Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB t

Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

LI M U
Trong nhng nm gần đây, kỹ thuật thơng tin vơ tuyến đã có những bước tiến
triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên
Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền
thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển. Việc nghiên cứu và phát
triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền
thông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên” làng thơng tin tồn cầu”.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc rất nhiều vào
đặc tính của kênh thơng tin vơ tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng
thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác
động qua lại của các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những
dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử
dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là
một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này. Cũng vì
những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong mơi trường đa đường,
nên trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, em đã ứng dụng kĩ thuật OFDM vào
trong truyền hình số mặt đất DVB_T.
Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như:
nhạy với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
cao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn đề đồng bộ cũng
phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang.
Nội dung của đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Truyền hình số
Chương 2: Tổng quan về OFDM
Chương 3: Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
Chương 4: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế
nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thơng cảm,
phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cơ, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư
và các Thầy Cô trong Khoa để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp này.
Vinh, ngày 15 tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Đặng Anh Tuấn

CHƯƠNG I. TRUYN HèNH S
Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

1

Lớp: 46K - ĐTVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

1.1. Gii thiu chung
1.1.1. Truyn hình số
Truyền hình số (Digital Televsion) là phương pháp truyền hình hồn tồn
mới.
Trên thế giới, các nhà điều hành cáp, vệ tinh, trên mặt đất đang chuyển động
đến môi trường số. Ở Châu Âu truyền hình số đã được sử dụng ở Anh (phát sóng
truyền hình số 1999), Đức, Pháp, Ierland, Tây Ban Nha, Hà Lan, Thuỵ Điển, hầu
hết các nhà phân tích cơng nghiệp đều dự báo việc chuyển dịch lên truyền hình số là
một sự tiến hố hơn là một cuộc cách mạng, nó làm thay đổi cách sống của hàng

trăm triệu gia đình trên thế giới, các cơng ty cho rằng sự hội tụ giữa máy tính cá
nhân, máy thu hình (TV sets) và internet đã bắt đầu và điều đó dẫn đến sự chuyển
hố về máy tính, đối với người tiêu dùng, kỷ nguyên mới về số sẽ nâng cao việc
xem truyền hình ngang với chất lượng chiếu phim, âm thanh ngang với chất lượng
CD cùng với hàng trăm kênh truyền hình mới và nhiều dịch vụ mới. Truyền hình số
cho thuê bao xem được nhiều chương trình truyền hình mới với chất lượng cao
nhất.
Đối với các nhà phát sóng truyền hình, việc chuyển dịch lên môi trường số
làm giảm viêc sử dụng băng tần/kênh, làm tăng khả năng cung cấp các ứng dụng
thuê bao và mở rộng ra một lĩnh vực mới, các cơ hội mới về thương mại, nhiều dịch
vụ mới trên cơ sở truyền hình số sẽ được hình thành:
- Truy cập internet tại các tốc độ
- Chơi game trên mạng với nhiều người
- Video theo yêu cầu VOD (video-on-demand)
- Cung cấp các dịng video và audio
- Dịch vụ thanh tốn tiền từ nhà (home banking)
- Các dịch vụ thương mại điện tử
- Cập nhật phần mềm máy tính
- Truyền thanh, truyền hình đa phương tiện (Multimedia)
- Đọc báo điện tử
Trên năm mươi năm qua, truyền hình sử dụng tín hiệu tương tự như là một
phương tiện truyền dẫn sóng, việc chấm dứt truyn tng t v phỏt trin truyn s

Sinh viên: Đặng Anh Tn

2

Líp: 46K - §TVT

Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

ũi hi u t mi máy thu hình số, máy phát hình số, các thiết bị sản xuất và hậu
kỳ số cho chương trình truyền hình, điều đó dẫn đến phải sử dụng một băng số
chung, mở ra các cơ hội cho thị trường dân dụng.
1.1.2. Đặc điểm của truyền hình số
- Ít bị tác động của nhiễu như truyền hình tương tự
- Có khả năng nén lớn hơn với các tín hiệu 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, dữ liệu đều được xử lý giống nhau.
- Có thể khố mã dễ dàng
- Địi hỏi cơng suất truyền dẫn thấp hơn.
- Các kênh có thể định vị tương
- Các hệ thống điều chế được phát triển sao cho có khả năng chống hiện tượng
bóng hình và sai pha.
- Chất lượng phục vụ giảm nhanh khi máy thu khơng nằm trong vùng phục vụ.
- Địi hỏi tần số mới cho việc phát thanh và truyền hình quảng bá.

Sơ đồ khối tổng quát và nguyên lý hoạt động ca mt h thng phỏt thanh
truyn hỡnh s

Sinh viên: Đặng Anh Tn

3

Líp: 46K - §TVT

Đồ án tốt nghiệp đại học

Heọ thoỏng Video

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Gheựp keõnh vaứ truyền tải
Hệ thống thuphát

Nén và mã hoá
nguồn tín hiệu
Video
Hệ thống Audio
Nén và mã hoá
nguồn tín hiệu
Audio

Mã hoá
kênh

Truyền
Tải
Ghép
Kênh

Điều chế

Dữ liệu phụ
Dữ liệu điều khiển

Hình 1.1. Sơ đồ khối tổng quát và nguyên lý hoạt động của một hệ thống
Phát thanh truyền hình số
Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ được tiếp nhận tín hiệu truyền hình
tương tự. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biến đổi tín hiệu
truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số. Các tham số và đặc trưng và đặc
trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình lựa chọn.
Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hố
nguồn, tại đây tín hiệu truyền hình có tốc độ dịng bít cao sẽ được nén thành dịng
bít có tốc độ thấp hơn, phù hợp cho từng ứng dụng. Dịng bít tại đầu ra bộ mã hố

Sinh viªn: §Ỉng Anh Tn

4

Líp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

ngun c a ti thit bị phát (mã hố kênh thơng tin và điều chế tín hiệu) truyền
tới bên thu qua kênh thơng tin.
Khi truyền qua kênh thơng tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh. Mã
hoá kênh đảm bảo chống các sai sót trong tín hiệu, trong kênh thơng tin khi tín hiệu
truyền hình số được truyền theo kênh thơng tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là
bộ điều chế và bộ giải điều chế.
Mã hố trong kênh thơng tin được phổ biến không những trong đường thông
tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số, ví dụ như máy ghi hình số,

máy gia cơng tín hiệu truyền hình số.
Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lý
tại phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi truyền hình số thành
tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc
mã hố và giải mã tín hiệu truyền hình.
1.1.3. Ưu điểm của truyền hình số
Trong nhiều năm trở lại đây, truyền hình số đã trở thành đối tượng nghiên cứu
của nhiều nhà khoa học và nhiều tổ chức trên thế giới. Cùng với sự tiến bộ của công
nghệ chế tạo các vi mạch tổ hợp cao, tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu làm việc với thời
gian thực, cơng nghệ truyền hình số đã có những tiến bộ vượt bậc. Truyền hình số
mặt đất có những ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự như:
- Sử dụng một máy phát có khả năng truyền tải được 3 đến 5 chương trình
đồng thời
- Với cùng một vùng phủ sóng thì cơng suất phát u cầu của máy phát số sẽ
nhỏ hơn từ 5 đến 10 lần so với máy phát tương tự, điều này giúp cho việc tiết kiệm
đầu tư và chi phí vận hành
- Một điều rất đáng quan tâm nữa là chất lượng chương trình trung thực, ít bị
nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng hình thường gặp ở truyền hình
tương tự.
Tại Việt Nam, nhận thức được những ưu điểm của truyền hình số và tính tất
yếu của việc truyền hình số tương tự sẽ nhường chỗ cho truyền hình số, từ năm
1997, đài truyền hình Việt Nam đã có một số đề ti nghiờn cu v truyn hỡnh s v

Sinh viên: Đặng Anh Tn

5

Líp: 46K - §TVT

Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

kh nng ng dng ca nó, năm 1998 đã triển khai nghiên cứu dự án về lộ trình
phát triển truyền hình số tại Việt Nam.
1.2. Cơ sở của biến đổi tín hiệu truyền hình số
1.2.1. Biến đổi tín hiệu video
Tín hiệu video sau khi được số hố 8 bít có tốc độ 216 Mbit/s.
Để có thể truyền được trong một kênh truyền hình thơng thường tín hiệu video
số cần phải được “nén” trong khi đó vẫn đảm bảo chất lượng ảnh.
Mặc dù tín hiệu video đã được nén từ những năm 1950, cùng với sự ra đời của
truyền hình màu, ba tín hiệu thành phần R, G, B với bề rộng dải thông 15 MHz, đã
được nén trong một tín hiệu video màu hỗn hợp với bề rộng dải thông là 5 MHz.
Dải thông được giảm 3 lần hay nói cách khác thì hệ số nén là 3:1.

