Nghiên cứu về số hoá trong kỹ thuật truyền hình

(high definition television) chất lượng âm thanh và hình ảnh được cải thiện rất nhiều so với các hệ truyền hình thông thường, góc nhìn cũng bao quát hơn… Tóm lại, tất cả các kĩ thuật được sử dụng nhằm phục vụ mục đích tối đa của con người. Tuy nhiên, khi mà các hệ thống truyền hình còn đang dựa trên cơ sở tín hiệu tương tự thì việc giải quyết các vấn đề trên cũng như việc phát triển các chương trình truyền hình gặp phải những giới hạn khó có thể vượt qua, cho dù đã khai thác hết tất cả các khả năng của nó. Trong khi đó kĩ thuật số với sự ứng dụng trong các ngành công nghiệp truyền thông, máy tính đã thu được những thành công to lớn, không ngừng phát triển và khẳng định ưu thế cũng như chỗ đứng trong các kĩ thuật mới. Truyền hình số bắt đầu được nghiên cứu và các kết quả thu được là khá khả quan. Với kĩ thuật số, các hệ thống truyền hình có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề mà kĩ thuật tương tự hầu như không giải quyết được. Truyền hình số thực sự là một cuộc cách mạng, từ đó mở ra cho nền công nghiệp này một giai đoạn mới đầy triển vọng. Cùng với việc tăng độ phân giải và chất lượng hình ảnh số là những yêu cầu rất lớn về dải thông của thiết bị truyền hình. Do vậy, trong truyền hình số nén tín hiệu Video là một công đoạn không thể thiếu. Với khả năng của thiết bị hiện nay đây là một trong những kĩ thuật chủ chốt cần thực hiện. Ngay từ những thời điểm ban đầu của truyền hình số, các tổ chức Quốc tế đã tập chung nghiên cứu các công nghệ nén tối ưu cũng như chuẩn hoá nó nhằm đạt được sự dễ dàng trong giao tiếp các hệ thống khác nhau. Quá trình số hoá tín hiệu là tất yếu. Ở nước ta hiện nay đã và đang có sự chuyển hoá dần dần từ truyền hình tương tự sang truyền hình số. Tại các studio, các camera chuyên dụng,…của đài truyền hình Việt Nam đã sử dụng kĩ thuật số. PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH CHƯƠNG I: TRUYỀN HÌNH ĐEN TRẮNG 1.1.Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền hình đen- trắng Hệ thống truyền hình là một tập hợp các thiết bị cần thiết để đảm bảo các quá trình phát và thu các hình ảnh trông thấy. Truyền hình được dùng vào nhiều mục đích khác nhau. Tuỳ theo mục đích của truyền hình mà xác định chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống cho phù hợp. Yêu cầu chung là ảnh nhận được trên màn hình máy thu hình phải phản ánh trung thực vật cần truyền đi. Nhưng chất lượng ảnh càng cao, thì thiết bị của hệ thống truyền hình càng phức tạp, cồng kềnh, đắt tiền. Do đó, khi thiết kế các hệ thống truyền hình phải dung hoà các chỉ tiêu về chất lượng ảnh, về kích thước,về kinh tế v.v… Song, dù với bất kỳ hệ thống truyền hình nào cũng phải có sơ đồ khối tổng quát như sau: Ảnh vật A Bộ chuyển đổi ảnh – tín hiệu Bộ khuyếch đại và gia công tín hiệu Kênh thông tin Bộ khuyếch đại tín hiệu Bộ chuyển đổi tín hiệu - ảnh Bộ tách song xung đồng bộ Bộ tạo xung đồng bộ Ống kính Hình ảnh A’ Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình đen trắng Ảnh của vật cần truyền đi qua hệ thống quang học của máy quay ( camera) hội tụ trên catốt quang điện của bộ chuyển đổi ảnh tín hiệu. Ở bộ chuyển đổi này, ảnh quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện , tức là chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Hình ảnh là tin tức cần truyền đi. Tín hiệu điện mang tin tức về hình ảnh được gọi là tín hiệu hình hay gọi là tín hiệu video. Quá trình chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện là quá trình phân tích ảnh. Dụng cụ chủ yếu để thực hiện sự chuyển đổi này là phần tử biến đổi quang điện, hay còn gọi là ống phát hình. Tín hiệu hình được khuyếch đại, gia công rồi truyền đi theo kênh thông tin ( hữu tuyến hoặc vô tuyến ) sang phía thu. Ở phía thu, tín hiệu hình được khuyếch đại lên đến mức cần thiểt rồi đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu - ảnh. Bộ chuyển đổi này có tác dụng ngược lại với bộ chuyển đổi ở phía phát, nó chuyển đổi tín hiệu hình nhận được thành ảnh quang ( chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng ). Quá trình chuyển đổi tín hiệu thành ảnh quang là quá trình tổng hợp ảnh hay khôi phục ảnh. Dụng cụ để thực hiện sự biến đổi này là phần tử biến đổi điện – quang, còn gọi là ống thu hình. Quá trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh phải hoàn toàn đồng bộ và đồng pha với quá trình chuyển đổi ảnh – tín hiệu thì mới khôi phục được ảnh quang đã truyền đi. Để thực hiện sự đồng bộ và đồng pha, trong hệ thống truyền hình phải dùng một bộ tạo xung đồng bộ. Xung đồng bộ được đưa lên bộ chuyển đổi ảnh – tín hiệu để không chế quá trình phân tích ảnh, đồng thời đưa đến bộ khuyếch đại và gia công tín hiệu hình để cộng với tín hiệu hình rồi truyền sang phía thu, tín hiệu hình đã cộng thêm xung đồng bộ gọi là tín hiệu truyền hình. Ở phía thu, xung đồng bộ tách ra khỏi tín hiệu truyền hình và dùng để khống chế quá trình tổng hợp ảnh ( khôi phục ảnh ). 1.2.Đặc điểm máy thu hình Nhiệm vụ của máy thu vô tuyến truyền hình là tiếp nhận tín hiệu cao tần cảm ứng trên anten thu, khuyếch đại và biến đổi tín hiệu đó thành tín hiệu hình ảnh và tín hiệu âm thanh, khôi phục hình ảnh và âm thanh đã phát đi. Máy thu hình có những đặc tính chung của máy thu thanh sóng cực ngắn. Tuy nhiên vì tín hiệu hình có dải tần khá rộng, việc khôi phục hình ảnh trên ống thu đòi hỏi khá nhiều mạch phụ; bên cạnh việc thu hình lại còn có cả việc thu tiếng v.v… Hệ AGC Mạch quét Mạch đồng bộ Mạch cao áp Bộ nguồn áp thấp Tách sóng Khuyếch đại hình Bộ điều hưởng Khuyếch đại IF Khuyếch đại âm thanh IF Tách sóng âm thanh Khuyếch đại audio Nối bình thường Nối có lựa chọn Đèn hình Loa An ten Hình 1.2: Sơ đồ khối máy thu hình đen trắng Trên hình 1.3 cho thấy dạng phổ của tín hiệu qua các bộ phận khác nhau của máy thu hình theo hệ OIRT. S(f) fttt S(f) fmt fmh fttt 6,5MHz ftth = fns + fmh S(f) e) d) f S(f) S(f) a) b) c) S(f) f f f f f f Hình 1.3: Phổ của tín hiệu qua các bộ phận khác nhau của máy thu hình Phổ tín hiệu trước khi đổi tần. Phổ dao động ngoai sai ( fns : tần số ngoại sai ). Phổ tín hiệu sau khi đổi tần ( ftth : tần số trung tần hình). Phổ tín hiệu sau khi tách sóng biên độ ( fttt : tần số trung tần tiếng ). Phổ tín hiệu ở lối vào tách sóng tiếng ( 6,5 MHz : tần số hiệu số ) Phổ tín hiệu hình sau bộ khuyếch đại tín hiệu hình. Mức tín hiệu hình qua các bộ phận khác nhau của một máy thu hình tiêu biểu được biểu thị bằng đồ thị như hình 1.4: Khối cao tần Khối trung tần Tách sóng hình Khuyếch đại hình 1V 0,7V 20V 1mV K1 =20 K2= 1000 K3= 0,7 K4= 30 Hình 1.4: Đồ thị mức tín hiệu hình Bộ khuyếch đại trung tần có độ khuyếch đại rất lớn, đảm bảo cho máy thu hình có độ nhạy cao. Bộ khuyếch đại tần số radio có độ khuyếch đại nhỏ vì tần số làm việc quá cao lại thay đổi theo từng kênh. Bộ khuyếch đại tín hiệu hình cũng có độ khuyếch đại nhỏ vì nó thường là bộ khuyếch đại một chiều có tầng số ít (để đảm bảo làm việc ổn định ). Độ khuyếch đại của khối cao tần và trung tần phải đủ lớn để tín hiệu ở lối vào bộ tách sóng có biên độ cỡ IV nhằm đảm bảo cho bộ tách sóng hình làm việc ở chế độ đường thẳng, tránh méo không đường thẳng. Độ khuyếch đại của bộ khuyếch đại hình cũng nên có khả năng thay đổi được, để thay đổi mắc tín hiệu vào ống thu, làm thay đổi độ contrast (độ tương phản ) của ảnh truyền hình. Tuy nhiên, cũng có nhiều loại máy thu hình mà độ khuyếch đại của bộ khuyếch đại hình không thể thay đổi lúc đó. Muốn thay đổi contrast phải thay đổi độ khuyếch đại của bộ khuyếch đại trung tần. CHƯƠNG II: TRUYỀN HÌNH MÀU 2.1.Nguyên lý truyền hình màu 2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu Hình ảnh truyền qua camera truyền hình màu được biến đổi thành tín hiệu màu cơ bản UR, UG, UB như hình 2.1 . Các tín hiệu màu cơ bản này được đưa qua các mạch hiệu chỉnh gamma, các mạch này sử dụng để bù méo gamma do ống thu ở phía bên thu gây lên. Các tín hiệu đã bù méo U’R, U’G, U’B được đưa vào mạch ma trận tạo ra tín hiệu chói U’Y và hai tín hiệu mang màu S1, S2. Các tín hiệu S1, S2 điều chế dao động tần số mang phụ tạo ra tín hiệu mang màu cao tần UC . Trong bộ cộng, các tín hiệu U’Y và UC được trộn với nhau để trở thành tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM = U’Y + U’C. Với tín hiệu UM này được truyền đến bên thu bằng cáp, hệ thống viba hoặc máy thu phát vô tuyến điện. Camera Mạch cộng Bộ điều chế màu Mạch Ma Trận Hiệu chỉnh gama Bộ chọn tín hiệu Mạch Ma Trận Bộ tách sóng màu UG UB U’G UC a) U’Y U’B UR S2 Ống Thu S1 U’R U’B U’Y S1 S2 U’R U’G b) Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu Qúa trình biến đổi các tín hiệu màu cơ bản UR, UG, UB thành tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM gọi là quá trình mã hoá tín hiệu màu. Phía bên thu, từ tín hiệu UM nhận được ( sau tách sóng video ) biến đổi thành các tín hiệu màu cơ bản U’R, U’G, U’B. Qúa trình biến đổi ngược đó gọi là quá trình giải mã tín hiệu màu. Qúa trình giải mã thực hiện trong phần tần số video của máy thu hình màu. Tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM nhận được sau tách sóng được lọc ra thành tín hiệu chói U’Y và tín hiệu mang màu cao tần UC. Sau bộ tách sóng màu, ta thu được tín hiệu mang màu S1 và S2 đó là các tín hiệu hiệu số màu. Nhờ có mạch ma trận từ tín hiệu U’Y, S1, S2 tạo ra tín hiệu mang màu cơ bản U’R, U’G, U’B ( hoặc tín hiệu U’R – U’Y, U’G – U’Y, U’B – U’Y ). Phần tử cuối cùng của hệ thống là ống thu, ở đây là biến đổi các tín hiệu màu thành hình ảnh phức tạp. 2.1.2.Sơ đồ khối máy thu hình màu. Mạch TĐT Mạch tự khử từ Nguồn nuôi Khối chọn kênh sóng dm Mạch TĐK Khuyếch đại tt hình Tách sóng hình Khối chọn kênh song mét Kênh tiếng Mạch tạo dđ đồng quy Khối đồng bộ Kênh màu Chỉnh lưu cao áp Khối quét dòng Kênh chói Kênh đồng bộ màu Tạo tín hiệu tt 2 Khối điều hành Hình thành xung tắt tia Mạch sửa méo gối Khối quét mặt Mạch Ma Trận KĐ UR KĐ UG KĐ UB Loa Điện áp mạng Thương đến kênh chói Đèn hình màu Cuộn lệch Cơ cấu đồng quy - UR - UB - UG Hình 2.2: Sơ đồ khối máy thu hình màu. Sơ đồ khối cơ bản của máy thu hình màu có dạng như hình 2.2 . Từ sơ đồ chức năng hình 2.2 thấy rằng, trong máy thu hình màu đều có tất cả các khối như trong máy thu hình màu đen trắng. Những khối chỉ có trong máy thu hình màu là đèn hình màu, kênh màu, kênh đồng bộ màu, mạch ma trận, mạch tạo dòng điện đồng quy, mạch sửa méo gối, mạch cân bằng trắng, mạch tự khử từ, mạch tự động điều chỉnh tần số dao động tại chỗ. Tín hiệu cao tần của băng sóng VHF & UHF được đưa tới khối chọn kênh tương ứng. Khối chọn kênh có nhiệm vụ chọn kênh thu , khuyếch đại và biến đổi tần số thu thành tần số trung tần: trung tần tiếng fttt và trung tần đường hình ftth ( trung tần mang thông tin tín hiệu tổng hợp màu UM). Phần tử chính của máy thu màu là đèn hình màu, nó biến đổi các tín hiệu màu cơ bản thành hình ảnh màu. Loại đèn hình và thông số của nó ( như góc lệch tia điện tử, kích thước màn hình, đường kính cổ điển hình ) quyết định mạch điện và thông số một số mạch điện của máy thu hình màu ( như tầng ra của các khối quét, mạch sửa méo gối, mạch tạo dòng điện đồng quy v.v… ). Trường hợp máy thu hình màu xây dựng theo phương thức điều chế lưới,sơ đồ chức năng của nó gần giống sơ đồ hình 2.2, chỉ khác ở cấu trúc mạch ma trận và các tín hiệu đặt lên các điện cực của đèn hình màu, hình 2.3. Kênh chói Khuyếch đại UB -Y Khuyếch đại UG - Y Khuyếch đại UR -Y Mạch Ma Trận G - Y - U Y UY UB - Y UG - Y UR - Y Hình 2.3: Phương thức điều chế đèn hình màu 2.2.Các hệ truyền hình màu 2.2.1. Hê truyền hình màu NTSC * Giới thiệu Năm 1950, hệ thống truyền hình màu NTSC ( Nationnal Television Standart Committee ) được hình thành tại Mỹ có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới. Theo hệ NTSC, tín hiệu chói được tạo ra từ 3 tín hiệu màu cơ bản và phát đi trong toàn dải tần của hệ thống truyền hình đen trắng thông thường, Tín hiệu chói được xác định theo biểu thức : U’Y = 0,299U’R + 0,587U’G + 0,114U’B ; *,Đặc điểm của hệ thống NTSC Hệ thống NTSC ra đời rất sớm. do đó nó đã được thử thách trong thời gian rất dài, kinh nghiệm tích luỹ về hệ thống này khá phong phú. Tuy nhiên vì còn tồn tại nhiều nhược điểm cho nên nó không được sử dụng ở châu Âu và nơi khác. Ưu điểm chính của hệ thống NTSC là đơn giản thiết bị mã hoá và giãi mã không phức tạp vì vậy giá thành thiết bị thấp hơn so với thiết bị hệ thống khác. Khuyết điểm chính của hệ thống NTSC là rất dễ bị sai màu khi hệ thống truyền tín hiệu màu không lí tưởng và có nhiễu. 