Xử lý tín hiệu truyền hình số

ng trình đồng thời, thực hiện được các chức năng mà truyền hình tương tự không thể làm được, điều này giúp cho việc tiết kiệm đầu tư và chi phí vận hành, một điều rất đáng được quan tâm nữa là chất lượng chương trình trung thực, ít bị ảnh hưởng nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng hình thường gặp ở truyền hình tương tự … Xử lý tín hiệu truyền hình số là một khâu rất quan trọng trong công nghệ truyền hình số. Các yêu cầu về xử lý tín hiệu phải được thực hiện đồng bộ và theo những tiêu chuẩn chung nhất mà các tổ chức quốc tế đã đưa ra. Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và đặc biệt được sự hướng dẫn của cô giáo Nguyễn Thuý Anh em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Xử lý tín hiệu truyền hình số”. Đồ án gồm 4 chương: Chương I: Giới thiệu chung về truyền hình số. Chương II: Số hoá tín hiệu truyền hình. Chương III: Nén tín hiệu số. Chương IV: Truyền dẫn tín hiệu số. Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót. Kính mong được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy, cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! Chương I : giới thiệu chung về truyền hình số I. Giới thiệu chung về hệ thống truyền hình I.1. Kỹ thuật truyền hình Là các phương pháp, là các trang thiết bị để truyền thông tin, là hình ảnh từ điểm này đến điểm khác. Thông tin hình ảnh là tập hợp các điểm sáng tối, màu sắc khác nhau được sắp xếp theo một trình tự nhất định. I.2. Sơ đồ tổng quát Cảm biến Điều chế (AM) Khuếch đại tín hiệu (AM) Mạch ra Mạch vào Thiết bị thu Giải điều chế Cảm biến Hình ảnh Dao động UHF VHF Hình ảnh Anten phát Anten thu Hình1.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình I.3. Nguyên lý làm việc + Hệ thống phát hình Hình ảnh là ánh sáng đưa vào bộ cảm biến ánh sáng thành điện đưa đến bộ điều chế để điều chế vào dao động sóng cao tần UHF hoặc VHF. Sau bộ điều chế ta nhận được tín hiệu điều chế UAM đưa đến bộ khuếch đại tín hiệu AM (bộ khuếch đại này có thể nhiều tầng) đưa ra mạch ra có nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa anten với bộ khuếch đại tín hiệu (KĐ công suất). Sau đó tín hiệu cao tần qua anten biến thành sóng điện từ bức xạ ra không gian. + Hệ thống thu hình Sóng điện từ từ bên phát truyền tới anten thu qua anten biến thành tín hiệu cao tần UHF đưa qua mạch vào. Mạch vào có nhiệm vụ chọn lấy sóng cần thu sau đó đưa đến thiết bị thu, tín hiệu được đưa tới bộ giải điều chế. Sau giải điều chế nhận được tín hiệu UVIDEO và đưa đến bộ cảm biến để biến đổi ngược với bên phát (từ điện -> ánh sáng) và tạo thành hình ảnh ở trên màn hình giống như hình ảnh ở bên phát đã truyền. Tóm lại, nguyên lý làm việc của hệ thống truyền hình được chia 3 giai đoạn : - GĐ1 : Biến hình ảnh thành tín hiệu điện (quá trình phân tích ảnh, tạo tín hiệu VIDEO). - GĐ2 : Quá trình truyền dẫn. - GĐ3 : Biến tín hiệu điện thành hình ảnh (quá trình tái tạo hình ảnh, khôi phục hình ảnh) I.4. Quá trình phát triển của kỹ thuật truyền hình Truyền hình có từ năm 1843, phát triển nhanh và chia làm 3 giai đoạn: + Truyền hình đen trắng: hoàn chỉnh là nền tảng để phát triển truyền hình màu. + Truyền hình màu: Có từ năm 1973, phát triển trên nền tảng của truyền hình đen trắng. Hiện nay trên thế giới tồn tại 3 hệ màu cơ bản : NTSC, PAL, SECAM. + Truyền hình số, truyền hình chất lượng cao. II. Hệ thống truyền hình số: Trong những năm gần đây, công nghệ kỹ thuật số đã ứng dụng vào hầu hết các ngành khoa học, kỹ thuật và truyền hình cũng không nằm ngoài phạm vi ứng dụng của nó. Công nghệ truyền hình đã chuyển