Camera

R(0÷5 MHz)
G(0÷5 MHz)
B(0÷5 MHz)

Matrix

R(0÷5 MHz)
+
R-Y(0÷1,5 MHz)
B-Y(0÷1,5 MHz)

Tín hiệu

Video màu
tổng hợp
(0÷5 MHz)

Điều
Chế
Hình 1.2. Nén Video tương tự
Tín hiệu video như chúng ta đã biết có dải phổ từ 0 MHz đến 6 MHz, trong
nhiều trường hợp thì năng lượng phổ chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp, bởi lẽ
thành phần tần số cao chỉ xuất hiện ở tại đường viền của hình ảnh. Như vậy đa số
thơng tin về hình ảnh tập trung ở miền tần số thấp chỉ có rất ít thơng tin dư thừa
trong tín hiệu video.
Cơng đoạn đầu tiên của q trình nén là xác định thông tin dư thừa trong miền
không gian của một ảnh của tín hiệu video.
Nén khơng gian được thực hiện bởi phép biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete
Cosin Transform) được biểu thị bằng công thức: F (u, v)
Và phép biến đổi ngược được biểu diễn bằng: f (x, y)
Do bản chất của tín hiệu video, phép biến đổi DCT cho ta những hệ số ứng với
các thành phần tn s cao vi giỏ tr rt nh.

Sinh viên: Đặng Anh Tn

6

Líp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Bl
og

nh 8 x8 phn t ảnh

0
0
0
0
0
0
0
0

12,5
12,5
12,5
12,5
12,5
12,5
12,5
12,5

25, 0
25, 0
25, 0
25, 0
25, 0
25, 0

25, 0
25, 0

37, 5
37, 5
37, 5
37, 5
37, 5
37, 5
37, 5
37, 5

50, 0
50, 0
50, 0
50, 0
50, 0
50, 0
50, 0
50, 0

62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
62,5 75, 0 87, 5
Giá trị các phần tử ảnh

Hình 1.3. Biến đổi cosin rời rạc
1.2.2. Chọn tần số lấy mẫu
1.2.2.1. Lấy mẫu
Là quá trình gián đoạn (rời rạc hoá) theo thời gian bằng tần số f lm, kết quả là
một chuỗi các mẫu. Lấy mẫu là bước đầu tiên thể hiện tín hiệu tương tự sang số. Vì
các tần số lấy mẫu đã chọn ra sẽ chỉ ra toạ độ các điểm đó. Q trình biến đổi này
phải tương đương về mặt tin tức của dịng tín hiệu vào.
Biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ f lm thu được một chuỗi các
xung hẹp với tần số lấy mẫu được tính bằng
flm = 1/Tlm
flm: tần số lấy mẫu
T: chu kỳ lấy mẫu

Sinh viªn: §Ỉng Anh Tn

7

Líp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

f

Hỡnh 1.4. Ph ca tớn hiệu lấy mẫu
Quá trình lấy mẫu tương đương với quá trình điều biên tín hiệu (f 0) trên sóng
mang có tần số bằng tần số lấy mẫu (f lm), quá trình điều biên tạo ra các biên trên và

biên dưới. Song lấy mẫu có dạng hình chữ nhật phổ của nó bao gồm thành phần tần
số lấy mẫu và các hài của nó ở hình trên.
Thực tế việc lấy mẫu của tín hiệu dựa trên cơ sở của định lý Nyquitst- shamen.
Tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế cắt tại ω hoàn toàn được xác
định bằng một dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn:
T = Tmin ≤ (1/2fc) với fc = 2ωc/2л
Hàm x (t) xác định trong khoảng (t0, t0 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ cácτ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các) sẽ hoàn toàn được xác định từ các
mẫu rời rạc x (k∆t) của nó theo biểu thức:
x

x ( t ) = å x ( kDt )
k =- x

sin w( t - k D t )
wc ( t - k D t )

Sin (t-k∆t) Trong đó k = 0, ±1, ±2...
Về mặt tốn học có thể mở rộng về phía tần số âm cho các trị số âm của k. Với
khoảng cách lấy mẫu ∆t nhỏ hơn hoặc bằng л/ω c: ∆t ≤ л/ωc, trong đó ωc là tần số
cao nhất trong phổ của hàm x (t).

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

8

Lớp: 46K - ĐTVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

A

f
Hỡnh 1.5. Ph ly mu lý tưởng
Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó tồn bộ thơng tin mang tín hiệu gốc nếu tín
hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức là nó khơng có những phần tử có tần số nằm
ngồi một tần số fc nào đó.
Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn hai lần fc tức là fSa ≥ 2fc.
Hình 1.5 minh hoạ phổ tần số lấy mẫu lý tưởng khi tín hiệu băng cơ bản có dải
thơng fc và tần số lấy mẫu 2fc. Như vậy dải biên trên và dải biên dưới đều có dải
thơng là fc với tần số này không xuất hiện nhiễu băng cơ bản và dải biên dưới.
Hình 1.6 minh họa trường hợp lấy mẫu với tần số nhỏ hơn 2f c. Một phần dải
biên dưới của tín hiệu lấy mẫu chồng lên phổ của tín hiệu băng cơ bản (do nguyên
nhân gây nên hiện tượng méo chồng phổ).
Tín hiệu video, do các đặc trưng riêng nên ngồi việc thoả mãn định lý
Nyquist, q trình lấy mẫu cần phải thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính
tương thích giữa các hệ thống. Quá trình này phải xác định được tần số lấy mẫu, cấu
trúc lấy mẫu cần phải đạt được, chỉ tiêu về hình ảnh, tính tương thích giữa các hệ
truyền hình, tốc độ bít thích hợp và mạch thực hiện đơn giản.
A

