Số hóa tín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số

tên: Ngành học: 1. Đầu đề thiết kế 2. Các số liệu ban đầu 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán 4. Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ, kích thước các bản vẽ) 5. Cán hộ hướng dẫn Phần Họ và tên cán bộ 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 7. Ngày phải hoàn thành: Ngày... tháng ... năm 2005 Chủ nhiệm khoa (Ký tên và ghi rõ họ tên) Ngày... tháng ... năm 2005 Cán bộ hướng dẫn thiết kế (Ký tên và ghi rõ họ tên) Ngày... tháng ... năm 2005 Đánh giá kết quả Điểm thiết kế:..................... Điểm bảo vệ:...................... Điểm tổng hợp:................... Ngày ... tháng ... năm 2005 Chủ tịch hội đồng (Ký tên và ghi rõ họ tên) Ngày... tháng ... năm 2005 học sinh đã hình thành (và nộp toàn bộ bản thiết kế cho khoa) (Ký tên và ghi rõ họ tên) Mục lục Chương I. Tổng quan về truyền hình 1.1. Hệ thống truyền hình 1.1.1. Nguyên lý quét 1.1.2. Hình dạng tín hiệu hình 1.1.3. Phổ tín hiệu hình 1.2. Truyền hình màu 1.2.1. Lý thuyết 3 màu 1.2.2. Phương pháp trộn màu 1.2.3. Đồ thị đo màu x, y 1.2.4. Méo gamma 1.2.5. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu 1.2.6. Tín hiệu truyền hình màu 1.2.7. Bộ lập mã màu và bộ giải mã màu 1.2.8. Đo kiểm tra tín hiệu truyền hình màu 1.3. Các hệ truyền hình màu 1.3.1. Hệ truyền hình màu NTSC 1.3.2. Hệ truyền hình màu PAL 1.3.3. Hệ truyền hình màu SECAM 1.4. Hệ thống phát hình 1.4.1. Kênh truyền hình 1.4.2. Mạng lưới truyền hình 1.4.3. Máy phát hình 1.4.4. Anten phát hình 1.5. Máy thu hình 1.5.1. Sơ đồ khối máy thu hình màu 1.5.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của máy thu hình 1.5.3. ống thu hình màu Chương II. Tổng quan về truyền hình số 2.1. Hệ thống truyền hình số 2.2.Đặc điểm của truyền hình số 2.3. ảnh số 2.4. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video 2.4.1. Tiến hành video số tổng hợp 2.4.2. Tín hiệu video số thành phần 2.5. Chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự 2.5.1. Các tham số cơ bản 2.5.2. Nguyên tắc làm việc của bọ chuyển đổi tương tự - số 2.5.3. Các phương pháp chuyển đổi tương tự - số 2.5.4. Các phương pháp chuyển đổi số - tương tự 2.6. Camera truyền hình 2.7. Tương lai của công nghiệp truyền hình Chương III: Số hóa tín hiệu video 3.1. Lịch sử phát triển 3.2. Thiết bị hộp đen video số 3.3. Lấy mẫu tín hiệu video số 3.3.1. Lấy mẫu 3.3.2. Cấu trúc lấy mẫu 3.4. Lượng tử hóa 3.5. Mã hóa 3.6. Chuyển đổi D/A 3.7. Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video màu tổng hợp 3.7.1. Lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp 3.7.2. Tiêu chuẩn 4fSC NTSC 3.7.3. Tiêu chuẩn 4fSC PAL 3.7.4. Các thông số cơ bản và tín hiệu kiểm tra 3.7.5. Phân phối tín hiệu số 4fSC dùng bit song song 3.8. Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần 3.8.1. Tiêu chuẩn lấy mẫu 3.8.2. Lấy mẫu tín hiệu video thành phần 3.83. Thang lượng tử và các mức lượng tử 3.8.4. Cấu trúc lấy mẫu 3.8.5. Ghép dòng số liệu phân chia theo thời gian 3.8.6. Tín hiệu chuẩn thời gian 3.8.7. Dữ liệu phụ 3.9. CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản 3.10. Tín hiệu audio số 3.10.1. Tổng quát 3.10.2. Biểu diễn tín hiệu 3.10.3. Mã hóa kênh truyền 3.10.4. Ghép dòng tín hiệu audio số Chương IV: Kỹ thuật nén video số 4.1. Khái niệm về nén tốc độ dòng bit 4.1.1. Tổng quát 4.1.2. Mô hình nén 4.1.3. Thông tin dư thừa trong tín hiệu video 4.2. Lý thuyết thông tin - entropy 4.3. Các phương pháp nén video 4.3.1. Nén không mất thông tin 4.3.2. Nén mất thông tin 4.4. Các mã dùng trong kỹ thuật nén 4.4.1. Mã RLC 4.4.2. Mã hóa Shannon - Fano 4.4.3. Mã Huffman 4.4.4. Phương pháp mã dự đoán 4.4.5. Phương pháp mã chuyển vị - Transform coding 4.5. Nén trong ảnh 4.5.1. Nguyên lý 4.5.3. Tiền xử lý 4.5.3. Quá trình biến đổi Cosin rời rạc 4.5.4. Lượng tử hóa khối DCT 4.5.5. Mã hóa entropy 4.5.6. Bộ nhớ đệm 4.5.7. Giải mã DCT 4.6. Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Franme Compression) 4.6.1. Mô hình 4.6.2. Kỹ thuật dự đoán bù chuyển động 4.6.3. ảnh dự đoán trước 4.6.4. ảnh dự đoán hai chiều 4.7. Ccác tiêu chuẩn nén 4.7.1. Tiêu chuẩn nén JPEG 4.7.2. Tiêu chuẩn nén MPEG 4.7.3. Tiêu chuẩn nén MPEG - 2 4.8. Kỹ thuật nén audio 4.8.1. Phương pháp nén không mất thông tin 4.8.2. Phương pháp nén có mất thông tin 4.8.3. Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 4.8.4. Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 Chương V: Truyền dẫn truyền hình số 5.1. Hệ thống ghép kênh và truyền tải MPEG -2 5.1.1. Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG - 2 5.1.2. Cấu trúc cơ sở dòng ES 5.1.3. Dòng cơ sở đóng gói PES 5.1.4. Ghép kênh dòng chương trình (Program Stream MUX) 5.1.5. Ghép kênh dòng truyền tải (Transport Stream MUX) 5.2. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế 5.2.1. Giới thiệu 5.2.2. Phương pháp điều chế M - PSK 5.2.3. Điều chế QPSK (4 - PSK) 5.2.4. Điều chế M - QAM 87 5.3. Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số 5.3.1. Truyền hình cáp 5.3.2. Truyền hình số mặt đất 5.3.3. Truyền hình số qua vệ tinh Lời mở đầu Chương trình truyền hình ngày càng giữ vai trò, nó không thể thiếu trong đời sống xã hội. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã trải qua nhiều bước chuyển biến lớn. Hệ thống truyền hình cũng thay đổi theo từng giai đoạn phát triển ấy. Trong những năm gần đây công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bước ngoặt. Quá trình chuyển đổi từ công nghệ Analog sang Digital. Quá trình đó là một cuộc cách mạng, nó làm thay đổi cách suy nghĩa, cách tiếp xúc, phương thức sản xuất chương trình truyền hình, nâng cấp chất lượng tín hiệu, tính linh họat và khả năng hội nhập vào môi trường thông tin chung. ở Việt Nam công nghệ số đã và đang xâm nhập vào từng công đoạn của truyền hình. Trong một tương lai không xa, trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng tới một hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số là một tất yếu. Để hiểu sâu hơn về lĩnh vực này, em đã chọn đề tài "Số hóa tín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số" làm để tại bảo vệ tốt nghiệp. Qua thời gian thực tập và làm đồ án, đặc biệt được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Hà Thanh Bình cùng các thầy cô, em đã hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp. Tuy nhiên do thời gian ngắn, sự hiểu biết còn hạn chế, đồ án mới chỉ dừng lại ở những khái niệm cơ bản và chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Kinh mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các thầy cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2006 Sinh viên Trần Thế Trung Chương I Tổng quan về truyền hình 1.1. Hệ thống truyền hình Truyền hình là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực hiện biến đổi tín hiệu này thành dạng ban đầu và hiển thị lên màn hình dưới dạng hình ảnh. Truyền hình dựa trên đặc điểm cảm nhận của ánh sáng mắt người là độ chói và màu của vật để truyền đi thông tin cần thiết. Độ chói và màu của vật phụ thuộc của vật phụ thuộc vào cường độ và thành phần phổ của tia sáng. Trong hệ thống truyền hình, tín hiệu, mang tin tức về hình ảnh gọi là tín hiệu video, tín hiệu mang tin tức về âm thanh gọi là tín hiệu audio. Các quá trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh hay ảnh - tín hiệu phải đồng bộ và đồng pha với nhau mới đáp ứng được sự phân tích ảnh ở phía phát và sự khôi phục ảnh ở phía thu. Sự đồng bộ ở đây được thực hiện bởi một bộ tạo xung đồng bộ. 1.1.1. Nguyên lý quét a. Phương pháp quét liên tục Trong truyền hình, ảnh được chia thành nhiều phần tử nhỏ gọi là điểm ảnh, mỗi điểm ảnh được đặc trưng bởi độ chối trung bình và màu của nó. Hình ảnh quang học được thực hiện bằng một lượt quét gồm các dòng quét theo chiều ngang từ trái qua phải và từ trên xuống dưới. Điểm ảnh Điểm bắt đầu 1 2 3 A B Z Hình 1.1. Phương pháp quét liên tục Dòng điện tử bắt đầu quét từ mép trái dòng 1, sang mép phải A và lập tức quay về phía trái theo đường nét rời và lại bắt đầu từ mép trái dòng 2 quét về mép phải B, sau đó lập tức quay về mép trái và bắt đầu dòng 3... Cứ như vậy, dòng điện tử quét từ trên xuống dưới cho đến Z. Như vậy đã kết thúc việc phân tích hoặc tổng hợp một ảnh. Tín hiệu quét ngược được xóa bởi xung xóa dòng. b. Số dòng quét Số dòng quét càng nhiều, chất lượng hình ảnh càng đẹp. Số dòng quét thích hợp đối với mỗi ảnh là 600 dòng để không gây khó chịu cho mắt người xem. c. Số ảnh truyền trong một giây Số ảnh truyền đi trong 1 giây phụ thuộc vào cấu tạo quang học của mắt người. Trong điện ảnh, người ta chiếu 48 ảnh / 1 giây, chia làm 2 lần để hình ảnh chiếu sẽ chuyển động liên tục và ánh sáng không bị chớp. Trong truyền hình, người ta truyền 25 ảnh/1 giây đối với những nơi sử dụng điện lưới có tần số 50 Hz và 30 ảnh/1 giây đối với những nơi có tần số điện lưới 60Hz. Để đảm bảo về mặt chất lượng kỹ thuật và kinh tế, trong truyền hình còn sử dụng phương pháp quét xen kẽ. Mỗi ảnh quét được chia làm 2 lượt, lượt đầu quét những dòng lẻ (1,3,5...) gọi là mảnh lẻ, lượt hai quét những dòng chẵn (2,4,6...) gọi là mành chẵn. Theo hệ thống truyền hình OIRT và CCIR mỗi giây truyền đi 50 mành, trong đó có 25 mành chẵn và 25 mành lẻ, hình thành 25 ảnh. 1.1.2. Hình dạng tín hiệu hình a. Tín hiệu video Nguyên lý tạo tín hiệu video: ảnh truyền hình được chia làm nhiều phần tử nhỏ gọi là điểm ảnh, các điểm anh mang thông tin về độ chói và mầu sắc của vật. tạo bộ tạo ảnh sẽ biến đổi thông tin chứa trong các điểm ảnh thành một tín hiệu điện tương ứng biểu diễn cho tính chất của điểm ảnh đó. Tập hợp các tín hiệu tương ứng các điểm ảnh được sắp xếp liên tục cho ta một dòng tín hiệu mang thông tin trọn vẹn về một bức ảnh. Đây chính là dòng tín hiệu video. Đặc điểm của tín hiệu hình: tín hiệu hình là tín hiệu đơn cực tính bởi độ chói của ảnh có trị số dương biến đỏi từ 0 đến trị số dương cực đại. Tín hiệu hình có chứa thành phần một chiều còn gọi là trị trung bình, trị trung bình tỉ lệ với độ chói trung bình. b. Thông tin đồng bộ Quá trình quét ảnh, xử lý tín hiệu tại phía phát, truyền qua kênh thông tin, thu nhận, xử lý và hiển thị thông tin tại phía thu cần phải được đồng bộ. Đồng bộ hóa tất cả các quá trình trên nhằm khôi phục ảnh, sắp xếp lại vị trí các điểm ảnh một cách trung thực. Tín hiệu đồng bộ được tạo ra và truyền đi trên kênh thông tin cùng với tín hiệu video tổng hợp của tín hiệu video, tín hiệu đồng bộ cho ta tín hiệu truyền hình. Tín hiệu đồng bộ là các tín hiệu có dạng xung, bao gồm đồng bộ dòng và đồng bộ mành. Các xung có biên độ và thời gian xác định nên được gọi là xung đồng bộ và xung đồng bộ mành. 1.1.3. Phổ tín hiệu hình Xác định phổ tần của tín hiệu hình là xác định các thành phần xoay chiều của tín hiệu. Tần số cao nhất của phổ tín hiệu hình phụ thuộc vào số dòng quét. Số dòng quét càng lớn, kích thước của phần tử ảnh càng nhỏ, ảnh càng rõ, độ rộng dải tần tăng lên. Khi đó sử dụng phương pháp quét xen kẽ để giảm dải tần tín hiệu. Ví dụ với màn hình có 625 dòng, tỉ lệ khuôn hình 4/3, số ảnh truyền đi là 25 ảnh /1 giây, đối với phương pháp quét liên tục thì tần số cao nhất của tín hiệu hình là 13 MHz, còn với phương pháp quét xen kẽ thì tần số cao nhất của tín hiệu là 6,5 MHz. Hình 1.2. Phổ tín hiệu hình Tần phổ của tín hiệu hình là phổ gián đoạn, gồm các hài của tần số mặt và các nhóm phổ quanh hài của tần số dòng, trong đó hài càng cao thì biên độ càng bé. Vì giữa các nhóm hài tần số dòng tồn tại các khoảng trống nên đường này được ứng dụng trong truyền hình màu. Phổ của tín hiệu màu được sắp đặt vào khoảng trống của phổ tín hiệu chói. 1.2. Truyền hình màu Hệ thống truyền hình đen trắng thực hiện phân tích hình ảnh cần truyền thành các mẫu rời rạc rồi truyền lần lượt các mẫu đó. Thông tin được truyền đi là thông tin về độ chói của các điểm ảnh, tại phía thu sẽ khôi phục được hình ảnh truyền đi thành một ảnh đen trắng. Hệ thống truyền hình màu thực hiện sự kết hợp giữa tín hiệu chói của hình ảnh và tín hiệu mang tin tức về màu sắc. Tín hiệu chói có thể tạo ra từ 3 tín hiệu màu cơ bản, hình ảnh màu là sự tổng hợp từ 3 màu cơ bản. 1.2.1. Lý thuyết ba màu a. Thị giác màu Nhiều thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, có thể nhận được gần như tất cả các màu sắc tồn tại trong thiên nhiên bằng cách tộn ba chùm ánh sáng màu đỏ, lục, lam theo các tỉ lệ khác nhau. Theo cấu tạo quang học, mắt có ba loại tế bào nhạy cảm 3 màu cơ bản, hệ thống thị giác của người có khả năng phân tích và tổng hựp màu cơ bản theo các tỉ lệ khác nhau, hình thành nên sự cảm thụ màu sắc không gian môi trường sống xung quanh con người. b. Các màu cơ bản và màu phụ Theo một quy định đã được chuẩn hóa thì 3 màu cơ bản đó là: ã Màu đỏ, ký hiệu bằng chữ R (Red), có bước sóng lR = 700nm. ã Màu lục, ký hiệu bằng chữ G (Green), có bước sóng lG = 546,8 nm. ã Màu lam, ký hiệu bằng chữ B (Blue), có bước sóng lB = 435,8 nm. Đây là những màu quang phổ, bước sóng của các màu cơ bản là các vạch phổ có trong bức xạ của hơi thủy ngân. Ba màu cơ bản phải là ba màu độc lập tuyến tính, nghĩa là trộn hai màu bất kỳ trong ba màu đó trong điều kiện bất kỳ, theo tỉ lệ bất kỳ đều không thể tạo ra màu thứ ba. 1.2.2. Phương pháp trộn màu a. Phương pháp trộn quang học Phương pháp này đựa trên khả năng tổng hợp maùy khi có một số bức xạ màu sắc khác nhau tác dụng đồng thời vào mắt, thì tạo ra được một màu mới. Sắc độ của màu mới đó phụ thuộc vào cường độ và thời gian xuất hiện của các bức xạ thành phần. Nguồn sáng R G B lục lơ đỏ lam mận chín vàng trắng Hình 1.3. Trộn màu theo phương pháp cộng quang học b. Phương pháp trộn màu không gian Giả sử các tia sáng khi rọi vào mắt không rơi cùng vào một điểm trong mắt mà các điểm rọi nằm gần nhau thì mắt cũng có thể tổng hợp được các kích thích để tạo thành một màu mới. Kỹ thuật truyền hình ứng dụng phương pháp này bằng cách ghép các dòng màu khác nhau hoặc các điểm màu khác nhau để tạo ra các ảnh màu phức tạp. c. Phương pháp trừ Để tạo thành màu mới, có thể dùng phương pháp lọc cắt bỏ một số màu từ ánh sáng trắng. Cho ánh sáng trắng qua một số môi trường hấp thụ hoặc phản xạ có tính chọn lọc liên tiếp trên đường lan truyền của sóng, ta sẽ thu được màu nhất định. Phương pháp này được dùng trong kỹ thuật điện ảnh và phim màu. Đặc điểm của phương pháp này là độ chói của màu được tạo ra bao giờ cũng nhỏ hơn độ chói của màu trắng ban đầu. d. Các định luật cơ bản về trộn màu. Các định luật này được nhà toán học người Đức H. Grasman phát biểu. Định luật thứ nhất: "Bất kỳ một màu sắc nào cũng có thể tạo được bằng cách trộn 3 màu cơ bản độc lập tuyến tính đối với nhau". Ta có phương trình: S = aS1 + bS2 + cS3 trong đó: a, b, c là hệ số tỉ lệ công suất của các bức xạ chuẩn đơn sắc S1, S2, S3. Tỉ lệ công suất R:G:B quyết tình sự thay đổi về sắc độ của màu, còn công suất của mỗi màu R, G, R quy định về lượng của màu tổng hợp S. Định luật thứ hai: "Sự biến đổi liên tục hệ số công suất của các màu cơ bản sẽ dẫn đến sự biến đổi liên tục màu sắc tổng hợp, nó chuyển từ màu này sang màu khác". Định luật thứ ba: "Để xác định được màu sắc của bức xạ tổng hợp, phải xác định được thành phần các màu sắc cơ bản được trộn". 1.2.3. Đồ thị đo màu xy Một màu thực bất kỳ S được biểu diễn trong không gian XYZ bằng vectơ có ba thành phần là XYZ: Mặt phẳng đơn vị qua X = 1, Y = 1, Z = 1 được gọi là mặt phẳng Macxoel. Véctơ cắt mặt phẳng đơn vị tại điểm s. Đặt m = X + Y + Z; X = mỗi; Y = my; Z = mz: Để xác định thông tin đầy đủ về sắc độ và độ chói của màu, chỉ cần thiết thông số về x, y và môđun m là đủ. Những màu cơ bản trong truyền hình là đỏ (R), lục (G), lam (B) có thể tạo ra bằng cách bắn phá các chất huỳnh quang khác nhau bằng tia điện tử. Việc chọn các màu cơ bản RGB phải thỏa mãn điều kiện là màu tạo lại phía thu phải bao gồm hầu hết các màu có trong thiên nhiên với độ bão hòa cao. Tọa độ RGB hiện nay đang được sử dụng là: xR = 0,670; yR = 0,330 xG = 0,210; yG = 0,710 xB = 0,140; yB = 0,080 Quan hệ giữa màu cơ bản RGB của FCC với màu XYZ của CIE là: X = 0,608R + 0,174G + 0,200B Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B Z = 0,000R + 0,066G + 1,112B 1.2.4. Méo gamma Độ tương phản của ảnh là tỷ số độ chói của vùng sáng nhất và vùng tối nhất của ảnh. Số bậc chói là số mức chói lớn nhất trong dải chói đã cho (từ vùng tối nhất đến vùng sáng nhất) mà mắt ngưồi còn phân biệt được các mức đấy. Độ tương phản càng cao thì số bậc chói càng lớn, ảnh càng rõ nét. Để đảm bảo tỷ lệ số bậc chói trên hình ảnh truyền đi và hình ảnh thu được là hằng số thì đặc tuyến truyền đạt của hệ thống là đường thẳng. Tuy nhiên đặc tính đạt của các bộ biến đổi quang - điện, các thiết bị đường truyền, bộ biến đổi điện - quang thường là phi tuyến. Méo gamma là méo gây ra do tính không đường thẳng của đặc tuyến truyền đạt. Trong hệ thống truyền hình cần có các mạch bù phi tuyến được gọi là mạch sửa méo gamma. Mạch này được mắc tại camera và đặc tuyến được chuẩn hóa để phù hợp với đường truyền của máy thu. 1.2.5. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu. Camera Hiệu chỉnh gamma Mạch ma trận Bộ điều chế màu Mạch cộng ER EG EB E’R E’G E’B S2 S1 E’Y EC EM = E’Y + EC a) Bộ chọn tín hiệu Bộ tách sóng màu Mạch ma trận E’Y S1 S2 ống thu E’G E’B E’R Từ bộ tách sóng video b) Hình 1.4. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu Hình ảnh cần truyền qua camera truyền hình màu được biến đổi thành 3 tín hiệu màu cơ bản ER, EG, EB. Sau đó được đưa qua mạch hiệu chỉnh gamma để bù méo. Các tín hiệu đã bù méo E’R, E’G, E’B được đưa vào ma trận tạo tín hiệu chói E’Y. và hai tín hiệu màu S1, S2. Các tín hiệu S1, S2 điều chế dao động sóng mang phụ tạo ra truyền hình màu cao tần EC. Trong bộ cộng, các tín hiệu E’Y và Ec được trộn với nhau tạo thành tín hiệu truyền hình tổng hợp EM = E’y + Ec. Tín hiệu EM được truyền đến bên thu bằng cáp, hệ thống viba hoặc máy thu phát vô truyến điện. Quá trình này gọi là quá trình mã hóa tín hiệu màu. Phía bên thu, tín hiệu EM nhận được thì đem đi biến đổi ngược lại với quá trình trên để tạo thành các tín hiệu màu cơ bản E’R, E’G, E’B. Quá trình này gội là quá trình giải mã. 1.2.6. Tín hiệu truyền hình màu a. Tín hiệu chói Các tín hiệu truyền hình màu cơ bản đều mang tin tức về độ chói, khi độ chói của hình ảnh cần truyền tăng hay giảm thì biên độ các tín hiệu màu cơ bản cũng tăng hoặc giảm theo, nhưng tỉ lệ giữa chúng không thay đổi. Biểu thức của tín hiệu chói sau hiệu chỉnh gamma trong các hệ truyền hình màu là: E’y = 0,299E’R + 0,587E’G + 0,114 E’B trong đó E’y (Y’) là điện áp hiệu chỉnh gamma tín hiệu chói của tín hiệu ảnh màu. E’R (R’), E’G (G’), E’B (B’) là các điện áp hiệu chỉnh gamma ứng với các tín hiệu đỏ, lục, lơ khi quét phần tử ảnh đã quan. b. Tín hiệu số màu Tín hiệu màu được truyền đi là E’R - E’y và E’B - E’y. Việc loại bỏ tín hiệu E’G = E’y vì nguyên nhân sau: ã Với cùng cường độ ánh sáng chuẩn như nhau, E’G - E’y có quãng biến thiên bé nhất, chỉ có ±0,41 làm cho thông tin không rõ ràng. ã Mắt người khá nhạy cảm với màu lá cây, do đó đòi hỏi dải tần cao hơn nhiều so với hai dải tần còn lại (chỉ khoảng 1,5 MHz). Tại máy thu, E’G - E’y sẽ được suy ra từ E’R - E’y và E’B - E’y. E’G - E’y = - 0,509 (E’R - E’y) - 0,194 (E’B - E’y). c. Tín hiệu thành phần và tín hiệu tổng hợp Hệ thống truyền hình sử dụng hai dạng tín hiệu là tín hiệu video thành phần và tín hiệu video tổng hợp để xử lý, lưu trữ và truyền phát chương trình. Có hai tập các tín hiệu video thành phần được sử dụng bao gồm tín hiệu RGB và tín hiệu E’y, E’B - E’y và E’B - E’y. Yêu cầu của tín hiệu này là dải băng tần phải lớn và sử dụng 3 kênh truyền tín hiệu. Tín hiệu video tổng hợp được sử dụng trong kênh truyền thông đại chúng, phát triển dựa trên cơ sở tương hợp với hệ truyền hình đen trắng. Với loại tín hiệu này, tất cả các thông tin về tính màu của cảnh vật được xử lý, lưu trữ và truyền dẫn dưới một tín hiệu duy nhất, chỉ sử dụng một kênh truyền. d. Ghép phổ tín hiệu mang màu và tín hiệu chói. Hình 1.5. Phổ tín hiệu chói và tín hiệu màu cao tần Tín hiệu màu được đem đi điều chế một dao động cao tần có tần số mang fSC sao cho tín hiệu sau điều chế (gọi là tín hiệu màu cao tần) có các vạch phổ nằm đúng vào vùng khe hở của phổ tín hiệu chói, khi đó tín hiệu màu và tín hiệu chói có thể phát đi trong cùng một dải tần số. Phép điều chế ở đây nhằm dịch phổ của tín hiệu màu lên phía tần số cao của tín hiệu chói, đồng thời đảm bảo cho các vạch phổ của hai loại có thể đan xen vào nhau mà không trùng pha. Tần số sóng mang phụ fSC cần phải thỏa mãn là fSC phải ở miền tần số cao của phổ tần tín hiệu chói nhưng phải nhỏ hơn tần số cao nhất của phổ tần tín hiệu chói. Điều anỳ để giảm chi tiết nhiễu trên ảnh. Bên thu chỉ cần dùng một bộ lọc đặc biệt có dạng thông dải hoặc đặc tính lược có thể tách riêng tín hiệu màu cao tần ra khỏi tín hiệu chói. 1.2.7. Bộ lập mã màu và bộ giải mã màu ở khối bộ lập mã màu, từ ba thành phần tín hiệu màu cơ bản E’R, EG, E’B được đi qua các bộ ma trận, bộ trễ, bộ lọc thông thấp, điều chế và bộ cộng để tạo thành một tín hiệu mã hóa tại đầu ra. Ma trận Bộ cộng Trễ LPF LPF Tín hiệu mã hóa Điều chế R - Y Điều chế R - Y E’Y E’R-Y E’R-Y E’R E’B E’G Tạo sóng mang phụ Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ lập mã màu. ở khối bộ giải mã màu, các quá trình được tiến hành ngược lại, từ một tín hiệu mã háo ở đầu giải mã ra thành các tín hiệu màu cơ bản E’R, E’G, E’B tại đâu ra. Trễ LPF LPF Tín hiệu mã hóa Điều chế R - Y Ma trận E’R E’B E’G E’Y E’R-Y E’R-Y Điều chế R - Y Hình 1.7. Sơ đồ khối bộ giải mã màu 1.2.8. Đo kiểm tra tín hiệu truyền hình màu Tín hiệu kiểm tra được dùng phổ biến là tín hiệu để tạo ra ảnh kiểm tra gồm 8 sọc màu dọc (ba màu cơ bản máy thu hình màu và các màu phụ của nó, màu trắng chuẩn và màu đen) được sắp xếp theo trình tự: trắng, vàng, lơ, lục, tím mận, đỏ, lam, đen. Với cách sắp xếp nưh vậy thì giá trị tín hiệu sẽ tăng dần từ trái sang phải, thuận tiện cho việc kiểm tra, điều chỉnh hàng loạt thông số của đường truyền (đặc biệt là đặc tuyến biên độ) và việc cân bằng trắng. Mỗi dạng sọc màu được biểu diễn bằng 4 giá trị số: mức tín hiệu màu cơ bản khi truyền sọc tín hiệu trắng và sọc tín hiệu đen, tín hiệu màu cơ bản khi truyền sọc tín hiệu màu ứng với mức nhỏ nhất và lớn nhât.s Một số kết luận về kiểm tra tín hiệu màu: ã Các tín hiệu E’R, EG, E’B và E’y là đơn cực (chỉ có một cực tính). ã Các tín hiệu màu là lưỡng cực. ã Trị trung bình của các tín hiệu màu bằng "không". ã Giá trị cực đại của tín hiệu E’R-Y và E’B-Y lớn hơn của các tín hiệu màu cơ bản. 1.3. Các hệ truyền hình màu 1.3.1. Hệ truyền hình màu NTSC Năm 1950, hệ thống truyền hình màu NTSC (National Television Standard Commitee) được hình thành tại Mỹ có tính tương hợp đầu tiên trên thế giới. Theo hệ NTSC, tín hiệu chói được tạo ra từ ba tín hiệu màu cơ bản, được phá đi trong toàn bộ giải tần dành cho hệ thống truyền hình đen trắng thông thường và được xác định theo biểu thức: Y’ = 0,299R’ + 0,5879G’ + 0,114B’ trong đó: Y’, R’, G’, B’ là giá trị điện áp tín hiệu chói và ba màu cơ bản sau hiệu chỉnh gamma. Tần số cao nhất của tín hiệu chói là 4,20 MHz. Tín hiệu chói và hai tín hiệu mang tin tức về màu được truyền cùng lúc trên một kênh truyền. Hệ NTSC cho phép sử dụng dùng một tín hiệu màu có dải tần rộng và một tín hiệu màu có dải tần hẹp hơn, phối hợp độ rõ màu của ảnh truyền hình và khả năng chống lại các hiện tượng nhiễu giữa các tín hiệu màu sau mạhc tách sóng đồng bộ. Có thực hiện sự ghép phổ giữa tín hiệu màu và tín hiệu chói nhưng sự điều chế ở đây là điều chế vuông góc, cho phép một sóng mang phụ có thể mang đi hai tin tức độc lập (đó là tín hiệu màu). Hệ NTSC không sử dụng hệ trục (R-Y) và (B-Y) mà hai tín hiệu màu tính theo hệ tọa độ [I(E’1), Q(E’Q)]. Tín hiệu màu I, Q được tính theo biểu thức: I = (R - Y) cos330 - (G - Y) sin 330 Q = (R - Y)sin330 - (G - Y) cos 330 hay: I = 0,375 (R - Y) - 0,268 (G - Y) Q = 0,478 (R - Y) + 0,413 (G - Y) Việc xoay hệ trục 330 như trên làm giảm tối đa sự phá rối của tín hiệu sắc vào tín hiệu chói, đồng nghĩa với việc thu hẹp dải thông tín hiệu sắc càng nhiều càng tốt. Tín hiệu màu NTSC được truyền đi trên kênh sóng FCC hẹp có 4,5 MHz trong đó Y chỉ có 4,2 MHz. a. Điều chế vuông gốc Hai tín hiệu được điều biên nén vào sóng mang fSC có tần số là 3,85 MHz trước khi ghép phổ với tín hiệu chói. Hai tín hiệu màu tại đầu ra của mạch điều biên cân bằng lệch pha nhau 900, sau đó được cộng tuyến tính để tạo thành một tín hiệu màu tổng hợp cần truyền đi. Điều biên cân bằng I Dịch pha 900 độ Điều biên cân bằng I Tạo sóng mang phụ E’b E’a Ua Ub Um Hình 1.8. Điều chế vuông góc b. Sóng mang phụ Với fSC bằng một số lẻ nửa tần số dòng, phổ của tín hiệu màu sau điều chế sẽ xen kẽ với phổ của tín hiệu chói. Thông tin về màu sắc của ảnh cần truyền đi được truyền trong cùng dải phổ của tín hiệu truyền hình đen trắng. fSC = (2n + 1) (fH/2) trong đó: n là số nguyên dương; fH là tần số dòng; fSC là tần số sóng mang phụ Với hệ NTSC tiêu chuẩn có z = 525 dòng, chọn n = 286 thì tần số dòng fH = 15734,254 Hz, fSC ằ = 3,58 MHz. Với hệ NTSC có 625 dòng, fH = 15625 thì fSC ằ 4,43MH. c. Tín hiệu đồng bộ màu Tại máy thu nhận được sóng S.A.M (tín hiệu ra ở mạch điều biên nén) sẽ phải tách sóng ra để lấy lại tín hiệu bằng cách cộng thêm vào sóng S.A.M một sóng mang hình sin thuần túy với điều kiện pha của sóng sin cũng chính là pha của sóng S.A.M. Vậy để cho màu sắc của ảnh truyền hình màu không sai khác so với màu sắc của ảnh cần truyền đi, cần phải đảm bảo điều kiện tần số và pha của sóng mang phụ chuẩn được tạo ra ở máy thu hình và ở phía phát luôn bằng nhau. Tín hiệu đồng bộ màu là chuỗi xung gồm 8 đến 10 chu kỳ, có tần số đúng bằng tấn số mang màu fSC = 3,58 MHz được đặt ở sườn phía sau của các xung xóa dòng có biên độ đỉnh bằng 0,9 S (S là chiều cao xung đồng bộ dòng hình), trừ 9 dòng đầu của xung tắt mành. d. Phổ tần của các tín hiệu Dải tần của tín hiệu chói từ (0 á 4,2) MHz, của tín hiệu màu Q từ (3 á 4,2) MHz, của tín hiệu màu I từ (2,395 á 4,2) MHz. Cả hai dải biên tần của tín hiệu Q đều được truyền sang phía thu còn tín hiệu I bị nén một phần biên tần trên. e. Bộ lập mã và giải mã màu. Bộ lập mã có chức năng mã hóa 3 tín hiệu màu cơ bản R’, G’, B’ thành một tín hiệu màu đầy đủ và truyền tới máy thu hình. ở máy thu hình, khi nhận được tín hiệu màu, bộ giải mã sẽ có nhiệm vụ phân tích tín hiệu màu đó thành 3 tín hiệu màu cơ bản, đặt lên catôt của súng điện tử tương ứng trong đèn hình màu. 1.3.2. Hệ truyền hình PAL Hệ truyền hình PAL là hệ truyền hình màu do CHLB Đức nghiên cứu được công bố là hệ tiêu chuẩn từ năm 1966. Hệ truyền hình này đồng thời truyền đi tín hiệu chói và tín hiệu màu. a. Tín hiệu PAL và phương pháp điều chế Dải tần tín hiệu video hệ PAL rộng 5 MHz, tương thích với tiêu chuẩn 625/50. Hai tín hiệu màu U và V có độ rộng dải tần bằng 1,3 MHz. V = 0,877 (R - Y) = 0,615R - 0,515G - 0,100B U = 0,493 (R - Y) = -0,147R - 0,2939G + 0,437B Hệ PAL dùng một sóng mang phụ mang đồng thời hai tín hiệu mjàu U và V, sử dụng phương pháp điều chế vuông gốc và thành phần sóng mang phụ mang tín hiệu V đảo pha theo từng dòng quét. Việc đảo pha này xảy ra trong thời gian quét ngược của dòng, nhằm mục đích giảm ảnh hưởng của méo pha tín hiệu màu đến chất lượng ảnh màu được khôi phục. b. Tấn số sóng mang phụ Tần số sóng mang phụ được chọn theo công thức. trong đó: n là số nguyên dương; fSC là tần số sóng mang phụ; fH và fH tần số dòng và mành hệ PAL. Tần số sóng mang phụ phải ở miền tần số cao của phổ tần tín hiệu chói. Với hệ PAL 625 dòng, chọn n = 284, fH = 15625Hz, fV = 50 Hz, tần số sóng mang phụ fSC ằ 4,43 MHz. c. Tín hiệu đồng bộ màu Tín hiệu đồng bộ màu của hệ PAL là chuỗi xung gồm 8 đến 11 chu kỳ, có tần số đúng bằng tần số mang màu fSC được đặt ở sườn phía sau của các xung xóa dòng, pha ban đầu của tín hiệu đồng bộ màu của hệ PAL luôn thay đổi theo từng dòng để đảm nhận chức năng đồng pha giữa các chuyển mạnh điện tử. d. Bộ má hóa tín hiệu màu Các tín hiệu màu đã sửa méo gamma được đưa vào ma trận điện trở để tạo ra tín hiệu chói và hai tín hiệu màu. Các tín hiệu màu được giới hạn giải thông là 1,2MHz trước khi đưa vào bộ điều chế cân bằng tương ứng. Một sóng mang phụ tần số 4,43 MHz được đưa vào bộ điều chế U và qua bộ dịch pha ± 900 đưa vào bộ điều chế V. Bộ cộng Tín hiệu mã hóa Điều chế V Điều chế U Trễ LPF LPF E’Y E’V E’U Ma trận E’R E’B E’G Tạo đồng bộ Dịch 900 Dịch 1800 Tạo burst màu Dịch 450 Sóng mang phụ 4,43 MHz Trigơ 7,8 MHz Khóa màu Đồng bộ tổng hợp Hình 1.9. Bộ tạo mã hóa tín hiệu PAL Tín hiệu đồng màu cũng được tạo ra nhờ một bộ di pha ± 1350. Pha của tín hiệu U và tín hiệu đòng bộ màu sẽ được chuyển tại tần số fd/2 (= 7812,5 Hz). Tín hiệu Y được làm trễ để bù lại thời gian xử lý tín hiệu tại bộ lọc của tín hiệu màu. Bộ cộng sẽ phối hợp tín hiệu chói, biên của tín hiệu thành phần màu đã điều chế, tín hiệu đồng bộ đầy đủ và đồng bộ sóng mang phụ để tạo thành tín hiệu tổng hợp. e. Bộ giải mã tín hiệu màu PAL Các giải biên tín hiệu màu được tách ra nhờ bộ lọc thông dải và được đưa vào hai bộ giải điều chế và bộ tách tín hiệu đồng bộ màu. Tín hiệu đồng bộ màu được điều kiện bằng một khóa màu lấy từ tín hiệu đồng dòng. Đầu ra của tín hiệu này dùng để đồng bộ tạo sóng mang phụ. Ma trận E’R E’B E’G Lọc chắn dải 4,43 Mhz Trễ Tách đồng bộ Tạo khóa màu PLL Lọc thông dải Tạo Burst màu ằ 4,43 MHz Trễ 1TH Tách 7,8 MHz Dịch 900 Tín hiệu video tổng hợp Giải điều chế V Giải điều chế U Hình 1.10. Bộ giải mã tín hiệu PAL Sóng mang phụ có pha biến đổi theo dòng giữa các giá trị ±1350 tùy theo vectơ U. Đầu ra bộ lọc thông thấp đưa vào một bộ trễ 1TH và các bộ cộng, trừ. Tín hiệu tại đầu ra của bộ cộng chứa các biên của U. Tín hiệu tại đầu ra của bộ trừ lần lượt là các biên của tín hiệu ± V. Hai tín hiệu này được đưa vào hai bộ tách sóng đồng bộ. PHa của sóng mang phụ đưa vào bộ tách sóng U là không đổi. Pha của sóng mang phụ đưa vào bộ tách sóng V biến đổi lần lượt ± 900 theo từng dòng. Các tín hiệu hiệu màu sau tách sóng và tín hiệu chói sau bộ trễ được đưa vào ma trận để tạo lại màu cơ bản ban đầu. Có thể nhận thấy, độ phân giải màu theo chiều dọc ở hệ PAL bằng một nửa độ phân giải của thông tin chói. 1.3.3. ._.Hệ truyền hình màu SECAM Hệ truyền hình màu SECAM (Séquetiel Couleur A Mémoire) là hệ truyền hình màu đồng thời - lần lượt. Sau nhiều năm hoàn thiện, năm 1967, hệ này có thể là SECAM IIIB hay còn gọi là SECAM tối ưu. Hệ SECAM IIIB có tính chống nhiễu tương đối cao, kém nhạy với méo pha, méo pha - vi sai, mép biên độ - vi sai. a. Tín hiệu màu và phương pháp điều chế. Tín hiệu chói Y được truyền ở tất cả các dòng, có dải tần rộng 6 MHz. Hai tín hiệu hiệu màu DR và DB truyền lần lượt theo dòng quét trên hai sóng mang phụ có tần số trung tâm là fOR và fOB theo phương pháp điều tần. D’R = -1,9 (R - Y) D’B = -1,5 (R - Y) Hai tín hiệu màu này có độ rộng dải tần bằng nhau và bằng 1,3 MHz )ở mức - 3 dB). Dấu trừ trước biểu thức biểu thị bởi cực tính tín hiệu (R - Y). Chọn fORvà fOB khác nhau để tăng tính chống nhiễu mà không làm giảm hệ thống tương hợp, và tần cao làm giảm méo giao thoa giữa các tín hiệu màu ở máy thu hình. b. Làm méo tần thấp ở hệ SECAM áp dụng biện pháp làm méo dạng tín hiệu màu (gọi là méo tần thấp hay tiền nhấn) trước khi điều tần, nhằm làm tăng tính chống nhiễu của hệ thống. Mạch làm méo tần thấp được mắc trước mạhc điều tần. Thực chất của biện pháp này là tăng dần biên độ tín hiệu hiệu màu D’R và D’B mà không làm tăng độ rộng dải tần, vì đối với các ảnh màu, biên độ các thành phần có tần số càng cao thì càng nhỏ. c. Làm méo tần cao Phương pháp này làm cho biên độ tín hiệu màu càng tăng khi tần số tức thừoi của nó càng xa lệch tần số trung gian f0. Mạch làm méo tần cao mắc sau mạch điều tần. Mục đích của phương pháp này nhằm tăng tính tương hợp giữa các chi tiết màu, sự chênh lệch về độ chói và cải thiện tính chống nhiễu. d. Tín hiệu đồng bộ màu Để đảm bảo cho tín hiệu màu D’R và D’B được quét lần lượt theo từng dòng trên màn hình của máy thu hình đồng bộ với tín hiệu phát lần lượt thưo từng dòng, máy phát phải truyền đi tín hiệu đồng bộ màu. Tín hiệu đồng bộ màu bao gồm đồng bộ màu theo mành và đồng bộ màu theo dòng. e. Phổ của tín hiệu màu tổng hợp Phổ của tín hiệu màu tổng hợp bao gồm phổ tín hiệu chói Y’ và phổ tín hiệu điều tần của hai tín hiệu màu D’R và D’B. Hai tín hiệu hiệu màu đều truyền đi đầy đủ hai dải biên, biên độ của tín hiệu màu hơn biên độ của tiến hành chói. f. Tách riêng tín hiệu chói và tín hiệu màu Hệ SECAM sử dụng mạch lọc thông thấp để tách lấy tín hiệu màu và mạch lọc chắn dải để triệt tiêu tín hiệu màu đi qua kênh chói. Lọc thông thấp Lọc thông dải Trễ Utổng Ycao tần Ytần thấp Hình 1.11. Tách tín hiệu chói từ tín hiệu màu Lối ra của mạch lọc thông thấp không cho qua thành phần tần số cao hơn tần số f1, và ở lối ra của mạch cộng nhận được phổ tần tín hiệu chói từ 0 đến f2 mà không lẫn tín hiệu màu, trong đó f1 và f2 là thành phần thấp nhất và cao nhất của tín hiệu màu. h. Mã hóa tín hiệu SECAM Các màu cơ bản đã ửa méo gamma được đưa vào ma trận điện trở để tạo ra tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu. Các tín hiệu hiệu màu được giới hạn giải thông là 1,5 MHz, qua bộ tiền nhấn đưa vào bộ điều chế tần số. Đầu ra của các bộ điều chế lần lượt được chọn cho từng dòng nhờ bộ khuếch đại được điều khiển bằng tín hiệu xác định, có tần số fd /2 = 7,8125 KHz và đưa vào bộ lọc chuông. Trễ Lọc Lọc E’Y E’V E’U Ma trận E’R E’B E’G Tiền nhấn Tiền nhấn FM FM Chuyển mạch Lọc chuôngg Bộ công Tín hiệu ra Tạo đồng bộ Trigơ 7,8MHz Đồng bộ tổng hợp 15,MHz 15,MHz f0 = 4,406 MHz f0 = 4,25 MHz Hình 1.12. Bộ mã hóa SECAM Tín hiệu Y cũng được làm trễ để bù lại độ trễ của tín hiệu chói. Bộ cộng sẽ phối hợp tín hiệu chói, sóng mang màu điều tần với các biên và tín hiệu đồng bộ để tạo thành tín hiệu tổng hợp. Ma trận E’R E’B E’G E’Y D’R D’R Lọc chuông Trễ 1TH Giới hạn biên độ Giới hạn biên độ Tách sóng Tách sóng Giải tiền nhấn Giải tiền nhấn LPF 3 MHz Trễ Điều khiển chuyển mạch Dao động 7,8 MHz i. Giải mã tín hiệu SECAM Hình 1.13. Bộ giải mã SECAM Tín hiệu tổng hựp được đưa qua bộ lọc thông thấp có các suy giảm tại hai tần số 4,25 và 4,4 MHz để thu được tín hiệu chói. Tín hiệu tổng hợp qua bộ lọc thông dải và bộ lọc chuông ngược cho ta sóng mang màu và các dải biến của nó. Tín hiệu này được đưa vào chuyển mạch trực tiếp và qua dây trễ 1 TH. Chuyển mạch được điều khiển bằng xung với tần số 7,8125 kHz, để đảm bảo rằng sóng mang đưa vào bộ tách sóng là theo thứ tự đúng. Sóng mang phụ được giới hạn biên độ và đưa vào bộ tách sóng. Tín hiệu hiệu màu sau tách sóng được giải tiền nhấn, cùng với tín hiệu chói qua dây trễ, tín hiệu đồng bộ để đưa vào ma trận tạo lại tín hiệu màu cơ bản ban đầu. Để thu được ảnh truyền hình màu, tại máy thu hình phải đồng thời nhận được tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu. Tín hiệu hiệu màu thư sba là sự tổ hợp tuyến tính của hai tín hiệu màu kia. Để bổ sung tín hiệu hiệu màu bị thiếu, ở bộ giải mã màu hệ SECAM, dùng dây trễ có thời gian trễ bằng thời gian quét dòng, để sử dụng lại một lần nữa tín hiệu hiệu màu truyền ở dòng trước đó. Như vậy, dây trễ đóng vai trò một phần tử nhớ. 1.4. Hệ thống phát hình 1.4.1. Kênh truyền hình a. Dải băng tần Kỹ thuật truyền hình sử dụng một phạm vi tần số nhất định để thực hiện truyền hình quảng bá. Các chương trình truyền hình được truyền đi trên các kênh truyền hình, mỗi kênh xác định một khoảng tần số nhất định trong dải tần số sao cho phải phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế và có sự phân chia rõ ràng giữa các quốc gia. Thông thường phạm vi dải tần số được dùng cho truyền hình quảng bá từ 47 MHz cho đến khoảng 800 á 900 MHz, và đối với tiêu chuẩn khác nhau sẽ thiết lập các dải tần số khác nhau. Toàn bộ dải tần được chia thành các băng thuộc dải tần số VHF (từ 30 á 300MHz) và UHF (từ 300 á 3000 MHz). Các dải băng đó được chia thành các kênht heo một số thứ tự nhất định. Độ rộng mỗi kênh cho phép truyền một chương trình truyền hình. b. Đặc điểm kênh truyền hình Theo tiêu chuẩn của FCC, độ rộng kênh truyền hình là 6 MHz, khoảng cách sóng mang hình và sóng mang tiếng là 4,5 MHz, tần số sóng mang hình cách giới hạn dưới của kênh tần số là 1,25 MHz. Sóng mang hình được điều chế biên độ bằng tín hiệu hình, hệ số truyền công suất được xác định bằng giá trị của đỉnh xung đồng bộ. Công suất phát trung bình phụ thuộc vào nội dung bức ảnh truyền hình. 1.4.2. Mạng lưới truyền hình Trung tâm truyền hình có nhiệm vụ xây dựng các chương trình truyền hình và truyền các chương trình đó đến với người xem bằng nhiều phương tiện khác nhau. Các trung tâm truyền hình khác nhau có thể liên kết với nhau để vf xây dựng các chương trình truyền hình một cách đa dạng phong phú, phục vụ khán giả xem truyền hình với chất lượng tốt nhất. Các chương trình truyền hình được truyền đi qua các hệ thống như vệ tinh, viba, đường cáp v.v.. Cùng với công nghệ số hóa toàn cầu, mạng lưới truyền hình phát triển mạnh mẽ và rộng khắp cung cấp thông tin tới tất cả mọi người. 1.4.3. Nguyên lý máy phát hình Một hệ thống phát hình bao gồm một máy phát tạo ra thành phần sóng mang hình và sóng mang tiếng, bộ lọc để loại bỏ dải biên tần thấp, một bộ phối hợp để kết hợp sóng mang hình và sóng mang tiếng, hệ thống anten để bức xạ tín hiệu đã được điều chế ra không gian. Máy phát vô tuyến truyền hình có nhiệm vụ phát đi đồng thời tín hiệu hình ảnh và tín hiệu âm thanh ra một anten chung. Kết cấu của máy có thể chia làm hai loại: máy phát hình và máy phát tiếng. Theo các tiêu chuẩn quốc tế hiện nay thì máy phát hình sử dụng điều chế biên độ, còn máy phát tiếng sử dụng điều chế tần số. Do tín hiệu hình có dải tần khá rộng và có dạng phức tạp, bao gồm cả thành phần một chiều nên bộ điều chế trong máy phát hình có kết cấu đặc biệt. Vấn đề hiệu chỉnh để chống các loại nhiễu phát sinh trong máy phát và hệ thống truyền tín hiệu cũng rất phức tạp. Tín hiệu tiếng Tín hiệu hình Điều chế tiếng Bộ điều chế kích thích Khuếch đại công suất trung gian Khuếch đại công suất cuối Bộ phối hợp Anten Hình 1.14. Sơ đồ khối máy phát hình Cấu tạo của máy phát hình phụ thuộc vào dải tần làm việc và hệ số khuếch đại công suất. ở sơ đồ khối của máy phát hình, bộ điều chế kích thích là thành phần quan trọng nhất của máy phát hình. 1.4.4. Anten phát hình Nhiệm vụ của anten là chuyển đổi năng lượng điện từ đầu ra máy phát hình bức xạ điện từ trong không gian. Tham số cơ bản của anten là tính định hướng theo phương ngang và phương thẳng đứng, độ tăng ích, sự phân cực, trở kháng, vào dải thông và khả năng truyền tải công suất. Các anten truyền hình luôn nhằm tăng cường độ tín hiệu truyền hình trên bề mặt trái đất với công suất bức xạ tối thiểu trong không gian và độ tập trung vào gốc cần hướng tới hay ở dưới đường chân trời. 1.5. Máy thu hình Nhiệm vụ của máy thu vô tuyến truyền hình là tiếp nhận tín hiệu cao tần cảm ứng trên anten, khuếch đại và biến đổi tín hiệu đố thành tín hiệu hình ảnh và tín hiệu âm thanh, khôi phục hình ảnh và âm thanh đã phát đi. 1.5.1. Sơ đồ khối máy thu hình màu AFT (Automatic Fine Tuning): Mạch tự động tinh chỉnh tần số. VIF (Video Intermedium Frequency): Khối khuếch đại trung tần. SIF (Sound Intermedium Frequency): bộ khuếch đại trung tần đường tiếng. Gồm các khối như khối chọn kênh, đường tiếng, đường hình, kênh chói, tín hiệu màu, kênh màu, khối đồng bộ màu, khối quét mành, mạch tạo dòng điện hội tụ, mạch cân bằng trẳng, mạch khử từ, làm sạch màu, nguồn cung cấp cho máy thu hình màu. Sơ đồ khối máy thu hình màu hình 1.15. Hình 1.15 Sơ đồ khối máy thu hình màu 1.5.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của máy thu hình Dải tần số làm việc và kênh sóng: máy thu hình làm việc trên dải tần VHF gồm 12 kênh sóng, còn nếu làm việc trên dải tần UHF thì gồm 47 kênh sóng. Độ nhạy: được đánh giá bằng mức tín hiệu vào máy thu cần thiết để trên lối ra bộ khuếch đại tín hiệu hình đạt được tỉ số S/N quy định (thường là 20dB). Độ nhạy phụ thuộc vào bộ khuếch đại của các khối trong máy thu, mức nhiễu của các khối và dải thông của toàn máy. Độ chọn lọc: được đánh giá bằng tỉ số độ khuếch đại giữa tín hiệu cần thu và tín hiệu của các vùng lân cận. Dải thông: quyết định độ rõ của ảnh truyền hình. Dải thông của các máy thu hình tốt chỉ đạt gần 6MHz mức - 6 dB. Ngoài ra còn nhiều chỉ tiêu cơ bản có thể đánh giá chất lượng máy thu hình như: độ nhạy của đường tiếgn, độ chọn lọc đối với tần số ảnh hay với nhiễu tần số trung tần, phạm vi biến đổi tương phản, méo hình học v.v... 1.5.3. ống thu hình màu Đèn hình màu là thiết bị biến đổi tín hiệu điện chứa thông tin màu của ảnh thành hình ảnh màu và hiển thị lên màn hình. Trong các máy thu hình hiện nay, để tổng hợp hình ảnh, đều sử dụng phương pháp trộn không gian đồng thời và thực hiện tại một đèn hình màu. ở cổ đèn hình màu bố trí một súng điện tử để tạo ra ba tia điện tử. Màn huỳnh quang của đèn hình màu gồm vô số điểm hoặc sọc huỳnh quang có thành phần hóa học khác nhau. Mỗi điểm hoặc sọc chỉ phát ra một trong ba màu cơ bản tùy thuộc vào thành phần hóa học của chất huỳnh quang phủ lên đó. Diện tích các điểm hoặc sọc này và khoảng cách giữa chúng khá nhỏ. Chúng được sắp xếp gần nhau và xen kẽ theo một trình tự nhất định. Hiện nay, các máy thu hình màn đều sử dụng lại đèn hình màu 3 súng điện tử như: đèn hình màu màn dạng điểm, đèn hình màu Trinitron, đèn hình màu PIL v.v.. a. Đèn hình màu màn dạng điểm Ưu điểm: việc trộn màu hoàn hảo vì 3 điểm RGB xếp thành tam giác đều đến mắt với các góc độ như nhau; độ tinh màu cao vì có khoảng hở thấm quang (không phát quang khi bị điện trở chạm vào giữa các điểm phosphor RGB). Nhược điểm: cơ cấu hội tụ ba tia điện tử vào bộ ba sẽ rất khó và phức tạp, kết quả không thể hoàn toàn đúng tuyệt đối; hiệu suất vì để hiệu chỉnh được dễ dàng, diện tích các tia phải lớn hơn lỗ thủng; hiệu suất đèn hình màu giảm do không tận dụng hết diện tích màn ảnh để tạo ánh sáng, màn hình mau già và tuổi thọ kém. b. Đèn hình màu Trinitron Ưu điểm: loại bỏ gần như hoàn toàn việc hiệu chỉnh hội tụ, mạch hội tụ điện tử còn lại đơn giản, ít tốt kém; hiệu suất cao trong khi ống phóng tia không cần phải khỏe. Nhược điểm: độ tinh màu theo chiều dọc kém vì để tận dụng hiệu suất của đèn, đường quét dòng bên trên có thể bị nhòe vào đường quét dòng bên dưới; sự trộn màu không hoàn hảo vì điểm tam xếp thẳng hàng, góc độ đến mắt người của 3 màu RGB không đồng đều. c. Đèn PIL (Precision In Line) Ưu điểmL màn hình sáng, từ trường trái đất ít ảnh hưởng đến độ sạch màu trên toàn bộ màn; ít cơ cấu điều chỉnh phụ, sử dụng đơn giản. Nhược điểm: hiệu suất thấp. Chương 2 Tổng quan về truyền hình số và ảnh số 2.1. Hệ thống truyền hình số Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình trên kênh thông tin, mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị. Do có những ưu việt hơn so với tín hiệu tương tự, như tạo, xử lý tín hiệu, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng ảnh, tín hiệu số đang thay dần, hoặc hoàn toàn tín hiệu tương tự trong một số thiết bị. Vì vậy, xu hướng chung cho sự phát triển ngành công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt được sự thống nhất toàn cầu, đó là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Biến đổi A/D Biến đổi D/A Nén Ghép kênh Tách kênh giải nén Mã hóa kênh Giải mã hóa kênh Điều chế Giải điều chế Kênh thông tin Thiết bị phát Thiết bị thu Tín hiệu truyền hình analog Tín hiệu truyền hình analog Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số. Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Trong thiết bị mã hóa (biến đổi A/B), tín hiệu hình sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được hệ thống truyền hình lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số được đưa đến thiết bị phát, sau đó qua kênh thông tin và lại được đưa tới thiết bị thu. Tại thiết bị thu, tín hiệu được xử lý ngược lại với quá trình xử lý tai phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa và giải mã tín hiệu truyền hình. Truyền hình số là một ngành công nghiệp phát triển rất nhanh trong thập kỷ qua 20, nó được thừa hưởng những kỹ thuật tiên tiến từ nhiều lĩnh vực khác nhau. Kỹ thuật số là một ngoại lệ. 2.2. Đặc điểm của truyền hình số Yêu cầu về băng tần: là một sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Tín hiệu số có băng tần rộng hơn. Ví dụ như đối với hệ NTSC, tần số lấy mẫu là 14,4 MHz, nếu thực hiện mã hóa với những từ mã dài 8 bit, tốc độ dòng bít sẽ là 115,2 Mbit/s, độ rộng băng tần khoảng 58 MHz. Trong khi đó tín hiệu tương tự cần một băng tần 4,25 MHz. Nếu có thêm các bít sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa. Thực tế thì độ rộng băng tần có thể giảm nhờ kỹ thuật nén băng tần. Tín hiệu số có ưu điểm lớn ở khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi. Với tín hiệu số, nhiễu là các bít lỗi, ví dụ như xung "on" chuyển thành xung "off". Hiện tượng nhiễu được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này các dòng bit ban đầu có thể được khôi phục. Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi. Tỉ lệ S/N (Signal/Noise) của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỉ lệ bit lõi BER (Bit Error Rate) quá lớn, làm cho các mạnh sửa lõi và che lỗi mất tác dụng. Khi đó dòng bit không còn ý nghĩa tin tức. Méo phi tuyến: Tín hiệu số không bị ảnh hưởng trong quá trình ghi và truyền bởi méo phi tuyến. Tính chất này 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 khuếch đại vi sai như hệ NTSC. Hiện tượng chồng phổ: do một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều đứng và chiều ngang, nên hiện tượng này có thể xảy ra theo cả hai hướng. Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tương tự là như nhau. Theo chiều ngang, độ lớn của méo chồng phổ phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist, hiện tượng này có thể được loại trừ bằng cách thực hiện sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự. Giá thành và độ phức tạp: các thiết bị số hiện nay có xu hướng nhỏ gọn, dễ sử dụng và giá thành rẻ. Nâng cao tính tương thích và tích hợp nhiều công nghệ cao trong một sản phẩm. Xử lý tín hiệu: Sau khi tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi A/D, tín hiệu còn lại là một chuỗi các bit "0’" và "1" nên được ứng dụng để 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 bít trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh. Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh: tín hiệu số cho phép khoảng cách này gần nhau hơn nhiều sơ với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu. Nguyên nhân là tín hiệu số khả năng thay thế xung xóa và xung đồng bộ bằng các từ mã nên ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh. Việc giảm khoảng cách kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu cho phép nhiều chương trình truyền hình được phát với độ phân giải cao HDTV như hiện nay. Hiệu ứng Ghosts (bóng ma): do tránh được nhiễu đồng kênh của hệ thống số nên được hiện tượng này cũng đã giảm đi trong truyền hình quảng bá. Với những ư điểm vượt trội về tín hiệu số, truyền hình số đang tiến tới việc thay thế hoàn toàn truyền hình tương tự, để vf với các mạng truyền thông và các ngành công nghiệp khác, tạo thành một thế giới thông tin số, phục vụ con người một cách hữu hiệu. 2.3. ảnh số Đứng trên góc độ cảm nhận của thị giác, ảnh là một sự vật đại diện cho người, sinh vật hay một đồ vật nào đó v.v... Đứng trên góc độ kỹ thuật thì ảnh được nhận biết thông qua hệ thống thị giác hai chiều. ảnh động như đã thấy trên truyền hình, phim ảnh là tập hợp của rất nhiều ảnh liên tiếp. Khi một ảnh được số hóa thì nó trở thành ảnh số và ảnh số này lại là một tập hợp của các phần tử ảnh nhỏ được gọi là điểm ảnh "pixel". Mỗi điểm ảnh lại được biểu diễn dưới dạng một số hữu hạn các bit. Ta có thể chia thành 3 loại ảnh khác nhau: ảnh đen trắng: mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 1 bit, các ảnh này đoi khi còn được gọi là Bi - level hoặc Bi - tonal images. ảnh Gray - scale: mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chói khác nhau, thường thì được biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗi điểm ảnh. ảnh màu: mỗi điểm ảnh màu được chia ra gồm 1 tín hiệu chói và các tín hiệu màu. Biểu diễn ảnh số Một mẫu tín hiệu hai chiều có thể mô tả bằng một dãy hai chiều x(n1Tv, n2TH), kí hiệu x(n1, n2). Trong đó n1, n2 là các số nguyên, Tv và TH là khoảng cách các mẫu của mành và dòng. Cường độ của tín hiệu được đặc trưng bởi độ cao của tọa độ ô (n1Tv, n2TH). Hình 2.2. Biểu diễn ảnh bằng hàm f (x,y) Đối với ảnh đen trắng thì ảnh được biểu diễn bằng một hàm cường độ sáng hai chiều f(x,y), trong đó x, y là các giá trị tạo độ không gian và giá trị f tại bất kỳ một điểm (x, y) sẽ tỉ lệ với độ sáng của ảnh tại điểm này. Đôi khi người ta còn biểu diễn hàm ảnh với một trục thứ 3 là cường độ sáng. Một ảnh số là một ảnh f(x,y) được gián đoạn theo không gian và độ sáng. Một ảnh số được xem như một ma trận với hàng và cột biểu diễn một điểm trong ảnh và giá trị điểm ma trận tương ứng mức xám tại điểm đó. Các phần tử của một dãy số như thể được gọi là các điểm ảnh (pixels). 2.4. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video 2.4.1. Tín hiệu video số tổng hợp Thực chất là việc chuyển đổi tín hiệu video tương tự tổng hợp sang video số với ưu điểm hơn về giải tần, nhưng cũng có nhược điểm của tín hiệu tổng hợp tương tự như hiện tượng can nhiễu, chói màu v.v.. Lọc thông thấp Đồng bộ Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa Tín hiệu video tổng hợp analog Tín hiệu video tổng hợp digital Hình 2.3. Biến đỏi A/D tín hiệu màu tổng hợp 2.4.2. Tín hiệu video số thành phần Thực hiện sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự thành phần sang số, quen gọi là tiêu chuẩn D - 1 hay tiêu chuẩn 4:2:2. Phương pháp này cho ta bốc độ dòng bit cao hơn nhưng lại cho phép xử lý dễ dàng các chức năng ghi, dựng, tạo kỹ xảo... với chất lượng ảnh không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu chói. Lọc thông tháp Lọc thông tháp Lọc thông tháp Đồng bộ Lấy mãu Lấy mãu Lấy mãu Lượng tử Lượng tử Lượng tử Mã hóa Mã hóa Mã hóa Tín hiệu video thành phần analog Tín hiệu video thành phần digital EB - EY ER - EY EY EB - EY ER - EY EY Hình 2.4. Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần 2.5. Chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự 2.5.1. Các tham số cơ bản Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D) có thể thực hiện chuyển đổi được. Độ chính xác của một ADC có các tham số như độ phân biệt, sai số lệch không, sai số đơn điệu, số bít, méo phi tuyến, sai số khuếch đại... Nếu ADC làm việc lý tưởng thì vẫn tồn tại sai số, đó là sai số lượng tử hóa. Sai số lượng tử hóa được gọi là sai số hệ thống củ ADC. Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, được gọi là tần số chuyển đổi fC. ở một số ADC có tốc độ cao thì phải trả giá bằng độ chính xác giảm và ngược lại. Tùy theo từng yêu cầu mà ta đáp ứng một cách cụ thể . 2.5.2. Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi tương tự - số. Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa Mạch tạo xung đồng bộ Ra Vào Hình 2.5. Sơ đồ khối mạch đổi tương tự - số Mạch lọc thông thấp: dùng để hạn chế băng tần tín hiệu vào, ngăn ngừa hiện tượng méo chéo (các tín hiệu khác nhau chồng lên nhau). Mạch tạo xung đồng hồ: dùng để lấy mẫu và đồng bộ tất cả các khâu trong mạch ADC. Mạch lấy mẫu: lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những điểm khác nhau, cách đều nhau và giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Mạch lượng tử hóa: làm nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu về mặt biên độ. Mạch mã hóa: kết quả lượng tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi. 2.5.3. Các phương pháp chuyển đổi tương tự - số Để tổng quát tốc độ chuyển đổi, người ta phân loại về mặt thời gian thành 4 phương pháp chuyển đổi sau đây: Biến đổi song song: tín hiệu được so sánh cùng một lúc bvới nhiều giá trị chuẩn, các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. Biến đổi nối tiếp theo mã đếm: quá trình so sánh được thực hiện lần lượt theo từng bước quy định của mã đếm, kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi. Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân: các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật nhị phân, do đó các bít được xác định lần lượt từ bít có nghĩa lớn nhất (MSB) đến các bít có nghĩa nhỏ nhất (LSB). Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp: qua mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bít đồng thời. 2.5.4. Phương pháp chuyển đổi số - tương tự. Chuyển đổi số - tương tự DAC là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N bit đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử LSB. Chuyển đổi số - tương tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi tương tự - số vì không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hóa. Mạch logic DAC Lấy mẫu Lọc thông thâp > Xung lấy mẫu Video số Video số tương tự Um Hình 2.6. Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự Mạch cơ bản của DAC bao gồm: ã Mạch số (đa hài loại D) với nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào ã Mạch giải mã số - tương tự: biến tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tương ứng dưới dạng các xung biên độ thay đổi. ã Mạch tạo xung đồng bộ: đồng bộ các quá trình trong DAC. ã Mạch lọc thông thấp: tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu. ã Khuếch đại tín hiệu video. 2.6. Camera truyền hình Chất lượng và đặc tính tự nhiên của hình ảnh trong sản xuất video được quyết định ngay tại thời hình ảnh thu được từ camera truyền hình. Bộ cảm biến là bộ phận quan trọng nhất của camera. Hầu hết tất cả các camera truyền hình đều sử dụng thiết bị ghép nối điện tích CCD làm bộ cảm biến. Hình 2.7. Sơ đồ khối camera truyền hình Thiết bị ghép nối điện tích - CDD - bao gồm mảng các hàng và các cột phần tử bán dẫn cảm quang có kích thước điểm ảnh. Khi các phần tử cảm quang bị chiếu sáng, điện tích của chúng sẽ tăng lên tương ứng với năng lượng ánh sáng chiếu vào. Thông tin này sẽ được chuyển dịch qua các phần tử liên tiếp tới đầu ra. Chức năng chuyển dịch điện tích tích được thực hiện tương tự với chức năng của chùm tia quét trong thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện. Và như vậy, ở đầu ra ta có dòng tín hiệu tương ứng với các điểm ảnh đã thu được. Thiết bị CCD sử dụng hai tia quét cùng tần số 60 Hz cho dòng quét dọc nên cho hình ảnh trung thực hơn so với thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện. Độ phân giải của CDD đạt được phụ thuộc vào số phần tử cảm quang trên một bề mặt điện tích. 2.7. Tương lai của công nghiệp truyền hình Ngành công nghệ truyền hình có xu hướng hòa nhập với các ngành công nghệ khác đề cùng tạo thành một thể thống nhất đa dịch vụ trong tương lai. Thể thống nhất này tồn tại sự hội nhập của công nghệ máy tính với công nghệ âm thanh và hình ảnh, kèm theo chất lượng phục vụ tổn thất. Thể thống nhất này sẽ phục vụ theo yêu cầu của con người một cách chính xác, nhanh chóng, hiệu quả và có tính chuyên môn hóa cao. Các dịch vụ tương tác hai chiều là yếu tố khẳng định sự phát triển trong truyền hình viễn thông. ở đây máy tính là các thiết bị xử lý thông tin trong thời gian không thực, có hiệu quả trong môi trường truyền thông tin điểm - điểm, còn truyền hình là các thiết bị xử lý thông tin trong thời gian thực cùng với dịch vụ điểm - đa điểm. Sự kết hợp của máy tính và truyền hình tạo nên một hệ thống mang nhiều lợi điểm trong mạng tổng hợp. Chính phủ Nhà cung cấp Trạm phát mặt đất Internet Trạm chuyển tiếp Trường đại học Trung tâm thương mại Mạng tổng hợp Hình 2.8. Mô hình mạng tổng hợp Truyền hình tương tác ITV là truyền hình do người xem điều khiển, kể cả khả năng thực hiện các quyết định trong và ngoài phạm vi chương trình. Tương tác trong chương trình có thể được hiểu như là sự lựa chọn các chương trình video yêu cầu (VOD), ví dụ như chọn một bộ phim khi mà người xme muốn xem, với thời gian chờ đợi ít nhất (từ vài giây đến vài phút) dưới sự xử lý thông tin giúp yêu cầu của người xem được đáp ứng ngay lập tức. Truyền hình tương tác chính là hướng phát triển của công nghiệp truyền hình, là điều mà tất cả mọi người trên toàn thế giới mong đợi được phục vụ ở một tương lai