sang một bước ngoặt mới đó là công nghệ truyền hình kỹ thuật số. Trong một số ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được như cho phép tạo, lưu trữ, đọc, ghi nhiều lần mà không giảm chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, không phải tất cả các trường hợp tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao nhất. Mặc dù vậy xu hướng trên thế giới hiện nay là tạo ra được một hệ thống truyền hình kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối kênh thông tin. II.1. Sơ đồ tổng quát Biến đổi A/D Mã hoá kênh Biến đổi tín hiệu Thiết bị phát Kênh thông tin Mã hoá kênh Biến đổi tín hiệu Thiết bị thu Biến đổi A/D Tín hiệu truyền hình số Tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình số Tín hiệu truyền hình tương tự Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình số II.2. Nguyên lý làm việc Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Trong thiết bị mã hoá (biến đổi A/D) tín hiệu hình sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyền hình số chọn. Tín hiệu truyền hình số sẽ được đưa tới thiết bị phát, sau đó qua kênh thông tin, tín hiệu số truyền hình số được đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát, qua bộ biến đổi D/A tín hiệu ra trở thành tín hiệu tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá về giải mã tín hiệu truyền hình. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin, thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin. Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế. II.3. Đặc điểm của truyền hình số. II.3.1. Yêu cầu về băng tần Yêu cầu về băng tần là sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng lớn. Đối với tín hiệu tổng hợp yêu cầu tần số lấy mẫu bằng 4 làn tần só sóng mang màu như đối với hệ NTSC là 14,4 MHz nếu thực hiện mã hoá với từ mã 8 bít tốc độ bit sẽ là 115,2Mb/s, độ nóng băng tần là khoảng 58MHz. Trong khi đó, tín hiệu tương tự cần một băng tần là 4,3MHz. Nếu có thêm các bít sửa lỗi yêu cầu băng tần sẽ phải tăng lên nữa. Tuy nhiên, với dạng số khả năng cho phép giảm độ rộng băng tần là rất lớn. II.3.2. Tỉ lệ tín hiệu/tạp âm (S/N) Một trong những ưu điểm của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại khâu truyền dẫn và ghi. Nhiễu tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng. Vì vậy tỉ lệ S/N của toàn bộ hệ thống luôn luôn nhỏ hơn tỉ lệ S/N của khâu có tỉ lệ thấp nhất. Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bít thông tin như ban đầu. Khi có quá nhiều bít lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi. II.3.3. Méo phi tuyến Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền cũng như đối với tỉ lệ S/N. Tính chất này rất quan trọng trong việc ghi đọc chương trình nhiều lần đặc biệt với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuếch đại vi sai. II.3.4. Chồng phổ Một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang nên sẽ có xảy ra chồng phổ theo cả 2 hướng. Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hệ thống số và tương tự là như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu lớn hơn 2 lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự. II.3.5. Xử lý tín hiệu Tín hiệu số có khả năng xử lý tốt các chức năng mà hệ thống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn. Sau khi mã hoá tín hiệu là các số bít "0" và "1" có thể xử lý 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. II.3.6. Khoảng cách giữa các truyền hình đồng kênh Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở khoảng cách gần nhau hơn so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu. Một phần vì tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh một phần là do khả năng thay thế xung xoá và xung đồng bộ bằng các mã nơi mà trong hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớn nhất. Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu tạo cơ hội cho nhiều trạm phát hình có thể phát được các chương trình với độ phân giải cao. II.3.7. Ưu điểm của truyền hình số Truyền hình số có nhiều ưu điểm so với truyền hình tương tự như hình ảnh rõ nét, âm thanh tung thực, tính chống nhiễu cao … Truyền hình số kết hợp với kĩ thuật nén số sẽ tiết kiệm bộ nhớ, tiết kiệm kênh truyền. Một kênh truyền có thể truyền trên 6 chương trình, mỗi chương trình có 2 đến 4 đường tiếng. III. Tình hình chuyển đổi từ công nghệ truyền hình tương tự sang số Ngày nay thiết bị số đã khẳng định được những thế mạnh của mình trong lĩnh vực tin học cũng như truyền hình. Thông tin hình ảnh, ghi xử lý tín hiệu, lưu trữ, truyền dẫn, phát sóng và thu nhận tín hiệu, mỗi công đoạn đều có những đặc thù và đòi hỏi riêng, những bước đi riêng của mình trong quá trình chuyển sang công nghệ số. Các thiết bị sử dụng trong công nghệ truyền hình đã được số hoá, tuy chưa hàn toàn nhưng nó đã từng bước khẳng định mình. Bên cạnh đó thì các thiết bị sản xuất chương trình các máy phát hình cũng sẽ được thay thế bằng thiết bị số. Công nghệ số sẽ thay đổi cách tiếp cận phương thức sản xuất chương trình truyền hình. Só hoá sẽ nâng cấp chất lượng tín hiệu, tính linh hoạt, khả năng hội nhập vào môi trường thông tin chung như fax, telephone, máy tính… Sự hội nhập này sẽ tạo điều kiện cho ngành truyền hình nhiều khả năng ứng dụng mới với những kĩ thuật tiên tiến nhất nhưng với chi phí thấp nhất. Truyền hình số trong tương lai sẽ làm thay đổi về căn bản dây chuyền công nghệ, phươngthức sản xuất chương trình truyền hình. Sự chuyển đổi sang công nghệ số sẽ tác động đến toàn bộ cơ sở hạ tầng của ngành truyền hình nói chung, chính vì thế nó cũng gây cho ngành truyền hình nhiều nước nhất là những nước đang phát triển những khó khăn trong việc tiếp cận công nghệ, về tiêu chuẩn chung và về cả gía thành. Hơn tất cả, để theo kịp những bước tiến của nhân loại về công nghệ truyền hình thì các nước cũng dần đang khắc phục, chuyển đổi để hoà nhập chung với thế giới. Tóm lại, hiện nay truyền hình số thực sự là một cuộc cách mạng trong phương tiện truyền thông. Cái mới mẻ và ưu việt ở đây ngoài việc truyền đi các chương trình truyền hình với hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực ở các vùng có địa hình phức tạp hoặc thu di động thì bên cạnh đó còn có những dịch vụ khác đi kèm như truyền dữ liệu và tiến tới là truyền hình tương tác tích cực và truyền hình có độ phân giải cao. Tuy nhiên, việc chuyển đổi sang công nghệ truyền hình số đòi hỏi phải có thời gian và vì thế truyền hình tương tự vẫn sẽ tồn tại trong nhiều năm nữa. IV. Tương lai của công nghệ truyền hình Thế giới đã bước vào kỷ nguyên mới của thời đại thông tin bằng sự hội tụ của các phương pháp truyền thông. Trước đây, mỗi phương thức truyền tải thông tin được tách biệt riêng và đều có quy trình riêng, nhưng ngày nay lĩnh vực phát thanh và truyền hình đang dần hoà nhập. Các ứng dụng mới, các dịch vụ tổng hợp đang được hình thành. Để theo kịp xu hướng phát triển của ngành công nghiệp truyền thông, kỹ thuật truyền hình cũng có những sự cải tiến về công nghệ trong việc ghi, dựng, truyền dẫn, phát sóng. Các tổ chức quốc tế đã đưa ra những tiêu chuẩn chung về truyền hình số để tạo thuận lợi cho việc cải tiến công nghệ như tiêu chuẩn về chất lượng hình ảnh, về thiết bị, về