f

Hình 1.6. Mộo do chng ph

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

9

Lớp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

i vi tiờu chun tn số Nyquist, việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số f lm ≤
fNy là nguyên nhân của méo chồng phổ làm giảm độ phân dải theo chiều ngang.
Thành phần tần số cao nhất đối với hệ truyền hình tương tự là:
Hệ PAL: fc = 5 MHz
Hệ NTSC: fc = 4,2 MHz
Theo đó tần số giới hạn Nyquist:
Hệ PAL: fc = 10 MHz
Hệ NTSC: fc =8,4 MHz
Các giá trị 10 MHz và 8,4 MHz là các giá trị tần số lấy mẫu bé nhất có thể
được trong thực tế, tần số lấy mẫu tín hiệu video cho các hệ truyền hình tương ứng
sẽ cao hơn.
Một trong những yêu cầu làm tăng tần số tín hiệu truyền hình là tăng khoảng
bảo vệ cho mạch lọc thông thấp trước khi lấy mẫu, mạch lọc này là thành phần đầu
tiên của bộ biến đổi A/D. Để không làm xuất hiện méo tương tự, mạch lọc thông
thấp của hệ loại bỏ các thành phần gây chồng phổ tín hiệu. Do các mạch lọc khơng
có đặc trưng lý tưởng, đặc tính mạch lọc ngồi dải thơng khơng phải là suy giảm
hồn tồn nên sử dụng băng tần bảo vệ. Cho phép sử dụng các mạch lọc mang tính
thực tế.

f

Hình 1.7. Băng tần bảo vệ

Việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệu khác:
tín hiệu chói, tín hiệu màu cơ bản, tín hiệu màu và video tổng hợp. Tần số lấy mẫu
cũng phụ thuộc vào hệ truyền hình màu.
Tín hiệu video tổng hợp được lấy mẫu với tần số bằng bội số của tần số sóng
mang phụ. Chọn tần số lấy mẫu bằng 3fsc, với hệ NTSC có tần số lấy mẫu 10,7
MHz và hệ PAL là 13,3 MHz. Khi tần số lấy mẫu là 4f sc, với h NTSC tng ng cú

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

10

Lớp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

tn s ly mu l 14,3 MHz và hệ PAL 17,7 MHz. Tần số lấy mẫu càng cao càng dễ
dàng cho việc sử dụng các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo cũng như đưa lại
một đặc tuyến tần số tốt hơn. Kỹ thuật hiện nay cho phép giảm nhỏ các khó khăn
trong việc thiết kế các bộ biến đổi A/D bằng việc sử dụng các thiết bị có tần số lấy
mẫu ở tần số cao.
Đối với hệ SECAM do sử dụng phương pháp điều tần, nên q trình số hóa tín
hiệu video khơng thực hiện lấy mẫu tín hiệu tổng hợp. Tín hiệu SECAM được mã
hố thành tín hiệu thành phần tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần
số dịng qt.
1.2.2.2. Cấu trúc lấy mẫu
Tín hiệu từ hình ảnh camera và được hiển thị trên màn hình chứa thơng tin về
đồng bộ theo mành và dịng đó là các ảnh hai chiều. Vậy để khơi phục chính xác

hình ảnh, tần số lấy mẫu có liên quan đến tần số dòng và tần số lấy mẫu phải là bội
của tần số dòng. Với quan hệ này điểm lấy mẫu trên các dòng quét kề nhau sẽ thẳng
hàng với nhau và tránh được các hiện tượng đường biên xảy ra.
Như vậy lấy mẫu không phụ thuộc vào việc lấy mẫu theo thời gian mà còn phụ
thuộc vào toạ dộ các điểm lấy mẫu. Vị trí các điểm lấy mẫu hay cấu trúc lấy mẫu
được xác định theo thời gian trên các dịng và mành. Hàm lẫy mẫu có thể biến đổi
dạng xq (t, x, y), tần số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khơi phục
hình ảnh tốt nhất.
Vì vậy tần số lấy mẫu phải thích hợp cho cả ba chiều t, x, y. Tuy nhiên trong cấu
trúc lấy mẫu phổ biến, ta chỉ xét các mẫu được biểu diễn bằng hai đại lượng (x, y).
Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc
lấy mẫu tín hiệu video.
a. Cấu trúc trực giao.
Được sắp xếp trên các dòng, mành kề nhau thẳng hàng theo chiều đứng.
Cấu trúc này là cố định theo mành và theo hai nh (hai mnh)