2.2.2. Hệ truyền hình màu PAL Hệ truyền hình màu NTSC tồn tại một số nhược điểm như sự nhạy cảm của tín hiệu màu với méo pha và méo pha vi sai do sự biến đổi pha sóng mang phụ, làm cho màu sắc của ảnh khôi phục không được chính xác. Thiết bị của hệ thống đòi hỏi có độ chính xác cao. Để khắc phục nhược điểm của hệ thống NTSC , nhiều hệ truyền hình màu đã lần lượt ra đời và có nhiều khác biệt với hệ NTSC. Hệ truyền hình màu PAL là hệ truyền hình màu được CHLB Đức nghiên cứu và được xem là hệ tiêu chuẩn từ năm 1996. Đây là hệ truyền hình đồng thời truyền tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu. *)Đặc điểm của hệ thống truyền hình màu PAL: Ưu điểm Hệ PAL có méo pha nhỏ hơn hẳn so với hệ NTSC. Hệ PAL không có hiện tượng xuyên lẫn màu. Hê PAL thuận tiện cho việc ghi băng hình hơn hệ NTSC Nhược điểm Máy thu hình hệ PAL phức tạp hơn vì cần có dây trễ 65µs và yêu cầu dây trễ nay có chất lượng cao. Tính kết hợp với hệ truyền hình đen trắng kém hơn hệ NTSC. 2.2.3.Hệ truyền hình màu SECAM Hệ truyền hình màu SECAM ( Sequentiel Couleur A’ Me’moire ) là hệ truyền hình màu đồng thời - lần lượt. Là hệ truyền hình màu của Pháp. Trên kênh sóng OIRT : 6,5MHz. Nhưng thực tế là 6,2 MHz. Năm 1965 Liên Xô và Pháp đã cải tiến thành SECAM IIIB hay còn gọi là SECAM tối ưu. Hệ SECAM IIIB có tính chống nhiễm tương đối cao, kém nhạy với méo pha, méo pha _ vi sai, méo biên độ vi sai. *)Đặc điểm của hệ truyền hình màu SECAM Truyền lần lượt từng dòng 12 tín hiệu màu DR & DB. Điều tần 2 tín hiệu màu vào 2 sóng mang màu riêng rẽ Tín hiệu video màu SECAM có 8 tin tức: + Tín hiệu hình. + Tín hiệu tiếng. + Tín hiệu đồng bộ ngang. + Tín hiệu đồng bộ dọc. + Tín hiệu hiệu màu DR + Tín hiệu hiệu màu DB CHƯƠNG III: TRUYỀN HÌNH SỐ 3.1 Khái niệm truyền hình số Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ truyền hình đã được nghiên cứu trước. Trong một số ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ. So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng ảnh. Tuy nhiên, không phải tất cả các trường hợp, tín hiệu số đều đạt được kết quả cao hơn so với tín hiệu tương tự ( bộ lọc là một ví dụ cụ thể ). Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới nhằm đạt được một hệ thống nhất chung là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Hệ truyền hình kỹ thuật số đã và đang được phát triển trên toàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong công nghiệp truyền hình. Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra như trên hình 3.1. Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ 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 của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hoá nguồn, tại đây tín hiệu truyền hình số có tốc độ dòng bit cao sẽ được nén thành dòng bit có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ứng dụng. Dòng bit tại đầu ra bộ mã hóa nguồn được đưa tới thiết bị phát ( mã hoá kênh thông tin và điều chế tín hiệu ) truyền tới bên thu qua kênh thông tin. Tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình tương tự Biến đổi A/D Thiết bị phát Thiết bị thu Biến đổi D/A Mã hoá nguồn Giải mã hoá nguồn Mã hoá kênh Giải mã hoá kênh Điều chế số Giải điều chế số Kênh thông tin Hình 3.1:Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho các tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hóa kênh phân phối đặc tính cuả tín hiệu số với kênh thông tin. Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế. Khái niệm mã hóa trong kênh 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, bộ điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số v.v… 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 tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình. 3.2. Đặc điểm của thiết bị truyền hình số. Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền chương trình truyền hình là thiết bị nhiều kênh. Ngoài tín hiệu truyền hình , còn có các thông tin kèm theo gồm các kênh âm thanh và các thông tin phụ, như các tín hiệu điện báo, thời gian chuẩn, tần số kiểm tra, hình vẽ tĩnh, Tất cả các tín hiệu này được ghép vào các khoảng trống truyền nhờ bộ ghép kênh. Truyền tín hiệu truyền hình số được thực hiện khi có sự tương quan giữa các kênh tín hiệu, thông tin đồng bộ sẽ được truyền đi để đồng bộ các tín hiệu đó. Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống đo kiểm tra tương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểm tra tín hiệu chuẩn. Sau đây là một số đặc điểm của thiết bị truyền hình số so với truyền hình tương tự. a, Yêu cầu về băng tần. Yêu cầu về băng tần là sự khác nhau rõ nét nhất giữa tín hiệu truyền hình số và tín hiệu truyền hình tương tự. Tín hiệu truyền hình số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng hơn. Ví dụ với tín hiệu video tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu bằng bốn lần tần số song mang phụ - hệ NTSC là 14,4 MHz, nếu thực hiện mã hoá với những từ mã dài 8 bit, tốc độ dòng bit sẽ là 115,2 Mbit/s, khi đó độ rộng băng tần khoảng 58 MHz. Nếu có thêm các bit sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa. Trong khi đó tín hiệu tương tự chỉ cần 1 băng tần 4,25 MHz là đủ. Tuy nhiên với dạng số, khả năng cho phép giảm độ rộng tần số là rất lớn. Với các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt được có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa ( tất nhiên với mức độ nén này có thể gây ảnh hưởng xấu cho chất lượng hình ảnh ). Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dự báo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băng tần tín hiệu. b.Tỉ lệ tín hiệu/ tạp âm ( Signal/ Noise) Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi. Nhiều tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỉ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do tổng cộng các nguồn nhiễu thành phần gây ra, vì vậy luôn luôn nhỏ hơn tỉ lệ S/N của khâu có tỉ lệ thấp nhất. Với tín hiệu số, nhiễu là các bit lỗi – ví dụ xung “ on” chuyển thành “off “ . Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu.. Khi có quá nhiều lỗi bit, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi. Tỉ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỉ lệ bit lỗi BER ( Bit Error Rate ) quá lớn, làm cho các mạch sửa lỗi và che lỗi mất tác dụng. Khi đó dòng bit không còn có ý nghĩa tin tức. Trong khi đó , đối với các hệ thống tương tự khi có nguồn nhiễu lớn tín hiễu vẫn có thể sử dung được ( tất nhiên chất lượng kém đi rất nhiều ) Tính chất này của hệ thống sẽ đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình và các chức năng biên tập phức tạp cần nhiều lần ghi đọc. Ghi băng bằng tín hiệu số đã được sử dụng rộng rãi trong các năm gần đây. Việc truyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình. Tuy nhiên trong truyền hình quảng bá, tín hiệu số phải gặp vấn đề khó khăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm ở trên kênh truyền. Tại đây cần phải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số. Đây là một công việc có khối lượng lớn và phức tạp. c.Méo phi tuyến. Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền. Cũng như đối với tỉ lệ S/N, tính chất này cũng rất quan trọng trong việc ghi đọc chương trình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC. d. Chồng phổ. ( Alisasing ) Một tín hiệu truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng. Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tương tự như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt qua tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist. Để ngăn ngừa hiện tượng méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự. e, Giá thành và độ phức tạp Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn các mạch tương tự. Khi mới xuất hiện , giá thành các thiết bị số cao hơn nhiều so với các thiết bị tương tự. Thêm nữa việc thiết lập, sử dung và duy trì chúng còn khá bỡ ngỡ đối với những người làm chuyên môn. Tuy nhiên, các vấn đề này đã nhanh chóng được thực hiện dễ dàng nhờ sự phát triển của công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính. Các nghành công nghiệp này đã thúc đẩy sự phát triển của lực lượng nòng cốt trong lĩnh vực kỹ thuật số. Các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI ( Large Scale Intergation ) và rất lớn VLSI ( Very Large Scale Intergation ) xuất hiện làm giảm giá thành trang thiết bị số. Kết quả là nhiều hệ thống này đã có giá thành rẻ hơn hệ thống tương tự cùng chức năng. f. Xử lý tín hiệu Tín hiệu số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các chức năng mà hệ thống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn. Sau khi biến đổi A/D, tín hiệu còn lại một chuỗi các số,bit “ 0 “ và “ 1”, có thể thao tác các công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Khả năng này được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh . Các công việc tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng là : sửa lỗi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần v.v… g. Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bi nhiễu. Một phần vị tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh,một phần là do khả năng thay thế xung xoá và xung đồng bộ bằng các từ mã nơi mà trong hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớn nhất. Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, tạo cơ hội cho nhiều trạm phát hình có thể phát ra các chương trình với độ phân giải cao HDTV như hệ truyền hình hiên nay. h. Hiện tượng bóng ma ( ghosts ) Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh cuả hệ thống số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá. PHẦN II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH CHƯƠNG I: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU VIDEO 1.1. Số hoá tín hiệu video. 