền
hình số quảng bá chỉ sử dụng tiêu chuẩn MPEG-2, Chuẩn nén MPEG-1 và
MPEG-3 được hợp nhất vào tiêu chuẩn MPEG-2 (máy VCD sử dụng chuẩn nén
MPEG-1 còn DVD sử dụng chuẩn nén MPEG-2, do đó DVD đọc được cả đĩa
VCD (MPEG-1) va đĩa DVD (MPEG-2). [1], [2].

1.5.1. Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính và sự ra đời của Internet thì
việc tìm một phương pháp nén ảnh để giảm bớt không gian lưu trữ thông tin và
truyền thông tin trên mạng nhanh chóng đang là một yêu cầu cần thiết.
Trong những năm gần đây, có rất nhiều các phương pháp đã và đang được
nghiên cứu rộng rãi để thực hiện nén ảnh, Tất cả đều với một mục đích chung là
làm thế nào để biểu diễn một ảnh với ít bit nhất để có thể tối thiểu hóa dung
lượng kênh truyền và không gian lưu trữ trong khi vẫn giữ được tính trung thực
của ảnh, Điều này tương đương với việc biểu diễn ảnh có độ tin cậy cao nhất với
tốc độ bit nhỏ nhất. Tốc độ bit được đo bằng số bit trên một điểm ảnh (pixel).
17


Tốc độ bit đối với ảnh đen trắng khi chưa được nén là 8bit/pixel và đối với ảnh
màu là 24bit/pixel, Các kỹ thuật nén hiện nay cho phép dung lượng ảnh được
nén giảm 30 đến 50 lần so với ảnh gốc mà ảnh vẫn giữ được độ trung thực cao,
Độ trung thực của ảnh được đánh giá dựa trên tiêu chí như lỗi trung bình bình
phương (MSE: Mean Square Error) hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signalto-Noise rotio) giữa ảnh gốc và ảnh nén.
 Các nguyên tắc nén ảnh:
Một tính chất chung nhất của tất cả các ảnh số đó là tương quan giữa các
pixel ở cạnh nhau lớn, điều này dẫn đến dư thừa thông tin để biểu diễn ảnh, Dư
thừa thông tin sẽ làm cho việc mã hóa không tối ưu, Do đó công việc cần làm để
nén ảnh là phải tìm được các biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ nhất để giảm
thiểu độ dư thừa thông tin của ảnh, Thực tế, có hai kiểu dư thừa thông tin được
phân lọai như sau:
- Dư thừa trong miền không gian: Tương quan giữa các giá trị pixel của
ảnh, điều này có nghĩa rằng các pixel lân cận của ảnh có giá trị gần giống nhau
(trừ những pixel ở giáp đường biên ảnh).
- Dư thừa trong miền tần số: Tương quan giữa các mặt phẳng màu hoặc dải
phổ khác nhau.

Trọng tâm của việc nghiên cứu về nén ảnh là tìm cách giảm số bit cần để
biểu diễn ảnh bằng việc lọai bỏ dư thừa trong miền không gian và miền tần số
càng nhiều càng tốt.
 Các kỹ thuật nén ảnh được sử dụng:
- Nén ảnh không mất thông tin: Với phương pháp này sau khi giải nén ta
khôi phục được chính xác ảnh gốc, các phương pháp nén này bao gồm mã hóa
Huffman, mã hóa thuật toán …
- Nén ảnh có mất thông tin: Ảnh giải nén có một sự sai khác nhỏ so với ảnh
gốc. Các phương pháp này bao gồm:
+ Lượng tử hóa vô hướng: PCM và DPCM.
18


+Lượng tử hóa vector.
+ Mã hóa biến đổi: Biến đổi cosin rời rạc (DTC), biến đổi Fourier nhanh.
+Mã hóa băng con. [2]
1.5.2. Chuẩn nén MPEG
MPEG (Motion Picture Expert Group, tức nhóm Lão - làng về hình động).
Nhóm này do viện định chuẩn Quốc Tế (ISO = International Standard
Organization) thành lập cuối năm 1988 nhằm định ra các dạng thức video số tối
ưu, dùng được cho nhiều lãnh vực.
Khởi đầu từ dạng thức DVI (Digital Video Interactive, 1988) ghi hình trên
CD-ROM của viện đại học Sarhoff Princeton, đến năm 1990 nhóm đã soạn xong
dạng thức MPEG-1, chỉ áp dụng cho video số SIF (352x288x25 hoặc
352x240x30 không xen kẽ), với bit rate trung bình cỡ 1.5MHz. Có thể tạm xem
MPEG-1 là phép nén nội hình JPEG (Intra Frame) + phép nén liên hình (Inter
Frame), bằng cách suy ra một hình ở giữa, từ dịch chuyển của cả hình sau lẫn
trước nó (B = Bi-Directional Frame). Ứng dụng nổi bật của MPEG-1 là việc ghi
hình cùng lúc với hai đường âm thanh nổi trên đĩa CD, đạt chất lượng tương
đương băng từ VHS, gọi là VCD, vẫn còn tồn tại đến nay.

