Truyền hình cáp

iúp kỹ thuật thông tin vệ tinh ngày càng hoàn thiện hơn. Những năm gần đây, hệ thống thông tin vệ tinh phải cạnh tranh với hệ thống thông tin quang trong kết nối điểm - điểm giữa các vùng có lưu lượng thông tin cao. Để giữ được vị trí của mình, thông tin vệ tinh cần được phát triển với những kỹ thuật mới. Vấn đề phát triển của kỹ thuật vệ tinh hiện nay là hướng tới các lĩnh vực thông tin mà chỉ có nó mới thể hiện tính ưu việt. Các ứng dụng đó bao gồm cung cấp dịch vụ trực tiếp với khách hàng thông qua trạm mặt đất nhỏ, rẻ tiền cung cấp dịch vụ di động cho tầu thuyền và máy bay hoặc các trạm di động trên mặt đất. Các dịch vụ thông tin công cộng như phát thanh truyền hình phân phối và tập hợp dữ liệu từ các đầu cuối trong rất nhiều các ứng dụng khác như phân phối truyền hình... so với cáp quang thì thông tin vệ tinh là giải pháp tốt nhất cho người sử dụng. Hiện nay thông tin điểm - điểm chủ yếu được cung cấp với INTELSAT, và INTERSPUTYK hai hệ thống này bay vòng quang trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau. Ngoài ra còn có các vệ tinh khu vực như: Aussat, Eusat, Arapsat, Palapa, Asiasat....cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dọn đường cho ngành hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên bằng các vệ tinh quỹ đạo thấp.. Ii. Đặc điểm các thông tin vệ tinh. 1. Nguyên lý thông tin vệ tinh. Một vệ tinh có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện sau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến điện đến các trạm mặt đất khác. Loại vệ tinh nhân tạo được sử dụng cho thông tin vệ tinh như vậy gọi là vệ tinh thông tin. Khi quan sát từ mặt đất, sự di chuyển của vệ tinh theo quỹ đạo bay người ta phân vệ tinh làm hai loại. + Vệ tinh quỹ đạo thấp: Là vệ tinh chuyển động liên tục so với mặt đất, thời gian cần thiết cho vệ tinh chuyển động xung quang quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay của trái đất ( dùng để nghiên cứu khoa học, quân sự... ) + Vệ tinh địa tĩnh: Là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo. Vệ tinh này bay xung quang trái đất một vòng mất 24 giờ, chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ bay của trái đất và cùng hướng (hướng đông). Bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất lên gọi là vệ tinh địa tĩnh. Nếu dùng 3 vệ tinh địa tĩnh được đặt cách đều nhau trên xích đạo thì có thể thiết lập được thông tin hầu hết các vùng trên quả đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới. Cấu hình khái quát của hệ thống vệ tinh gồm: + Một vệ tinh địa tĩnh ( Trên quỹ đạo ) + Các trạm mặt đất ( Các trạm này có thể truy cập đến vệ tinh ) + Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên. Đường vệ tinh đến trạm mặt đất gọi là đường xuống. Hình 1: Hệ thống thông tin vệ tinh. Như ta đã thấy thông tin vệ tinh đã phát triển và phổ biến nhanh với nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống khác và hệ thống chuyển tiếp viba là: + Có khả năng đa truy nhập + Vùng phủ sóng rộng. + Độ ổn định cao, chất lượng khả năng về thông tin bằng sóng. + Có thể ứng dụng tốt cho thông tin di động. + Hiệu qủa kinh tế cao cho thông tin đường dài, xuyên lục địa. Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh có thể bao phủ 1/3 toàn bộ bề mặt của quả đất. Bởi vậy các trạm mặt đất thuộc vùng đó có thể liên lạc với bất kỳ một trạm mặt đất nào thuộc vùng phủ sóng thông qua vệ tinh thông tin. Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng nó tới cực đại gọi là đa truy nhập. Đa truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất. Yêu cầu đối với đa truy nhập: không để nhiễu giữa các trạm mặt đất. Vì vậy phải phân chia tần số thời gian ( không gian ) của sóng vô tuyến điện để truyền tin tức và thông tin phải phân phối tần số, các khe thời gian một cách thích hợp cho từng trạm mặt đất. Đa truy nhập có thể phân ra 3 dạng sau: (Theo quan điểm ghép sóng mang): FDMA: Prequency Divvision Multiple Access. TDMA: Time Division Multiple Access CDMA: Code Division Multiple Acces FDMA: Là loại đa truy nhập được dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh. Các trạm mặt đất riêng phát đi các sóng mạng với tần số khác với các băng tần bảo vệ thích hợp sao cho các băng tần không chồng lẫn lên nhau. TDMA: Một khung TDMA đựơc chia ra theo thời gian sao cho mỗi trạm mặt đất phát đi tần số sóng mang như nhau trong một khe thời gian đã được phân trong một chu kỳ thời gian nhất định. Yêu cầu ở TDMA: Sóng mang phát đi từ mỗi trạm mặt đất phải được điều khiển chính xác sao cho sóng mang của chúng nằm trong khoảng thời gian được phân phối bằng cách: + Truyền tín hiệu một cách gián đoạn + Dự phòng một khoảng thời gian bảo vệ giữa các đài phát gián đoạn sao cho chúng không bị chồng lấn bên nhau vì thế phải có một trạm chuyển để phát đi tín hiệu chuẩn Hình 2.1: Khung FDMA. Hình 2.2: khung TDMA. CDMA: Là một phương pháp đa truy nhập, trong đó mỗi trạm mặt đất phát đi một tần số sóng mang như nhau, nhưng sóng mang này trước đó đã được điều chế bằng mẫu bít đặc biệt quy định cho mỗi trạm mặt đất trước khi phát tín hiệu đã điều chế. ở loại này ngay cả khi có nhiều tín hiệu, điều chế được đưa vào một bộ phát đáp, tại trạm thu phí có thể tách tín hiệu cần thu bằng mẫu bít đặc biệt để giải điều chế. Nếu xét đa truy nhập theo phương pháp phân phối kênh thì có thể được chia ra làm hai loại: Đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập theo yêu cầu. + Đa truy nhập phân phối trước: Là phương pháp truy nhập trong các kênh vệ tinh được phân bố cố định cho các trạm mặt đất riêng, bất chấp có hay không các cuộc gọi phát đi. + Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu: là phương pháp truy nhập trong đó các kênh vệ tinh được xắp xếp loại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh được đưa ra từ các trạm mặt đất có liên quan. 2. Nhược điểm của thông tin vệ tinh: Với tổng chiều dài ở đường lên và đường xuống là 70.000km thì thời gian truyền là đáng kể gần bằng 1/4 giây, mặc dù tốc độ truyền rất cao 300.000km/s. Sóng vô tuyến bị suy hao và hấp thụ ở tầng điện ly và khí quyển đặc biệt khi trời mưa. Để khắc phục người ta thường chọn khoảng tần số bị suy hao nhỏ nhất từ (1-10) GHZ gọi là khoảng (cửa sổ vô tuyến). Khoảng tần số sử dụng nhiều hơn băng C có tần số từ 4GHZ đến 6GHZ ở giữa cửa sổ vô tuyến, hiện tại sóng vô tuyến ở băng KU từ 11GHZ đến 14GHZ bị suy hao lớn trong mưa nhưng cũng được sử dụng do hiện tại thiếu băng tần. (a) Thăng giáng điện ly (b) Suy hao do mưa (c) Các chất khí trong khi quyển (d) Thăng giang tầng đối lưu Hình 3: Suy hao của sóng vô tuyến trong khí quyển trái đất. IIi. tần số làm việc của thông tin vệ tinh 1. Khái niệm của sổ vô tuyến : Trong một số trường hợp các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển thêm vào tiêu hao truyền sóng do cự ly xa. Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị oxi hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao khoảng từ 50 đến 400km so với mặt đất. Lớp mang điện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng. Trong khí quyển, tuy ảnh hưởng của không khí, hơi nước và mưa cần phải được tính đến nhưng ở các tần số 30GHz hoặc thấp hơn có thể bỏ qua: hiện thời các tần số này đang được sử dụng cho thông tin vệ tinh. Hình 4: Hấp thụ của tầng khí quyển theo tần số. Sóng truyền đi từ vệ tinh và trạm mặt đất bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly khi tần số thấp và bị ảnh hưởng do mưa khi tần số cao. Đồ thị (hình 4) chỉ ra tính chất tiêu hao của sóng do tầng điện ly và do mưa khi tần số thay đổi.Từ đồ thị (hình 4) ta thấy các tần số nằm khoảng giữa 1GHz và 10 GHz thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa là không đáng kể. Do vậy băng tần số này được gọi là (cửa sổ tần số vô tuyến ) có nghĩa là (sóng có thể nhìn thấy). Nếu trong cửa sổ vô tuyến được sử dụng cho thông tin vệ tinh thì tiêu hao truyền lan gần như bằng tiêu hao không gian tự do, vì vậy cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định . 2. Phân định tần số. Việc phân định tần số được thực hiện theo Điều lệ vô tuyến của ITU. + Khu vực 1 gồm: Châu Âu, Châu Phi, Liên Bang Xô Viết cũ và các nước Đông Âu. + Khu vực 2 gồm: các nước Nam và Bắc Mỹ. + Khu vực 3 gồm: Châu á và Châu Đại Dương. Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với dịch vụ thông tin vệ tinh nên việc phân định tần số cho ba khu vực này thường được tiến hành với một vài ngoại lệ. 3 khu vực của ITU chi ra ở bảng sau: Bảng tên và phân loại sóng vô tuyến . Tần số No.N Dải tần số Tên băng tần (viết tắt) Phân loại theo bước sóng Sử dụng chủ yếu 1 30 - 300Hz Tần số cực kỳ thấp.(VLF) Sử dụng trong vật lý Chưa được phân định 2 300Hz-3KHz Tần số cực thấp(EHF) 3 3 - 30KHz Tần số rất thấp(VLF) Sóng Mm (chục nghìn mét) -Vô tuyến hàng hải. -TT di động hàng hải. 4 300-3000KHz Tần số thấp(LF) Sóng Km -Di động hàng không. -Vô tuyến hàng hải. 5 3 – 30MHz Tần số trung bình (MF) Sóng Hectomet (Trăm mét) -Phát thanh. -Thông tin hàng hải. -Thông tin quốc tế. 6 30-300MHz Tần số cao (HF) Sóng decamet(cỡ chục met) -Phát thanh sóng ngắn -Các loại TT di động. -Thông tin quốc tế. 7 300-3000 MHz Tần số rất cao (VHF) Sóng m -phát thanh FM và truyền hình. -Các loại TT di động. 8 3 – 30GHz Tần số cực cao (UHF) Sóng dm -Truyền hình. -các loại TT di động. -các loại TT cố định. 9 30-300GHz Tần số siêu cao (SHF) Sóng cm -TT vệ tinh và rada. -TT Viễn thông công cộng. -Vô tuyến thiên văn 10 30-300GHz Tần số vô cùng cao(DHF) Sóng mm -vô tuyến thiên văn -Rada sóng mm -Nghiên cứu và thí nghiệm Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh cố định. Việc phân định tần số cho các dịch vụ thông tin cố định nghĩa là thông tin vệ tinh giữa các điểm cố định, được trình bày ở bảng sau. (Phân định giải tần số từ 1 đến 52 GHz) trong hình này tên các băng tần như L, S Và C được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, bao gồm cả Nhật Bản và Mỹ. Tuy nhiên, đó là tên phổ thông quốc tế công nhận. Băng tần (GHz) Dịch vụ thông tin vệ tinh cố định Dịch vụ giữa các vệ tinh chung cho 3 khu vực Đường lên Đường xuống R1 R2 R3 R1 R2 R3 2,5 ~ 2,535 2,535 ~ 2,655 2,655 ~ 2,690 3,4 ~ 4,2 4,5 ~ 4,8 5,725 ~ 5 ,85 5,85 ~ 7,075 7,25 ~ 7,75 7,9 ~ 8,4 10,7 ~ 11,7 11,7 ~ 12,2 12,2 ~ 12,3 12,3 ~ 12,5 12,5 ~ 12,7 12,7 ~ 12,75 12,75 ~ 13,25 14 ~ 14,5 14,5 ~ 14,8 17,3 ~ 17,7 17,7 ~ 18,1 18,1 ~ 21,2 22,55 ~ 23,55 27 ~ 27,5 27,5 ~ 31 32 ~ 33 37,5 ~ 10,5 42,5 ~ 43,5 50,4 ~ 51,4 Tên các tần số: L: 1.0 ~ 2.0 GHz S: 2.0 ~ 4.0 GHz C: 4.0 ~ 8.0 GHz X: 8.0 ~ 12.4 GHz Ku: 12.4 ~ 18.0 GHz K: 18.0 ~ 26.5 GHz Ka: 26.5 ~ 40.0 GHz Ghi chú: R1, R2, R3 tương ứng với 3 khu vực do ITU phân định. Đ Băng C (6 /4 GHz, cho đường lên gần 6GHz và đường xuống gần 4GHz) Nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, băng tần này chỉ suy hao ít do mưa và trước đây đã được sử dụng cho các hệ thống viba dưới mặt đất. Nó được sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống thông tin khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa. Đ Băng Ku (các băng 14/12 và 14/11 GHz) Băng này đã được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng. Nó được ưa dùng hơn cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép các trạm mặt đất sử dụng được những Anten kích thước nhỏ. Đ Băng Ka (30/20GHz) Vì có tần số cao nên băng tần này cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ, sử dụng trong thông tin nội địa. Nhưng do suy hao trong mưa lớn nên giá thiết bị tương đối cao. Dù vậy ưu điểm của nó là ít gây nhiễu cho hệ thống Viba số. • Bảng sử dụng các băng tần cho thông tin vệ tinh : Băng tần Tên thông dụng Đặc tính và ứng dụng 6/4 GHz Băng C -phù hợp với thông tin vệ tinh -Dùng cho thông tin quốc tế và nội địa 14/12 GHz Băng Ku -Dùng cho thông tin quốc tế và nội địa -Bị suy hao do mưa 30/20 GHz Băng Ka -sử dụng cho thông tin nội địa -Bị suy hao nhiều do mưa Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm một vệ tinh chuyển động trên một quỹ đạo và nhiều trạm mặt đất truy cập đến nó. Cấu hình cơ bản nhất là trạm mặt đất – vệ tinh – trạm mặt đất. Đường từ một trạm mặt đất phát lên một vệ tinh được gọi là đường lên. Đường từ vệ tinh xuống một trạm mặt đất thu được gọi là đường xuống. Nói chung các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thấp hơn cho đường xuống trong một băng tần. Hình 5: Đường lên và đường xuống. 3. Độ rộng băng tần thông tin vệ tinh: Hiện nay vệ tinh thông tin đang sử dụng có dải thông 500 MHz nó được chia ra các băng tần nhỏ hơn như 36 MHz hoặc 72 MHz.Tuy có độ rộng 500 MHz song còn rất nhiều hạn chế việc tăng dung lượng vì vậy tăng độ rộng băng tần là rất cần thiết. Các kỹ thuật sử dụng lại băng tần cho phép nâng cao giá trị hiệu dụng của nó lên 2590 MHz được thực hiện băng một trong 2 cách sau đây: Ÿ Cách 1: Tái sử dụng tần số băng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ Anten, các băng tần giống nhau được phát đi bằng Anten trên vệ tinh dùng bộ phát đáp khác nhau có chùm thu và chùm tia phát không trùng tên nhau. Ÿ cách 2: Tái sử dụng tần số bằng cách chọn phân cực, các băng tần giống nhau được phát xạ do các Anten thông qua bộ đáp phát khác nhau sử dụng phân cực trực giao của các sóng điện từ. Trong thông tin vệ tinh sóng điện từ được phân cực theo hai loại sóng phân cực tròn và sóng phân cực thẳng để truyền đi trong không gian, để thu được các loại sóng có phân cực như trên thì Anten cũng phải phân cực tròn và phân cực thẳng tương ứng. IV. Cấu hình hệ thống thông tin vệ tinh Cấu hình của một hệ thống thông tin vệ tinh là trạm mặt đất-vệ tinh-mặt đất do đó được chia làm hai phần chính là phần không gian và phần mặt đất. 1. Phần không gian: Trạm vệ tinh là một vệ tinh nằm trên quỹ đạo thích hợp, vệ tinh và quỹ đạo của nó phụ thuộc vào ứng dụng cần thiết nguồn năng lượng chính cung cấp cho vệ tinh hoạt động trong không gian là năng lượng mặt trời. Sự hoạt động của vệ tinh được điều khiển bởi một đài trên mặt đất. TT&C (Telementry Tracking and Command): Phần này đóng vai trò như một trạm lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần. Trong quá trình hoạt động vệ tinh luôn được điều chỉnh để bay đúng quỹ đạo quy định. Hầu hết các vệ tinh thông tin ngày nay đều nằm trên quỹ đạo địa tĩnh, vị trí đó có độ cao khoảng 35786km trên xích đạo. 2. Phần mặt đất: Phần mặt đất hay còn gọi là các trạm thu phát trên mặt đất gọi tắt là các trạm mặt đất bao gồm: + Anten thu phát và các thiết bị điều khiển, thiết bị bám vệ tinh. + ống dẫn sóng, các bộ chia cao tần và ghép công suất. + Máy thu tạp âm thấp, các bộ điều chế và giải điều chế. + Các bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống. + Bộ khuyếch đại công suất lớn. Đường liên lạc trên hệ thống thông tin vệ tinh được mô tả theo hình dưới đây. Hình 6: Hệ thống thông tin vệ tinh. 1. BB: Băng tần cơ bản 2. MOD: Bộ điều chế 3. U/C: Bộ đổ tần tuyến nên 4. HPA: Bộ khuyếch đại công suất 5. LNA: Bộ khuyếch đại tạp âm thấp 6. D/C: Bộ đổi tần xuống 7. DEM: Bộ giải điều chế Như ta đã nói ở trên vệ tinh được gọi như một trạm lặp không gian của tuyến thông tin vô tuyến siêu cao tần có đường truyền sóng rất dài xuyên qua khí quyển vào trong vũ trụ. Chiều dài đường truyền từ Anten phát trạm mặt đất đến Anten thu trên vệ tinh khoảng 36.000km các vấn đề liên quan đến tuyến dẫn như điều chế, can nhiễu, giải điều chế, đồng bộ hai đầu thu phát. Công nghệ thiết bị truyền dẫn,... cần được cân nhắc kỹ hướng các đặc điểm riêng của truyền sóng trong thông tin vệ tinh khi thiết kế đường truyền. Hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh theo hình 4 được mô tả như sau: Tại đầu phát băng tần cơ bản (BB) như tín hiệu thoại, video, Teles...được điều chế trung tần IF (Intermediate, Frequency) sau đó được đổi lên cao tần RF (Radio Frequency) nhờ bộ đổi tần tuyến lên U/C (Up Convert) được khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ HPA (High Power Ampliyier) rồi được phát lên vệ tinh qua Anten phát ở trạm mặt đất. Tại đầu Anten thu của vệ tinh, tín hiệu thu được qua bộ khuyếch đại, qua đổi tần, khuyếch đại công tắc rồi phát xuống mặt đất nhờ Anten phát. Anten thu trạm mặt đất thu tín hiệu vệ tinh phát về, tín hiệu được qua bộ LNA (Low Noise Amplifier) tần số siêu cao được biến đổi thành trung tần IF được nhờ bộ biến đổi xuống D/C (Down Convert) sau đó được giải điều chế DEM (Demodulator) để phục hồi lại băng tần cơ bản ở trạm mặt đất đã phát. V. Kỹ thuật thông tin vệ tinh số. 1. Giới thiệu chung. Ngày nay một loại sóng mang số được ứng dụng trong thông tin vệ tinh có tên là IDR (Intermediate Digital Rate ) và việc thu phát sóng mang đó qua vệ tinh được tóm tắt như sau: - Luồng số có có tốc độ trung bình ( n ´ 64Kbps ) được đưa vào Modem IDRvà được điều chế QPSK, đầu ra Modem IDR được trung tần 140MHz. Trung tần này được đưa sang bộ biến đổi lên (U / C ) được đổi tần lên dải tần 6GHz, và được khuếch đại công suất sau đó đưa ra Anten phát lên vệ tinh. Vệ tinh thu được sau đó đổi dịch tần đi 2225MHz, khuếch đại cho tín hiệu đủ lớn rồi phát xuống trạm mặt đất bằng tuyến xuống. - Trạm mặt đất thu được sóng mang đó được bộ D / C biến đổi thành trung tần 140MHz, trung tần này được đưa vào Modem IDR để giải mã và ta thu được luồng số có tốc độ đúng bằng luồng có tốc độ đưa vào Modem IDR của trạm mặt đất đối phương. Luồng số này còn được gọi là luồng băng tần cơ bản của tín hiệu vào ra trạm mặt đất. - Tốc độ có dải rất rộng từ 64Kbps đến 44736Kbps bao gồm các loại tốc độ cơ bản sau: 64, 192, 256, 384, 5 /2, 1024, 2048, 6312, 8448, 32064, 34368, 44736 Kbps. Tốc độ đó là tốc độ luồng số đưa vào đầu Modem IDR. Các luồng thông tin có tốc độ từ 1544Kbps đến 44736 Kbps đều được thêm một cấu trúc tiếp đầu gọi là Overhead vào đầu luồng thông tin để tạo thành khung tín hiệu. Overhead chứa tín hiệu kênh đồng bộ thông tin nghiệp vụ các tín hiệu cảnh báo. Tốc độ thường là 96Kbps. - Độ rộng băng tần của sóng mang IDR điều chế QPSK gần bằng 60% tốc độ của luồng số liệu, nhưng để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ở cạnh nhau, vệ tinh thường cung cấp băng tần để truyền sóng mang số IDR bằng 70% tốc độ luồng số liệu của sóng mang. Trạm mặt đất muốn mở một sóng mang IDR có tốc độ theo yêu cầu thì sẽ được các nhà khai thác vệ tinh quy định cho trạm mặt đất đó sẽ được phát một sóng mang tại vị trí ấn định trên một bộ phát đáp của vệ tinh. 2. Tạo và xử lý tín hiệu IDR. Các sóng mang IDR được xử lý băng các IDR Modem, các Modem này nhận luồng số liệu đầu vào, tín hiệu được xử lý thành dạng thích hợp rồi được điều chế QPSK và tại đầu ra của điều chế của Modem ta thu được trung tần 140MHz, trở kháng 75W. Quá trình tạo tín hiệu và mã hoá ( phần phát ) và giải mã ( phần thu ) được mô tả như hình vẽ. Thêm tiếp đầu Mã hoá sửa lỗi PEC Mã hoá ngẫu nhiên SCRAMBLER Điều chế QPSK A B C D E Giải điều chế QPSK Tách tiếp đầu Giải mã sửa lỗi PEC Giải mã ngẫu nhiên SCRAMBLER A B C D E Hinh 7: Tạo tín hiệu, mã hoá và giải mã. Tốc độ tại các luồng số tại các điểm A, B, C, D, E như sau: Tại điểm A: tốc độ luồng số thông tin IR ( Information Rate ) hay băng cơ bản. Ví dụ: 512, 1924, 2048,…. Tại điểm B, C: tốc độ ghép Composite Rate: CR = IR + Overhead. Tốc độ truyền dẫn: Transmision Rate: R = CR / C ( C phụ thuộc vào mã sửa lỗi trước PEC 1/2 hay PEC 314 ,….) Tốc độ băng : R/2 Tại phần phát, trước tiên luồng số liệu được thêm tiếp đầu 12bit ( tốc độ 96Kbps ) như vậy tốc độ luồng dữ liệu thông tin tăng thêm 96Kbps. Sau khi qua bộ mã hoá có sửa lỗi trước PEC( Forward Error Conection ) tốc độ luồng thường tăng lên 2 lần hoặc 4/3 lần tuỳ theo ta dùng loại FEC nào ( PEC 1/2 hay 3/4 ). Tại đầu thu có dùng bộ đệm để triệt tiêu hiệu ứng Dopple là nguyên nhân gây ra sự giãn cách không đều nhau ở các bit 0 và bit 1 tại đầu thu. Do đó cần phải khắc phục bằng cách cho tín hiệu đi qua bộ nhớ đệm. Trong tài liệu này ta chỉ xét các luồng số có tốc độ từ 2048Kbps trở xuống. Vi. Các thông số kỹ thuật hệ thống vệ tinh. 1. Công suất tương đương đẳng hướng. Công suất tương đương đẳng hướng biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ vệ tinh hướng đến vùng phủ sóng. Nó được tính bằng dBw theo công thức. EIRP: 101g (P.G) dBw Ví dụ: Phát Dowlink của TDF1 có P=200w, G=10.000 Tính được EIRP = 63 dBw. Asiasat có EIRP = 37 dBw, P=8,2w. Tính được G=650 Đối với chùm phủ sóng chính có mức EIRP cực đại các biên phụ lân cận có mức nhỏ hơn 3 dB so với - 3dB của biên sóng chính. Có thể biết được thông số này trong bảng thiết kế của hãng hoặc có thể đo đạc bằng thiết bị chuyên dụng. Theo liên đoàn viễn thông quốc tế ITU quy định mức EIRP cho khu vực 3 (gồm Châu á, Châu úc, Châu Đại Dương) đối với thu TVRO là EIRP = 55dBw. ở một số nước dùng vệ tinh phát cho hệ thu trực tiếp DBS (Direct Broadcasting Satellite) như chương trình của Europ - Sat có vệt tinh TDFI của Pháp, TVSAT 2 của Đức và Intelsat của tập đoàn viễn thông quốc tế ở Mỹ thì mức EIRP = 62 ữ 65dBW. Mức EIRP của một số vệ tinh phủ sóng tại Việt Nam như sau: + Asiasat 1: EIRP = 33á35dBw. Mức cực đại của chùm sóng chính = 37dBw. + Palapa: EIRP = 32 dBw. Mức cực đại = 34 dBw. + Intelsat: EIRP = 29 dBw. Mức cực đại = 43dBw. Cho Intelsat VA, 42 dBw cho Intelsat VI. + Chinasat: EIRP khoảng 32 ữ 35dBw + Statsionar 13: EIRP có mức cực đại là 41 dBw. + Measat2: EIRP có mức cực đại là 41,5dBw. Cường độ trường tại điểm thu được tính bằng mật độ trường trên 1m2, đơn vị tính bằng dBw/m2. Để có hình ảnh tốt tại điểm thu thì mật độ trường khoảng 97,5 dB/m2, cho trạm thu cá nhân TVRO là ữ 112,5 dB/m2, cho trạm thu tập thể MATV, CATV là: -111 dB/m2 của vùng châu á, theo quy định của ITU 2. Các loại tổn hao: Năng lượng bức xạ từ Anten phát qua vệ tinh (Downlink) đã vượt qua khoảng đường tryền dài khoảng 36.000km để đến trạm thu TVRO. Trên suốt quãng đường ấy năng lượng đã bị hấp thụ và tổn hao đáng kể. + Tổn hao do môi trường truyền sóng là tổn hao môi trường tăng theo tần số bức xạ và cự ly truyền sóng. + Tổn hao ở tầng khí quyển do hơi nước trong mây, mưa hấp thụ. Tổn hao này nhỏ hơn tổn hao do môi trường nhiều lần. Giá trị tổn từ 1,5 á 4,5dB. + Tổn hao do khớp nối vào khoảng 0,5ữ2dB. Tổn hao do chưa đặt đúng tiêu cự, do phân cực chưa đúng, do mặt chảo ghồ ghề, có thể đến 3dB. 