111 110 101 100 011 010 001 000 7 6 5 4 3 2 1 0 Mẫu Chu kỳ lấy mẫu 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0 110 110 111 110 101 001 001 010 110 Hình 1.1: Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Mức lượng tử a) b) c) d) e) Thông tin ảnh là một lĩnh vực rất quan trọng, có đặc thù riêng, đang được phát triển mạnh mẽ. Một trong những mục tiêu đặt ra đối với truyền hình là hình ảnh có chất lượng cao, do vậy số hoá tín hiệu video đã được các nhà khoa học để ý. Do tín hiệu số có nhiều ưu điểm hơn tín hiệu tương tự. Mà nó thể hiện dưới đây. 1.1.1. Biến đổi tương tự sang số. Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang số gồm 3 giai đoạn: Lấy mẫu tín hiệu tương tự: Là quá trình gián đoạn (rời rạc hoá ) theo thời gian bằng tần số lấy mẫu fsa. Kết quả thu được là chuỗi các mẫu. Lượng tư hoá: Là quá trình rời rạc hóa tín hiệu theo biên độ tín hiệu (đã dược rời rạc hoá theo thời gian). Nghĩa là chia biên độ ra nhiều khoảng (mức)khác nhau và mỗi mức được gán một giá trị (biên độ). Mã hoá tín hiệu được lượng tử hoá: Tín hiệu lượng tử hoá được chuyển thành tín hiệu số bằng việc sắp xếp cho mỗi mức tín hiệu (hệ thập phân) theo hệ đếm nhị phân. Các quá trình được biểu diễn ở hình sau: Tín hiệu tương tự Tín hiệu lấy mẫu Tín hiệu lượng tử hoá Mã hoá tín hiệu Xung biểu diễn tín hiệu mã hoá Số “0” và “1” được biểu diễn bằng số bit (binary digit). bit là đơn vị nhỏ nhất của thông tin rời rạc, biểu diễn một trong hai trạng thái: có xung “1” hoặc không có xung “0”. Tin hiệu số được biểu diễn bằng chuỗi các xung “1” và “0”. Để truyền tín hiệu cần phải dùng mã (code). Trong đó số bit của mã phụ thuộc vào loại thông tin (tín hiệu). Mã một bít (1 hoặc 0) có thể truyền thông tin đơn giản nhất. Mã hai bit có thể truyền 4 thông tin khác nhau (00, 01, 10, 11). Mã 3 bit có thể truyền 8 thông tin khác nhau (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Tín hiệu càng phức tạp (tín hiệu video ) đòi hỏi số bit biểu diễn càng cao. Nhóm các bit ký hiệu (symbol) tín hiệu số, biểu diễn các mẫu đã lượng tử hoá, tạo ra từ mã (code word). Từ mã có số bit dùng trong mã. Giá trị tín hiệu biểu diễn mỗi thông tin tại mỗi thời điểm bằng một từ mã. Mỗi mẫu tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng số nhị phân, gồm n bit. N bit biểu diễn mẫu có quan hệ chặt chẽ với m khoảng lượng tử: m=2n. Lượng thông tin truyền trong một đơn vị thời gian (còn gọi là thông tin) được gọi là tốc độ bit (bit rate), có đơn vị là bit/giây. Tốc độ bit C được tính dựa theo công thức Shannon: C=W × log2(bit/s) C=fsa.n Với: C:Tốc độ bit[bit/s] W: Độ rộng kênh truyền. S/N: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Thực tế công thức shannon cho biết để truyền tín hiệu có tốc độ bit C [bit/s] cần có độ rộng băng tần kênh truyền: Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được thực hiện ở phía đài phát. Ở phía thu thực hiện quá tình ngược lại. Quá trình ngược lại được thực hiện bởi các hình sau: 1 0 110 110 111 110 101 010 001 010 100 a) 111 110 101 100 011 010 001 000 7 6 5 4 3 2 1 0 b) 7 6 5 4 3 2 1 0 c) Hình 1.2: Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự 1.1.2. Tín hiệu video và biến đổi tín hiệu video. Tín hiệu video ở các hệ truyền hình mầu tương tự có 3 tín hiệu chính: tín hiệu chói Y và hai tín hiệu hiệu mầu R-Y, B-Y. Ta có thể lựa chọn các phương pháp số hoá tín hiệu video. -Biến đổi số với tín hiệu mầu hoàn chỉnh (NTSC, PAL, SECAM). -Biến đổi số các tín hiệu video thành phần chói Y thành phần (R-Y) và (B-Y) một cách độc lập. -Biến đổi số một cách độc lập với các tín hiệu mầu cơ bản R, G, B. Thực tế nghiên cứu cho thấy phương pháp biến đổi tín hiệu video thành phần cho chất lượng hình ảnh thu được cao hơn tại cung tần số lấy mẫu và cùng số bit biểu diễn mẫu. 1.2. Lấy mẫu tín hiệu video. Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là lấy mẫu. Do đó tần số lấy mẫu là một trong những thống số cơ bản của hệ thống kĩ thuật số. Có nhiều yếu tố quyết định việc lựa chọn tần số lấy mẫu. Tần số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình ảnh nhận được có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền với tốc độ bit nhỏ nhất, độ rộng băng tần nhỏ nhất và mạch điện thực hiện đơn giản. 1.2.1. Quan hệ toán học. Gọi S(r) là hàm lấy mẫu. Kết quả láy mẫu sẽ cho chuỗi xung có chu kỳ là tsa, thời gian xung t<<tsa, biên độ một đơn vị. Ta biểu diễn tín hiệu rời rạc: Xs(t)=Xa(t)× S(t)= [Xa(t)+2A1Xa(t)× cosωssat +2A2× Xa(t)× cosωsat] Trong đó: Xa(t) là tín hiệu (vào) tương tự . S(t)= (1+∑2An× cosωsat) ωsa=2π fsa:Tần số góc lấy mẫu fsa=:Tần số lấy mẫu An=, n=1,2,3…Hệ số thành phần fourrier Biến đổi fourrier hàm số Xs(t) sang miền tần số Xs(t)= {Xa(f)+A1[Xa(f-fa)+Xa(f+fa)]+ A2[Xa(f-2fa)+Xa(f+2fa)+]+Λ } Trong đó:Xa(t): phổ tín hiệu (vào) tương tự Ta nhận thấy (2-2) là phổ tín hiệu rời rạc , là một chuỗi vô hạn các phổ tín hiệu vào nằm ở khoảng cách tần số fsa=, có các thành phần nhân với hệ số biên độ An (Tức là=× An), hình 1.3 trong trường hợp lí tưởng, An=1. Trong thực tế, biên độ các phổ kế tiếp nhau (đối xứng qua f=0) sẽ giảm dần. Ta xét phổ lấy tín hiệu mẫu trong các trường hợp sau: 1)fsa=³ 2fgh. Tần số lấy mẫu bằng hoặc lớn hơn 2 lần tần số cực đại của tín hiệu tương tự Xa(t). Trong miền –fgh£ f£ +fgh, phổ các tín hiệu Xs(t) và Xa(t) giống nhau. Phổ tín hiệu Xa(t) có thể tách ra được từ bộ giải mã phổ tín hiệu rời rạc một các đơn giản (nhờ mạch lọc thông thấp có fgh là tần số giới hạn). 2) fsa=< 2fgh. Tần số lấy mẫu < 2lần tần số cực đại của tín hiệu tương tự (fgh). Trong trường hợp này, phổ tín hiệu rời rạc lồng vào nhau. Ta gọi hiện tượng này là “chồng phổ” (aliasing). Trong trường hợp này, ta không thể tái tạo lại tín hiệu Xa(t) một cách chính xác. Xs(f) -fgh +fgh 0 0 0 0 +fgh -fgh +2fsa -2fsa Xs(f) Xs(f) Xs(f) -fsa-fgh fsa+fgh +2fsa -2fsa fsa+fgh -fsa-fgh -2fsa +2fsa fsa>2fgh fsa=2fgh fsa<2fgh Hình 1.3: Phổ tín hiệu a) b) c) d) t t t t a) Tín hiệu tương tự. b) >2fgh . c) =2fgh. d) <2fgh Như vậy muốn tạo lại tín hiệu Xa(t) một cách hoàn hảo thì điều kiện cần là fsa≥2fgh. Tần số lấy mẫu fsa=2fgh gọi là tần số Nyquist. Tần số lấy mẫu fsa<2fgh gọi là tần số dưới Nyquist (Under Nyquist ). x(t) t Tsa a) x(t) t Tsa= b) Hình 1.4: Lấy mẫu có nhớ a) Tần số lấy mẫu thấp. b) Tần số lấy mẫu cao Trước khi lấy mẫu, cần giới hạn phổ tín hiệu tương tự đến fgh bằng cách dùng mạch lọc thông thấp ở đầu vào (có tần số biên bằng fgh). trong trường hợp lấy mẫu lý tưởng với xu._.ng vuông lý thuyết (có thời gian xung vuông nhỏ vô cùng), thì các mạch lọc thông thấp được sử dụng phải là mạch lọc lý tưởng. Trong thực tế dạng và thời gian xung lấy mẫu có ảnh hưởng không lớn đến việc tạo lại một cách đúng đắn tín hiệu tương tự. Về mặt lý thuyết có thể sử dụng xung vuông có độ rộng xung hẹp cho hai lý thuyết xung (xung dirac ) và xung có dạng khác nữa. Sau khi xác định giá trị các mẫu, người ta có lưu các giá trị này trong toàn khoảng lấy mẫu Tsa bằng cách lấy mẫu có nhớ. Các mạch lọc thông thấp thực tế không có đặc trưng lý tưởng (giới hạn giữa băng tần thông và băng tần chặn không rõ ràng). Các thành phần phổ của các tần số lớn hơn fgh ở đầu vào sẽ gây ra việc lồng phổ và gây méo tín hiệu tương tự (được khôi phục lại ). Để loại trừ hiện tượng này, người ta sử dụng băng tần bảo vệ (vùng giữa fgh và fsa- fgh, có độ rộng cần thiết ), trong đó không có các thành phần phổ. [x(f)] [H(f)] - Đặc trưng mạch lọc -fsa -fgh 0 +fsa fsa-fgh fsa Băng tần bảo vệ Hình 1.5: Tạo lại tín hiệu ở miền tần số. Trong trường hợp này, fsa phải > tần số dưới Nyquist một giá trị nhất định, để cho đặc trưng tần số mạch tự lọc suy giảm nằm ở vùng [fgh-(fsa-fgh)]. Tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số thành phần phổ không đáng kể có tần số >fgh, tồn tại tại đầu ra mạch lấy mẫu, vì độ suy giảm băng tần chặn của mạch lọc có giá trị nhất định. 1.2.2 Chọn tần số lấy mẫu: Để cho việc lấy mẫu không méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu fsa≥ 2fgh (fgh=6MHz, theo tiêu chuẩn truyền hình PAL ) có nghĩa là fsa>12MHz. Trong trường hợp fsa<2fgh, sẽ xuất hiện các thành phần phụ (aliasing compnent) và sẽ xuất hiện méo. Méo có thể xuất hiện dưới dạng “lưới” trên màn hình (các tín hiệu vô ích nằm ngoài tín hiệu video ), méo sườn xung tín hiệu, làm nhoà biên ảnh (hiệu ứng “bậc thang”).(Hình 1.6 trang bên). B A B A Tsa Tsa Mã tuyến tính Mã phi tuyến a) B A B A Tsa Tsa Mã tuyến tính Mã phi tuyến b) Hình 1.6: Ảnh hưởng hiệu ứng “lồng” trên các phần tử ảnh Gây xê dịch sườn xung trong trường hợp: fsa quá nhỏ. fsa chuẩn. A- Biên độ trước khi lấy mẫu B- Biên độ sau khi lấy mẫu Tần số fsa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp. Tín hiệu chói, tín hiệu mầu cơ bản R, G, B các tín hiệu hiệu số mầu, tín hiệu video tổng hợp. Bên cạnh đó nó còn phụ thuộc vào hệ thống truyền hình mầu. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video mầu tổng hợp, phải chú ý đến tần tải mầu, khi chọn fsa có thể xuất hiện các trường hợp như sau: fsa gấp nhiều lần fsc, ví dụ fsa =3fsc, fsa= 4fsc (hệ NTSC, PAL chỉ dùng một tần số fsc). Hệ SECAM dùng hai tần tải mầu, nên không dùng được một tần số fsa cho các tín hiệu hiệu số mầu fsa không có quan hệ trực tiếp với fsc. Trong trường hợp này, sẽ xuất hiện (ngoài các thành phần tín hiệu có ích ) thêm các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa fsa và fsc hoặc hài của fsc trong phổ tín hiệu lấy mẫu. Đặc biệt thành phần tín hiệu (fsa- 2fsc) sẽ gây méo tín hiệu video (tương tự ) được khôi phục lại. Loại méo này có tên gọi là méo điều chế chéo (intermodulation). Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằm trong kênh mầu sẽ tạo trên màn hình các hình đồng mầu, thể hiện rõ trong các hình ảnh có nền đồng mầu hoặc độ bão hoà mầu cố định (ví dụ ảnh kiểm tra các sọc mầu ). Độ ổn định các hình đồng mầu trên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fsa và các tần số quét dòng, quét mành. Méo điều chế chéo sẽ không xuất hiện trong trường hợp tấy mẫu và mã hoá riêng tín hiệu chói và các tín hiệu hiệu số mầu. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video mầu tổng hợp cho hệ NTSC, PAL, thì việc chọn tần số fsa tối ưu đơn giản hơn. Thường thì fsa được chọn bằng hài bậc 3 tần số tải mầu fsc: fsa/PAL=13.30085625 MHz >2fgh/PAL, fgh/PAL=5 hoặc 5.5 MHz. fsa/NTSC=10.738635 MHz >2fgh/NTSC, fgh/NTSC =4.2 MHz. Nếu chọn fsa=4fsc, thì chất lượng hình ảnh khôi phục rất tốt. Tuy nhiên nó làm tăng tốc độ tín hiệu số. Đối với hệ SECAM, tần số lấy mẫu fsa không thể chọn bằng hài bậc cao của tải mầu fsc. Vì hệ SECAM sử dụng phương pháp điều tần, việc chọn fsa ở đây có nhiều khó khăn. Tuy nhiên cũng có thể dùng fsa nhỏ hơn tần số Nyquist. Nhưng phải sử dụng mạch hiệu chỉnh méo do lồng phổ tín hiệu. người ta lợi dụng tín hiệu video có cấu trúc đặc biệt (Năng lượng phổ của nó tập trung xung quanh các hài của tần số dòng fH) để giải quyết việc hiệu chỉnh méo. Nếu chọn fsa bằng hài bậc lẻ nhân với fH/2: fsa=(2n+1)fH/2 với (n=1,2,3…) thì tín hiệu khôi phục có có thể tách tín hiệu có băng tần cơ bản va tín hiệu có các biên phụ (biên cụt) bằng mạch lọc lược. Thành phần vòng tròn Thành phần vòng tròn f Biên độ nfH (n+1)fH (n+2)fH (n+3)fH f Biên độ nfH (n+1)fH (n+2)fH (n+3)fH a) b) Hình 1.7: Sửa méo do lồng phổ tín hiệu a) Các thành phần tín hiệu video. b) Đặc trưng mạch lọc lược Muốn tổng hợp (khôi phục) hình ảnh đúng đắn, trong thực tế có thể chỉ cần truyền đồng thời thông tin về phân tích lần lượt các điểm ảnh (pixel) và ở phía tỏng hợp ảnh có cùng trình tự (tức là đồng bộ dòng và đồnng bộ mành). Quan hệ fsa và fH có thể đặc trưng bằng sự đồng bộ với: fH (tần số dòng) fV (tần số mành) fp(tần số ảnh), fP = 2fV Tần số lấy mẫu lấy mẫu không thể đồng bộ với các tần số đồng bộ. Nếu thiếu sự đồng bộ giữa fsa với fH và fV thì vị trí các mẫu sẽ khác nhau ở các mành kề bên. Kết quả trên ảnh sẽ xuất hiện các biên ảnh. Méo sẽ giảm đáng kể nếu fsa bằng bội lần fH. Điều đó có nghĩa là các mẫu là hàm số không chỉ của thời gian (T) mà còn là vị trí điểm ảnh (x,y). 1.2.3. Cấu trúc lấy mẫu. Các mẫu là hàm của t,x,y cho nên ở lối ra mạch lấy mẫu có tín hiệu xs: Xs(x,y,t)= Xa(x,y,t)× S(x,y,t) Trong đ ó: Xa(x,y,t) tín hiệu vào tương tự. S(x,y,t) hàm lấy mẫu, chỉ khác 0 ở các vị trí và thời gian lấy mẫu. Ta giả thiết là các điểm ( có các mẫu được biểu diễn bằng 3 đại lượng x,y,t) cần xác định vị trí chính xác, vị trí ở các dòng kề nhau và các mành kề nhau. Nghĩa là phải lựa chọn cấu trúc thích hợp. Trong thực tế có nhiều kiểu liên kết về vị trí các mẫu. Nhưng ta chỉ chọn một số: Cấu trúc trực giao, cấu trúc quincux mành, cấu trúc quincux dòng. 1.2.3.1. Cấu trúc trực giao. Hình 1.8: Cấu trúc trực giao Các mẫu được sắp sếp (trên các dòng kề nhau ) thẳng hàng theo chiều đứng. Cấu trúc này là cố định theo mành và theo ảnh. Phổ tần tín hiệu ra (giao nhau của trục fx và fy ) bao gồm chuỗi vô hạn cách tâm một khoảng 1/X và 1/Y (ngoài phổ tần cơ bản của tín hiệu vào ). Phổ cách tâm phổ tín hiệu cơ bản một khoảng là do kết quả cấu trúc dòng ảnh, còn phổ cách tâm một khoảng là kết quả lấy mẫu theo dòng. Trong trường hợp này tần số lấy mẫu thoả mãn tần số Nyquist. Tuy nhiên theo cấu trúc này, nó cho tốc độ bit rất cao. 1.2.3.2. Cấu trúc quincux mành. Hình 1.9: Cấu trúc quincux mành Các mẫu trực giao nằm ở mỗi mành. Nhưng các mẫu thuộc mành một lại dịch đi một nửa chu kỳ lấy mẫu so với các mẫu thuộc mành thứ hai. Phân tích phổ tần của các cấu trúc quincux mành rất cao có ý nghĩa mành một. Nó cho phép làm giảm tần số lấy mẫu theo dòng. Phổ tần cấu trúc nói trên của mành 2 so với phổ tần mành 1 bị dịch và có thể lồng với phổ tần cơ bản. Nó gây ra méo ở các chi tiết ảnh (khi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳng đứng). 1.2.3.3. Cấu trúc quincux dòng. Hình 1.10: Cấu trúc quincux dòng Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau một nửa chu kỳ lấy mẫu. Còn các mẫu trên dòng mành 1lệch so với các mẫu trên dòng mành 2 một nửa chu kỳ lấy mẫu. Sự phân bố phổ của hai mành là giống nhau. Trong đó chúng bị dịch trên trục x một giá trị . Do đó, ở đây chúng không bị lồng phổ chính và không 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. 1.2.4. Các thông số lấy mẫu tối ưu. Chọn thông số lấy mẫu là công việc quan trọng trong truyền hình số. Nó quyết định chất lượng hình ảnh thu được tốt hay xấu. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, cho thấy: chất lượng hình ảnh mầu thu được phụ thuộc vào tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu. Đối với hệ truyền hình NTSC, PAL việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu đơn giản hơn. Tuy nhiên nếu fsa tiến gần đến 13MHz, chất lượng hình ảnh rất tốt. Nếu fsa nhỏ hơn 13MHz, chất lượng hình ảnh giảm rõ rệt (lấy mẫu tín hiệu video mầu tổng hợp). Chất lượng hình ảnh giảm biểu hiện như giảm độ nét Conture, các chi tiết ảnh theo chiều đứng, chuyển động theo các biên đứng. Trường hợp lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu mầu riêng biệt. Nếu giảm tần số lấy mẫu tín hiệu chói sẽ làm giảm một phần độ phân giải. Tuy nhiên nó ảnh hưởng không nhỏ đến người xem. Nếu giảm tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu số mầu (bằng fsa tín hiệu chói) xuống còn fsa. Nó có thể gây ra méo dưới dạng dòng nhấp nháy hoặc xuất hiện các vòng theo dòng. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu mầu tổng hợp SECAM. Nếu ta giảm fsa, chất lượng ảnh mầu thu được sẽ giảm rất nhiều. Dựa vào khảo sát trên, nếu lấy mẫu các tín hiệu mầu (chói và hiệu số mầu) sẽ cho chất lượng ảnh mầu tốt hơn. Về kỹ thuật, người ta chọn fsa=13.5MHz cho tín hiệu chói và fsa=6.75MHz cho hai tín hiệu hiệu mầu. Tuỳ thuộc vào loại cấu trúc lấy mẫu mà xuất hiện các loại méo khác nhau. Cấu trúc trực giao có méo dưới dạng giảm độ phân giải, cấu trúc quincux mành gây nhấp nháy các điểm ảnh (cũng làm giảm độ phân giải ), cấu trúc quincux dòng tạo ra các nấc (hiệu ứng bậc thang ). Các loại méo xuất hiện rõ rệt nếu giảm tần số lấy mẫu. Về lý thuyết và thực nghiệm, thì cấu trúc trực giao có tốc độ bit lớn nhưng cho chất lượng hình ảnh tốt. Tuy nhiên về kỹ thuật, người ta vẫn chọn cấu có tốc độ bit nhỏ nhưng hình ảnh chấp nhận được. 1.3. Lượng tử hoá tín hiệu video. 1.3.1. Lượng tử hoá tín hiệu . Lượng tử hoá là quá trình chia biên độ ra thành nhiều mức .Mỗi mức được xắp xếp bằng một giá trị.Các khoảng chia có thể đều hoặc không đều được gọi là tuyến tính và không tuyến tính . Tất cả các mẫu có cùng mức ,sẽ được biểu hiện cùng một số và sau khi giải mã các mẫu được khôi phục lại với cùng một chiều cao(biên độ). Quá trình lượng tử hoá là quá trình biến đổi chuỗi các mẫu với một số hữu hạn biên độ .Khi đó ở đầu ra DAC,tín hiệu không đồng nhất với tín hiệu ban đầu (tín hiệu tương tự).Mỗi mẫu đều có kèm theo sai số trong khoảng 0÷Q/2(Q-khoảnh lượng tử). Ta có quan hệ: Sin(t) = Sout(t) + Sq Trong đó : Sin(t) - tín hiệu ban đầu. Sout(t) - tín hiệu sau lượng tử Sq - méo lượng tử 1.3.2.Nhiễu do lượng tử hoá tín hiệu. Méo xuất hiện trong quá trình lượng tử hoá gọi là hiệu ứng méo lượng tử .Hiệu ứng méo lượng tử phụ thuộc loại điều chế .Nếu sử dụng PCM tuyến tính ,méo lượng tử xuất hiện dưới dạng hiệu ứng đường viền (conture effect).Méo lượng tử xuất hiện dưới dạng răng cưa .Nếu ta tăng số khoảng lượng tử ,hiệu ứng méo lượng tử sẽ giảm rõ rệt. Méo lượng có dạng như nhiễu hạt tự nhiên (lưới có kích thước nhỏ ,giống sương mù ),xuất hiện ở các vùng ảnh rộng và có độ sáng đồng đều . Hiệu ứng đường viền ở các ảnh không chuyển động có dạng nhiễu hạt ,khi lượng tử hoá 32÷62 mức. Đối với ảnh chuyển động .Hiệu ứng này thể hiện rõ hơn nhiều . Hiệu ứng đường viền sẽ giảm ,nếu tín hiệu tương tự chứa nhiều tín hiệu chi tiết và méo lượng tử phân bố ngẫu nhiên .Méo lượng tử giống như trường hợp tín hiệu tương tự có nhiễu ngẫu nhiên và tải mầu .Do đó mức sẽ ít hơn ,nếu lấy mẫu và lượng tử hoá tín hiệu video màu tổng hợp . Để giảm nhiễu hạt ngẫu nhiên. Người ta cộng tín hiệu video với một tín hiệu “dither” đặc biệt. Tín hiệu “dither” thường gặp có dạng xung chữ nhật có tần số bằng nửa tần số fy 28 mẫu và biên độ bằng nửa khoảng lượng tử hoá. Có một loại dither khác là nhiều ngẫu nhiên có phân bố Gauss và trị hiệu dụng không nhỏ hơn Q/3. Muốn giải quyết hiệu ứng méo đường viền thì ta cộng đồng thời hai tín hiệu dither trên (tín hiệu xung chữ nhật có biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên có biên độ 0.18Q) vào tín hiệu video. Một loại méo xuất hiện khi lượng tử hoá tín hiệu video mầu hoàn chỉnh. Nó có dạng là méo pha vi sai và méo khuếch đại vi sai. Nó có đặc điểm giống với méo vi sai trong hệ thống tương tự. Ảnh hưởng méo vi sai số lên hình ảnh sẽ nhận biết rõ rệt. Nó sẽ tăng nếu tần số nếu tăng tần số lấy mẫu. Loại méo này phụ thuộc vào biên độ tín hiệu mầu (giảm nếu biên độ tín hiệu tăng ). Nếu tăng độ chính xác lượng tử hoá (khoảng lượng tử , số bit biểu diễn mẫu), sẽ giảm được méo vi sai. 1.4. Mã hoá tín hiệu video . 1.4.1. Mã hoá tín hiệu rời rạc. Mã hoá tín hiệu là biến đổi tín hiệu đã lượng tử hoá thành tín hiệu số bằng cách sắp xếp số nhị phân cho các mức lượng tử hoá và ánh xạ các mức này thành tín hiệu có hai mức (0và 1). Để giải quyết méo, trong PCM tuyến tính phải dùng mã 8 bit (256 mức lượng tử ). Số nhị phân đặc trưng cho tín hiệu video bao gồm khoảng giới hạn từ 00000000 đến 11111111. 1.4.2. Các loại mã. Mã dùng trong truyền hình số được chia thành các nhóm: -mã sơ cấp -mã bảo vệ và sửa sai. -mã truyền tuyến tính. Đầu tiên, tất cả tín hiệu video được mã hoá sơ cấp, sau đó mã hoá chuyển đổi. Mã sơ cấp là mã cơ sở từ đó hình thành mã bảo vệ (Protection code ). Mã sơ cấp dùng trong truyền hình số là mã nhị phân (Binary code ). Mã nhị phân được chia thành mã cân bằng và mã không cân bằng. -Mã cân bằng là các mã trong đó hệ số cân bằng được dùng cho mỗi liên kết mã, ví dụ mã nhị phân tự nhiên. Với : Ci=0 hoặc 1 2i hệ số cân bằng i là số hạng của liên kết mã Mã NRZ Mã NRZ-M Mã NRZ-S Mã NRZ-P Mã RZ Mã RZ-P Mã RZ-U Mã BiPh Mã BiPh-M Mã BiPh-S Từ mã 1 0 1 1 0 1 0 0 Hình 1.11: Mã sơ cấp Mã không cân bằng là các mã 2 trong đó các liên kết mã liên tục không có sự cân bằng. Ví dụ mã phản hồi. Mã của tín hiệu là mã có cấu trúc. Cấu trúc của mã có thể là tuyệt đối hoặc tương đối. Mã có cấu trúc tuyệt đối là mã có sự thay đổi thông số đặc trưng cả mã xảy ra đồng thời sự thay đổi symbol. Mã có cấu trúc tương đối là mã mà sự thay đổi thông số mã đặc trưng chỉ xảy ra khi xuất hiện symbol 1 hoặc 0. Trong truyền hình số người ta thường dùng mã có cấu trúc tuyệt đối. Mã NRZ (Non Return Zero – không trở lại mức 0). Mã NRZ có độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng bộ. Mức logic 0 ứng với điện áp thấp nhất, mức điện áp cao nhất ứng với mức logic 1. UNRZ(t) = U(t) – U(t-T) Mã NRZ có hai loại. Mã NRZ gián đoạn tích cực, và mã NRZ gián đoạn thụ động. Mã NRZ gián đoạn thụ động thì mức symbol ứng với 0 V, mã NRZ gián đoạn tích cực điện áp âm ứng với mức 0 điện áp dương với mức 1. Các loại biến thứ của NRZ: NRZ – M (NRZ-Mark ) hay NRZ – 1, NRZ –S (NRZ space) hay là NRZ – 0. mã NZ (return zero). Độ rộng mỗi xung bằng ½ hoặc một phần thời gian xung của chu kỳ đồng hồ. URZ(t) = U(t) – U(t-0.5T) Các biến thứ của RZ: RZ-P, RZ-U. Mã BiPh (Binary phace ) Mã có đặc điểm là có đôi xung bổ trợ nhau với điện áp RZ trong mỗi chu kỳ đồng hồ. UBiPh(t) = U(t) – 2U(t-0.5T) + U(t-T) Các biến thứ của BiPh: BiPh-M & BiPh-S. Trong thiết bị truyền hình số, mã NRZ thường được dùng cho thiết bị studio và các thiết bị thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình. Mã RZ được dùng trong một số trường hợp truyền tín hiệu số với khoảng cách xa. Mã BiPh dùng trong quá trình ghi tín hiệu số trên băng từ. CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO. 2.1. Số hoá tín hiệu audio. Tín hiệu audio thường đi kèm tín hiệu video trong truyền hình. Để có chất lượng âm thanh tốt người ta tìm cách nén tín hiệu audio. 