Tỷ lệ nén của MPEG1 đạt khoảng 20:1 là một thành tựu lớn, mở ra triển
vọng dựa vào MPEG1 để phát triển ứng dụng cho truyền hình đại chúng
(Broadcast TV, tức PAL, NTSC, SECAM). Năm 1991, nhóm soạn xong MPEG2 vẫn trên nền cú pháp của MPEG-1 nhưng thêm vào bộ công cụ xen kẽ
(Interlace Tool). Bộ công cụ chọn tầm (Scalable Mode), chẳng hạn chọn tỷ lệ
khuôn hình 4x3 hay 16x9, chọn nhóm hình (GOP) nhiều hay ít, chọn tầm dự báo
chuyển động (macro block) rộng hay hẹp. Bộ công cụ phẩm cấp (ProfilesLevels), tùy chọn nhiều phẩm cấp chất lượng khác nhau, thành công của MPEG2 mỹ mãn đến độ ý định ban đầu chọn MPEG-3 dành riêng cho HDTV không
cần làm nữa vì chính MPEG-2 đã đáp ứng được tất cả.
19


Cuối năm 1992, MPEG-4 được soạn xong, đây là một phép nén hiệu quả
cực cao nhưng chỉ dành cho các hình có cảnh nền cố định đã biết trước. Chẳng
hạn toàn cảnh sân banh trong một trận bóng đá, toàn cảnh văn phòng của một
điện thọai có hình …
Năm 1995 MPEG-1 và MPEG-2 và năm 1999 MPEG4 được công nhận là
chuẩn quốc tế. Các đặc điểm cần lưu ý:
MPEG không phải tín hiệu mà chỉ là cú pháp nén và giải nén luồng bit.
MPEG-2 không định nghĩa cố định các thuật tóan, mà mở rộng khả năng
cho từng phát kiến riêng, từng ứng dụng riêng. Chẳng hạn thông số đánh giá
chuyển dịch của hình (Motion Estimation), thông số GOP (Group Of Picture:
nhóm hình) , tỷ lệ nén (Rate Control), … đều có thể tùy chọn.
MPEG-2 mở rộng khả năng phát triển trong tương lai, tương thích được với
tất cả các bộ giải nén.
MPEG-2 không đối xứng, nén MPEG-2 rất phức tạp, trong quá trình nén có
kèm sẵn thông số giải nén cho đầu thu, đòi hỏi tính tóan rất nhiều, giải nén
MPEG-2 đơn giản, cần ít tính tóan hơn tức rẻ tiền hơn.
Nhóm hình _ GOP (Group Of Picture):
MPEG đạt hiệu quả nén cao, chủ yếu nhờ lọai bỏ dư thừa thời gian tức nén
liên hình (inter frame), bằng cách không truyền lặp lại phần giống nhau của hình
sau so với hình trước, nói cách khác là chỉ truyền những chổ đã khác đi (các chổ đã

dịch chuyển) của hình sau so với hình trước. Có 3 lọai hình được MPEG truyền đi:
- Hình I (Intra frame): Cứ sau một thời gian nhất định, lại truyền đi một hình
đầy đủ gọi là hình I. Nói cách khác, I là hình được nén nội hình và truyền đi đây đủ.
- Hình P (Prediction frame): Được suy ra từ hình I trước đó, tức suy ra từ
chiều thời gian phía trước. Nói rõ hơn, trong thời gian của hình P, chỉ truyền
thông tin khác nhau của nó so với hình I trước nó mà thôi.
- Hình B (B- Directional frame): Được suy ra từ cả hình I (hoặc P) trước và
sau nó, tức là suy ra từ cả hai chiều thời gian. Nói rõ hơn, trong thời gian của
20