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

11

Lớp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Hỡnh 1.8. Cu trỳc trc giao
Trong trường hợp này tần số lấy mẫu thỏa mãn định lý Nyquist và do đó cần
sử dụng tốc độ bít rất lớn.

b. Cấu trúc Quincunx mành

Hình 1.9. Cấu trúc Quincunx mành
Đối với cấu trúc Quincunx, các mẫu trên các dòng kề nhau thuộc một mành
xếp thẳng hàng theo chiều đứng (trực giao), nhưng các mẫu thuộc mành một lại
dịch đi một nửa chu kỳ lấy mẫu so với các mẫu của mành thứ hai.
Phân bố phổ tần của cấu trúc Quincunx mành rất có ý nghĩa đối với mành một,
nó cho phép làm giảm tần số lấy mẫu theo dịng. Phổ tần cấu trúc nói trên ở mành
thứ hai so với mành một bị dịch và có thể lồng với phổ tần cơ bản gây ra méo ở các
chi tiết hình ảnh (khi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳng đứng).
c. Cấu trúc Quincunx dòng
Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy
mẫu, còn các mẫu trên dòng một mành đầu lệch so với các mẫu trên dòng tiếp sau
(của mành sau) một nửa chu kỳ lấy mẫu. Ở đây khơng xảy ra trường hợp lồng các
phổ chính và khơng bị méo điều đó cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ hơn 25%
tần số Nyquist và tiết kiệm được độ rộng phổ của tín hiệu số.

Sinh viªn: §Ỉng Anh Tn

12

Líp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Tu theo cu trỳc ly mẫu, sẽ xuất hiện loại méo ảnh đặc trưng. Với cấu trúc
trực giao, độ phân dải ảnh sẽ giảm. Đối với cấu trúc Quincunx mành sẽ xuất hiện

các điểm ảnh. Ngược lại với cấu trúc Quincunx dòng sẽ xuất hiện các vịng trịn
theo chiều ngang.
Tóm lại cấu trúc trực giao cho hình ảnh cao nhất vì đối với mắt người thì độ
phân dải giảm dễ chịu hơn là hai loại méo nêu trên.

Hình 1.10. Cấu trúc Quincunx dịng
d. Các tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video
Q trình lấy mẫu là bước đầu tiên của việc số hóa tín hiệu video, trước hết ta
tìm hiểu về một vài tiêu chuẩn lấy mẫu. Có nhiều tiêu chuẩn video số thành phần,
điểm khác nhau cơ bản giữa chúng ở tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy
mẫu tín hiệu chói và tín hiệu màu, trong đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4:4:4, 4:2:2,4:2:0,
4:1:1. Dưới đây ta xét phương thức từng chuẩn tốc độ lấy mẫu dựa trên cơ sở tần số
chuẩn là 3,375 MHz.
e. Tiêu chuẩn 4:4:4
Mẫu tín hiệu chỉ được lấy đối với các phần tử tích cực của tín hiệu video.
Với hệ PAL màn hình được chia làm 625 x 720 im (pixel).

Hỡnh 1.11. Tiờu chun 4:4:4

Sinh viên: Đặng Anh Tn

13

Líp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Cỏc tớn hiu chúi (Y), tín hiệu màu (C R, CB) được lấy mẫu tại tất cả các điểm
lấy mẫu trên dịng tích cực của tín hiệu video. Cấu trúc trực giao, vị trí lấy mẫu trình
bày như hình vẽ trên.
Tiêu chuẩn 4:4:4 có khả năng khơi phục hình ảnh chất lượng tốt trong các tiêu
chuẩn, thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu. Tiêu chuẩn này có thể dùng trong trường
hợp xử lý tín hiệu chói và tín hiệu màu R, G, B. Nó có thể được dùng trong studio
nhằm rời rạc hố tín hiệu. Tuy nhiên tiêu chuẩn này sẽ đòi hỏi tốc độ bít cao. Các tổ
chức tiêu chuẩn quốc tế đã thống nhất chỉ tiêu tần số lấy mẫu cho truyền hình số
theo tiêu chuẩn này với tên gọi CCIR-601.
Với tiêu chuẩn 4:4:4 tốc độ bít dữ liệu (ví dụ cho hệ PAL) được tính như sau:
Khi lấy mẫu 8 bít: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mbit/s
Chip lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 720) x 576 x 10 x25 = 311 Mbit/s
f. Tiêu chuẩn 4:2:2
Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu: Chói (Y) và tín hiệu màu (CR, CB).
Điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu tín hiệu chói (Y), cịn hai tín hiệu màu khơng lấy
mẫu. Chip giải mã màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước.
Điểm nữa là lấy mẫu đủ ba tín hiệu Y, CR, CB.
Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu tín hiệu chói Y, thì hai lần lấy mẫu C R, hai
lần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2