2.1.1. Số hoá tín hiệu audio. Để biến tín hiệu audio sang tín hiệu số, người ta dùng PCM đơn giản. Tín hiệu âm thanh thường có băng tần 40Hzà15KHz. Nếu theo Nyquist, fsa≥2×15KHz=30KHz. Để giảm méo do lồng phổ, ta chọn fsa=32KHz±2.6× 10-6.Muốn đạt chất lượng cao về âm thanh khôi phục, thì tỷ số tín hiệu trên méo lượng tử phải có giá trị lớn. do đó phải mã hoá mỗi mẫu với độ chính xác ít nhất là 14 bit. Tốc độ bit của tín hiệu là 500KB/s,nhỏ hơn nhiều tốc độ video (220Mb/s). Tín hiệu Audio thường được nén và dãn nhờ đặc tuyến (phi tuyến) lượng tử hoá tín hiệu . Trong tín hiệu âm thanh, các mức có giá trị lớn ít hơn nhiều các mức có giá trị nhỏ. Nên có thể mã hoá với độ chính xác thấp. 0 1/8 ¼ ½ 1 1/64 1/32 1/16 512 448 384 320 256 192 128 64 Ura Uvào a) Đặc tuyến nén thích hợp được biểu diễn dưới đây: Y X X Y 1/A 1 -1 -1/A 1 dy 1 dx 1 -1 -1 1 b) c) Hình 2.1: Đặc tuyến nén tín hiệu. a) Một phần của đặc tuyến A. b) Nguyên tắc nén. c) Đặc tuyến A Ta có sự phụ thuộc: và Trong đó ux, uy : trị tức thời tín hiệu vào và ra của mạch co dãn tín hiệu Ux Uy : biên độ cực đại của tín hiệu vào và ra của mạch co dãn. Mỗi biến x và y có thể có giá trị từ -1 đến +1. Vị trí dương và âm của tín hiệu video có cùng công suất. Nên đặc tính nén sẽ đối xứng qua điểm gốc của hệ toạ độ. Cần chọn đặc tính nén sao cho chất lượng tín hiệu âm thanh có chất lượng cao là đặc tuyến A. 2.1.2. Truyền tín hiệu âm thanh trong tín hiệu video. Trong trường hợp truyền các tín hiệu video số với một hoặc một vài tín hiệu âm thanh số di kèm, thì tốt nhất là ghép kênh theo thời gian với tín hiệu video, nhằm tạo một tia số liên tục. Các tín hiệu âm thanh số có thể được truyền trong tín hiệu video tương tự. Trong tín hiệu video, khoảng 20% thời gian dùng để truyền các xung đồng bộ và xung xoá. Các khoảng thời gian này có thể sử dụng để truyền âm thanh số. Việc làm này phải đảm bảo không gây nhiễu cho hoạt động kênh video và máy thu. Tín hiệu âm thanh cần cấy vào tín hiệu Video tương tự phải được biến đổi thành tín hiệu số. Tần số lấy mẫu có thể đồng bộ có thể đồng bộ với tần số dòng hoặc không. Nếu chuyển tín hiệu âm thanh thanh tín hiệu số một cách trực tiếp, tốt nhất chọn tần số lấy mẫu bằng nhiều lần tần số lấy mẫu fH. Ví dụ fsa=2fH=2x15.625KHz=31.250. Nếu tín hiệu âm thanh đã ở dạng số rồi, thì nó được lấy mẫu với tần số không đồng bộ fH với fH. Để cấy tín hiệu âm thanh số vào tín hiệu Video càn phải nén tín hiệu. Để không gây méo tín hiệu Video do cấy tín hiệu Video vào nó, các xung có sườn dốc của tín hiệu số phải được tạo dạng nhờ mạch lọc có đặc trưng gần với đặc trưng phổ tín hiệu Video. Ví dụ mạch lọc có đặc trưng sin22T (T=1/fgh), fgh là tần số cao nhất của tín hiệu Video , ví dụ fgh=6MHz đối với hộ PAL. Có nhiều công trình nghiên cứu truyền tín hiệu âm thanh số trong tín hiệu Video . Các phương pháp này cho phép truyền tín hiệu âm thanh trong các hệ thống NTSC, PAL, SECAM. Có các phương pháp đa năng, cho phép cấy và truyền tín hiệu âm thanh cho mọi hệ thống truyền hình. Có thể truyền thêm từ 1 đến 8 kênh âm thanh cùng với một tín hiệu Video . Hình 2.2: Vị trí tín hiệu SIS trong xung đồng bộ dòng Xung đồng bộ dòng 4.7μs chuẩn 3.8μs 3.62μs±10ns 1V±30mV 300mV ±9mV Một trong các phương pháp đa năng nói trên là hệ thống SIS (Sound - In- Sync). Nó cho phép truyền một tín hiệu âm thanh cùng với tín hiệu PAL, và NTSC mà không cần thay đổi vị trí xung đồng bộ màu. Hình 2.3: Tín hiệu của hệ thống SIS PHẦN III: NÉN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NÉN. 1.1. Mở đầu. Trong tất cả các dạng tín hiệu thì tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin. Tín hiệu Video số thành phần (số hoá 8 bit ) có tốc độ bằng 216Mbit/s. Dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này phải có bề rộng không dưới (3/4)x216=162MHz. Trong studio, truyền tín hiệu bằng cáp, giắc nối chất lượng cao và với khoảng cách ngắn việc nén dải tần chỉ mang tính kinh tế, việc truyền tín hiệu có thể thực hiện mà không cần nén. Song sẽ rất khó khăn, thậm trí không thể thực hiện thực hiện được việc truyền tín hiệu Video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7-8MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn. Do vậy, nén tín hiệu là công đoạn không thể thiếu để khắc phục được những khó khăn trên. Nén về cơ bản là một quá trình trong đó lượng số liệu (data ) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau, vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin ảnh. Đó là các phần xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau, mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hoặc khác nhau rất ít. Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể được dự báo, dó đó chỉ cần truyền các thông tin về chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh thường giống nhau, do đó chỉ cần truyền các thông tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu Video và các đặc trưng của mắt người là kém nhậy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động. Quá trình sau nén ảnh là dãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc xấp xỉ ảnh gốc. Sự phát triển của kỹ thuật số và việc sử dụng công nghệ số vào kỹ thuật truyền hình làm cho khái niệm “nén Video ” trở thành đề tài nóng hổi trong những năm gần đây. Thật ra khái niệm nén Video đã có từ những năm 1950 cùng với sự ra đời của truyền hình mầu, đó là nén độ rộng băng tần bằng kỹ thuật tương tự. Ở đây, ba tín hiệu thành phần mầu cơ bản (R,G,B ) với tổng bề rộng dải thông 15MHz đã được nén trong một tín hiệu Video mầu tổng hợp duy nhất với bề rộng dải thông bằng 5MHz. Giải thông tần được giảm 3 lần, hay nói một cách khác hệ số nén bằng 3:1. Nén Video trong những năm 1950 được thực hiện bằng công nghệ tương tự với tỷ số nén thấp. Ngày nay , công nghệ nén đã đạt được những thành tựu cao hơn bằng việc chuyển đổi tín hiệu Video tương tự sang tín hiệu Video số. Công nghệ nén số đòi hỏi năng lực tính toán nhanh, song với sự phát triển của công nghệ thông tin, nhất là từ khi Shannon trình bày quan niệm xác suất về thông tin và cách biểu diễn truyền và nén chúng, thì điều này đã không còn là trở ngại và nén ảnh càng trở nên quan trọng. 1.2. Mô hình nén ảnh. Xử lý kênh Giải L.T.H Biểu diễn thuận lợi Biểu diễn thuận lợi Lượng tử hoá Gán từ mã Giải từ mã Mã hoá video Giải mã video  Hình 1.1: Mô hình hệ thống nén Video. Ở tầng đầu tiên của bộ mã hoá video, tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuận tiện để nén có hiệu quả nhất. Điểm cốt yếu là chỉ xác định cái gì được mã hoá. Sự biểu diễn có thể chứa nhiều mẩu thông tin để mô tả tín hiệu hơn là chính tín hiệu, nhưng hầu hết thông tin quan trọng chỉ tập trung trong một phần nhỏ của sự mô tả này. Trong cách biểu diễn có hiệu quả, chỉ có phần nhỏ dữ liệu cần thiết để truyền cho việc tái tạo tín hiệu video . -Hoạt động thứ hai của bộ mã hoá là lượng tử hoá, giúp rời rạc hoá thông tin được biểu diễn. Để truyền tín hiệu video qua một kênh số, những thông tin biểu diễn được lượng tử hoá thành một số hữu hạn các mức. -Hoạt động thứ 3 là gán các từ mã. Các từ mã này là một chuỗi bit dùng để biểu diễn các mức lượng tử hoá. Các quá trình sẽ ngược lại trong bộ giải mã video. Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa trong tín hiệu video và tận dụng sự giới hạn của hệ thống nhìn của mắt người. Nhờ bỏ đi các phần dư thừa, các thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền đi. Những thông tin bỏ đi mà không ảnh hưởng đến việc nhìn cũng không được truyền đi. 1.3. Các đặc điểm của nén tín hiệu số. 1.3.1.Xác định hiệu quả của quá trình nén tín hiệu số. Hiệu quả nén được xác định bằng tỉ lệ nén, nghĩa là tỷ số giữa số lượng dữ liệu của ảnh gốc trên trên số lượng dữ liệu của ảnh nén. Độ phức tạp của thuật toán nén được xác định bằng số bước tính toán trong cả hai quá trình mã hoá và giải mã. Thông thường thì thuật toán nén càng phức tạp bao nhiêu thì hiệu quả nén càng cao nhưng ngược lại giá thành và thời gian thực hiện lại tăng. Đối với thuật toán nén có tổn thất thì độ sai lệch được xác định bằng số thông tin bị mất đi khi tái tạo lại hình ảnh từ dữ liệu nén. Với nén không tổn thất thì chúng ta có thể có những thuật toán má hoá càng gần với Entropy của thông tin nguồn, bởi vì lượng entropy của nguồn chính là tốc độ nhỏ nhất mà bất cứ một thuật toán nén không tổn thất nào cũng có thể đạt được. Ngược lại, trong các nén có tổn thất thì mối quan hệ giữa tỷ lệ nén và độ sai lệch thông tin được shannon nghiên cứu và biểu diễn dưới dạng hàm RD ( hàm về độ sai lệch thông tin ). Lý thuyết của ông cũng chỉ ra rằng với thuật toán nén có tổn thất thì chúng ta sẽ có hiệu quả cao nhất, nhưng ngược lại ta bị mất thông tin trong quá trình tái tạo lại nó từ dữ liệu nén. Trong khi đó nén không tổn thất , mặc dù đạt hiệu quả thấp nhưng ta lại không bị mất thông tin trong quá trình tái tạo lại nó. Vì vậy, ta phải tìm ra một biện pháp nhằm trung hoà giữa hai thuật toán nén này để tìm ra một thuật toán nén tối ưu sao cho hiệu quả nén cao mà lại không bị mất mát thông tin. 1.3.2. Độ dư thừa số liệu. Nén số liệu là quá trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn cùng một lượng thông tin cho trước. Số liệu và thông tin không đồng nghĩa với nhau, số liệu chỉ là phương tiện dùng để truyền tải thông tin. Cùng một lượng thông tin cho trước có thể biểu diễn bằng các lượng số liệu khác nhau. Độ dư thừa số liệu là vấn đề trung tâm trong nén ảnh số. Đánh giá cho quá trình thực hiện giải thuật nén là tỷ lệ nén (CN) được xác định như sau: Nếu N1 và N2 là lượng số liệu trong hai tập hợp số liệu cùng được biểu diễn một lượng thông tin cho trước thì độ độ dư thừa số liệu tương đối RD của tập hợp số liệu thứ nhất với tập hợp số liệu thứ hai có thể được định nghĩa như sau: RD=1-1/CN Trong đó: CN=N1/N2 Trong trường hợp N1=N2 thì CN=1 và RD=0, có nghĩa là so với tập số liệu thứ hai thì tập số liệu thứ nhất không chứa số liệu dư thừa. Khi N2<<N1 thì CN tiến tới vô cùng và RD tiến tới 1, có nghĩa là độ dư thừa số liệu tương đối của tập số kiệu thứ nhất là khá lớn hay tập số liệu thứ hai đã được nén khá nhỏ. 1.3.3. Sai lệch bình phương trung bình Một đánh giá thống kê khác có thể đánh giá cho nhiều giải thuật nén là sai lệch bình phương trung bình so với ảnh gốc RMS (Root Mean square ) được tính bởi biểu thức: Trong đó: RMS – sai lệch bình phương trung bình Xi – Giá trị điểm ảnh ban đầu Xi’ – Giá trị điểm ảnh sau khi nén n - Tổng số điểm ảnh trong một ảnh RMS chỉ ra sự khác nhau thống kê giữa ảnh ban đầu và ảnh sau khi nén. Đa số trường hợp khi nén chất lượng của ảnh nén là tốt với RMS thấp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể xảy ra là chất lượng ảnh nén với RMS cao tốt hơn ảnh với RMS thấp hơn. 1.4. Lí thuyết thông tin Entropy . Trước khi nghiên cứu các phương pháp ta cần đánh giá lượng thông tin chủ yếu chứa đựng trong hình ảnh, để từ đó xác định dung lượng dữ liệu tối thiểu cần sử dụng để miêu tả, truyền tải thông tin về hình ảnh. Lượng thông tin chứa đựng trong hình ảnh tỷ lệ nghịch với khả năng xuất hiện hình ảnh. Nói cách khác, một sự kiện ít xảy ra sẽ chứa đựng nhiều thông tin hơn một sự kiện có nhiều khả năng xuất hiện. Đối với hình ảnh , lượng thông tin của một hình ảnh bằng tổng số lượng thông tin của từng phần tử ảnh (Pixel ). Lượng thông tin của từng ảnh được tính theo công thức: I(xi)=log2(1/P(xi)) = -log2P(xi) Trong đó: I(xi)= lượng thông tin của phần tử ảnh xi (được tính bằng bit ) P(xi)= Xác suất xuất hiện của phần tử ảnh xi Nếu một hình ảnh được biểu thị bằng các phần tử x1, x2, x3,… Xác suất xuất hiện của từng phần tử tương ứng sẽ là P(x1), P(x2), P(x3),… Biết được lượng tin tức của từng phần tử ảnh chưa đủ, còn cần phải biết được lượng tin tức bình quân của cả tập hợp các phần tử của hình ảnh . Lượng tin tức bình quân ấy người ta gọi là entropy. Entropy của hình ảnh là một giá trị có ý nghĩa quan trọng bởi xác định số lượng bit trung bình tối thiểu cần thiết để biểu diễn một phần tử ảnh. Trong công nghệ nén không tổn hao (Lossless Compression ) Entropy là giới hạn dưới của tỷ số bit/pixel. Nếu tín hiệu video được nén với tỷ số bit/pixel nhỏ hơn Entropy , hình ảnh sẽ bị mất thông tin và quá trình nén sẽ có tổn hao (lossy). 