3. Độ lợi Anten: Đội lợi Anten là thông số rất quan trọng của trạm thu TVRO. Anten là phần đặt từ ngõ vào để khuyếch đại tín hiệu rất nhỏ từ picowatt đến nanowatt. Độ lợi của Anten có quan hệ với tín hiệu/tạp nhiễu, độ khuyếch đại lớn sẽ tăng tỷ số C/N. Nó quan hệ đến cấu trúc chảo Anten và nhiệt độ xung quanh chảo. 4. Tạp nhiễu: Tạp nhiễu phát sinh từ nhiều nguyên nhân. Nó xen lẫn trong tín hiệu và được khuyếch đại theo tín hiệu. Mức tín hiệu càng nhỏ thì tạp nhiễu gây nhiễu càng lớn. Khi mức tín hiệu không lớn hơn tạp nhiễu nhiều thì sẽ không thu được hình ảnh. Mức tín hiệu của vệ tinh truyền đến TVRO nhỏ thì việc giảm tạp nhiễu là rất khó khăn. Để giảm tạp nhiễu phát sinh trong không gian truyền sóng thì phải tăng công suất phát sóng và chọn dải tần thích hợp. Mức EIRP dùng cho TVRO cho phép là 55dBw với DBS là 62ữ 65dBw. Để giảm tạp nhiễu trên kênh vệ tinh lân cận và các vệ tinh khác cùng phát đồng thời các chương trình khác nhau người ta quy định. + Các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phải cách nhau 60(400km). + Tần số các kênh lân cận phải cách nhau 20MHZ. + Thực hiện phân cực trực giao hay quay vòng. Để giảm nhiễu ở các thiết bị thu TVRO cần phải chế tạo được loại có hệ số tạp nhiễu thấp, cấu trúc chảo Parabol hợp lý, lắp đặt và cân chỉnh đúng. Hệ nhiễu nhiệt được tính theo độ Kenvin (T) hay theo dB. Ví dụ: Hệ số giảm nhiễu của máy thu Fn ≈ (5ữ8) dB, riêng ở khối LNB từ (23 ữ 40) dB. 5. Các thông số đánh giá tạp nhiễu: Nhiễu do nhiệt tác động đến độ lợi và sóng mang được biểu thị bằng 2 thông số sau: Hệ số G/T: Hệ số này biểu thị ảnh hưởng nhiệt độ đến độ lợi của trạm thu, phát và Anten. Coi đó là hệ số hiệu dụng, được tính bằng dB/K. Nhiễu nhiệt này tác động và trạm phát ở mặt đất (G/T)u, vào trạm phát vệ tinh (G/T)d, vào Anten và máy thu TVRO (G/T). Thông số này có liên quan đến đường kính của Anten. Ví dụ: như đường kính Anten từ 1,8m ữ 3,6m thì G/T = (15:20dB/K.). Ngoài ra nó còn liên quan đến cường độ trường EIRP tỷ số C/N và băng tần B cảu máy thu. Ví dụ: muốn giá trị C/N = 12 dB với B =18MHZ và EIRP = 34dBw thì phải dùng Anten có đường kính 3,6m (với G/T: 20,5 dB/K) Hệ số C/T: hệ số này biểu thị ảnh hưởng nhiệt nhiễu vào chất lượng hình ảnh. Nó tác động vào trạm phát lên (C/T)u và trạm phát xuống của vệ tinh (C/T)d. Đồng thời gây nhiễu giao thoa cho sóng mang. + Tạp nhiễu trong không gian, khí quyển và thiết bị thu TVRO. Tỷ số C/N, S/N. Các loại tạp nhiễu này nằm xen lẫn trong tín hiệu của tần số sóng mang hình và tiếng. Nó là thông số rất quan trọng để đánh giá chất lượng hình ảnh và âm thanh được biểu thị bằng tỷ số C/N và S/N đơn vị tính bằng dB. Tỷ số C/N được tính tương ứng với chùm sóng chính. Nó phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: Cường độ trường, tổn hao không gian truyền vào băng thông kênh và hệ số G/T, cùng với đường kính Anten. Hai thông số này có thể tính toán hoặc đo được ở ngõ ra LNB hay tách sóng hình, ở băng thông tổng hợp BB (Base Band). Chương II: Hệ thống thu tryền hình tương tự qua vệ tinh. I. Sơ đồ khối hệ thống thu tương tự. Hình 8: Sơ đồ khối của hệ thống thu. Trạm thu hình có nhiệm vụ thu các tín hiệu từ các vệ tinh địa tĩnh, sau đó được máy thu tạp âm thấp khuyếch đại đưa đến bộ đổi tần xuống và được biến đổi ra trung tần sau đó qua xử lý tín hiệu, giải điều chế và hoàn trả lại dạng điều biên (Analog) như tín hiệu truyền hình mặt đất để khai thác tin tức và phát lại cho máy thu hình cá nhân mặt đất. 1. Anten phát thu. Năng lượng bức xạ từ Anten Parabol trạm phát có búp sóng hẹp và cường độ trường tại điểm thu cực kỳ nhỏ khoảng 1Pw hay nhỏ hơn.Để nhận được tín hiệu cực nhỏ và có búp sóng rất hẹp ấy cần phải dùng anten Parabol có độ lợi 50dB mới cấp đủ mức tín hiệu làm việc cho bộ khuyếch đại dịch tần LNB (-80dB = 10Pw). Vật liệu chế tạo Anten thường dùng là nhôm lá và lưới kim loại phủ nhựa. Lưới kim loại dùng cho băng tần C, đường kính lỗ nhỏ hơn 5mm. Còn băng tần Ku thì phải dùng Anten parabol tấm nhôm không đục lỗ. a. Hệ thống các anten parabol: Muốn thu các tín hiệu truyền hình từ các vệ tinh ở cách xa vùng phủ sóng, cường độ trường yếu thì phải dùng Anten có độ tăng ích cao. Nghĩa là đường kính chảo Anten phải lớn. An ten có đường kính lớn thì giá thành cao, khó khăn trong việc vận chuyển và lắp đặt. Hình 9: Hệ thống các Anten Parabol. LNA: Khuyếch đại nhiễu thấp PCD-Khối đồng pha cộng và dịch tần b. Khối điều chỉnh Anten: Các tín hiệu truyền từ vệ tinh được truyền với phân cực ngang hoặc đứng. Ngược lại Anten chỉ thu sóng thì dùng một loại phân cực. Để có thể thu được tất cả các chương trình tryền hình vệ tinh, giữa nguồn sóng đến và mạch dịch tần cần có thiết bị điều chỉnh phân cực của Anten ( biến đổi phân cực hình 6). Thông thường ta hay gặp bộ biến đổi phân cực hoạt động theo nguyên tắc ghép ống dẫn sóng tròn và ống dẫn sóng chữ nhật nhờ vào đầu dò (dạng đặc biệt) như hình vẽ 7. Ví dụ đầu dò trong ống dẫn sóng có thể thay đổi nhờ Motor con điều khiển đầu dò. Bằng cách trên có thể điều khiển phân cực cho Anten một cách dễ dàng, Tín hiệu điều khiển môtor (làm quay đầu dò) được tạo từ mạch Tuner vệ tinh. Hình 10. Bộ biến đổi phân cực giữa nguồn sóng và bộ dịch tần (điều khiển từ xa). Hình 11. Mặt phân cực sóng đi từ ống dẫn sóng có thanh Ferit. 2. Phễu thu sóng (Feedhorn): Phễu thu sóng gồm có phễu và ống dẫn sóng được gắn chung với bộ dịch tần LNB như hình vẽ: Hình 14: Phễu thu sóng. Vành phễu có dạng hình loa hay hình vành khuyên. Phễu hình vành khuyên được dùng phổ biến hơn hình loa. Nó được đúc bằng nhôm có từ 3 hoặc 4 vòng, lồng vào ống dẫn sóng để có thể di động theo tiêu cự cùng với ống dẫn sóng. Các vành khuyên có nhiệm vụ thu gom năng lượng phản xạ từ lòng chảo với cường độ trường rất nhỏ khoảng dưới 1pw đưa vào ống dẫn sóng. Các tia sóng tới lòng chảo rồi phản xạ lại, tập chung vào phải đặt tại tiêu điểm như hình vẽ. ống dẫn sóng có dạng hình trụ, bên trong được khoét tròn và hình chữ nhật để có thể thu được sóng điện trường và từ trường. Nó được đúc bằng hợp kim nhôm hay gang, mặt trong phải được xử lý nhẵn bóng để giảm tổn hao năng lượng nhằm phối hợp với ống dẫn sóng với que dò đặt ngay tại biến áp để truyền năng lượng tới ngõ vào LNB. 3. Khối thu vệ tinh Khối thu vệ tinh (Satellite Receiver) có chức năng biến đổi loại điều chế FM thành AM cho thích hợp với máy thu hình thông dụng. Khối thu vệ tinh được thiết kế chung trong hộp như máy ghi hình. Tại đây có thể chọn kênh vệ tinh điều khiển góc phương vị, điều khiển phân cực Anten. Hình 12: Sơ đồ khối của máy thu vệ tinh. Tín hiệu trung tần IF1 từ 0,95 ữ 2,1 GHZ (dùng cho cả băng C và Ku) đến ngõ vào có trở kháng tiêu chuẩn 75W ở mức từ -60 đến -30dBm. Từ mạch chuyển đổi phân cực bằng Diode, tín hiệu qua mạch lọc thông dải (BPF), B = 800MHZ để loại bỏ tần số gương và các kênh lân cận, đến tầng khuyếch đại IF1. Điện áp từ mạch tách sóng được đưa về AGC, tự động điều chỉnh mức tín hiệu. Tầng khuyếch đại này có thể điều chỉnh theo tần số trung tần ở ngõ vào. Trước khi trộn tần để đưa ra trung tần IF2, tín hiệu được lọc bỏ các tạp nhiễu còn lại bằng mạch lọc cộng hưởng có Diode Varicable, B =12ữ36 MHZ đến mạch khuyếch đại IF2. Tần số trung tần này không cố định mà thay đổi từ 70MHZ đến 495 MHZ. Đối với loại dịch tần hai lần, tần số này được chọn là 140MHZ và 480MHZ. Tuỳ theo mỗi nước. Độ dịch của băng tần này có thể thay đổi để làm thay đổi tỷ số C/N. Nếu mức C/N nhỏ hơn giá trị cho phép (C/N<12dB) khi tín hiệu vào yếu thì có thể giảm độ rộng B. Ví dụ: B= 30MHZ ở mức -60dB sẽ có tỷ số C/N = 13 hình ảnh tốt. Tín hiệu trung tần 2 qua mạch lọc SAW có độ dốc gần như thẳng đứng, chỉ lọc lấy đúng băng thông B=6MHZ, rồi được khuyếch đại l._.