Hình 1.12. Tiêu chuẩn 4:2:2
Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo tiêu chuẩn này được tính như sau:
Khi lấy mẫu 8 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360) x 576 x 8 x 25 = 166 Mbit/s
Khi lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các360) x 576 x 10 x 25= 270 Mbit/s
Tiêu chuẩn 4:2:2 là tiêu chuẩn cơ bản của truyền hình số. Chất lượng hình ảnh
của tiêu chuẩn này cao hơn tiêu chuẩn 4:4:4. Nó cho phép xử lý tín hiệu một cách
thuận lợi.
g. Tiêu chuẩn 4:2:0

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

14

Lớp: 46K - ĐTVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Hỡnh 1.13. Tiờu chun 4: 2: 0
Theo chuẩn này, tín hiệu Y được lấy mẫu tại các điểm ảnh của dịng, cịn tín
hiệu màu thì cứ cách một điểm sẽ lấy mẫu cho một tín hiệu hiệu màu. Tín hiệu này
được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu màu C R thì dịng sẽ lấy mẫu
cho tín hiệu màu CB.
Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo tiêu chuẩn này được tính như sau:
Khi lấy mẫu 8 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360) x 576 x 8 x 25 = 124, 4 Mbit/s
Khi lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 360) x 576 x 10 x 25 = 155, 5 Mbit/s.
h. Tiêu chuẩn 4:1:1
Điểm ảnh đầu lấy mẫu đủ Y, C R, CB: Ba điểm ảnh tiếp sau chỉ lấy Y không lấy
mẫu CR, CB. Khi giải mã màu của ba điểm ảnh phải suy ra từ điểm ảnh đầu.
Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu CR, một lần lấy mẫu CB. Đây là cơ cấu 4:1:1.

Hình 1.14. Tiêu chuẩn 4:1:1
Đối với hệ PAL, tốc độ dịng bít dữ liệu theo tiêu chuẩn này được tính như sau:
Khi lấy mẫu 8 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các180 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các180) x 576 x 8 x 25 = 124, 4 Mbit/s
Khi lấy mẫu 10 bit: (720 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 180 +τ) sẽ hoàn toàn được xác định từ các 180) x 576 x 10 x 25 = 155, 5 Mbit/s.
Tiêu chuẩn này chất lượng hình ảnh tương đối thấp, thường được dùng cho
địên thoại truyền hình.
1.3. Lượng tử hoỏ video

1.3.1. Lng t hoỏ

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

15

Lớp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

1.3.1.1. Khỏi nim
Lng t hoỏ là q trình rời rạc hố theo biên độ tín hiệu (đã được rời rạc hố
theo thời gian) có nghĩa là chia biên độ ra nhiều khoảng (mức) khác nhau và mỗi
mức được gán bằng một giá trị biên độ.
1.3.1.2. Q trình biến đổi A/D là lượng tử hố
Trong q trình này, biên độ tín hiệu được chia thành các mức gọi là mức
lượng tử, khoảng cách giữa hai mức kề nhau gọi là bước lượng tử. Các mẫu có được
từ q trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử.

Hình 1.15. Biến đổi A/D
Giá trị lượng tử Q được xác định theo biểu thức Q = 2N
Trong đó N là số bít biểu diễn mỗi mẫu.
Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu, ngun nhân
do q trình lượng tử hoá xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu. Hình trên cho
thấy tất cả các giá trị biên độ nằm trong giới hạn của một mức lượng tử đều được
thiết lập một giá trị như nhau đó chính là mức lượng tử Q. Có hai phương pháp
lượng tử hố:

Lượng tử hố tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau
Lượng tử hố phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau.
Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio, tất cả các mức lượng tử
đều có biên độ bằng nhau, và q trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hố đồng
đều. Đây là quá trình biến đổi từ một chuỗi các mẫu với vô hạn các biên độ sang các
giá trị nhất định, vì vậy quá trình này gây ra sai số, gọi là sai số lượng tử. Sai số
lượng tử là một nguồn nhiễu khơng thể thốt khỏi trong hệ thống số. Biên độ tín
hiệu video biến đổi theo thời gian. Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