1.5. Các phương pháp nén. Các hệ thống nén số liệu là sự phối hợp của rất nhiều các kỹ thuật xử lý nhằm giảm tốc độ bit của tín hiệu số mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh phù hợp ứng với một ứng dụng nhất định. Nhiều kỹ thuật nén mất và không mất thông tin (loss/lossless data reduction techniques) đã được phát triển trong nhiều năm qua. Chỉ có một số ít trong chúng có thể áp dụng cho nén video số. Nén không mất thông tin Nén mất thông tin Video số DCT VLC RLC Loai bỏ khoảng xoá DPCM Lượng tử hoá Mẫu con JPEG MPEG –1 MPEG –2 Hình1.3: Sự phối hợp các kỹ thuật trong JPEG và MPEG Hình 1.3 minh hoạ kỹ thuật nén được sử dụng để tạo thành các tín hiệu nén JPEG (Joint Photographic Expert Group ) và MPEG (Moving picture Expert Group). Sử dụng các kỹ thuật này một cách riêng rẽ thực tế không đưa lại một kết quả nào về giảm tốc độ dòng tín hiệu . Tuy nhiên, phối hợp một số các kỹ thuật này sẽ đem lại những hệ thống nén vô cùng hiệu quả như hệ thống nén JPEG, MPEG-1, MPEG-2. 1.5.1. Nén không tổn hao. Nén không mất thông tin cho phép phục hồi lại đúng tín hiệu ban đầu sau khi giải nén. Đây là một quá trình mã hoá có tính thuận nghịch. Hệ số nén phụ thuộc vào chi tiết ảnh được nén. Hệ số nén của phương pháp nén không mất thông tin nhỏ hơn 2:1. Các kỹ thuật nén không mất thông tin bao gồm: a) Mã hoá với độ dài thay đổi (VLC). Phương pháp này còn được gọi là mã hoá Huffman và mã hoá Entropy, dựa trên khả năng xuất hiện của các giá trị biên độ trùng hợp trong một bức ảnh và thiết lập một từ mã ngắn cho các giá trị có tần suất xuất hiện cao nhất và từ mã dài cho các giá trị còn lại. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tái tạo lại giá tri tín hiệu ban đầu. b) Mã hoá với độ dài động (RLC). Phương pháp này dựa trên sự lặp lại của cùng giá trị mẫu để tạo ra các mã đặc biệt biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trị được lặp lại. Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hoá. Số mẫu có giá trị bằng không sẽ được truyền đi dọc theo cùng dòng quét. c) Sử dụng khoảng xoá dòng, xoá mành. Vùng thông tin xoá được loại bỏ khỏi dòng tín hiệu để truyền đi vùng thông tin tích cực của ảnh. Theo phương pháp đó, thông tin xoá dòng và xoá mành sẽ không được ghi giữ và truyền đi. Chúng được thay bằng các dữ liệu đồng bộ ngắn hơn tuỳ theo ứng dụng. d) Biến đổi cosin rời rạc (DCT). Quá trình DCT thuận và nghịch đư._.nghĩa về profile: Simple profile (profile đơn giản): Số bước nén thấp, chỉ cho phép mã hoá các ảnh loại I hoặc P. Việc tách các ảnh loại B sẽ làm giảm bộ nhớ cho giải mã chuỗi. Main profile: Cho phép sử dụng tất cả các loại ảnh, nhưng không tạo các mức bất kỳ. Chất lượng tốt hơn simple profile nhưng tốc độ bit không thay đổi. SNR profile scanlable (profile phân cấp theo SNR): Tiêu chuẩn MPEG –2 cho phép phân cấp theo tỷ số nén tín hiệu trên tạp âm (S/N). Tính phân cấp theo S/N có nghĩa là chất lượng hình ảnh và tỷ số S/N có tính thoả hiệp. Spatially Scanlable profile (phân cấp theo không gian): Tính phân cấp theo không gian có nghĩa là có sự thoả hợp với độ phân giải. Chuỗi ảnh được chia ra thành hai lớp tương ứng với các độ phân giải khác nhau của ảnh. Lớp thấp hơn bao gồm ảnh có độ phân giải thấp ví dụ như truyền hình tiêu chuẩn, lớp cao hơn bao gồm ảnh có độ phân giải cao hơn ví dụ như truyền hình độ phân giải cao (HDTV). High profile (profile cao): Cho phép đối với cả hai loại thang mức và chuẩn 4:2:2 của tín hiệu video. Nó bao gồm toàn bộ công cụ của profile trước cộng thêm khả năng mã hoá các tín hiệu khác nhau cùng một lúc. Hay nói đúng hơn là “High profile” là một hệ thống hoàn hảo được thiết kế cho toàn bộ ứng dụng mà không bị giới hạn bởi tốc độ bit cao. Vấn đề hạn chế các mức có liên quan đến độ phân giải cực đại của ảnh. Có 4 mức hạn chế sau: Low level (Mức thấp): Ứng với độ phân giải của MPEG –1, có nghĩa là bằng ¼ độ phân giải truyền hình tiêu chuẩn. Main level (mức chính): Độ phân giải của truyền hình tiêu chuẩn. High 1440 level (mức cao 1440): Độ phân giải của HDTV với 1440 mẫu/dòng. High level (mức cao): Độ phân giải HDTV với 1920 mẫu/dòng. Bảng thông số chính profile và level của tín hiệu chuẩn MPEG –2. Profile Level Đơn giản (Simpe) Chính (Main) Phân cấp theo SNR Phân cấp theo không gian Cao (High) Thấp (Low) 4:2:0 352 × 288 4 Mbit/s 4:2:0 352 × 288 4 Mbit/s I,B,P Chính (Main) 4:2:0 720 × 576 15 Mbit/s I,P 4:2:0 720 × 576 15 Mbit/s I,B,P 4:2:0 720 × 576 15 Mbit/s I,B,P 4:2:0 720 × 576 20 Mbit/s I,B,P Cao 1440 (High 1440) 4:2:0 1440´1152 60 Mbit/s I,B,P 4:2:0 1440´1152 60 Mbit/s I,B,P 4:2:0 4:2:2 1440´1152 80 Mbit/s I,B,P Cao (High) 4:2:0 1920´1152 80 Mbit/s I,B,P 4:2:0 4:2:2 1920´1152 100 Mbit/s Kết hợp 4 level và 5 profile ta được tổ hợp 20 khả năng và hiện nay đã có 11 khả năng được ứng dụng như bảng 19 ( theo tài liệu của Techtronic). Với MPEG –2 MP@ML có thể nén tín hiệu truyền hình xuống còn (3Õ5) Mbit/s, rất phù hợp và đáp ứng được tính kinh tế cho phát quảng bá các chương trình truyền hình tiêu chuẩn (SDTV). Còn đối vớiHDTV thì sử dụng MPEG –2 P@HL và MPEG –2 4:2:2 MP@HL 4.3.4. MPEG-2 4:2:2P@ML. Trong bảng trên: các tiêu chuẩn đều lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:2:2 và cho tốc độ bit thấp rất phù hợp cho công đoạn truyền dẫn, phát sóng. Tuy nhiên nó không thoả mãn yêu cầu chất lượng cho công đoạn sản xuất hậu kỳ. Chuẩn 4:2:0 không thể cho một hình ảnh chất lượng studio sau một vài thế hệ gia công tín hiệu bởi phép nội suy tín hiệu mầu. Sử dụng tốc độ bit 15 Mbit/s với GOP nhỏ chất lượng hình ảnh sẽ kém, GOP lớn sẽ gây khó khăn cho tất cả các thiết bị có chuyển đổi tín hiệu trong thời gian xoá mành. Từ năm 1994 nhiều nhà sản xuất và sử dụng thấy cần phải có tiêu chuẩn MPEG –2 4:2:2 P@ML (Profile Main Level) với tốc độ bit đạt 50 Mbit/s có thể đáp ứng được nhu cầu chất lượng trong các ứng dụng chuyên nghiệp. Tin tức thời sự 18Mbit/s. Cấu trúc IB-GOP Phân phối chương trình 20Mbit/s. Cấu trúc IBBP-GOP Lưu trữ 30Mbit/s. Cấu trúc IB-GOP Sản xuất hậu kỳ 50Mbit/s. Cấu trúc I-GOP Giải mã MPEG-2 4:2:2P@ML Hoàn toàn thích nghi Hình 4.1.1:Ví dụ về các ứng dụng của MPEG-2 4:2:2P@ML. Tháng 1/1996, MPEG –2 4:2:2P@ML trở thành tiêu chuẩn Quốc tế. Nó hơn hẳn MPEG –2 MP@ML trên nhiều khía cạnh: tốc độ bit bằng 50 Mbit/s và có thể đáp ứng được cả hai chuẩn Video 4:2:2 và 4:2:0. Hệ thống này có đặc điểm chính sau đây: Có độ mềm dẻo cao và tính khai thác hỗn hợp. Có khả năng giải mã trong phạm vi (15à50)Mbit/s với bất kỳ loại phối hợp nào giữa các ảnh I, P và B. Chất lượng cao hơn MP@ML. Độ phân giải màu tốt hơn MP@ML. Xử lý hậu kỳ sau khi nén và giải nén. Nén và giải nén nhiều lần. Nhóm ảnh nhỏ, thuận tiện cho công nghệ dựng hình. Có khả năng biểu thị tất cả các dòng tích cực của tín hiệu Video. Có khả năng biểu thị thông tin trong khoảng thời gian xoá mành. 4.3.5. MPEG –2 đối với phát sóng và SXCT. Trong lĩnh vực phát sóng và sản xuất hậu kỳ, chuẩn nén MPEG –2 cuối cùng đã giải quyết được bi kịch đa dạng thức xưa nay. Tiêu chuẩn này đã áp dụng được khả năng này cho các yêu cầu và đặc tính của từng ứng dụng khác nhau. a) Sản xuất tin thời sự. Chất lượng ảnh đòi hỏi cao khi quay ngoại cảnh, những tín hiệu không phải in đi in lại nhiều lần. Thiết bị nhỏ gọn, xách tay và dùng ăcqui. Do vậy, các thiết bị này có thể sử dụng tốc độ bit thấp (đỡ tốn năng lượng, giảm giá thành). Cấu trúc GOP đơn giản, thuận tiện cho công đoạn dựng hình. b) Lưu trữ. Cần chất lượng cao hoặc ít nhất bằng ảnh gốc. Công nghệ lưu trữ còn cần tốc độ bit lớn và cấu trúc IB-GOP. c) Sản xuất hậu kỳ. Sản xuất hậu kỳ đòi hỏi cả chất lượng và mức độ cao về tính năng dựng hình. Tốc độ 50 Mbit/s và cấu trúc I-GOP là sự lựa chọn thích hợp. d) Phân phối chương trình. Đòi hỏi khả năng lưu trữ về chất lượng phát sóng quảng bá. Tốc độ bit 20 Mbit/s (hoặc 15 Mbit/s để cung cấp cho máy phát NTSC/PAL, thậm chí thấp hơn cho dịch vụ phát trục tiếp từ vệ tinh DBS). Với ý tưởng tạo các cấu trúc GOP và tốc độ bit khác nhau đã giải quyết được yêu cầu trên. Tại bất kỳ thởi điểm nào cũng có thể khai thác tư liệu từ một ứng dụng này để sử dụng cho một ứng dụng khác, và do vậy bộ giải mã “hoàn toàn thich nghi”. CHƯƠNG V: NÉN TÍN HIỆU AUDIO. Tín hiệu audio số PCM được sử dụng trong TV, truyền thông đa phương tiện cũng như trong nhiều ứng dụng khác. Các dòng số này có tốc độ rất cao. Ví dụ khi âm thanh được lấy mẫu với tần số 48 KHz và độ phân giải là 16 bit thì dòng số tạo ra sẽ có tốc độ 1.54Mbit/s. Một hệ thống âm thanh surround cung cấp dòng số có tốc độ lên đến 4.5 Mbps. Bởi vậy, yêu cầu phải có một phương pháp nén hiệu quả cho lưu trữ dữ liệu thời gian dài cung như khi phân phối dữ liệu qua các kênh có bề rộng dải thông hẹp. Việc nén audio hiện nay được tổ hợp trong các ứng dụng đa phương tiện trên cơ sở là máy tính, cho sự phân phối chương trình trên đĩa CD-ROM và mạng. Nó cũng được sử dụng trong truyền dẫn qua vệ tinh quảng bá (Digital Broadcast Satelite-DBS). 