ần thứ hai. Tín hiệu này đến mạch điều chế, giải điều chế FM để cho ra tín hiệu tổng hợp ở băng tần gốc. Trước tần giải điều chế FM có đường dẫn đến mạch giải mã DMAC nếu tín hiệu phát dạng DMAC. Sau tần giải điều chế có 2 đường ra: + Đường tín hiệu Video và Audio cho ra và đưa đến TV. + Đường tín hiệu khác qua mạch giải điều chế VHF từ kênh (30ữ39) Đến 6 kênh VHF TV. Sơ đồ khối sau là mạch sử lý tín hiệu Video và Audio sau băng tần gốc BB=10Hz: 8MHz. Hình 13: Sơ đồ khối mạch xử lý số liệu Baseband. - Khối A là khối chính bao gồm tín hiệu Video và Mono Audio. - Khối B là khối phụ chỉ có tín hiệu Stereo. - Dải tín hiệu từ 10Hz : 8MHz ờ băng gốc qua bộ chia (1) tách ra 2 đường tín hiệu Video và Mono Audio. - Tín hiệu Video được lấy ra từ mạch lọc thông thấp (2) có tần số từ 0 đến 5MHz, qua mạch khuyếch đại Video (4) đưa tín hiệu VF dùng cho TV. - Tín hiệu Audio từ mạch phân nhánh (1) qua mạch lọc thông dải cho tần số tiếng (3) có 3 tần số mang 6.5 MHz, 6.6MHz và 6.65MHz (tuỳ theo hệ). đến mạch giải điều chế FM (5) qua mạch gải nhấn (6) đến mạch khếch đại tiếng (4) đưa tín hiệu AF Mono Audio ra tần khuếch đại công suất loa. Đường Stereo tiếng từ mạch phân nhánh tách ra 2 đường Left và Right. - Đường left qua mạch lọc thông dải (3) để lọc tần số mang tiếng 7.02 MHz, đến mạch dải điều chế (5) đến điểm giải nhấn được kiểm tra bằng mạch dãn (7) rồi đến mạch khuếch đại (4) để cho ra tín hiệu Left AF. - Đường Right, qua mạch lọc thông dải (3) để lọc tần số mang tiếng 7.02 MHz rồi được dải điều chế, dải nhấn, khuyếch đại để chỉ ra tín hiệu Right AF. II.CáC THÔNG Số QUAN Trọng CủA TRUYềN HìNH TƯƠNG Tự 1. Các thông số cấu trúc: Anten parabol có 3 dạng cấu trúc: đối xứng lệch tâm và phản xạ 2 lần, như hình 2. Anten đối xứng được thông dụng nhất vì dễ sản xuất, dễ lắp đặt và cân chỉnh. Các chùm sóng tới theo phương song song đập vào lòng chảo rồi được phản xạ, tập trung vào phễu thu sóng đặt tại tiêu điểm chảo. Kích thước và cấu trúc Anten quan hệ chặt chẽ với thông số của nó là độ lợi, hệ số hiệu dụng. Nó được mô tả như hình sau: DEPTH(d) DIAMETER(D) F X FOCAL POINT Hình 15: Kích thước Anten. đường kính miệng chảo Parabol ( D ). Bề sâu của lòng chảo ( d ), được tính từ tâm tới mặt miệng chảo. Tiêu cự của chảo ( F ), được tính từ tâm chảo tới tiêu điểm của nó. Ba kích thước trên có quan hệ với nhau theo công thức: F = Thông số quan trọng nhất là đường kính Anten. Đường kính D phụ thuộc vào 3 yếu tố: +Bước sóng của băng tần làm việc ở băng C và bămg Ku. + Cường độ trường EIRP tại điểm thu cho ở các Catalog của từng vệ tinh hoặc có thể được tính theo các thông số về công suất phát của vệ tinh ( P hoặc EIRP ) về khoảng cách vệ tinh đến điểm thu, về các tổn hao trên đường truyền… + Độ lợi của Anten, có thể được xác định theo cường độ trường EIRP tại điểm thu và độ nhạy ngõ vào của tầng khuếch đại dịch tần LNB. - Độ lợi Anten của băng C và Ku biến động từ 32dB đến 60dB. Với cường độ trường như ở Việt Nam ( 35dB ) thì độ lợi Anten vào khoảng 38dB có thể chấp nhận được. - Sau khi đã chọn được đường kính D ( hay mua chảo có sẵn trên thị trường ) thì chọn tỉ số F/D thích hợp. Tỉ số F/D phụ thuộc vào độ rộng của chùm sóng ở mép rìa vành chảo hay góc mở của chùm sóng phát ra từ tâm phễu hứng sóng (Feedhorn).Tỉ số F/D nhỏ có nghĩa là góc mở lớn sẽ làm tăng độ nhiễu ở mặt chảo phản xạ. Còn F/D lớn thì góc mở nhỏ và sẽ làm giảm độ nhạy của Anten. - Tỷ số này còn cho phép đánh giá được hiệu suất Anten. Thực tế cho thấy năng lượng phản xạ ở mép rìa vành chảo giảm hơn ở lòng chảo, mặc dù đã dùng 3 đến 4 vòng tròn đồng tâm góp sóng đặt ở miệng phễu, có thể điều chỉnh được. Do hiệu ứng phản xạ lại của chùm sóng nên khi chọn độ lợi cực đại thì mức năng lượng thu được ở rìa chảo sẽ nhỏ hơn 10dB so với tâm chảo, lúc này búp sóng chính sẽ thêm múi phụ. Để không có múi phụ thì năng lượng ở vành chảo sẽ nhỏ hơn tâm chảo là 20dB, lúc này độ lợi giảm. - Vì vậy tỷ số F/D thường được chọn là 0.3 đến 0.5. - Sau khi đã chọn tỷ số F/D và D đã biết thì tìm được độ sâu rồi điều chỉnh lại đôi chút trong lúc thử nghiệm. 2- Các thông số điện: Độ lợi G: thông số quan trọng của Anten là độ lợi G, nó phụ thuộc vào bước sóng và tiết diện miệng chảo ( hay đường kính D ). Hay nói một cách khác là nó phụ thuộc vào góc mở hay độ rộng của búp sóng. Độ lợi Anten được tính theo công thức gần đúng sau đây: G = a, b: là độ rộng búp sóng chính được tính mức -3dB của mặt ngang và mặt đứng của búp sóng. Đồ thị búp song chính và phụ ở hình 20 có thể minh hoạ thêm cho giá trị a, b. Giá trị này sẽ tăng lên khi: + Đường cong parabol của chảo không đúng. + Vật liệu và kết cấu Anten , bề mặt lòng chảo không tốt, gây ra nhiều búp sóng phụ, giảm định hướng búp sóng chính. + Trục chảo Anten chỉnh chưa đúng vệ tinh. + Đường kính Anten giảm, theo giá trị độ rộng của búp sóng chính đã cho ở bảng: Đường kính Anten ( m ) Độ rộng búp sóng chính ở mức -3dB (°) 0,5 1,0 1,2 1,5 1,8 2,0 2,5 3,0 3,43 1,72 1,46 1,14 0,97 0,96 0,69 0,57 Bởi vậy khi góc a, b nhỏ sẽ đồng nghĩa với tính định hướng của Anten tốt, làm tăng độ lợi và giảm được tạp nhiễu. Độ lợi còn có thể tính theo công thức bước sóng và kích thước Anten theo công thức: G = Trong đó: D : là đường kính chảo Kef : là hệ số hiệu dụng : là bước sóng làm việc Hệ số Kef thường lấy giá trị là 0.65. Nó biểu thị giá trị cho năng lượng phản xạ có ích của lòng chảo Anten. Thông số này phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Độ chính xác của mặt Parabol. + Hệ số của mặt phản xạ Parabol. + Các tổn hao trong kết cấu Anten như Feedhorn, giá đỡ, sơn phủ dày hạt bụi lớn. + Điểm hội tụ của các tia phản xạ không đúng tiêu cự. Giá trị hiệu dụng theo đường kính chảo, được tính ở băng Ku theo bảng sau: Đường kính Anten ( m ) Giá trị hiệu dụng ( % ) 55% 60% 65% 70% 75% 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5 33,4 35 37,5 39,4 41,0 42,3 42,9 33,8 35,3 37,8 39,8 41,4 42,7 43,3 34,1 35,7 38,2 40,1 41,7 43,1 43,7 34,4 36 38,5 40,5 42,3 43,7 44,3 34,7 36,3 38,8 40,8 42,3 43,7 44,3 3. Tạp nhiễu nhiệt: Tạp nhiễu phát sinh ở Anten do các nguyên nhân sau: + Do chuyển động nhiệt của các phần tử ở môi trường xung quanh Anten, gần mặt đất. + Do nhiễu các tia phản xạ ở vành chảo. + Do góc ngẩng quá nhỏ. Nhiễu nhiệt được tính theo nhiệt độ tuyệt đối qua công thức: T(0K) = Nhiệt độ nhiễu T có ảnh hưởng đến độ lợi Anten, qua tỷ số G/T. Ví dụ: Với Asiasat về các thông số đo có giá trị như sau: - Nhiễu vào sóng mang ở trạm Uplink ( C/T )u = -126dBw/K. - Nhiễu vào sóng mang ở trạm Downlink ( C/T )u = -143dBw/K. - Nhiễu giao thoa vào sóng mang ( C/T )I có giá trị nhỏ. 4. Hệ số sóng đứng S: Nguyên nhân phát sinh sóng đứng là do có một số tia sóng phản xạ ở cách xa tâm lòng chảo chênh lệch về khoảng cách với chùm sóng chính ở tâm chảo khi tập trung vào tiêu điểm. Thời gian chênh lệch ấy làm cho sai pha gây nên sóng đứng. Ngoài ra còn do lòng chảo ghồ ghề, méo mó và do giá đỡ phễu gây nên. Tỷ số cho phép không vượt quá 2.0. Giá trị làm việc trong phạm vi cho phép S = 1.5/1. Bởi vì phễu thu sóng còn thu các sóng