16

Lớp: 46K - ĐTVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

phm vi 1/2 Q, trong đó Q là bước lượng tử. Trong các hệ thống số sử dụng 8 bít và
(lớn hơn 8 bít) để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử có thể được coi như một nguồn tín
hiệu khơng mong muốn (nhiễu) cộng thêm vào tín hiệu trong q trình lượng tử.
Trong các hệ thống sử dụng ít hơn 8 bít để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử sẽ ảnh
hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu ban đầu, làm méo dạng sóng, tăng hiệu ứng viễn
không mong muốn.
ε (t) = | x (t) – x’ (t) |
Trong đó: ε (t) - sai số lượng tử
x (t) - giá trị các mẫu tín hiệu trước khi lượng tử
x’ (t) - giá trị các mẫu tín hiệu sau khi lượng tử.

Sai số ε (t) tuỳ thuộc vào tính thống kê của nguồn tín hiệu vào và các độ rộng
của bước lượng tử. Có thể xem ε (t) là một loại nhiễu do quá trình lượng tử hoá gây
ra, gọi là méo lượng tử.
Méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử. Đối với tín hiệu video, méo
lượng tử xuất hiện ở hai dạng chính là hiệu ứng đường viên và hạt ngẫu nhiên.
Hiệu ứng đường viên xuất hiện ở những vùng có độ sáng thay đổi chậm và đều
theo chiều ngang, khi đó có những sọc với độ sáng cố định chia thành nhiều đường
rõ nét theo chiều đứng theo đường biên. Nếu tăng số mức lượng tử, hiệu ứng đường
viên sẽ giảm. Đối với ảnh có nhiễu, chi tiết méo lượng tử phân bố ngẫu nhiên thì
hiệu ứng đường viên xuất hiện ít. Khi sử dụng mã 8 bít biểu diễn mẫu thì hiệu ứng
đường viên sẽ gần như khơng cịn nhận biết được nữa.
Nhiễu hạt ngẫu nhiên xuất hiện ở vùng ảnh rộng và có độ sáng đồng đều, là
dạng nhiễu going các hạt giống như sương mù. Hiện có thể được sử dụng để điều
chỉnh chất lượng qua việc biến đổi méo từ dạng ngẫu nhiên.
1.4. Mã hoá video
1.4.1. Định nghĩa mã hóa
Là biến đổi nó thành tín hiệu số bằng việc sắp xếp cho mỗi mức tín hiệu (hệ
đếm thập phân) theo hệ đếm nhị phân (0 và 1), và là khâu cuối cùng của bộ biến đổi
A/D. Mã hoá theo quan điểm thống kê là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà
không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho h thng
truyn tin.

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

17

Lớp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

D liu sau mó hoỏ có ưu điểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành
tương đương khả năng thơng qua của kênh.
Q trình này biến đổi các mức tín hiệu đã lượng tử hố thành các chuỗi bít
“0” và “1”. Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này thuật ngữ chun mơn gọi là từ mã
nhị phân được tính bằng số lượng các con số “0”, “1”, là một trong những chỉ tiêu
chất lượng kỹ thuật số hố tín hiệu. Nó phản ánh mức sáng tối, màu sắc của hình
ảnh được ghi nhận và biến đổi. Về nguyên tắc độ dài của từ mã nhị phân càng lớn
thì quá trình biến đổi các chất lượng, nghĩa là nó được xem như là độ phân giải của
số hoá. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit/mẫu.
Các mã được sử dụng trong truyền hình số được phân chia một cách quy ước
thành bốn nhóm:
- Các mã để mã hố tín hiệu truyền hình.
- Các mã để truyền hình có hiệu quả cao theo kênh thông tin
- Các mã thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ bên thu.
- Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền
hình số.
1.4.2. Các đặc tính cơ bản của mã hố
Q trình biến đổi rất nhiều các điểm đến lượng tử hố của tín hiệu (trong đó
có tín hiệu truyền hình) thành tổ hợp các ký hiệu khác nhau gọi là sự mã hóa, cịn
các nhóm ký hiệu thơng tin cách điểm mã hố gọi là mã hoá.
Các thuật ngữ “mã hoá” và “mã” đặc trưng cho quy trình của việc đối chiếu tín
hiệu truyền hình đã được lượng tử hố để xác định các nhóm ký hiệu mã. Đồng thời
trong hệ thống truyền hình số, việc gia công và truyền thông tin được thực hiện với
sự giúp đỡ của các tín hiệu mà một hoặc vài thơng số của nó đã được điều chế phù
hợp với mã thơng tin.
Các mã mà các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu như nhau được gọi
là các mã đều đặn, còn các mã các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu khác

nhau gọi là mã khơng đều đặn.
Lý thuyết mã có hai hng nghiờn cu:

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

18

Lớp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

- Th nht l nghiờn cứu các cấu trúc mã mà nó nâng cao độ chính xác của
việc truyền theo kênh thơng tin có nhiễu (như các mã chống sai số).
- Thứ hai là nghiên cứu cấu trúc mã triệt tiêu độ dư của tín hiệu đã mã hố
trong kênh khơng nhiễu.
Để phục vụ u cầu về ghi, truyền tín hiệu video, mã hố được sử dụng trong
các trường hợp sau:
Mã hoá sơ cấp: Dùng để tạo tín hiệu số ở Studio
Mã bảo vệ sửa sai: Tăng khả năng chịu đựng của tín hiệu trong kênh có nhiễu.
Mã truyền tuyến tính: Tăng khả năng truyền dẫn
Mã có cấu trúc tuyệt đối
Mã có cấu trúc tương đối.
1.4.3. Các mã sơ cấp
Các mã sơ cấp được dùng chủ yếu để mã hố tín hiệu truyền hình, xử lý số,
trong các thiết bị tổ hợp Studio của trung tâm truyền hình số, …
Mã sơ cấp trong truyền hình số là mã đồng đều, có cấu trúc tuyệt đối:
- NRZ (Non Return to Zero): Không trở lại mức không

- RZ (Return to Zero): Trở lại mức không
- BiPh (Bi Phase): Hai pha
Bảng từ mã của mã sơ cấp cần thoả mãn điều kiện qn-1 < N ≤ qn. Trong đó N là
các mức lượng tử của tín hiệu truyền hình được mã hố.
Trong truyền hình số, cơ số của mã sơ cấp bằng hai, nghĩa là mã này là mã nhị
phân.
Các mã sơ cấp được phân thành loại có trọng số và khơng có trọng số bao gồm
các mã mà bên cạnh mỗi bậc của tổ hợp mã của nó được nhận biết một hệ số trọng
nào đó.
1.5. Các tiêu chuẩn nén
1.5.1. Khái quát về các tiêu chuẩn nén
Các tổ chức quốc tế đã tiêu tốn hàng triệu USD để phát triển các tiêu chuẩn
nén. Như vậy có thể thấy, các tiêu chuẩn nén là cần thiết.
Hiểu một cách đơn giản, tiêu chuẩn nén cũng như ngơn ngữ chính thống của
một đất nước. Quốc gia đó có nhiều dân tc vi nhiu ngụn ng khỏc nhau nhng

Sinh viên: Đặng Anh Tn

19

Líp: 46K - §TVT


Đồ án tốt nghiệp đại học

ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T

thun li giao tip, cần một ngơn ngữ chính thống trên tồn lãnh thổ. Như vậy,
chìa khố ở đây là “sự dễ dàng trong giao tiếp”. Chúng ta cần có tiêu chuẩn nén để
thuận tiện trao đổi giữa các hệ thống khác nhau.

Vậy tại sao cần có nhiều tiêu chuẩn nén?
Câu trả lời thật đơn giản: chúng ta có nhiều ứng dụng địi hỏi nhiều tiêu chuẩn
khác nhau. Khơng có bất cứ một tiêu chuẩn nén nào có thể đáp ứng được tất cả các
yêu cầu ứng dụng đó.
Các tiêu chuẩn nén gồm hai mức: mức quốc gia và mức quốc tế
- Ở mức quốc gia có: ANSI (American National Standard Institule)
AIIM (Association of Image and Information)
Tại Canada có tổ chức tiêu chuẩn của Canada
- Ở mức quốc tế có: ISO (International Standard Organization)
IEC (International Electrotechnical Commission)
ITU (Internotional Telecommunication Union, CCITT)
Và một số tổ chức khác.
Các tiêu chuẩn nén với ứng dụng của chúng được khái quát trong bảng sau:
Bảng 1.1.Khái quát các tiêu chuẩn nén
Chuẩn

Phạm vi ứng dụng

CC ITT T.4

Fax, ảnh dữ liệu

CC ITT T.6

Fax, ảnh dữ liệu

JPEG

Ảnh

CC ITT H.261

Fax, ảnh dữ liệu

MPEG-1

Điện thoại hình

MPEG - 2

Ảnh, HDTV, DSM

MPEG – 4

Truyền thanh thơng thường, quảng bá,
cảm nhận từ xa.

Trong số đó, được sử dụng phổ biến và có phạm vi ứng dụng rộng rói l
MPEG.

Sinh viên: Đặng Anh Tuấn

20

Lớp: 46K - ĐTVT