5.1. Cơ sở của nén tín hiệu audio. Nén tín hiệu audio được thực hiện dựa trên cơ sở là mô hình tâm lý thính giáccủa con người, sự hạn chế về mặt cảm nhận và hiện tượng che lấp các thành phần tín hiệu âm. 5.1.1. Mô hình tâm lý thính giác. Hệ thống thính giác của con người (Human Auditory System-HAS) có đặc điểm như một bộ phân tích phổ. Nó chia dải phổ âm thanh nghe thấy thành các băng tần gọi là các “băng tới hạn” (critical band) như một dãy các bộ lọc thông dải. Các băng này có bề rộng dải thông là 100Hz với các tần số dưới 500Hz và tăng theo tần số tín hiệu với các tần số lớn hơn 500Hz. Bề rộng dải thông này tăng tới vài KHz khi tần số tín hiệu lớn hơn 10KHz. Có thể mô hình hoá hệ thông cảm nhận của con người băng 26 bộ lọc thông dải liên tiếp có bề rộng dải thông như đã nói. Khi tín hiệu âm thanh bao gồm các tần số gần kề nhau, hệ thống thính giác của con người (HAS) sẽ tổ hợp chung thành một nhóm có năng lượng cân bằng. Ngược lại, nếu âm thanh bao gồm nhiều tần số khác biệt nhau, chúng sẽ được xử lý tách biệt và độ lớn âm được xác định. Tính nhạy cảm của HAS giảm tại các tần số cao và tần số thấp. Điều này có nghĩa rằng đối với các mức âm thấp thì sự thay đổi trong cảm nhận của con người là rất quan trọng và sẽ giảm dần tại các mức âm cao. 5.1.2. Sự che lấp tín hiệu audio. Hệ thống thính giác của con người có một đặc điểm vô cùng quan trọng, đó là tính che lấp “masking”. Có hai dạng che lấp, đó là: che lấp thời gian và che lấp tần số. Tiến hành thưc nghiệm với hệ thống thính giác, người ta đã xây dựng được đặc tuyến che lấp trong miền thời gian và trong miền tần số. Che lấp tần số. Sự che lấp về mặt tần số là hiện tượng một âm thanh nghe thấy ở tần số này bỗng trở nên không cảm nhận được do ngưỡng nghe thấy bị dâng lên vì sự có mặt của một âm thanh ở tần số khác có cường độ mạnh hơn. Sự che lấp tần số được minh hoạ bằng hình vẽ sau đây: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Mức áp suất âm- SPL (dB) Ngưỡng tuyệt đối Ngưỡng nghe được bị biến đổi bởi âm che lấp Kết quả che lấp tạo bởi âm 1KHz, 45dB Kết quả che lấp tạo bởi âm 1KHz, 65dB Tín hiệu không nghe thấy Tần số(Hz) 50 100 500 1K 5K 10K 20K Hình 5.1: Ngưỡng nghe thấy tuyệt đối và ngưỡng che phủ tần số. Để tai người có thể nghe thấy, bất cứ một âm thanh ở tần số đơn nào cũng phải có mức áp suất âm lớn hơn một ngưỡng xác định. Tập hợp tất cả các giá trị ngưỡng này đối với tất cả các âm đơn trong dải tần nghe được tạo nên một đường cong gọi là “ngưỡng nghe thấy tuyệt đối” (absolute hearing threshold), là đường đậm nét ở hình vẽ trên. Tất cả âm thanh nằm dưới đường cong này đều không có khả năng được con người cảm nhận. Do sự xuất hiện của một âm thanh có cường độ cao ở một tần số nào đó, sẽ làm đường cong này biến đổi đi. Trong ví dụ trên âm 1KHz với mức áp suất âm 45dB đã làm ngưỡng nghe thấy tuyệt đối dâng lên 27dB. Điều nàycó nghĩa những tạp âm dưới 27dB là không nghe thấy. Nếu sử dụng thang lượng tử có 6dB/bước nhẩy thì chỉ cần 3 bit để mã hoá âm này vì giá trị vi sai ở đây là 45-27=18dB. Nếu mức âm 1KHz tăng lên tới 65dB thì mức che phủ sẽ tăng tới 55 dB, giá trị vi sai này chỉ còn 10dB và có thể mã hoá chỉ băng 2 bit. Việc che phủ tần số trước và sau cũng rất quan trọng. Như trên hình vẽ, âm 1KHz cũng làm ngưỡng nghe thấy của các âm tần số xung dâng lên. Sự che phủ tần số phia sau quan trọng hơn và tăng theo mức âm. Điều này cho phép giảm độ chính xác mã hoá cho những tần số tín hiệu xung quanh âm che phủ. Những âm đơn tần xung quanh 1KHz có mức âm nhỏ hơn đường cong che phủ sẽ không có khả năng cảm nhận và không cần thiết phải mã hoá vẫn không làm ảnh hưởng tới chất lượng cảm nhận của con người. Hệ thống nén dựa trên đặc điểm này được gọi là hệ thống nén theo thính giác. Sự che phủ thời gian. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Mức cảm nhận (dB) Thời gian (ms) 50 0 50 100 150 200 250 300 Che phủ trước Che phủ sau Che lấp liên tục Tín hiệu che lấp Hình 5.2: Sự che lấp về thời gian. Sự che phủ thời gian là hiện tượng tai người chỉ cảm nhận được âm sau khi nó bắt đầu khoảng 200ms và có cảm giác âm thanh còn kéo dài 200ms nữa sau khi âm thanh đã dứt. Ngoài ra, thính giác cũng không phân biệt được khoảng ngừng nhỏ hơn 50ms giữa hai âm thanh giống nhau đi liền nhau. 5.2. Công nghệ giảm tốc độ nguồn dữ liệu audio số. Công nghệ mã hoã nguồn được sử dụng để loại bỏ đi sự dư thừa trong tín hiệu audio (khi giá trị vi sai mẫu-mẫu sấp xỉ gần giá trị 0), còn công nghệ che lấp dựa trên mô hình tâm lý thính giác của con người có tác dụng loại bỏ mẫu không có giá trị cảm nhận (các mẫu không nghe thấy). Có hai công nghệ nén cơ bản. Đó là: Mã hoá dự báo miền thời gian: sử dụng mã hoá vi sai mã hoá các giá trị chênh lệch giữa các mẫu liên tiếp nhâu để loại bỏ sự dư thừa thông tin nhằm thu được dòng bit tốc độ thấp. Mã hoá chuyển đổi miền tần số: Công nghệ này sử dụng các khối mẫu PCM tuyến tính biến đổi từ miền thời gian thành một số nhất định các băng tần trong miền tần số. Hiện tượng che lấp quan trọng nhất xảy ra trong miền tần số. Để lợi dụng đặc điểm này, phổ tín hiệu audio được phân tich thành nhiều băng tần phụ có độ phân giải thời gian và tần số phù hợp với bề rộng các băng tần tới hạn của HAS. Mỗi băng phụ chứa một số thành phần âm rời rạc. Cấu trúc bộ mã hoá audio cơ bản như sau: Dãy bộ lọc Mô hình tâm lý thính giác Bộ phân phối bit Lượng tử và mã hoá Ghép kênh Dòng mã hoá Thông tin phân phối bit Tín hiệu đầu vào Dòng bit mã hoá Hình 5.3: Bộ mã hoá tín hiệu audio. Bộ lọc đa băng tần: Bộ lọc đa băng tần (còn được gọi là dãy bộ lọc) làm nhiệm vụ tách phổ tín hiệu thành các băng con. Có ba cách thực hiện dãy bộ lọc. Đó là: -Dãy băng con: Phổ tín hiệu được chia thành các băng tần phụ có độ rộng như nhau tương tự như khi chia phổ tần thành các băng tần tới hạn của hệ thống HAV. Với các tần số nhỏ hơn 500Hz, một băng con sẽ chứa vài băng tần tới hạn. Trong công nghệ nén audio, sử dụng một số loại bộ lọc băng con, ví dụ PQMF (Polyphase Quadrature Mirror Filter). Bộ lọc này có độ chồng phổ thấp và thường được sử dụng cho các mẫu gần kề về mặt thời gian. Trong tiêu chuẩn nén audio MPEG, một khung audio gồm 1152 mẫu được chia thành 32 băng con, mỗi băng con chứa 36 mẫu. -Dãy chuyển đổi: Áp dụng thuật toán DCT có biến đổi (Modified Discrete Cosin Tranform-MDCT) để chuyển đổi tín hiệu audio miền thời gian thành một số lượng lớn các băng con (từ 256 đến 1024) trong miền tần số. -Dãy bộ lọc cân bằng: (Hybrid Filter bank). Tín hiệu vào trước tiên được chia thành 32 băng con nhờ các bộ lọc PQMF. Sau đó áp dụng phép biến đổi MDCT cho mỗi 18 mẫu băng con. Kêt quả sẽ thu được 576 băng rất hẹp (41.76Hz tại tần số lấy mẫu 48 KHz). Việc kết hợp này có độ phân giải thời gian khoảng 3.8ms. Số bộ lọc trong dãy phải được xác định phù hợp với một số tác nhân quan trọng. - Dãy bộ lọc có độ phân giải thấp (nghĩa là băng tần rộng) sẽ cho số lượng băng tần con nhỏ. Khi đó, trong mỗi băng tần con sẽ chứa hầu hết các thành phần âm của phổ tín hiệu audio khiến tác dụng che lấp giảm và sẽ cần rất nhiều để mã hoá các thành phần tín hiệu trong các băng con. Tuy nhiên, số lượng các băng con thấp sẽ giảm được độ phức tạp mã hoá / giải mã mà vẫn giữ được độ phân giải tốt về thời gian. - Nếu dãy bộ lọc có độ phân giải cao, sẽ cho số lượng lớn các băng tần con và các thành phần đơn của tín hiệu audio sẽ không rơi vào tất cả các băng con. Khi đó, một số băng con không chứa thành phần âm sẽ không cần phải giải mã HAV. Tuy nhiên, có độ phân giải thời gian thấp dẫn đến hiện tượng có tiếng tạp lanh canh khi mã hoá tín hiệu audio ngắn. Do vậy, có thể sử dụng dãy bộ lọc thích nghi có khả năng chuyển đổi từ dãy bộ lọc có độ phân giải cao sang dãy bộ lọc có độ phân giải thấp khi mã hoá tín hiệu audio ngắn. Đặc tuyến của quá trình xử lý dãy bộ lọc bao gồm các yếu tố: - Độ phân giải thời gian = độ phân giải mẫu khối bộ lọc × 20.83µs. Với tần số lấy mẫu 48KHz, khoảng cách thời gian giữa các mẫu liên tiếp sẽ là 20.83µs. Ví dụ trong mã hoá AC-3, độ phân giải thời gian là: 128 × 20.83=95.75ms. - Độ phân giải tần số = bề rộng phổ cực đại / tổng số băng con. Với tần số lấy mẫu 48 KHz, bề rộng phổ tần tối đa của tín hiệu là 24KHz. Ví dụ trong mã hoá AC-3, độ phân giải tần số là: 24000/256=95.75KHz. - Độ dài khung dữ liệu = Số băng con × Số mẫu trong một khối × 20.83µs Ví dụ trong tiêu chuẩn MPEG lớp I, độ dài khung dữ liệu là: 32 × 12 × 20.83 =8ms. Sự phân phối bit: Một phép phân tich mô hình tâm lý thính giác chính xác tín hiệu PCM đầu vào, sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Tranform- FFT) được thực hiện để xác định nội dung tần số và năng lượng của nó. Từ ngưỡng nghe được và đặc tính che phủ tần số của HAS, người ta tính toán được dường cong che lấp như hình minh hoạ trên hình vẽ sau đây: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tần số (Hz) 2K 4K 6K 8K 10K 12K 14K Biên độ (dB) Đường bao phổ tín hiệu Đường cong che phủ được tính toán Sự phân phối bit (SNR theo tần số) Hình 5.4: Đường cong che lấp và sự phân phối bit. Hình dạng và kích thước đường cong che lấp phụ thuộc nội dung tín hiệu. Trong ví dụ trên, có thể thấy sai số giữa đường bao phổ tín hiệu và đường cong che lấp giảm xuống, điểm có giá trị max là 40dB. Giá trị sai lệch max này quyết định số lượng bit (thông thường lượng tử hoá cơ bản là 6dB/bit) cần thiết để mã hoá tất cả các thành phổ tần của tín hiệu audio. Quá trình phân phối bit cần đảm bảo tạp âm lượng tử hoá thấp hơn ngưỡng nghe được. Trong hình 5.4, tại vùng tần số >12KHz, đường cong che lấp cao hơn đường bao phổ tín hiệu nên không cần phân phối bit để mã hoá vung tín hiệu này. Từ đường cong che lấp, ngưỡng che lấp của mỗi băng con được xác định. Chúng qui định năng lượng tạp âm lượng tử cức đại có thể chấp nhận trong mỗi băng con, tại đó tạp âm bắt đầu trở nên nghe thấy. Sau khi ước lượng ngưỡng che lấp cho mỗi băng tần con, các tham số xếp loại được sử dụng để biến đổi bước lượng tử của mỗi băng con, tức biến đổi cấu trúc tạp âm lượng tử sao cho phù hợp nhất. Cuối cùng, mã hoá Huffman đước sử dụng. Lượng tử hoá: Quá trình lượng tử hoá các băng tần con trong phổ tín hiệu audio là một quá trình không đồng bộ. Tức là mỗi băng con được lượng tử với một bước lượng tử khác nhau phù hợp với mức năng lượng cũng như mức độ che lấp của băng tần. Bước lượng tử được xác định chờ bộ phân phối bit. Ghép kênh dữ liệu: Các khối (hay còn gọi là các nhóm) 12 mẫu dữ liệu từ đầu ra bộ lượng tử hoá được ghép kênh cùng tham số xếp loại tương ứng của chúng và thông tin phân phối bit để hình thành nên khung dữ liệu audio trong dòng bit mã hoá. 5.3. Tiêu chuẩn nén Audio MPEG. Tiêu chuẩn nén audio MPEG –1 (ISO/IEC 11172-3) thường được biết dưới tên gọi MUSICAM (Maskingpatterm Universal Suband Intergrated Coding and Multiplexing) gồm ba lớp (layer) mã hoá I, II và III tương ứng với hiệu quả nén và độ phức tạp tăng dần, đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong phát thanh, truyền hình. Tiêu chuẩn nén audio MPEG –2 (ISO/IEC 13818-3) là bước phát triển mở rộng dựa trên cơ sở MPEG –1. Phương thức nén Dolby AC-3 ứng dụng trong hệ HDTV số Grand Alliance (ATSC) cũng là một biến thể từ Audio MPEG –2. Đối với lĩnh vực truyền hình, tiêu chuẩn MPEG đặc điểm nổi bật là đảm bảo khả năng đồng bộ giữa video và audio khi phân kênh và giải nén. Những đặc tính kỹ thuật cơ bản của tiêu chuẩn nén Audio MPEG –1 và MPEG –2 được trình bày tóm tắt trong bảng sau: Bảng: Đặc điểm của Audio MPEG-1, MPEG-2. MPEG –1 MPEG –2 Độ phân giải đầu vào 16 bit. 16 bit, có thể lên tới 24 bit. Tần số lấy mẫu 48 KHz—44.132KHz 48 KHz- 44.132 KHz 24 KHz- 22.0516 KHz Tốc độ bit Tự do, có thể lên đến 448 Kbps. Tự do, có thể lên đến 256 Kbps. Số lượng kênh. 2 kênh với các mode: mono, stereo, dual, jointstereo. 6 kênh: Left, Right, Center, Left Surround, Right Surround và LFE (Low Frequecy Enhancement- Kênh tăng cường tần số thấp) Tính tương hợp Thuận và ngược Khả năng co giãn Các kênh Left, Right có thể giải mã độc lập nhau Sơ đồ khối bộ mã hoá MPEG audio như sau: Dãy bộ lọc 32 băng phụ Xếp loại Lượng tử hoá Biến đổi FFT 512 hoặc 1024 điểm Ngưỡng che lấp Phân phối tham số xếp loại, bit động và mã hoá Multiplexer -Phân phối bit -Tham số xếp loại Dòng bit mã hoá Dữ liệu vào Dữ liệu phụ 0 1 2 n 31 0 1 2 n 31 0 1 2 n 31 Hình 5.5: Sơ đồ khối bộ mã hoá Audio MPEG. KẾT LUẬN CHUNG. Tiêu chuẩn MPEG biểu diễn phương pháp mã hóa tín hiệu audio và video. Ưu điểm quan trọng nhất của tiêu chuẩn này là khả năng mã hóa tín hiệu video có dạng bất kỳ và khả năng tăng cao dung lượng kênh truyền. Ưu điểm này khiến cho tiêu chuẩn MPEG được chấp nhận ở nhiều nước sử dụng truyền hình 625 dòng / 50 Hz và 525 dòng / 60 Hz (Dự án DVB) và 525 dòng /60 Hz (dự án Grand Alliance). Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp nén MPEG cho phép làm giảm tốc độ bit tín hiệu video có độ phân giải tiêu chuẩn (625 và 525 dòng) xuống còn khoảng 5Mbps mà vẫn đảm bảo chất lượng tiêu chuẩn cho studio (4:2:2 ). Đối với tín hiệu HDTV / ATV, tốc độ bit được nén xuống còn khoảng 20 Mbps. Dung lượng kênh truyền tiêu chuẩn khi sử dụng điều chế số là 20-40Mb/s ( phụ thuộc phương pháp điều chế và mức độ bảo vệ sai số truyền). Điều đó có nghĩa là trong kênh truyền, truyền được một số chương trình truyền hình có độ phân giải cao-HDTV. Việc hạn chế theo lớp tín hiệu cho phép truyền đồng thời tín hiệu truyền hìnhcó độ phân giải tiêu chuẩn và độ phân giải cao. Cần phải thấy rằng phương pháp nén MPEG là phương pháp nén có mất thông tin, có nghĩa là nó gây ra méo ảnh. Có thể minh họa sự suy giảm chất lượng ảnh khôi phục theo hiệu suất nén MPEG như trên hình vẽ sau: Tốc độ bit Mbps 5 10 15 20 25 30 35 40 Chất lượng ảnh MPEG-1 MPEG-2 MP@ML MPEG-2 4:2:2@ML Đặc tính chất lượng ảnh trong hai dạng nén MPEG-1 và MPEG-2. Cần phải nói thêm rằng, MPEG không phải là phương pháp nén ảnh duy nhất. Nếu dùng các phương pháp như Fractal Tranpormation (biến đổi thành phần) hoặc Wavelet (mã hóa dạng sóng ba chiều) có thể cho phép đạt kết quả như trên hoặc tốt hơn. Các phương pháp này hiện nay còn được tiếp tục nghiên cứu nhưng trong tương lai gần ít nhất vẫn chưa cạnh tranh được với thuật toán DCT của MPEG. Hiện nay, tiêu chuẩn MPEG –2 được sử dụng nhiều trong các thiết bị truyền hình số (VTR, camera, dựng hình, kỹ xảo…) và thông tin đa phương tiện (Multimedia) và đang có xu hướng phát triển mạnh ở Việt nam. Chắc chắn trong một thời gian ngắn nữa, vấn đề số hóa MPEG –2 sẽ trở nên thông dụng ở Việt Nam. Do áp dụng các kỹ thuật hiện đại, việc nén các số liệu thông tin đã đạt được những tỷ số nén rất cao trong khi vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu được người sử dụng chấp nhận. Tuy nhiên khi nâng cao tỷ số nén còn cần phải quan tâm trước hết đến yêu cầu về chất lượng của hình ảnh, âm thanh…Rõ ràng đối với số liệu video thì có thể có tỷ số nén cao hơn rất nhiều so với tỷ số nén có thể đạt được với số liệu thông thường và đặc biệt với số liệu âm- chỉ có thể đạt được tỷ số nén rất thấp (từ 4:1 đến 8:1) do những ràng buộc riêng của từng loại dữ liệu. Hy vọng trong tương lai sẽ có thêm những tiêu chuẩn nén nữa được quốc tế hóa, vừa cho tỷ số nén cao, vừa cho chất lượng tốt. Quay trở lại vấn đề về nền công nghiệp truyền hình hiện nay. Truyền hình hiện nay là môi trường thụ động (medium) truyền hình ảnh và âm thanh. Máy thu hình có thể chọn kênh truyền hình mà mình mong muốn nhưng giới hạn khả năng cải tạo nội dung chương trình truyền hình. Sự phát triển của công nghệ thông tin, với công nghệ truyền hình số cho phép thực hiện truyền hình tương tác (Intreactive Television), có nghĩa là có sự tham gia tích cực của người xem vào chương trình truyền hình. Mọi người có thể xem truyền hình theo yêu cầu. Đó là truyền hình tương tác hay truyền hình hai chiều giữa người xem và trung tâm phát chương trình truyền hình và các đối tượng. Mỗi dự án truyền hình tương tác phải xem xét đến 3 phần tử cơ bản sau đây: -)Máy thu hình “thông minh” (Inteligence) với máy tính cá nhân đặc biệt, nhờ đó người xem truyền hình có thể tiến hành đàm thợi (dialog). -)Trung tâm phát sóng có khả năng phục vụ trong thời gian thực theo yêu cầu của người xem (có thể truyền cho mỗi người xem chương trình truyền hình riêng). -)Đường truyền viễn thông phải truyền một dung lượng cực lớn. Ngày nay, một số nước đang thử nghiệm hệ thống truyền hình hoàn chỉnh (bao gồm3 phần tử cơ bản trên) nhưng chưa thực hiện được với giá thành rẻ. Dĩ nhiên, muốn thực hiện truyền hình tương tác, phải sử dụng truyền hình số cùng với mạng máy tính cục bộ và các phương pháp nén ảnh. Nhiều hội thảo quốc tế về truyền hình tương tác đã được tổ chức thông qua ITU-R, EBU và SMPTE. Mục đích trong tương lai gần là thiết kế dạng truyền hình tương tác đơn giản như Video theo yêu cầu (Video on Deman-VoD) cho từng người thu riêng, phục vụ mua hàng tại nhà (Home Shopping-HS) thông qua điện thoại, các dịch vụ thông tin (vídụ teleteskt ) qua màn hình. Mục đích trong giai đoạn tiếp theo là thực hiện hoàn chỉnh truyền hình tương tác. Có nghĩa là dùng hình ảnh và âm thanh kèm theo như là môi trường thông tin giữa con người với con người. Hiện nay có nhiều chương trình hướng dẫn và dự án truyền hình tương tác đơn giản. Tham gia trong công việc bao gồm các hãng viễn thông và truyền hình lớn như Slicon Graphics and Time Wanner, Intel, Microsoft and General Intrument, Hewlett-Packard and TV Anwner, AT&T… Mỹ có dự án xây dựng đường cao tốc truyền số liệu cực nhanh cho cả nước và năm châu, phục vụ tổng hợp về truyền hình, điện thoại, số liệu máy tính. Các hệ thống tin học có khả năng truyền thông tin trong các đường số liệu cao tốc ở mức độ phức tạp và độ lớn thông tin. Điều kiện để thực hiện các hệ thống như vậy là hàng loạt, giá thành cho mỗi đầu thuê bao thấp (bằng với truyền hình cáp), xác định tiêu chuẩn thống nhất. Để thực hiện dự án đường cao tốc như vậy cần sự đầu tư lớn và sự liên kết của nhiều hãng. Vấn đề có tính mấu chốt là mạng sử dụng ATM (Asychronous Transfer Mode). Đó là phương pháp truyền số liệu ISDN băng rộng. Để truyền hình ảnh, có thể sử dụng mạng điện thoại. Công nghệ ADSL (Asymmetrical Digital Subsriber Line) cho phép truyền tín hiệu video (có nén) qua cáp điện thoại thông thường với tốc độ 1.54Mbps. Như vậy, từ chỗ có vẻ không khả thi, truyền hình số và sự số hóa truyền hình đã trở nên tất yếu. Tại Việt Nam, quá trình này cũng đã và đang được thực hiện. Tại một số trung tâm truyền hình lớn như Đài truyền hình Việt Nam, Đài truyền hình Hà Nội, Đài truyền hình thành phố Hồ Chí Minh, đã có sự số hóa thiết bị truyền hình và những hiệu quả của chúng đem lại trong quá trình sản xuất các sản phẩm truyền hình là thật tuyệt vời. Sự số hóa thiết bị truyền hình cũng đồng nghĩa với việc toàn bộ thiết bị của hệ thống truyền hình trở thành một mạng thống nhất. Tại trung tâm phát thanh và truyền hình Hà Nội, tín hiệu của tất cả các phòng được nối dạng ma trận. Tại một phòng bất kỳ, có thể lấy dữ liệu từ các phong khác thông qua sự điều khiển của một thiết bị số là Nodal. Sự đấu nối vô cùng gọn nhẹ do sự phân phối, điều khiển địa chỉ trong bộ nhớ chứ không phải là một tổ hợp dây nối phức tạp đối với truyền hình tương tự trước kia. Toàn bộ hệ thống hoạt động nhịp nhàng, hiện đại và hiệu quả. Hy vọng trong thời gian tới, tại Việt Nam có thể thực hiện được các hội nghị truyền hình phục vụ cho đào tạo trên các kênh số truyền tốc độ thấp. Việc nghiên cứu khả năng sử dụng truyền hình số là vấn đề cần thiết cho tương lai của truyền hình Việt Nam để khi truyền số trở nên phổ cập trên thế giới thì Việt Nam sẽ không còn phải phân vân trong việc lựa chọn một hệ thống truyền hình số cho mình. Đến đây, em xin kết thúc bản đồ án “Nghiên cứu về số hoá trong kỹ thuật truyền hình”. Một lần nữa, em xin trân thành cảm ơn thạc sĩ Nguyễn Ngọc trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử-Viễn Thông, Viện đại học Mở Hà Nội đã giúp em rất nhiều trong thời gian học tập và chuẩn bị cho đề tài. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện,nhưng bản đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn đọc. Em xin chân thành cảm ơn!! THUẬT NGỮ TIẾNG ANH. Từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Tiêng Việt ABSOC Advanced Broadcasting Systems of Canada Hệ thống truyền hình cải biên của Canada A/D (ADC) Analog to Digital Biến đổi tương tự số ADPCM Adaptive Differential Pulse Modulation Điều xung mã vi sai thích nghi AES Audio Engineering Society Hiệp hội kỹ thuật Audio ANSI American National Standard Institule Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ ASCII American Standard Code for Infomation Interchange Mã chuẩn Mỹ về trao đổi thông tin ATV Advanced Television Truyền hình cải biên BER Bit error Rate Tỷ lệ lỗi bit BIOS Base Input Output System Hệ thống vào ra cơ bản BRI Basic Rate Interface Giao diện tốc độ cơ bản BRR Bit Rate Reduction Giảm tốc độ Bit BTA Broadcasting Technical Association (Japan) Hiệp hội kỹ thuật truyền hình truyền thanh (Nhật) CAPM Carrerless Amplitude Phase Modulation Điều chế pha biên độ nén tải thấp CATV Community Antenna Television Truyền hình cáp CCIR Comité Consltatif Intenational en Radiodiffusion Hội đồng tư vấn quốc tế về phát sóng CCITT Consulative Commitee on International Telegrahy and Telephony Hội đồng tư vấn quốc tế vể điện tín và điện thoại CDTV Conventional Definition Television Truyền hình thông thường DA (DAC) Digital to Analog Biến đổi số tương tự DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số DC Direct Curent Dòng một chiều DCT Dicrete Cosin Transform Biến đổi cosin rời rạc DBS Direct Broadcasting Satellite Truyền hình trực tiếp từ vệ tinh DEMUX Demultiplex Tách kênh DPCM Defferential Pulse Code Modulation Điều xung mã vi sai DTV Digital Television Truyền hình số DVB Digital Vedeo Broadcasting Truyền hình số (chuẩn châu Âu) DVB-C/S/T DVB-Cable / Satellite / Terestrical Truyền hình số qua cáp/vệ tinh/phát sóng trên mặt đất DVD Digital Video Disc (Máy đọc) Video số dùng đĩa DVI Digital Video Interactive Video số tương tác hai chiều EBU European Broadcast Union Hiệp hội truyền thanh truyền hình châu Âu EOB End of Block Kết thúc khối FCC Federal Communicatio Commission Hội đông thông tin Liên bang (Mỹ) HDTV High Definition Television Truyền hình có độ phân giải cao ISO International Standard Organization tổ chức tiieu chuẩn quốc tế ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế JBIG Joint Binary Image Expert Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về ảnh nhị phân tĩnh JPEG Joint Photographic Expert Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về ảnh tĩnh MPEG Moving Pictures Expert Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về ảnh động MUX Mutiplex Ghép kênh NTSC National Television System Committee Hội đồng hệ thống truyền hình quốc gia Mỹ PAL Phase-alternating line Pha luân phiên theo dòng (hệ Pal) Pixel Picture Element Điểm ảnh R-DAT Rotary-Digital Audio Tape Băng Audio số quay SNR Signal-to-noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu VCD Video Compact Disc CD cho Video TÀI LIỆU THAM KHẢO Truyền hình số. 2000 Đỗ Hoàng Tiến, Vũ Đức Lý Truyền hình số và HDTV. 1995 Nguyễn Kim Sách. Xử lý ảnh và video số. 1996 Nguyễn Kim Sách. Truyền hình số. 1998 Ngô Thái Trị. Tạp trí “Thông tin khoa học kỹ thuật Truyền hình”. Đài truyền hình Việt Nam. Digital video and Audio Compression. 1997 Stephen.J.Solari Digital Television Fundanmentals. 1998 ._.