Truyền hình số vệ tinh và ứng dụng trong mạng truyền hình cáp nội bộ

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 NĨI ĐẦU
Truyền hình là một hình thức thơng 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 ngồi 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 thơng 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 khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được các thầy cơ 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 lịng chỉ bảo giúp
đỡ để đồ án hồn thành tốt đẹp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, ngày17 tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trung Dương

2


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Truyền hình là một lĩnh vực khơng 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 hồn
tồn 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

tốn thiết kế và tính tốn hệ thống thu truyền hình số vệ tinh cho tịa 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 ....................................................................................................... 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN................................................................................................. 3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. 7
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU......................................................................... 9
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................................... 10

Chương 1. TỔNG QUAN TRUYỀN HÌNH SỐ.................................................. 12
1.1. Sơ đồ khối hệ thống phát thanh truyền hình số ......................................... 12
1.2. Đặc điểm của phát thanh truyền hình số.................................................... 13
1.3. Vấn đề truyền dẫn truyền hình số .............................................................. 13
1.4. Vấn đề thu tín hiệu truyền hình số ............................................................. 15
1.5. Nén và mã hóa tín hiệu truyền hình ........................................................... 17
1.5.1. Khái quát về kỹ thuật nén ảnh số ........................................................ 18
1.5.2. Chuẩn nén MPEG................................................................................ 20
1.5.3. Biến đổi ADC và DAC ....................................................................... 22
1.6. Điều chế tín hiệu số ................................................................................... 23
1.6.1. Điều chế QAM .................................................................................... 23
1.6.2. Điều chế Q-PSK .................................................................................. 26
1.7. Kết luận chương I ...................................................................................... 27
Chương 2. TRUYỀN HÌNH SỐ VỆ TINH ......................................................... 28
2.1. Hệ thống thơng tin vệ tinh ......................................................................... 28
2.1.1. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh ............................................................. 29
2.1.2. Quy mô và phạm vi các vùng được vệ tinh phủ sóng ......................... 30
2.1.3. Góc ngẩng của các anten tram mặt đất ............................................... 31
2.1.4. Thời gian truyền và thời gian trễ ......................................................... 31
2.1.5. Nhiễu trong thông tin vệ tinh .............................................................. 31
2.1.6. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh ................................................ 32
2.1.7. Cấu hình của hệ thống thơng tin vệ tinh ............................................. 34
2.2. Truyền hình số vệ tinh ............................................................................... 36
2.2.1. Dải tần cho truyền hình vệ tinh ........................................................... 37
2.2.2. Nguyên tắc sử dụng tối ưu các dải tần ................................................ 38
2.2.3. Loại điều chế cho máy phát hình trên vệ tinh ..................................... 39
2.2.4. Cơng suất máy phát hình trên vệ tinh ................................................. 40
2.2.5. Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh ......................................... 41
5