phản xạ từ bề mặt chảo đồng thời phải phân biệt các loại sóng phân cực đứng hay ngang, vòng phải hay trái. Có thể đưa ra thông số cách ly này vào chỉ tiêu của chảo Anten. Giá trị của độ phân biệt này không nhỏ hơn 25dB. Còn một thông số nữa là độ suy hao phản xạ trở về phễu của các tia phản xạ phụ không nhỏ hơn -15dB. Điều không được quên là tín hiệu đến bề mặt chảo cực kỳ nhỏ nên cần giữ lòng chảo sạch sẽ. Với lớp bụi 0.1mm sẽ làm giảm dến 3%, hạt to đến 1mm sẽ làm giảm độ lợi đến 20%. Vật liệu làm chảo tốt nhất là nhôm, nhựa dẻo phủ nhôm hay lưới kim loại không gỉ phủ nhựa mỏng. Nó sẽ cho giá trị về độ lợi, hiệu suất và tỷ số sóng đứng tốt nhất.Dưới đây là một số sản phẩm của Nhật Bản và Đài Loan: Chảo Parabol của hãng Toshiba ( Nhật Bản ) làm việc ở băng C. Độ lợi ( dB ) Hiệu suất ( % ) Tỉ số S ở ngõ ra Anten Vật liệu chế tạo 38,05 37,5 37,50 37,25 75,60 73,90 68,10 68,90 1,20 1,25 1,18 1,18 Nhôm Lưới kim loại phủ chất dẻo Lưới nhôm phủ chất dẻo Chất dẻo phủ nhôm Chảo Parabol của hãng spacelab ( Đài Loan ) làm bằng nhôm phủ nhựa. Kiểu Thông số KSA- 3406 KSA- 3408 KSA- 3410 KSA- 3412 KSA- 3416 KSA- 3420 Đường kính (ft ) Độ lợi giữa băng ( dB ) Tỷ số F/D Tiêu cự ( inch ) 6 36 8 38 10 39,8 12 41 16 43 20 45 0,4 0,395 0,395 0,395 0,4 0,4 28,8 38,4 48 57,6 76,8 96 Phân cực Tuyến tính hay quay vòng Nhiệt độ làm việc -30°C đến +55°C Cường độ trường sẽ quyết định đến độ lợi Anten hay đường kính Anten. Theo tiêu chuẩn Anten thương mại của các nước, với mức EIRP = 32 á 36dBw thì đường kính Anten là: 2.5 á 4m. ở Việt Nam, mức EIRP = 32 á 35 dBw ( Asiasat 1 ), có thể dùng đường kính Anten có độ lợi trung bình theo bảng sau: Thông số Băng C BăngKu D ( m ) 1.2 1.8 3 0.6 1.5 G ( dB) 34 36.7 41 37 43 Thực tế cho thấy đường kính Anten 1.8m sẽ nhận được hình ảnh tốt nhất. Chương III Hệ thống thu truyền hình số qua vệ tinh I. Sơ đồ khối hệ thống thu tuyền hình số: 1. Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số. Hình16: Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số. Tín hiệu từ vệ tinh qua bộ lọc LNB tại đây được biến đổi thành L-Band sau đó biến đổi thành trung tần 480 MHz và 70 MHz. Sau đó biến đổi tương tự số, đến dải điều chế M-PSK, sau đó giải mã PEC (Viterbi) và R.S (Solomon) tách kênh dòng truyền tải MPEG, giải mã MPEG cho tín hiệu Video và Audio. Bộ vi xử lý điều khiển hoạt động toàn bộ máy thu, tại đây dữ liệu qua cổng RS -232. Hệ thống truy nhập có điều kiện và bộ đọc card thông minh cho phép tách kênh dịch cho thuê bao. Các thông số cơ bản của bộ giải mã MPEG - 2. + Tần số thu f = SHF ( MHz ), phân cực: V-H-Cycle Pohriastion. + Symbol rate + FEC: mã sửa lỗi tiến + Digital SNG = RAS code (Remote Authorisation System) + Digital Decode: M-PSK. Lưu ý: + Dùng video Guard hoặc Ras code là truy cập mã có điều kiện (Con ditional Access) + Dùng phần mềm DVB-PSI để giải mã tách ngõ ra dòng truyền tải (Transport Saream Output) 2. Điều chế Q-PSK. a. Biểu thức và cách biểu diễn tín hiệu QPSK. Trong điều chế QPSK, luồng số d(t) cần tryền sẽ được truyền đi từng bộ gồm 2 bít, mỗi bộ 2 bít này gọi là một Symbol. Mỗi Symbol như vậy có thể có 4 trạng thái khác nhau nên cần 4 tín hiệu khác nhau S1(t), S2(t), S3(t) để mã hoá, trong QPSK các tín hiệu này được chọn từ một sóng mang với 4 trạng thái pha khác nhau. Nếu gọi b0(t) là bít lẻ và be (t) là bít chẵn trong mỗi cặp bít, biểu thức QPSK có thể cho dưới dạng như bảng dưới. VQPSK (t) = .A .Cos( w0t + j(t)) Trong đó: B0(t) B0(t) j(t) 1 1 1 0 0 0 hay 0 1 hay Hình 17: Giản đồ pha của điều chế QPSK. Tuy vậy, QPSK thường được biểu diễn theo một dạng khác thuận lợi hơn cho việc phân tích. Từ giản đồ trên, có thể phân mỗi Vecter sóng mang 2 thành phần, một trên trục I và một trên trục Q. Với quy ước bo(t) và be(t) là 2 luồng bít lẻ và bít chẵn tách ra từ d(t) và có dạng NRZ với mức xung ±1 chọn trục I là trục trùng pha với sóng mang chuẩn cos (w0t) trục Q sẽ cùng pha với sin (wot+p), tín hiệu QPSK sẽ có dạng. VQPSK (t) = A. be(t). cos(w0t) + A.b0(t). Sin (w0t+ nếu chọn A= biên độ tổng hợp của QPSK sẽ là A = , công suất trung bình của tín hiệu sẽ là Ps ta viết lại: VQPSK (t) = be(t). cos(w0t) + .b0 (t).Sin (w0t+ Nếu tốc độ bít của luồng số d(t) là fb, hay thời gian của mỗi bít Tb, thời gian tồn tại của bít lẻ và bít chẵn trong các luồng bo(t) và be(t) sẽ là 2Ts hay nói cách khác thời gian tồn tại của mỗi kí hiệu là Ts = 2Tb. Như vậy có thể nói sóng mang QPSK đã dùng một năng lượng. Es = Ps.Ts =Ps.2Tb Để truyền một ký hiệu, năng lượng để truyền mỗi bít là: Eb=Ps.Ts = (do 1 symbol chứa 2bít) Trong không gian tín hiệu, do hàm cos và hàm sin trực giao với nhau nên trạng thái của tín hiệu QPSK được biểu diễn với 2 vectơ đơn vị trực chuẩn. U1 (t) = và Us (t) = Khi đó: S1(t) = S11(t) = = S2(t) = S10(t) = .U1(t) - .U2(t) = S3(t) = S00(t) = -.U1(t) - .U2(t) = S4(t) = S10 = -.U1(t) +.U2(t) = - Khoảng cách giữa hai tiêu điểm biểu diễn tín hiệu (hay các điểm trạng thái pha) gần nhất là: dm = = = = = 2 u2(t) = - u1(t) = - Hình 18: Biểu diễn tín hiệu QPSK trong không gian tín hiệu. Lưu ý: Khoảng cách gần nhất giữa các tín hiệu của QPSK tương đương với khoảng cách giữa 2 tín hiệu của BPSK nếu cả hai cùng truyền một luồng số với cùng công suất sóng mang. Điều này do sự khác biệt về thời gian chuyển trạng thái của BPSK là Tb còn QPSK là Ts = 2 Tb nên các vectơ đơn vị khác nhau. b. Phổ tín hiệu QPSK: Trong biểu thức: VQPSK(t) = A. be (t) .cos(w0t) + A.bo(t).sin (w0t+p) Có thể thấy rằng VQPSK(t) chính là tổ hợp tuyến tính của hai tín hiệu điều chế BPSK trong đó có thành phần thứ 2 dùng sóng mang sin(w0t+) thay cho Cos(w0)t, tốc độ bít của bo(t) và be(t) là Tb/2 = Ts và biên độ của mỗi thành phần là A= phổ mật độ công suất của VQPSK(t) có thể nhận được từ tổ hợp tuyến tính các phổ của các tín hiệu thành phần. Như vậy phổ của QPSK có dạng tương tự như phổ của BPSK, nhưng do fs = 1/Ts = fb/2 nên phổ mật độ công suất của VQPSK (t) hẹp hơn phổ mật độ công suất VBPSK(t) hai lần nếu truyền một luồng số có cùng tốc độ. c. Mạch điều chế và giải điều chế QPSK: Trong phần mạch giải điều chế phần tái tạo sóng mang được dùng theo kiểu tăng bậc luỹ thừa sóng mang (luỹ thừa 4) để loại ảnh hưởng của việc dịch pha do điều chế, cũng có thể tạo ra sóng mang theo nguyên lý vòng Costans. Hình 19: Sơ đồ bộ giải điêu chế QPSK. Hình 20: sơ đồ bộ giả điều chế QPSK. 3. Mã hoá MPEG-2. Tín hiệu Video và Audio lần luợt luân phiên được mã hoá MPEG-2, tạo dòng cơ sở sau đó đóng gói tạo dòng chương trình Ts hay dòng truyền tải của kênh 1. a. Cấu trúc dòng truyền tải. Hình 21: Ghép dòng truyền tải MPEG-2. Hình22: Cấu trúc dòng truyền tải TS kênh. b. Ghép dòng truyền tải nhiều chương trình: Các dòng truyền tải kênh TS1 … TSn được ghép kênh từ 4 đến 5 kênh. Thông thường do hạn chế tốc độ truyền TSn cỡ 40Mbps, nghĩa là băng thông truyền bị giới hạn. Trong 5 kênh này, có thể lập trình cho các kênh có tốc độ truyền khác riêng biệt. Hình 23: ghép dòng truyền tải n chương trình (n = 4á5). Các tín hiệu hình, tiếng, dữ liệu của mỗi chương trình được nén và mã hoá một cách độc lập. Tín hiệu hình và hệ tiếng được nén theo chuẩn MPEG2 Các tín hiệu được ghép kênh tạo dòng bit kênh Ts và dòng bít chương trình nhiều kênh TSN. Hệ thống ghép kênh theo nguyên tắc thống kê cho phép các kênh thay đổi tốc độ bít truỳ vào mức độ phức tạp của hình và tiếng. Tín hiệu sau khi ghép kênh đưa đến khối mã hoá Scrambling