hình B, truyền đi các chỗ khác nhau giữa nó với hình I (hoặc P) trước nó, hoặc
hình P (hay I) sau nó, hoặc cả hai, tùy theo kết quả dò tìm dịch chuyển.
Số hình có trong khoảng từ một hình I đến hình I kế tiếp gọi là một nhóm
hình, hay một GOP. Tính chất của GOP ký hiệu bởi NM, N là số hình tổng cộng
của nhóm, M là số hình có từ một hình P đến hình P kế tiếp, MPEG cho phép tùy
chọn nhóm hình, GOP nhỏ hay N nhỏ, số hình I có nhiều, hay sẽ không nén được
nhiều. Như vậy, với đường truyền có bit rate cho trước không đổi, với số
hình/giây đã cố định theo chuẩn, GOP nhỏ có nghĩa là hình truyền đi sẽ kém chất
lượng. Ngược lại, GOP lớn hay N lớn, nén được nhiều hơn giúp hình truyền đi
chất lượng hơn, nhưng lại gây khó khăn cho các bộ dựng (phải giải nén ra từng
hình đầy đủ rồi mới nối, chèn vào các chổ cần nối), M lớn còn đòi hỏi mạch
MPEG tính tóan nhiều hơn và làm chậm (delay) video nhiều hơn.
1.5.3. Biến đổi ADC và DAC
 Biến đổi ADC
Nhiệm vụ của bộ biến đổi ADC là biến tín hiệu Video tương tự thành tín
hiệu Video số tương ứng. Quá trình này bao gồm khâu lấy mẫu, lượng tử hóa và
mã hóa. Để thực hiện các khâu nói trên 1 cách đúng đắn, cần hạn chế băng tần
tín hiệu vào đến tần số giới hạn (fgh<của mạch ADC như sau:

Hình 1.3. Sơ đồ khối mạch biến đổi ADC
 Biến đổi DAC
21


Nhiệm vụ của bộ biến đổi DAC là biến đổi các tín hiệu Video dưới dạng mã
số thành các tín hiệu tương tự.
Sơ đồ khối mạch DAC như sau:

Hình 1.4. Sơ đồ khối mạch biến đổi DAC
1.6. Điều chế tín hiệu số
Dòng tín hiệu số video/audio sau bộ ghép kênh chỉ có 2 trạng thái giá trị là
0 và 1.Tín hiệu số sẽ đi qua khối điều chế trước khi phát sóng. Khi tín hiệu đi
qua quá trình điều chế, thì một số trạng thái sẽ được cộng lại, làm tăng tốc độ
truyền dữ liệu. Có 3 lọai điều chế số chính dùng cho truyền hình là: QAM
(Quadrature Amplitude Modulation), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying),
COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Trong truyền
hình cáp số ta sử dụng hai dạng điều chế là QAM và QPSK.
1.6.1. Điều chế QAM
Kỹ thuật điều chế QAM cho phép truyền tín hiệu số với tốc độ cao trong
một băng tần hẹp, nó có thể đạt tốc độ truyền đến 40Mbit/s và có tính miễn nhiễu
tốt đối với các kênh khác nhau cùng truyền chung trên một đường truyền. Thông
thường ta có các Mode điều chế: 16, 32, 64, 128 hoặc 256 - QAM, được biểu
diễn trong sơ đồ chòm sao (sơ đồ chòm sao tượng trưng cho tín hiệu truyền trong
22


hệ thống cáp). Mode điều chế thấp có tính miễn nhiễu rất cao (thông thường
dùng mode 16-QAM). Ngược lại, mode điều chế cao (mode 256-QAM) rất dễ bị

nhiễu nên việc giải mã tín hiệu bên thu không ổn định.
Sơ đồ chòm sao của mode điều chế 16-QAM được biểu diễn trong hình sau.
Các điểm trên chòm sao thuộc góc phần tư thứ nhất sẽ được chuyển sang góc phần tư
thứ hai, thứ ba, thứ tư bằng cách thay đổi 2 bit có trọng số cao nhất MSB (có nghĩa là
Ik và Qk) và quay bit có trọng số thấp nhất LSB theo quy tắc cho bởi bảng sau:
Bảng 1.1. Quy tắc quay bít có trọng số thấp LSB
Góc phần tư

MSB

Xoay LSB

1

00

2

10

π/2

3

11

π

4

01

3π/2

Hình 1.5. Sơ đồ chòm sao của 16-QAM
Việc xác định mode QAM nào được sử dụng được căn cứ vào tình hình cụ
thể và tùy mỗi quốc gia. Ví dụ nơi cần truyền nhiều chương trình thì dùng QAM
mode cao (64-QAM, 256-QAM), nhưng lúc đó đòi hỏi thiết bị phải có chất