2.2.6. Các chương trình truyền hình vệ tinh thu được ở Việt Nam .............. 45
2.3. Hệ thống Tivi gia đình TVRO ................................................................... 46
2.3.1. Sơ đồ khối tổng quát của TVRO ......................................................... 46
2.3.2. Anten thu, góc ngẩng, góc phương vị và góc phân cực ...................... 48
2.3.3. Mạch tiền khuếch đại và dịch tần ........................................................ 51
2.3.4. Khối thu vệ tinh ................................................................................... 51
2.3.5. Ảnh hưởng của nhiễu .......................................................................... 57
2.3.6. Ảnh hưởng của công suất phát sóng, kích thước an ten thu, mưa ...... 58
2.4. Kết luận chương 2 ...................................................................................... 59
Chương 3. TÍNH TỐN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU TVRO CHO KHU
CHUNG CƯ C1 .................................................................................................... 60
3.1. Khảo sát các đặc điểm cần để thiết lập nơi thu ......................................... 60
3.2. Mơ hình tổng quan thiết kế lắp đặt ............................................................ 61
3.3. Khối thu thường gồm các thiết bị sau ........................................................ 62
3.4. Tính tốn các thơng số cần thiết khi lắp đặt máy thu hình qua vệ tinh. .... 63
3.4.1. Tính khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm cho trước trên mặt đất d ............ 64
3.4.2. Tính góc ngẩng của anten, khoảng cách giữa điểm thu trên mặt đất
với vệ tinh ..................................................................................................... 65
3.4.3. Tính góc nửa cơng suất sóng 1, 2 .................................................... 66
3.5. Khối phân phối........................................................................................... 70
3.6. Lựa chọn thiết bị lắp đặt ............................................................................ 71
3.6.1. Chọn và lắp đặt Anten ......................................................................... 71
3.6.2. Chọn bộ LNA và LNB ........................................................................ 72
3.6.3. Chọn máy thu TVRO .......................................................................... 72
3.6.4. Chọn bộ Booter ................................................................................... 72
3.6.5. Chọn Cable .......................................................................................... 72
3.6.6. Các loại Tap ........................................................................................ 73
3.7. Thiết kế lắp đặt cụ thể ................................................................................ 74
3.7.1. Khối thu tín hiệu .................................................................................. 75

3.7.2. Khối phân phối .................................................................................... 77
3.7.3. Tính tốn suy hao cho các tầng ........................................................... 81
3.7.4. Bảng thống kê các thiết bị sử dụng ..................................................... 85
3.8. Kết luận chương 3 ...................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 88
6


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số ..................................................... 12
Hình 1.2. Sơ đồ khối hộp SET-TOP-BOX .......................................................... 16
Hình 1.3. Sơ đồ khối mạch biến đổi ADC ........................................................... 22
Hình 1.4. Sơ đồ khối mạch biến đổi DAC ........................................................... 23
Hình 1.5. Sơ đồ chịm sao của 16-QAM .............................................................. 24
Hình 1.6. Cấu hình bộ điều chế Q-PSK. .............................................................. 26
Hình 1.7. Cấu hình bộ giải điều chế Q-PSK. ....................................................... 27
Hình 1.8. Biểu đồ sao tín hiệu. ............................................................................. 27
Hình 2.1. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh .............................................................. 30
Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh. ..................................................... 35
Hình 2.3. Phần khơng gian của hệ thống thơng tin vệ tinh. ................................. 35
Hình 2.4. Trạm mặt đất ........................................................................................ 36
Hình 2.5. Sơ đồ khối phần phát hệ thống truyền hình vệ tinh. ............................ 42
Hình 2.6. Sơ đồ khối bên thu phần xử lý tín hiệu (đầu thu) ................................ 44
Hình 2.7. Khối thu siêu cao tần và máy thu cá nhân ........................................... 47
Hình 2.8. Máy thu truyền hình vệ tinh ................................................................. 47
Hình 2.9. Góc ngẩng và góc nghiêng .................................................................. 49
Hình 2.10. Các loại phân cực ............................................................................... 51
Hình 2.11. Hai lần dịch tần .................................................................................. 53
Hình 2.12. Sơ đồ khối mạch dịch tần ................................................................... 56

Hình 2.13. Máy thu hình vệ tinh .......................................................................... 56
Hình 2.14. Cách bố trí chảo phản xạ .................................................................... 58
Hình 2.15. Tâm chùm sáng C/N........................................................................... 58
Hình 3.1. Mơ hình tổng qt một hệ thống thu phát truyền hình qua vệ tinh ..... 62
Hình 3.2. Bộ chia 4 và chia 8 ............................................................................... 62
Hình 3.3. Vị trí của vệ tinh và điểm thu trên mặt đất .......................................... 63
Hình 3.4. Góc phương vị và khoảng cách ............................................................ 64
Hình 3.5. Tính khoảng cách và góc ngẩng của Anten tại điểm thu ..................... 65
Hình 3.6. Biểu diễn vị trí Elip theo mặt phẳng cắt chùm sóng ............................ 66
Hình 3.7. Vị trí hình học tại điểm S ..................................................................... 67
7