được điều khiển bởi hệ thống máy tính lập trình truy nhập có điều kiện nhằm. + Bảo vệ bản quyền nhà dịch vụ. + Phục vụ cho người xem trả tiền Do vật phải dùng mã nhận dạng gói (packet Identifier-PID) mã này nằm ở Header, 1 Header có 4 byte theo thứ tự sau: Byte thứ 1: đồng bộ (synchronisation) Byte thứ 2: PID Byte thứ 3: Bộ đếm gói (Continuty Counter) Bety thứ 4: mã tổng hợp (mã tổng hợp (Miscellaneous Flags) PID bao gồm: Video data PID Audio data PID Cho phép nhận dạng từ các gói nguồn khai ghép kênh thành dòng chương trình, phía thu sẽ tách các gói này theo mã quy ước. Hệ thống mã truy nhập có điều kiện dựa vào bảng thông tin các chương trình (PSI-Program Specific Information). PSI gồm 4 bảng sau: + Program Association table (PAT) + Program Map Table (PMT ) + Network Information Table (NIT) + Conditional Access Table (CAT) Hình 24: Các bảng MPEG-2 PSI. PAT chứa danh mục dịch vụ các chương trình và thông số PID của chúng. Bảng này có PID =0. PMT chỉ chi tiết thông số PID của các thành phần. NIT quy định cho chương trình không bởi hệ MPEG2, đây là quy định của nhà dịch vụ. Nếu các dòng cơ bản (ES) được mã hoá tức truy cập có điều kiện thì bảng thứ 4( CAT) sẽ chứa các thông tin chi tiết của hệ thống mã. Tín hiệu tiếp tục đưa đến khối sửa lỗi, bảo vệ lỗi truyền Reed Solomon gồm 16 byte cho 1TS có khả năng sửa 8 đến 9 bit liên tục. Tiếp tục mã được điều chế M-PSK và đưa đến khối IF/RF. Từ vệ tinh tín hiệu ở băng tần SHF được đưa vào bộ LNB biến đổi IF1 có dải từ 950 ữ 2150 MHz = L band. Khối chọn kênh sẽ chọn một kênh f tương ứng trong dải L band. Khi đó bộ tách mã dịch vụ ghép của kênh được chọn cho phép ta chọn một số tổ hợp nào đó của mã. Cuối cùng tách các tín hiệu Video, Audio và Data. II. Nén video. 1. Khái niệm chung. Tín hiệu Video sau khi đã được số hoá ( 8bit ) có tốc độ bằng 216Mbps. Để có thể truyền trong một kênh truyền thông thường, tín hiệu Video số cần phải được nén trong khi vẫn phải đảm bảo chất lượng hình ảnh. Khái niệm “ Nén Video ” hiện nay vẫn chưa được định nghĩa một cách chính xác, mặc dù Video đã dược nén từ những năm 1950. Cùng với sự ra đời của truyền hình màu: 3 tín hiệu màu thành phần ( R, G, B ) với tổng bề rộng dải thông 15 MHz đã được nén trong một tín hiệu Video màu tổng hợp duy nhất với bề rộng dải thông là 5MHz. Dải thông tần số được giảm ba lần ( hệ số nén là 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 từ tương tự sang số. Công nghệ nén đòi hỏi năng lực tính toán nhanh song ngày nay với sự phát triển của công nghệ thông tin thì điều đó đã được giải quyết. Tín hiệu Video có dải phổ từ 0 đến 6 MHz, tuy nhiên trong nhiều trường hợp năng lượng phổ chủ yếu tập trung ở miền tần số thấp, do thành phần tần số cao chỉ xuất hiện tại các đường viền của hình ảnh. So với toàn bộ hình ảnh các đường viền chiếm tỷ lệ rất nhỏ. Như vậy các phần thông tin của hình ảnh tập trung ở miền tần số thấp và chỉ có rất ít thông tin được chứa đựng ở miền tần số cao. C A M E R A Ma Trận + Điều chế R ( 0 á 5MHz ) Y ( 0 á 5MHz ) Tín hiệu Video màu G ( 0 á 5MHz ) R – Y ( 0 á 1.5MHz ) tổ hợp ( 0 á 1.5MHz ) B ( 0 á 5MHz ) B - Y ( 0 á 1.5MHz ) R Video Y 5MHz f C G 5MHz f 5MHz f B 5MHz f Hình 25: Nén Video tương tự. Đối với tín hiệu Video số, số lượng bit để sử dụng truyền tải thông tin đối với mỗi miền tần số khác nhau, có nghĩa là miền tần số thấp – nơi chứa đựng nhiều thông tin được sử dụng một số lượng bit lớn hơn và miền tần số cao – nơi chứa đựng ít thông tin, được sử dụng số lượng bit ít hơn. Tổng số bit cần thiết để truyền tải thông tin về hình ảnh sẽ được giảm một cách đáng kể và dòng dữ liệu được nén mà chất lượng hình ảnh vẫn được đảm bảo. ENTROPY Trước khi nói về các phương pháp nén, thì ta cần phải đánh giá lượng thông tin chủ yếu được 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 về hình ảnh tỷ lệ nghịch với khả năng xuất hiện hình ảnh. Nói một cách khác, một sự kiện ít xảy ra sẽ chứa đựng nhiều thông tin hơn một sự kiện có nhiều khả năng xảy ra. Dự đoán “ngày mai mặt trời mọc” có xác suất là 100% ( p = 1 ) vì hiện tượng này luôn đúng. “Ngày mai mặt trời không mọc” không chứa đựng thông tin, đó là hiện tượng hiếm có, xác suất gần như bằng 0 ( P ằ 0 ) và do vậy sự kiện này chứa đựng một lượng thông tin vô cùng lớn. Đối với hình ảnh, lượng thông tin của một hình ảnh bằng tổng số lượng thông tin của từng phần tử ảnh ( Pixel ). Trong đó: I(xI): Lượng thông tin của từng phần tử ảnh xi (được tính bằng bit) P(xI): Xác suất phần tử ảnh xi xuất hiện. Nếu một hình ảnh được biểu thị bằng các phần tử x1, x2, x3, ….xác suất của từng phần tử là Px1, Px2, Px3, … Gọi lượng thông tin trung bình của hình ảnh là: H(x), H(x) là ENTROPY của hình ảnh và được tính theo công thức: H(x) = ETROPY của hình ảnh là một giá trị có ý nghĩa quan trọng bởi nó 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, ENTROPY là giới hạn dưới của tỷ số bit/pixel. Nếu tín hiệu Video được nén với tỷ lệ bit/ pixel nhỏ hơn ENTROPY thì hình ảnh sẽ bị mất thông tin và quá trình nén sẽ có tổn hao. Xét 2 Block ảnh trên 2.10, mỗi block co 8´ 8 = 64 phần tử ảnh. Block 1 bao gồm 63 phần tử có giá trị từ “ 0 ” và một phần tử có giá trị “1”, Block 2 có 32 phần tử có giá trị “ 0 ” và 32 phần tử có giá trị “1”. 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Block ảnh 1 Block ảnh 2 Hình 26: Lượng thông tin trong ảnh. Như trên đã trình bày, lượng thông tin của một ảnh được tính bằng: ENTROPY = H( x ) = - ồ P( xi ) . log2 P( xi ) Trong đó : N: là số phần tử P( xi ): Xác suất của từng phần tử ảnh. ENTROPY Block ảnh 1 bằng: H1( x ) = = 0,116 bit/ phần tử. ENTROPY của Block ảnh 2 bằng: H2( x ) = = 1,0 bit/ phần tử. Như vậy, lượng bit trung bình tối thiểu cần thiết để truyền một phần tử ảnh đối với Block ảnh 1 bằng 0,116 bit/ phần tử và đối với Block ảnh 2 bằng 1,0 bit/ phần tử. Block ảnh 2 chứa thông tin nhiều hơn Block ảnh 1. 2. Nén Video: Nén cơ bản là một quá trình trong đó lưọng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ các thông tin dư thừa trong tín hiệu video. Công đoạn đàu tiên của hầu hết các quá trình nén là xác định thông tin dư thừa trong miền không gian của một mành hay một ảnh của tín hiệu video. Nén không gian được thực hiện bởi phép biến đổi Cosin rời rạc ( Discrete Transform – DCT ). DCT là phép biến đổi toán học không tổn hao, có tính thuận nghịch, sử dụng trong công việc nén không gian. Phép biến đổi Cosin rời rạc (DCT ) được biểu thị bằng công thức: Phép biến đổi ngược DCT-1 được biểu thị bằng: DCT biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số, các phép tính được thực hiện trong phạm vi các khối 8 ´ 8 mẫu tín hiệu chói Y và các khối tương ứng của tín hiệu màu CB và CR. Hệ số DCT tương ứng với góc trái phía trên là thành phần một chiều của khối Các hệ số khác, giá trị thành phần một chiều biểu thị các tần số theo chiều ngang. Các hệ số khác ứng với những phối hợp khác nhau của các tần số theo chiều dọc và theo chiều ngang. Do bản chất của tín hiệu Video, phép biến đổi DCT cho ta những hệ số ứng với các thành phần tần số cao với gía trị rất nhỏ. Do bản chất của thị giác, các hệ số ứng với các thành phần tần số cao có thể được biểu thị bằng số lượng bit rất nhỏ hoặc loại bỏ mà không nhận biết được sự suy giảm chất lượng. DCT về lý thuyết, không giảm bớt dung lượng dữ liệu, DCT cho phép biến đổi không tổn hao và hoàn toàn có tính thuận nghịch. Hình 27: Tính thuận – nghịch của phép biến đổi DCT. Hình 28: Biến đổi DCT Hình 29: Một khối các phần tử ảnh (pxixel Blok ) gồm các sọc đen và sọc trắng theo chiều dọc sau khi biến đổi DCT sẽ chỉ còn là các hệ số nằm dọc theo trục ngang. Hình 30: Một khối các phần tử ảnh (pxixel Blok ) gồm các sọc đen và sọc trắng theo chiều ngang, sau khi biến đổi DCT sẽ chỉ còn là các hệ số nằm dọc theo trục dọc. ã Nén trong ảnh ( Intra – Frame Compression ): Nén trong ảnh là loại nén nhằm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không gian. Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình tổn hao và không có tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong một ảnh. Quá trình này không sử dụng thông tin của ảnh trước và sau ảnh đang xét. Thuật ngữ “ ảnh ” ở đây cần được hiểu một cách chính xác, bởi lẽ trong kĩ thuật nén ảnh. Ví dụ MPEG cho phép sử dụng màn hình ( Filed ) hoặc ảnh ( Frame ) như một ảnh gốc. Nếu kỹ thuật nén dùng mành ( Filed ), nén trong ảnh sẽ tách ra 2 ảnh trong mỗi ảnh . Hình 31: Nén theo ảnh (Frame). Hình 32: Nén theo mành. Hình 33: Nén trong ảnh (Intra – Frame compression). DCT: không mất thông tin, không giảm dung lượng dữ liệu. LƯợNG Tử Hoá: mất thông tin, giảm dung lượng dữ liệu, số lượng bít ứng với mỗi hệ số khác nhau. Mã Hoá ENTROPY: + VLC: việc sử dụng từ mã ngắn với các giá trị xảy và từ mã dài với các giá trị ít xảy ra. + RLC: truyền một từ mã duy nhất thay vì phải truyền đi chuỗi “ 0 ” ã Lượng tử hoá ( Quantization ): Sức mạnh của nén MPEG là ở chỗ lượng tử hoá một cách thông minh các hệ số của phép biến đổi DCT. Lượng tử hoá là một quá trình giảm bớt số lượng các bít cần thiết để biểu diễn các hệ số trong quá trình lượng tử hoá có thể dùng 11 bit cho hệ số một chiều ( DC ) và rất ít bit cho hệ số thay đổi lớn hơn. Mức độ lượng tử hoá xác định cho từng Macroblock ( 8 ´ 8 phần tử ảnh ) hoặc một nhóm Macroblock. Hệ số một chiều ( DC Coefficient ) trong DCT đòi hỏi độ chính xác cao nhất bởi lẽ nó biểu thị giá trị độ chói trung bình của từng khối phần tử ảnh ( pixel block ). Hệ số một chiều cần được mã hoá khác so với hệ số khác ( hệ số xoay chiều – AC Coefficient ). Lượng tử hoá còn thựcc hiện bằng cách chia các hệ số C (u, v) cho các hệ số tương ứng trong các bảng lượng tử, hệ số ứng với tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ ( 10, 11, 12 ... ). Hệ số ứng với tần số cao được chia cho các giá trị lớn (100, 120, 121…) và bỏ đi phần thập phân. Kết quả ta có một tập hợp các hệ số Cosin C( u, v) mới, trong đó phần lớn các hệ số tương ứng với thành phần tần số cao bằng “ 0 ”. Các giá trị C ( u,v ) sẽ được số hoá và mã hoá trong các công đoạn tiếp theo. Cần lưu ý, lượng tử hoá có trong số ( Weighting Quantization ) như phương pháp trên sẽ gây tổn hao, mức độ tổn hao phụ thuộc vào các giá trị các hệ số trên bảng lượng tử. Nếu các giá trị được lựa chọn thích hợp tổn hao sẽ rất nhỏ và trên thực tế sẽ không nhận thấy. Hình 34: Lượng tử hoá có trọng số dùng trong kỹ thuật nén. ã Nén không tổn hao: Tiếp phép lượng tử hoá, nén không tổn hao còn được thực hiện bằng phương pháp mã hoá hoá với độ dài từ mã thay đổi (Veriable Length Coding – VLC ) và mã hoá theo chiều dài ( Run Length Coding ( RLC ). Thứ tự truyền các hệ số cũng làm tối ưu hiệu quả của quá trình mã hoá. Xử lý 64 hệ số của khối 8 ´ 8 phần tử ảnh bằng cách quét Zig – Zag làm tăng tối đa các giá trị “ 0 ” và do vậy làm tăng hiệu quả nén. Mã hoá với một từ mã thay đổi VLC sử dụng ít bít để mã hoá các giá trị hay xảy ra và nhiều bit để mã hoá các giá trị ít xảy ra. Dùng từ mã ngắn ( ít bit ) cho các giá trị thường xảy ra ( xác suất lớn ) và từ mã dài ( nhiều bit ) cho các giá trị ít xảy ra ( xác suất nhỏ ). Các phân bố bit này được minh hoạ ở bảng sau: Symbol Probabiliy Code Word Code length A 0,5 0 1 B 0,25 10 2 C 0,125 110 3 D 0,0625 1110 4 E 0,03125 11110 5 F 0,3215 11111 5 Sự khác nhau về số lượng bit trung bình cần thiết để biểu thị mỗi phần tử ảnh với 2 loại mã: mã hoá với độ dài từ mã cố định và mã hoá với độ dài từ mã thay đổi được miêu tả trong ví dụ sau: a. Mã hóa với độ dài từ mã cố định: Phần tử Xác suất Từ mã Chiều dài từ mã a 0,75 00 2 b 0,125 10 2 c 0,0625 10 2 d 0,0625 11 2 Entropy co thể tính theo công thức: H1(xi) = P(xi) ´ L(xi) = 0.75 ´ 2 + 0.125 ´ 2 + 0.0625 ´ 2 + 0.0625 ´ 2 = 2 bit/ phần tử b. Mã hoá với độ dài từ mã thay đổi: Phần tử Xác suất Từ mã Chiều dài từ mã a 0,75 00 1 b 0,125 10 2 c 0,0625 100 3 d 0,0625 1111 3 H2 (xi ) = P(xi ) ´ L(xi) = 0.75 ´ 1 + 0.125 ´ 2 + 0.0625 ´ 3 + 0.0625 ´ 3 = 1.75 bit/ phần tử Như vậy trong ví dụ này mã hóa với độ dài từ mã thay đổi ( VLC ) tiết kiệm được: số bit dùng để biểu thị cùng một dung lượng thông tin. Dung lượng bit cần thiết để biểu thị và truyền tải thông tin mà không hề bị tổn hao. Mã theo chiều dài RLC là quá trình mà trong đó chỉ sử dụng một từ mã duy nhất để miêu tả một dãy các giá trị giống nhau. Ví dụ: Từ mã “ 0 “ nếu ta có một block có chuỗi với 25 từ giá trị “0 “ , còn lại là 39 từ mã giá trị “1 “ ta có thể biểu thị bằng 3 byte: Byte 1: ESC 11111 : Từ mã mở đầu cho block này Byte 2: 11001 : Chỉ giá trị 25 Byte 3: 00000 : chỉ thị bit “ 0 “ Như vậy 25 byte được nén xuống còn 1 byte: 11001.Vậy VLC và RLC là quá trình nén không có tổn hao ã Nén liên ảnh ( Inter – Frame Compresion ): Một tính chất nữa của tín hiệu Video nữa là chứa các thông tin dư thừa trong miền thời gian. Điều này có nghĩa là một chuỗi liên tục các ảnh, lượng thông tin chứa trong mỗi ảnh thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác. Tính toán sự chuyển dịch vị trí của nội dung hình ảnh là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật nén liên ảnh. Trong kỹ thuật nén MPEG, quá trình xác định chuyển động được thực hiện bằng cách chia hình ảnh thành các Macroblock, mỗi Macroblock có 16 ´ 16 pixel ( tương đương 4 block, mỗi Block có 8 ´ 8 pixel ). Để xác định chiều của chuyển động, người ta tìm kiếm vị trí của Macroblock của ảnh tiếp theo, kết quả tìm kiếm sẽ cho ta Vectơ chuyển động của Macroblock. Hình 35: Xác định vectơ chuyển động. Nén liên ảnh ( Inter - Frame ) dựa trên ảnh chưa nén ( Uncompression Picture ) nên về cơ bản không có tổn hao. Trong hình vẽ: ảnh trước đó ( Previous Frame ) được lưu giữ trong bộ nhớ (Previous Frame Storage ) với đầy đủ độ phân giải, đầy đủ dữ liệu. Trong khối xác định vectơ chuyển động ( Motion Estimation ), vectơ chuyển động được tính sao cho ảnh hiện tại được dự đoán một cách chính xác nhất. Hình 36: Nén liên ảnh (Inter – Frame compression). Tuy nhiên, các ảnh khác nhau ở nhiều khía cạnh, nếu chỉ sử dụng vectơ chuyển động, ảnh dự đoán sẽ không chính xác. ảnh dự đoán trên hình vẽ được tạo bởi ảnh trước đó và các thông tin về vectơ chuyển động. Hiệu giữa ảnh hiện tại và ảnh dự đoán sẽ cho ảnh khác biệt ở đầu ra, nếu không chuyển động và không có sự khác biệt giữa 2 ảnh ( ảnh tĩnh ), ảnh hiện tại sẽ được dự đoán một cách chính xác và tín hiệu tương ứng với ảnh khác biệt ở đầu ra sẽ bằng không. Khi 2 ảnh không giống nhau, ảnh khác biệt ( hiệu giữa 2 ảnh ) cũng chỉ còn ít thông tin, vì vậy công nghệ nén đã đạt hiệu quả mong muốn. Trên hình vẽ là sơ đồ nguyên lý của mạch tạo ảnh dự đoán trước ( P- Predicted Picture ) và ảnh dự đoán 2 chiều ( ảnh B – Bidirectional Picture ). Sự khác nhau cơ bản giữa 2 mạch ( mạch tạo ảnh P và mạch tạo ảnh B ) ở bộ nhớ ảnh so sánh. Để tạo ảnh P ta chỉ cần nhớ ảnh trước đ._.