23


lượng cao và độ dài đường truyền thích hợp. Nơi không cần truyền nhiều chương
trình thì dùng QAM mode thấp để có độ tin cậy cao và tiết kiệm giá thành.
Vậy việc điều chế QAM cho truyền hình số qua cáp có nhiều ưu điểm:
Với mode điều chế QAM thấp, đường truyền số qua cáp có tính kháng
nhiễu cao. Nhiễu đường truyền hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng tín
hiệu khi giải mã (mode điều chế có thể dùng là 16-QAM).
Tín hiệu giải mã ở phía thu chỉ có hai mức: Giải mã được (chất lượng hình
ảnh tốt) và không giải mã được (hình ảnh lúc giải mã lúc được lúc không, dừng
hình). Hay nói cách khác: Hoặc thu được rất rõ hoặc không thu được.
Việc khuếch đại tín hiệu số điều chế QAM cần được quan tâm, vì đây là tác
nhân chính gây nên lỗi đường truyền, Tín hiệu số điều chế QAM sau khi khuếch
đại phải được xử lý sao cho triệt được nhiễu xảy ra, Phải lọai bỏ nhiễu sinh ra
trong quá trình khuếch đại, nếu không máy thu sẽ không giải mã được tín hiệu.
Các kênh số có thể ghép kề nhau (mà không tác động lẫn nhau). Đối với
kênh tương tự khi ghép với kênh số điều chế QAM cần chú ý đến chồng phổ
trong sóng mang hình và sóng mang tiếng.
Tín hiệu điều chế số QAM truyền đi trên hệ thống phân phối bị suy hao. Tuy
nhiên, nếu mức khuếch đại vừa đủ thì tín hiệu điều chế QAM vẫn được giải mã tốt.

Có thể sử dụng hệ thống phân phối cáp cho truyền hình tương tự để phân
phối kênh truyền số điều chế QAM.
Đối với một hệ thống truyền hình cáp thực tế, mạng phân phối thường dùng
là mạng HFC. Các kênh tương tự và kênh số truyền chung trên một hệ thống
phân phối, để không xảy ra sự chồng phổ của các kênh kề nhau (dù là kênh
tương tự hay kênh số), các tín hiệu sau khi được khuếch đại ở máy phát cần chú
trọng đến việc xử lý nhiễu. Sau đó, có thể ghép các kênh tương tự và kênh số rồi
truyền đi trên cáp quang. Khi ghép nên thực hiện như sau:
+ Nên ghép theo từng nhóm các kênh tương tự và nhóm các kênh số.

24


+ Các kênh số ghép ở băng tầng cao, các kênh tương tự ghép ở băng tầng
thấp hơn do kênh số có tính kháng nhiễu tốt.
1.6.2. Điều chế Q-PSK
Q-PSK là kỹ thuật điều chế số có khả năng chống nhiễu điện từ trường tốt
hơn QAM, thường được sử dụng trong môi trường vệ tinh hoặc kênh phản hồi
(kênh ngược) của mạng truyền hình cáp, Q-PSK làm việc dựa trên nguyên lý
dịch tín hiệu số để không có pha trong tín hiệu ra, Q-PSK làm tăng độ mạnh của
mạng. Tuy nhiên sơ đồ điều chế Q-PSK có thể truyền dữ liệu tại 10Mbit/s.
Q-PSK sử dụng 4 trạng thái pha để đạt hiệu quả sử dụng tần số cao hơn so với
hệ thống B-PSK. Tín hiệu truyền đi được biến đổi từ nối tiếp sang song song, hai
sóng mang khác pha nhau π/2 được điều chế hai tín hiệu nhị phân trên và chúng
được kết hợp lại với nhau thành tín hiệu ra. Tốc độ tín hiệu trong đường truyền dẫn
bằng tốc độ chuỗi đầu vào. Quá trình giải điều chế Q-PSK được coi là hai quá trình
giải điều chế B-PSK độc lập. Hai tín hiệu băng gốc I(t) và Q(t) là kết quả so pha tín
hiệu thu được với hai sóng mang chuẩn lệch pha với nhau một góc π/2. [2], [3]

Hình 1.6. Cấu hình bộ điều chế Q-PSK

25