gần. chương 3 số hóa tín hiệu video 3.1. Lịch sử phát triển Video số là phương tiện biểu diễn dạng sóng video tương tự dưới dạng một dòng dữ liệu số. Thiết bị làm việc với video số có các ưu điểm sau đây: ã Tín hiệu video số không bị méo tuyến tính, méo phi tuyến và không bị nhiễu (noise) gây ra cho quá trình biến đổi tương tự - số (ADC) và số - tương tự (DAC). Điều này có thể hoàn toàn thực hiện được bằng cách xử lý và phân phối tín hiệu dưới dạng số. ã Thiết bị video số có thể hoàn toàn hoạt động của một cách có hiệu quả và kinh tế hơn so với thiết bị video tương tự. ã Tín hiệu video số có thể tiết kiệm bộ lưu trữ thông tin nhờ nén tín hiệu. Thập niên 70 bắt đầu sử dụng công nghệ video số trong studio. Lúc đầu công nghệ số được coi như là các "hộp đen số". Một hộp đen số là một thiết bị mà đầu vào là tín hiệu tương tự và đầu ra là tín hiệu số. Ví dụ như bộ sửa thời gian gốc TBC, bộ đồng bộ frame... Đến thập niên 80 thì xuất hiện máy ghi hình DVR (Digital Video Recorder) dùng băng từ dựa trên cơ sở khuyến cáo của CCIR. Tuy nhiên có nhiều dạng hộp đen số hoạt động với nhiều tiêu chuẩn, không tương quan, không tương thích dẫn đến việc kết nối giữa các hộp đen số với thiết bị tương tự hoặc thiết bị số đầu vào/đầu ra tương tự trở nên khó khăn và không thực hiện được. Ví dụ như máy tạo kỹ xảo video DVE (Digital Video Fffects), hệ thống đồ họa GS (Graphic System)... Trong thập niên 90, nổi bật lên vấn đề tiêu chuẩn hóa về video số. Với sự tham gia tích cực của tổ chức SMPTE (the Society of Motion Picture and Television Engineers) của Mỹ, nhiều tiêu chuẩn số đã ra đời. Ví dụ tiêu chuẩn video số tổng hợp (4fSC) và tiêu chuẩn nối kết số bit - nối tiếp. 3.2. Thiết bị hộp đen video số Lọc chống chồng phổ ADC Xử lý DAC Lộc khôi phục Video tương tự Video tương tự Hình 3.1. Sơ đồ khối hộp đen số Hình vẽ 3.1 là sơ đồ khối hộp đen số tiêu biểu. Tín hiệu vào là tín hiệu tương tự, được hạn chế băng tần bằng mạch lọc thông thấp LPF, rồi biến đổi tương tự - số ADC (thường gọi là bộ mã hóa Coder). Tín hiệu số (sau ADC) được đưa đến bộ xử lý số DP (Digital Processor). Tín hiệu số sau DP được dẫn đến bộ biến đổi số - tương tự (DAC), sau đó qua bộ lọc thông thấp LPF để loại bỏ các thành phần phổ cao tần và chỉ cho phép tín hiệu video tương tự đi qua (thường gọi là bộ giải mã Decoder). ở đầu ra ta chỉ có dạng tín hiệu tương tự. 3.3. Lấy mẫu tín hiệu video số 3.3.1. Lấy mẫu Lấy mẫu tín hiệu tương tự là quá trình gián đoạn (rời rạc hóa) tín hiệu theo thời gian bằng tần số lấy mẫu fsa, kết quả cho ta một chuỗi các mẫu. Tín hiệu sau khi lấy mẫu phải mang đủ thông tin của dòng tín hiệu vào. Biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ T thì thu được một chuỗi các xung hẹp với tần số mẫu được tính: fsa = 1/T trong đó: fsa là tần số lấy mẫu; T là chu kỳ lấy mẫu. Quá trình lấy mẫu tương đương với một quá trình điều biên tín hiệu (f0) trong sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu (fsa) . Quá trình điều biên tạo ra các biên tần thấp và cao. Dạng sóng lấy mẫu là hình chữ nhật, phổ của nó bao gồm các thành phần tần số lấy mẫu và các bài của nó. 0 f0 fsa-f0 fsa fsa+f0 2fsa-f0 2fsa 2fsa+f0 3fsa-f0 3fsa 3fsa+f0 Tần số Biên độ Hình 3.2. Phổ của tín hiệu lấy mẫu. Quá trình lấy mẫu được thực hiện theo định lý Nyquist: Với một tín hiệu có băng tần f0 thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số fc. fsa ³ 2fc Nếu fsa < 2fc thì sẽ xuất hiện hiện tượng méo chồng phổ (Aliasing) băng tần cơ bản. (hình 3.3). Tín hiệu video do có đặc trưng riêng, nên ngoài việc thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thỏa mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữa các hệ thống v.v.. Quá trình này phải xác đ._.ệm gần bằng dung lượng cực đại thì hệ số biến đổi DCT được lượng tử hoá ít chuẩn xác hơn. ã Quá trình giải mã Giai đoạn 1 là tách mã hoá entropy ra. Sau đó tách số hếu ảnh ra khỏi véctơ chuyển động. Số liệu sẽ được giải lượng tử hoá và biến đôi DCT ngược. Trường hợp ảnh loại I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi, sẽ nhận được ảnh đầu ra hoàn chỉnh bằng cách trên. Nó được lưu trong bộ nhớ ảnh và được sử dụng để giải mã các ảnh tiếp theo. Trong trường hợp ảnh P sẽ thực hiện giải lượng tử hoá và biến đổi DCT ngược với việc sử dụng các véctơ chuyển động và lu vào bộ nhớ ảnh sớm hơn. Trên cơ sở đó, xác định được dự báo ảnh đang xét. Ta nhận ra ảnh sau khi cộng dự báo ảnh và kết quả biến đổi DCT ngược. ảnh này cũng được lưu vào bộ nhớ để sử dụng khi giải mã các ảnh tiếp theo. Nhớ đệm Giải mã entropy Giải lượng tử hóa Biến đổi DCT ngược ồ ảnh dự báo Nhớ ảnh Nén video Số liệu điều khiển Video Hình 4.13 Giải mã MPEG 4.7.3 Tiêu chuẩn nén MPEG-2 a. Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 có sự phân lớp và là sự mở rộng cú pháp của cấu trúc MPEG-L. Nó bao gồm các chức năng của MPEG-L, có nghĩa là chúng tương hợp với nhau. Có hai hướng đi trong dòng bit MPEG-2, hoặc theo quy trình của MPEG-L hoặc theo chức năng mở rộng của MPEG-2. Chuỗi Header MPEG-1 ISO/IEC 11172-2 Chuỗi mở rộng Dòng bit Hình 4.14 Hai hướng bit trong cú pháp dòng bit MPEG-2 Hướng mở rộng phải thực hiện mọi lợi ích của MPEG- 1. Chấp nhận độ phức tạp cao. MPEG-2 có khả năng xử lý chuỗi video xen kẽ. Sơ đồ mã hoá có thể thích nghi với sự lựa chọn Field hoặc Frame trong khi MPEG-L chỉ có một mode cố định. Chuỗi video được bắt đầu mã hoá bằng Sequence Header, sau đó là chuỗi mở rộng (nếu có) và các nhóm ảnh. Nếu phần chuỗi mở rộng không được xác định (không có mã báo có thành phần mở rộng), các lớp tín hiệu tiếp theo khi đó sẽ thực hiện quy trình giông MPEG-L, đó là tương hợp thuận. Header của nhóm ảnh có chức năng tương tự nh Header của MPEG-L và không có chức năng đặc biệt trong Extension Header của GOP. Các thông số quan trọng dùng để mã hoá mở rộng được xác định nghĩa trong Extension Header của ảnh. Các lớp dưới Slice không bị ảnh hưởng đảng kể. Slice tổng quát không cần mã hóa các vùng nhất định nào đó trên ảnh cũng là một bộ phận của Extension MPEG-2. Chuỗi Header Chuỗi mở rộng GOP Header GOP mở rộng Header ảnh ảnh mở rộng Lớp Slice Lớp MB Lớp Block Hình 4.15 Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 b. Đặc tính và mức Nén MPEG-2 có chuỗi các mức (Level) và đặc tính (Profile) được dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Phân chia các cấu trúc thành các tập con gọi là Profile. Trong phạm vi mỗi Profile chỉ cho phép sử dụng các phần tử của các phần tử vừa phải trong cấu trúc tín hiệu đầy đủ. Các định nghĩa về Profile: ã Simple Profile (Profile đơn giản): số bước nén thấp nhất chỉ cho phép mã hoá các ảnh I hoặc P, việc tách ảnh loại B làm giảm bộ nhớ dùng cho giải mã chuỗi. ã Min Profile (Profile chính): cho phép sử dụng tất cả các loại ảnh nhng không tạo ra các mức bất kỳ. Chất lượng tốt hơn Profile đơn giản nhng tốc độ bit không thay đổi. ã SNR Profile Scalable (Profile nhân cấp theo SNR): tín hiệu tiêu chuẩn MPEG-2 cho phép phân cấp theo tý số tín hiệu trên tạp âm. Chuỗi ảnh có thể chia thành hai lớp phân biệt nhau về chất lượng. Lớp thấp bao gồm ảnh cơ sở, lớp cao bao gồm ảnh hoàn thiện hơn, cho phép khôi phục cùng ảnh đó nhưng chất lượng cao hơn. ã Spatially Scable Profiie (phân cấp theo không gian): chuỗi ảnh được chia ra thành hai lớp tương ưng với độ phân giải khác nhau của ảnh. Lớp thấp bao gồm ảnh có độ phân giải thấp, ví dụ như truyền hình tín hiệu tiêu chuẩn, lớp cao bao gồm ảnh có độ phân giải cao hơn, ví dụ như truyền hình độ phân giải cao (HDTV). ã High Profile (Profile cao): cho phép đối với cả hai loại thang mức và chuẩn 4:2:2 của tín hiệu video. Bao gồm toàn bộ các công cụ của Profile trước cộng thêm khả năng mã hoá các tín hiệu khác nhau cùng một lúc. Đây là hệ thống hoàn hảo được thiết kế cho toàn bộ các ứng dụng mà không bị hạn chế bởi tốc độ bit cao. Vấn đề hạn chế mức có liên quan đến độ phân giải cực đại của ảnh. Có 4 mức sau: ã Low level (mức thấp): ứng với độ phân giải của MPEG- 1 , bằng 1/4 độ phân giải truyền hình tiêu chuẩn. ã Min level (mức chính): độ phân giải truyền hình tiêu chuẩn. ã High-1440 level (mức cao): độ phân giải của HDTV với 1440 mẫu/dòng. ã High level (mức cao): độ phân giải của HDTV với 1920 mẫu/dòng. 4.8 Kỹ thuật nén Audio Kỹ thuật mã hoá nguồn sử dựng nhằm làm giảm lượng thông tin dư thừa trong tín hiệu audio. Loại bỏ các thành phần tần số không nghe thấy. Các tín hiệu nén số liệu nén audio chính bao gồm: ã Mã hoá dự đoán trong miền thời gian: phương pháp này sử dụng mã hoá sai số giữa các mã liền nhau. Thông tin audio được biểu diễn và truyền đi bằng dòng bit với tốc độ giảm xuống. ã Mã hoá trong miền tần số: kỹ thuật này sử dụng các khối mẫu audio PCM tuyến tính từ miền thời gian sang các giải băng tần khác nhau trong miền tần số. 4.8.1 Phương pháp nén không mất thông tin Nén không mất thông tin cho phép phục hồi lại các tín hiệu nh ban đầu sau khi giải nén. Phương pháp này loại bỏ dư thừa thống kê bằng cách dự đoán trước giá trị tín hiệu từ các mẫu trước. Nén không mất thông tin chủ yếu dựa vào các kỹ thuật mã hoá dự đoán trong miền thời gian: các kỹ thuật DCPM hay ADPCM, mã hoá entropy... Ngoài ra nén audio còn sử dụng khối các hệ thống điển lu động. Trong hệ thống này các giá trị nhị phân từ quá trình A/D được nhóm thành từng khối số liệu trong cả miền thời gian và miền tần số. Mỗi giá trị được biểu diễn bằng một phần định trị chính là các giá trị mẫu và một hệ số mũ thích hợp với biên độ mẫu. Đây là quá trình lượng tử hoá không đều trong đó bước lượng tử được xác định bằng số bil trong một khối. Số liệu được giảm bằng cách gửi đi giá trị mũ trên mỗi khối số liệu. A/D 16 bít Bộ đệm Cân bằng số Tính toán cân bằng Cảm nhận âm thanh Ghép kênh Tín hiệu vào tương tự 16 bit 16 bit 12 bit phần định vị Dòng bit được mã hóa 3 bit số mũ Hình 4.16 Hệ thống mã hoá điểm động khối số liệu audio 4.8.2 Phương pháp nén có mất thông tin Nén có mất thông tin dựa trên tính chất cảm thụ âm thanh của tai người. Loại bỏ thành phần không nghe thấy trong tin hiệu âm thanh. Các kỹ thuật được sử dụng bao gồm: kỹ thuật Marking (che) các thành phần tín hiệu trong miền thời gian và không gian. Mã hóa phối hợp ứng dụng cho hệ thống audio nhiều kênh. Thông tin trùng hợp giữa các kênh được loại bỏ, chúng chỉ được mã hoá một lần và khi được mã hoá chỉ rõ sẽ lặp lại ở kênh xác định náo. 4.8.3. Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 Thông tin đầu CRC Vị trí bit Hệ số cân bằng Các mẫu Số liệu phụ Lớp I Thông tin đầu CRC Vị trí bit SCIF Các mẫu Số liệu phụ Lớp II Thông tin đầu CRD Thông tin phụ Các bit dự trữ Lớp III Hệ số cân bằng Hình 4.17 Dạng dòng số liệu của các lớp audio MPEG Ba lớp tiêu chuẩn MPEG audio đáp ứng cho các chế độ khác nhau gồm: ã Chế độ mono: Chỉ có một kênh. ã Chế độ dua mono: Có hai kênh độc lập. ã Chế độ stereo: Các âm thanh nổi. ã Chế độ joint stereo: Phối hợp quan hệ giữa các kênh âm thanh nổi. Lớp I: Tốc độ 32 . 448 Kbit/s sử dụng trong các lớp audio MPEG. Lớp P: Tốc độ 32 : 384 Kbit/s sử dụng trong đĩa CD. Lớp Ш: Tốc độ 32á320 Kbit/s sử dụng trong các ứng dụng nén intemel. 4.8.4. Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 Nén MPEG-2 là mở rộng của MPEG-L. Nén MPEG-2 áp dụng cho nhiều tốc độ khác nhau. Từ 32 : l066kbit/s. Chất lượng âm thanh biến đổi tuỳ theo từng ứng dụng. Khung MPEG-2 audio được chia làm hai phần, một cho dòng bít cơ bản tương thích với.chuẩn MPEG-L (384 Khịt cho lớp P) và một dòng bit mở rộng. Với lớp Ш tại tốc độ 64kbit/s cho một kênh audio, quá trình mã hóa có thể phối hợp 5 kênh audio tạo thành dòng bit cỏ tốc độ 320 Kbit/s. Mỗi lớp tương ứng sẽ được mở rộng với các tính chất khác nhau, tần số lấy mẫu có thể được giảm một nửa mức tần số lấy mẫu của mức tiêu chuẩn MPEG- 1. Nén MPEG-2 audio cho khả năng sử dụng nhiều kênh tốc độ bit mở rộng của các kênh có thể lên tới 1 Mbit/s. Phục vụ cho các ứng dụng tốc độ cao. Các số liệu được chèn vào khoảng chứa số liệu phụ của cấu trúc khung audio MPEG-2. Chương 5 TRUYềN DẫN TRUYềN HìNH Số Trong kĩ thuật truyền hình tương tự, người ta sử dụng phương pháp điều biên (AM) hoặc điều tần (FM). Tại đâu thu sẽ được giải điều chế để tái tạo lại thông tin về hình ảnh, âm thanh ban đầu. Với truyền hình số trên mỗi kênh thông tin có thể truyền được nhiều chương trình truyền hình sau khi qua hệ thống ghép kênh dòng truyền tải. Để truyền dẫn được tín hiệu số, phải sử dụng.phương pháp mã hoá và điều chế tín hiệu số, đảm bảo tín hiệu số được truyền đến đâu thu được trung thực. 5.1. Hệ thống ghép kênh và truyền tải MPEG - 2 5.1.1. Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG-2 a. Mã hoá Để có thể truyền với độ tin cậy cao, các dòng cơ sở video, audio được đóng lại thành dòng cơ sở đóng gói PES (Packetized ES) tương ứng với các gói có độ dài thay đổi. Mỗi gói PES bao gồm một header và số liệu các dòng cơ sở. Các gói PES này được ghép kênh với nhau tạo ra dòng truyền tải TS (Transport Stream) hoặc dòng chương trình. Hình 5.1. Hệ thống ghép kênh, phân kênh MPEG - 2 b. Giải mã Gồm các quy trình ngược lại, dòng truyền tải được phân kênh để trả lại các dòng cơ sở video và dòng sơ cấp andio. Sau đó được giải mã video, audio để tạo lại tín hiệu. c Đồng bộ Đồng bộ là một vấn đề quan trọng. Đối với các bộ ghép kênh phân chia thời gian, thời gian trễ giữa bộ mã hoá và bộ giải mã thường có giá trị không đổi. Đối với các bộ ghép kênh gói nh MPEG - 2, thời gian trễ phải thay đổi theo sự thay đổi độ dài gói (nếu có) và tần số ghép kênh. Đồng bộ trong hệ thống ghép kênh MPEG - 2 được thực hiện thông qua các nhãn thời gian (Time Stamps) và các chuẩn đồng hồ (Clock Reference). 5.1.2 Cấu trúc cơ sở dòng ES Dòng cơ sở là tín hiệu gốc tại đầu ra của bộ mã hoá, chứa những thông tin cần thiết giúp giúp bộ giải mã tạo lại tín hiệu hình ảnh hoặc âm thanh ban đầu. Đơn vị cơ sở của một hình ảnh là khối 8 x 8 phần tử ảnh. Hệ sô ứng với thành phần một chiều được gửi đi trước với độ chính xác cao hơn các hệ sô khác. Mã End of Block gửi sau cùng. Các Block hợp thành các Macroblock (MB), mỗi MB có một véctơ chuyển động hai chiều. Các MB hợp lại tạo thành các Slice. Slice có thể bắt đầu từ bất kì điểm nào và có kính thước tuỳ ý. Tuy nhiên, đối với tiêu chuẩn ATSC quy định Slice phải bắt đầu từ mép phía trái của hình ảnh. Nhiều Slice hợp lại tạo thành một ảnh hoặc một mành tích cực, vài ảnh tập hợp thành một nhóm ảnh (GOP). Nhóm ảnh bắt đần bằng một ảnh I. Nhiều nhóm ảnh GOP hợp lại thành chuỗi dữ liệu video. 5.1.3 Dòng cơ sở đóng gói PES Dòng cơ cơ đóng gói PES có thể tạo ra từ một trong hai bộ mã hoá là: mã hoá ứng dụng và mã hoá truyền tải. Dòng cơ sở đóng gói (PES) và dòng dữ liệu cơ sở (ES) có chiều dài vô tận được chia thành các gói có kích thước phù hợp cho từng ứng dụng. Chiều dài của gói có thể tới vài trăm Kbytes. Chiều dài cực đại của gói PES là 216 bytes. 5.1.4 Ghép kênh dòng chương trình (Program Stream MUX) Một dòng chương trình là kết quả ghép kênh một vài dòng cơ sở đóng gói sử dụng cùng một hệ thống xung nhịp thời gian (Time Clock). Dòng chương trình có thể là một dòng video có kèm audio hoặc một chương trình nhiều kênh audio. Dòng video cơ sở chia thành các đơn vị truy cập (AU - Access Unit). Mỗi AU chứa dữ kiệu đã được nén của một ảnh. Mỗi video Au là một gói chương trình (Program Stream Packet). Dòng chương trình bao gồm các gói PES có độ dài thay đổi được thiết kế để truyền trong môi trường không có tạp nhiễu. Program Stream MUX Video PES Audio PES Program Stream (PS) Audio Video Audio Program Stream MUX = Ghép kênh dòng chương trình Dòng chương trình Gói PES Hình 5.2 Ghép kênh dòng chương trình và dòng chương trình 5.1.5 Ghép kênh dòng truyền tải (Transport Stream MUX) Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi và truyền các gói này đi sau khi đã cộng với dòng bit điều khiển dùng để mô tả chương trình, ta sẽ có dòng truyền tải TS. Transport Stream MUX Transport Stream (TS) PID1 PID2 PID(n-3) PID(n-2) PID(n-1) PID(n) ã ã ã Video PES Audio PES Video PES Audio PES Data Elementary Stream map (Program - map - table) Elementary Stream map = ánh xạ dòng cơ sở; Transport Stream LUX = Ghép kênh dòng truyền tải PLD = Packet ldentifcation Hình 5.3 Ghép kênh dòng truyền tải a. Cấu trúc gói truyền tải Kích thước gói truyền tải cố định và bằng 188 bytes, chia thành dữ liệu bắt đầu (header) và dữ liệu có ích (Payload). Dữ liệu bắt đầu có độ dài tối thiểu bằng 4bytes và có câu trúc sau: ã Sync byte: Byte đồng bộ được phân biệt bời bộ giải mã. ã Transport Enor Indication (1 bit). Bit này dùng để báo hiệu có lỗi gói xảy ra trên đường truyền khi tỉ lệ sai nhầm bit (BER) vợt quá giới hạn cho phép. ã Backet Identification (PID): Mã 13 bit này được sử dụng để phân biệt các loại gói khác nhau. Các dòng bit cơ sở đóng gói DES và dòng bit điều khiển được nhận biết bởi PIDs duy nhất của chúng trong giá trị đầu của mành. ã Continuity counter: Mã 4 bit này được gia tăng trị số tại mạch mã hoá mỗi khi có một gói được truyền đi. Sử dụng mã này để xác định khi có dữ liệu nào đó bị mất hoặc lặp lại. b. Hệ thống ghép các dòng truyền tải Đây là một quá trình ghép các dòng truyền tải khác nhau. Trong quá trình cộng, các dòng bit truyền tải sẽ tương ứng với việc cộng các chương trình riêng biệt và dòng bit điều khiển cấp hệ thống, được định nghĩa với PID - 0. Dòng bit này mang thông tin trong một bản tổ chức chương trình, sắp xếp các tỉ số nhận biết chương trình. Tại bên thu, các dòng bit cơ sở chỉ cần một bộ tách kênh để trích cả hai bảng tổ chức chương trình và bảng ánh xạ chương trình. c. Đặc điểm của dòng truyền tải MPEG-2 Dòng truyền tải MPEG - 2 với độ dài TS cố định, có một số những ưu điểm nôi bật sau: ã Cấp phát dung lượng động: Các gói TS với độ dài cố định tạo khả năng linh hoạt trong việc cấp phát dung lượng kênh giữa các số liệu video, audio cũng như các số liệu phụ. Mỗi gói TS được nhận dạng bởi số PID có trong TS Header. ã Khả năng co dãn: Một kênh có dải thông rộng hơn được khai thác tối đa bằng cách sử dụng nhiều dòng sơ cấp ES tại đầu vào bộ ghép kênh, hoặc ghép kênh thêm các dòng cơ bản ES này vào dòng bit ban đầu tại một bộ kênh ghép thứ hai. Tính chất nầy có giá trị khi phân phối trên mạng cũng như cung cấp khả năng liên vận hành. Khả năng liên vận hành thể hiện ở hai điểm. - Dòng truyền tải MPEG-2 có thể được truyền trên tất cả hệ thống thông tin. - Hệ thống MPEG-2 có thể truyền các dòng bit đã được tạo ra bởi các hệ thống thông tin khác. ã Khả năng mở rộng: Cấu trúc dòng truyền tải cho phép mở rộng được khả năng phục vụ tương lai. Có thể ghép thêm các dòng bit cơ sở mới mà không cần sửa đôi phần cứng phía phát, chỉ cần ghép các PID mới. ã Khả năng chống lỗi và đồng bộ: Các gói TS có độ dài không đổi tạo nền tảng cho việc kiểm soát lỗi gây ra bởi đường truyền và việc khôi phục lại đồng bộ. ã Thiết bị thu rẻ tiền: Chế tạo bộ giải mã hệ thống đơn giản. 5.2 Kĩ thuật điều chế và giải điều chế 5.2.1 Giới thiệu Khi phát một luồng số trên kênh vô tuyến, các tín hiệu băng gốc số phải được biến đổi thành các tín hiệu băng tần vô tuyến, quá trình này gọi là điều chế. Quá trình tái tạo lại tín hiệu số từ các tín hiệu trong băng tần vô tuyến gọi là dải điều chế. Quá trình điều chế bao gồm việc khoá chuyển biên độ, tần số hai pha của sóng mang tần, tại ba phương pháp điều chế để truyền dẫn số là điều biên, điều tẩn và điều pha. ã Nếu cần truyền dòng số bằng điều chế biên độ cao thấp, theo dòng tín hiệu cao thấp, theo dòng tín hiệu xung có - không thì khi đó ta sẽ chứng kiến có sự dịch chuyển biên độ sóng cao tần lúc cao, lúc thấp theo tín hiệu số cần truyền gọi là ook. ã Nếu dòng xung có - không bằng phương pháp diều tần thì lúc này ta thấy tần số sóng cao tần lúc cao lúc thấp tuỳ thuộc vào biên độ dòng xung. ã Nếu truyền xung có, không bằng phương pháp điều chế pha thì pha của sóng cao tân cũng có sự dịch chuyển. ã Mỗi phương pháp điều chế có ưu điểm riêng. Việc lựa chọn phụ thuộc vào tiềm năng thông tin, công suất phát và độ rộng kênh. Việc lựa chọn phải đảm bảo: - Tốc độ số liệu cực đại. - Xác suất lỗi cực tiểu. - Công suất phát cực tiểu. - Độ rộng kênh cực tiểu. - Khả năng chống nhiễu cực đại. - Mức độ phức tạp cực tiểu. Trong kỹ thuật truyền hình số, việc sử dụng điều chế khoá chuyển pha và khoá chuyển biên kết dụng được gọi là điều chế cầu phương hay biên độ vuông góc (QAM). 5.2.2 Phương pháp điều chế M - PSK M-PSK là phương pháp điều chế tín hiệu số. Thông tin sẽ được truyền tải đi dưới dạng các biểu trưng (Symbol). Mỗi symbol mang một thông tin của 2, 3 hoặc nhiều bit và được truyền lệch pha nhau. Số lượng bit, độ lệch pha phụ thuộc vào giá trị M. Nếu truyền dẫn M tín hiệu số riêng biệt qua một kênh hạn chế đơn biên, khi đó phương pháp điều chế là thay đổi pha sóng mang theo M bậc gián.đoạn. Với M tín hiệu số khác biệt đến từ M nguồn khác biệt, ta có lốc độ bit thấp hơn mà độ rộng băng vẫn giữ nguyên. Si(t) Acos(wSCt + 2pi/M + l) M = 2n trong đó: A là biên độ tín hiệu. wSC = 2pfCS với fSC là tần số sóng mang. M là số symbol được truyền trong một chu kỳ bit. N là một số nguyên dương bất kỳ và bằng sổ bit ímg với mỗi biểu trưng. i = 0, 1 2... M-l S(t) là tín hiệu số sau điều chế. 5.2.3 Điều chế QPSK (4 - PSK) Điều chế khoá dịch pha cầu phương QPSK - Quadrature Phase Shift Keying ứng với trường hợp M - 4. Ta có phương trình: Si(t) = Acos(wSC+ 2pi/4 + l) Bộ điều chế QPSK có sóng mang dịch pha 900. Đối với trường hợp l = 0, dạng sóng có 4 khả năng, mỗi dạng sóng được truyền đi trong khoảng TS và được biểu diễn nh sau: S0(t) = Acosw0t S1(t) = Asinw0t S2(t) = Acosw0t S3(t) = Asinw0t với 0 < t < TS 5.2.4 Điều chế M - QAM ở hệ thống M-PSK, các thành phần đồng pha và vuông góc được kết hợp với nhau được một tín hiệu tông hợp có đường bao không đổi. Nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và pha vuông góc có thể độc lập với nhau, ta được sơ đồ điều chế mới gọi là điều chế biên độ vuông góc (cầu phương) M trạng thái (M - QAM). Trong phương thức điều chế M-QAM, sóng mang bị điều chế cả pha và biên độ. Chùm tín hiệu của M - QAM bao gồm một mạng các điểm tin hình chữ nhật. Với trường hợp M - 16 (16-QAM), dạng cơ sở của chùm tín hiệu là dạng của 1 tín hiệu ASK có L trạng thái với L = 4. Tổng quát một tín hiệu điều chế 16-QAM cho phép truyền M - L2 ký hiệu độc lập nh nhau trên cùng một độ rộng băng tần của kênh cần thiết cho sơ đồ điều chế ASK M trạng thái. Dạng tổng quát của QAM - M được xác định bằng tín hiệu phát. di(t) = - trong đó: E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất. ai, bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ ý theo vị trí của điểm bản tin. T - 2Tb là thời gian của một ký hiệu. Tín hiệu Si(t) gồm hai thành phần sóng mang có pha vuông góc được điều chế bởi một tập hợp tín hiệu rời rạc có tên là "điều chế có biên độ vuông góc". Phân tích Si thành hai hàm cơ sở: Với 0 Ê t Ê T Với 0 Ê t Ê T Khi tín hiệu nhị phân số đến bộ điều chế, như với QPSK, được rẽ thành hai luồng bit riêng biệt có nửa tốc độ bit rb /2 của tốc độ luồng bit số liệu đến rb nhờ bộ biến đổi nối tiếp song song. Bộ biến đổi nối tiếp - song song làm biến đổi tín hiệu nhị phân (trong hệ thống thực tế là mã AMI hay HDB3) từ mã AMI hay HDB3 thành các digit hai cực "không trở về không" NRZ, thực hiện giả ngẫu nhiên luồng bit vào cũng nh thêm các bit mào đầu để mang thông tin của khung, bit kiểm tra chẵn lẻ. Hình 5.4 So đồ khối điều chế M - QAM Việc giải mã các kênh cơ sở được thực hiện ở đầu ra mạch quyết định, mạch này được thiết kế để so sánh tín hiệu L mức với L - 1 ngưỡng quyết định. Sau đó hai chuỗi số cơ số hai được tách ra sẽ kết hợp với nhau ở bộ biến đổi song song vào bộ nối tiếp để khôi phục lại chuỗi tín hiệu ban đầu. Khi M tăng, sự khác nhau giữa PSK và QAM M trạng thái là đáng kể. Vấn đê thiết kế tín hiệu tính toán bao hàm nhiều yếu tố nh giảm độ rộng băng tần, tăng công suất, độ phức tạp và thích ứng đối với kênh sử dụng. 5.3. Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Có ba phương pháp để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số là: ã Truyền qua cáp quang ã Truyền qua vệ tinh ã Truyền qua mặt đất 5.3.1 Truyền hình cáp Hệ thống truyền hình cáp (CATV - Community Antenna Television) xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40. Thuật ngữ CATV được dùng để chỉ chung cho các hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến. Truyền hình cáp sử dụng các kênh truyền nằm trong phạm vi dải thông ở cận dưới của băng VHF. Các kênh được chia thành các băng VHP thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng (Super banh). Truyền hình cáp vô tuyến MMDS (Multiprogram Multipoint Distribution Syslem) sử dụng môi trường truyền sóng là sóng viba tại dải tần 900 MHz. Việc triển khai mạng MMDS rất đơn giản do chỉ dùng anten nhưng có cũng nhược điểm sau: ã Hạn chế vùng phú sóng: MMDS đòi hỏi anten thu và anten phát phải nhìn thấy nhau và không có vật cản trên đường truyền. ã Chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu công nghiệp. ã Chịu ảnh hưởng bởi thời tiết: suy hao rất lớn trong không gian khi thời tiết xấu, dẫn đến giảm mạnh chất lượng tín hiệu hình ảnh tại nơi thu. ã Yêu cầu dải tần số vô tuyến quá lớn: Mỗi kênh truyền hình cần một dải tần là 8 MHz. Nếu muốn cung cấp 13 kênh truyền hình thì cần một dải thông là 104 MHz. Đây là một dải tần vô tuyến rất lớn. ã Gây can nhiễu cho các đài vô tuyến khác. ã Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số. ã Không thể cung cấp các dịch vụ hai chiều. Truyền hình cáp hữu tuyến là hệ thống mà tín hiệu truyền hình được dẫn thẳng từ trung tâm chương trình đến hộ dân bằng một sợi cáp (đồng trục, cáp quang, hoặc cáp xoắn). Về góc độ kỹ thuật, truyền hình cáp hữu tuyến có những ưu điểm vợt trội hơn so với các hệ thống truyền hình khác như: ã ít chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp:. Các sợi cáp có khả năng chống nhiễu cao hơn nhiều lần so với tín hiệu vô tuyến, đảm bảo chất lượng cho tín hiệu. ã Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến: Do là một mạng thông tin hữu tuyến riêng biệt. ã Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác. ã Có khả năng cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác. ã Ưu điểm của truyền hình cáp là có thể sử dụng các kênh kề nhau để truyền tín hiệu trong tất cả các phạm vi mà không xuất hiện hiện tượng nhiễu đồng kênh. Tuy nhiên các tín hiệu phải được điều khiển ở độ tuyến tính cao để tránh hiện tượng điều chế lơng hỗ. Cáp quang được ứng đụng rộng rãi trong công nghiệp truyền thông. Môi trường truyền của cáp quang là bức xạ hồng ngoại với các thành phần điện từ có tần số cực cao ưu điểm của hệ thống cáp quang là độ rộng dải thông rất lớn. Tín hiệu số rất phù hợp với đường truyền dẫn quang có thể truyền trong khoảng cách xa với các trạm bù, dùng phương pháp điều xung mã PCM để điều chế nguồn tín hiệu có tốc độ bít cao. Độ suy hao thấp, thời gian trễ thấp. Để truyền tín hiệu video số bằng cáp quang phải sử dụng mã kênh truyền. Tín hiệu video sau khi được biến đổi sang dạng số được mã hoá bằng mã sơ cấp. Việc sử dụng mã kênh truyền khắc phục được các nhược điểm. ã Hạn chế thành phần một chiều và thành phần tần số thấp để có thể đấu nốii tín hiệu từ mạch này sang mạch khác bằng biến áp hoặc qua tụ. ã Thuận lợi cho việc tái tạo xung nhịp ở đầu thu. ã Phát hiện lỗi. 5.3.2 Truyền hình số mặt đất Nhược điểm của phương thức truyền hình số mặt đất là: ã Kênh bị giảm chất lượng do hiện tượng phản xạ nhiều đường. ã Giá trị tạp do con người tạo ra cao. ã Do phân bố tần số khá dày trong phổ tần đối với truyền hình, giao thoa giữa truyền hình số và truyền hình tương tự là vấn đề cần phải xem xét. Sự ra đời của các chuẩn truyền hình số mặt đất nh DVB - T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) của Châu âu và ASTC (Advanced Television Systems Committee) của Mỹ đã khắc phục phần lớn các điểm bất lợi của truyền hình số mặt đất so với truyền hình vệ tinh và cáp. Truyền hình số mặt đất có hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn và chất lượng tốt hơn so với phát sóng tương tự hiện tại ã Trên dải lần của một kênh truyền số có thể phát một chương trình truyền hình độ phân tích cao HDTV hoặc nhiều chương trình có độ phân tích truyền hình thấp. ã Phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng ổn định, khắc phục được các vấn đề như hình có bóng, tạp nhiễu tạp âm. ã Dung lượng chứa âm thanh lớn. ã Có thể chuyên đổi từ phát chương trình có hình ảnh và âm thanh chất lượng cao DHVT sang nhiều chương trình chất lượng thấp hơn và ngược lại. ã Cấu trúc của hệ thống phát sóng truyền hình số trên mặt đất DTTB gồm: ã Biến đổi tín hiệu audio, video thành các dữ liệu số. ã Mã hoá nguồn dữ liệu số, thực hiện nén số ở các tỉ số nén khác nhau. ã Gói và đa hợp video, audio và các dữ liệu phụ vào một dòng dữ liệu, ở đây là dòng truyền tải MPEG - 2. ã Điều chế tín hiệu phát bằng dòng dữ liệu.Quá trình này bao gồm cả mã hoá truyền dẫn, mã hoá kênh và các kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi, chống lại suy giảm chất lượng do fading, tạp nhiễu. ã Thu: mở gói, giải mã, hiển thị và đa tiếng ra máy thu. 5.3.3. Truyền hình số qua vệ tinh Ưu điểm của hệ thống truyền hình qua vệ tinh: ã Một đường truyền vệ tinh có thể truyền các tín hiệu với khoảng cách rất Đường truyền vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình, địa vật. ã Thiết lập một đường truyền qua vệ tinh được thực hiện trong thời gian ngắn. ã Với một vệ tinh có thể đặt vô số trạm thu trên mặt đất. Ngoài ra truyền hình vệ tinh còn có khả năng phân phối chương trình với các hệ thống liên kết khác. Trong truyền hình vệ tinh, số kênh vệ tinh được thiết lập dành cho các chương trình truyền hình rất được chú ý. Các kênh sẽ được lựa chọn để phát các chương trình cố định trong ngày hay các chương trình dịch vụ. Thông tin vệ tinh được chia làm bốn loại: thông lin toàn cầu, thông tin trung khu vực, thông tin trong phạm vi quốc gia và thông tin địa phương. Trong thông tin vệ tinh toàn cầu, hệ thống thường dùng băng C để truyền tải với ba vệ tinh ở 3 vị trí khác nhau. Cũng chỉ có băng C mới có thể đáp ứng được yêu cầu phủ sóng trên diện rộng. Trong phạm vi khu vực lớn cũng sử dụng vệ tinh băng tần C. Vệ tinh băng tần K được sử dụng trong phạm vi quốc gia và cho truyền hình DBS. Hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai bộ phận chính: vệ tinh nhân tạo và hệ thống thông tin. Vệ tinh chứa các hệ thống cung cấp năng lượng cũng như bộ duy trì vệ tinh trên quỹ đạo của nó. Hệ thống thông tin có các thành phần như antenna, bộ thu, bộ chuyển đổi. Những từ viết tắt ATSC Advanced Television System Committee Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của Mỹ) C/N Carrier - to - Noiseratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm CCIR Consultative Committee on Intemational Telegraph and Telephon Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao có mã D/A Digital - to - Analogue converter Chuyển đổi số - tương tự DCT Discrete Cosine Tranform Chuyên đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Tranform Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Modulation Chuyển đổi xung mã vi sai DQPSK Differential Quadratue Phase Shift Keying Khoá dịch vi sai bốn mức DTTB Digital Terestnal Television Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số mặt đất DTV Digital Television Truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số DVB-C DVB - Cable Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB - Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB - Ten estrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất EBU The European Broadcasting Union Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu âu FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia tần số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao HL High Level Mức cao (dùng trong MPEG - 2) HP Hig Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dùng trong điều chế phân cấp) I In - phase Đồng pha (dùng trong QAM) LCI Inter Camer Interference LDFT Inverse DFT DFT ngược IFT Inverse FFT FFT ngược ISI Inner Symbol Interference Nhiễu cùng Symbol ISDB Intergeted Services Digital Broadcasting - ten estrial Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (của Nhật) ISO Intemational Standard Organisation Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU Intemational Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế JPEG Joint Photographic Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu chuẩn ảnh MB Macro Block Khối macro (dùng trong MPEG - 2) ML Main Level (dùng trong MPEG - 2) MP Main Profile (dùng trong MPEG - 2) - MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu chuẩn hình ảnh động MUX Multiplex Ghép kênh OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao PAL Phase Altemating Linh Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét) PRBS Pseudo - Ram don Binary Sequee Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân Q Quadrature phase Vuông pha (dùng trong QAM) QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc RF Radio Frequency Cao tần RS Reed - Solomon SDTV Standard Definition Television Truyền hình phân giải chuẩn SFN Single Frequency Network Mạng đơn tân số SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín nạp TDM Time Division Multiplex Ghép kênh chia thời gian TMCC Transmission and Multiplexing Configuration Control Điều khiển cấu hình ghép và truyền dẫn T Transport Stream Luồng truyền tải UHF Ultra - High Frequency VHF Very - High Frequency VSB Vertigial Side Band Biên tần cụt Tài liệu tham khảo 1 Truyền hình số Đỗ Hoàng Tiến - Vũ Đức Lý 2. Truyền hình số Ngô Thái Trị 3. Truyền hình số và HDTV Nguyễn Kim Sách 4. Các hệ màu cơ bản Nguyễn Tiến 5 . Kỹ thuật truyền hình Nguyễn Truyền Hình 6. Đo lờng truyền hình số Ngô Thái Trị 7. Thông tin khoa học truyền hình Đài truyền hình Việt Nam ._.