Hình 3.8. Đường thẳng song song với mặt bình đồ ............................................. 67
Hình 3.9. Chung cư cao cấp C1 – Đường Nguyễn Thái Học – Tp.Vinh ............. 75
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý khối thu ................................................................... 75
Hình 3.11. Sơ đồ khối thiết kế khối thu TVRO ................................................... 76
Hình 3.12. Cấu trúc phân phối cáp hình xương cá............................................... 77
Hình 3.13. Cấu trúc phân phối cáp hình cây ........................................................ 78
Hình 3.14. Cấu trúc phân phối cho tầng 1 ........................................................... 79
Hình 3.15. Cấu trúc phân phối cho tầng 2 đến tầng 5 .......................................... 80
Hình 3.16. Sơ đồ phân phối cáp tông quát của cả chung cư ................................ 81

8


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Quy tắc quay bít có trọng số thấp LSB................................................ 24
Bảng 2.1. Băng tần và ký hiệu của chúng ............................................................ 33

Bảng 2.2. Phân chia băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh ............................... 34
Bảng 2.3. Dải tần cho truyền hình vệ tinh ........................................................... 37
Bảng 2.4. Các chương trình truyền hình vệ tinh thu được ở Việt Nam ............... 45
Bảng 2.5. Giá trị góc lệch và góc nghiêng ........................................................... 49
Bảng 2.6. Các thơng số Anten thu và mạch tiền khuyếch đại ............................. 54
Bảng 2.7. Tỷ số C/N ............................................................................................. 55
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của các bộ chia tín hiệu truyền hình
63
Bảng 3.2. Kích thước Anten
71
Bảng 3.3. Mức suy hao của các loại cáp
73
Bảng 3.4. Thông số các loại Tap cơ bản
74
Bảng 3.5. Mức suy hao các tầng của chung cư
85
Bảng 3.6. Thống kê thiết bị
85

9


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

ADC

Analog Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

COFDM

Coded Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh theo tần số mã trực
giao

DEMUX

Demultiplexer

Bộ phân kênh

DPCM

Differential Pulse-Code
Modulation

Điều chế xung mã vi sai

DBS

Direct Broadcating Satelite

Truyền hình trực tiếp qua vệ tinh

DVI

Digital Video Interactive

Truyền hình số tương tác

DAC

Digital Analog Converter

Bộ biến đổi tín số - tương tự

EIRP

Effective Isotropic Radiated
Power

Cơng suất bức xạ đẳng hướng
hiệu dụng

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi furie nhanh

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

GOP

Group Of Picture

Nhóm hình

HDTV

High Definition Television

Truyền hình số chất lượng cao

IF

Internal Frequency

Tần số trung tần

LNA

Low noise Amplifiers

Các bộ khuếch đại có mức nhiễu
thấp

LNB

Low Noise Block Converter

Bộ chuyển đổi khối có mức
nhiễu thấp

MPEG

Motion Picture Experts Group

Nhóm chuyên gia hình ảnh động

MSE

Mean Square Error

Lỗi trung bình bình phương

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

NTSC

National Television System
Commitee

Ủy ban quốc gia và các hệ thống

truyền hình

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trực giao

PSK

Phare Shift Key

Khóa dịch chuyển về pha
10


PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế mã xung

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch chuyển đảo pha

QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

SNR

Signal-To-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TVRO

Television Receive Only

Truyền hình vệ tinh dành cho cá
nhân và tập thể

UHF

Ultra High Frequency

Siêu cao tần

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

11


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
Video

Data

Nén tín hiệu
Video

Nén dữ liệu

Audio

Nén tín hiệu

Audio

Video

Giải nén tín
hiệu Video

Data

Giải nén dữ
liệu

Audio

Ghép
kênh

Mã
xoắn
Mã
chập

Mã hóa
kênh

Điều
chế

Phân
kênh

Giải mã
xoắn
Giải mã
chập

Giải mã
kênh

Giải
điều
chế

Giải nén tín
hiệu Audio

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 q 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]

12


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.
- Địi hỏi cơng 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 địi hỏi phải xác định tiêu
chuẩn số của tín hiệu truyền hình, phương pháp truyền hình để có chất lượng
hình ảnh thu khơng 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.

13


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 hịa
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.

14


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 dịng 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
Q trình thu là q trình ngược lại của cơng 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), cịn phần cao tần (RF) là hồn tồn 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 khơng 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.
15


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

Giả mã hình
MPEG-2

QPSK

Bộ phân kênh MPEG-2

OFDM

Giả mã tiếng
MPEG-2

Video

Audio

Khối xử lý

QAM

Các khối điều khiển

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 thơng 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 khơng phải là đơn giản.
Vì thế trong tín hiệu MPEG-2 có cả thơng tin bổ sung mơt tả các chương trình
truyền hình. Nhiệm vụ của khối điều khiển là hình ảnh hóa các thơng tin này cho

16


biết các hộ th bao có quyền thu chương trình mà họ muốn khơng ( 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 u 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 mơi 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
thơng 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
dịng dữ liệ 3840Mb/s, có thể truyền được 6 chương trình truyền hình thơng

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 hịa 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 thơng tin (ghép nhiều tín hiệu
17


chương trình truyền hình vào một dịng 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 dịng 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 khơng 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).
18


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 khơng tối ưu, Do đó cơng 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 thơng 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
khơi phục được chính xác ảnh gốc, các phương pháp nén này bao gồm mã hóa
Huffman, mã hóa thuật tốn …
- Nén ảnh có mất thơng tin: Ảnh giải nén có một sự sai khác nhỏ so với ảnh
gốc. Các phương pháp này bao gồm:
+ Lượng tử hóa vơ hướng: PCM và DPCM.
19


+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
khn 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 khơng
cần làm nữa vì chính MPEG-2 đã đáp ứng được tất cả.
20


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 tồn cảnh sân banh trong một trận bóng đá, tồn cảnh văn phịng 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), thơng 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 q trình nén có
kèm sẵn thơng số giải nén cho đầu thu, địi 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 khơng 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
thơng tin khác nhau của nó so với hình I trước nó mà thơi.
- 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
21


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 dị 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 khơng nén được
nhiều. Như vậy, với đường truyền có bit rate cho trước khơng 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:
Vào

Lọc thơng thấp

Lấy mẫu có
nhớ

Mã ADC
nhanh

Ra

Xung lấy mẫu và xung
nhịp

Hình 1.3. Sơ đồ khối mạch biến đổi ADC
 Biến đổi DAC
22


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:

Digital

Mạch
Logic

DAC

Lấy
mẫu

Lọc
thơng
thấp

Analog

Xung
lấy mẫu

Hình 1.4. Sơ đồ khối mạch biến đổi DAC
1.6. Điều chế tín hiệu số
Dịng 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 q 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. Thơng
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
23


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 khơng ổn định.
Sơ đồ chòm sao của mode điều chế 16-QAM được biểu diễn trong hình sau.
Các điểm trên chịm 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

/2

3

11



4

01

3/2

Q
Qk Ik = 10

QkIk= 00
1011 1001

0010 0011

1010 1000

0000 0001
I

1101 1100

0100 0110

1111 1110

0101 0111

QkIk= 11

QkIk= 01

Hình 1.5. Sơ đồ chịm 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 địi hỏi thiết bị phải có chất
24


lượng cao và độ dài đường truyền thích hợp. Nơi khơng 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 khơng giải mã được (hình ảnh lúc giải mã lúc được lúc khơng, dừng
hình). Hay nói cách khác: Hoặc thu được rất rõ hoặc khơng 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 khơng máy thu sẽ khơng giải mã được tín hiệu.
Các kênh số có thể ghép kề nhau (mà khơng 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.

25