chuyển đổi hệ thống … Chính sự kết hợp của máy tính và công nghệ hình ảnh, âm thanh đã tạo ra một thế giới đa phương tiện. Nó có thể đáp ứng được các yêu cầu của con người một cách nhanh nhất, hiệu quả nhất với một số dịch vụ như : dịch vụ điện tử, truy cập thông tin tương tác. Sự kết hợp của máy tính và truyền hình tạo nên một hệ thống mang nhiều lợi điểm trong mạng tổng hợp và mô hình này cũng sẽ phát triển trong tương lai gần nhất. Chương II : Số hoá tín hiệu truyền hình I. Các phương pháp biến đổi tín hiệu video Số hoá tín hiệu truyền hình thực chất là biến đổi tín hiệu truyền hình tương tự sang dạng số. Có 2 phương pháp biến đổi là : - Biến đổi trực tiếp tín hiệu VIDEO màu tổng hợp - Biến đổi riêng từng tín hiệu VIDEO màu thành phần I.1. Tín hiệu VIDEO số tổng hợp Tín hiệu video số tổng hợp là sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự tổng hợp sang video dạng số. Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Đồng bộ Tín hiệu truyền hình tổng hợp Tín hiệu video số tổng hợp Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu màu tổng hợp Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu (rời rạc hoá) với tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang màu (7psc) khoảng 17,72 MHz đói với tín hiệu PAL. Mỗi mẫu tín hiệu được lượng tử bởi 8 á 10 bít cho ra một chuỗi số liệu 142Mb/s á176 Mb/s. Biến đổi tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm về dải tần nhưng tín hiệu video tổng hợp có những nhược điểm của tín hiệu tổng hợp tương tự như hiện tượng can nhiễu chói mẫu và cũng gây khó khăn trong việc xử lý, tạo kĩ xảo truyền hình… I.2. Tín hiệu video số thành phần: Tín hiệu video số thành phần là sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự thành phần sang video số Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá EB - EY Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá ER - EY Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá EG - EY Lọc thông thấp EG - EY ER - EY Đồng bộ EB - EY Tín hiệu truyền hình thành phần Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần Đối với tiêu chuẩn này tín hiệu chói được lấy mẫu với tần số 13,5MHz, hai tín hiệu màu đựoc lấy mẫu với tần số 6,75 MHz. Mỗi mẫu được lượng tử hoá bởi 8 á10 bít cho ta tốc độ bít bằng 216 á 270 Mb/s. Lượng tử hoá bởi 8 bít cho ta 256 mức và 10 bít cho ta 1024 mức với tỉ số S/N cao hơn. Biến đổi tín hiệu video thành phần cho ta dòng số có tốc độ bít cao hơn tín hiệu số tổng hợp. Tuy nhiên dòng tín hiệu số thành phần cho phép xử lý dễ dàng các chức năng ghi, tạo kỹ xảo …, chất lượng hình ảnh không chịu các ảnh hưởng can nhiễu chói, mầu như đối với tín hiệu tổng hợp. Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các chip có tốc độ cao ra đời cho phép truyền toàn bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nahu trên 1 dây dẫn duy nhất. Video số nối tiếp có những ưu điểm cơ bản là: - Không bị nhiễu kí sinh, không méo, tỉ số S/N cao. - Chuyển đổi tín hiệu đơn giản. - Có thể cài tín hiệu Audio trong chuỗi số liệu video số. Mặc dù cả 2 phương pháp số hoá tín hiệu tổng hợp và thành phần đều được nghiên cứu và áp dụng trong kĩ thuật truyền hình số nhưng nhờ những tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu video số thành phần được khuyến khích sử dụng. Các kĩ thuật của phương pháp này được sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số. II. Biến Đổi tín hiệu tương tự sang số Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số chia làm 3 giai đoạn: - Lấy mẫu: là quá trình rời rạc hoá theo thời gian bằng tần số lấy mẫu fsa. - Lượng tử hoá: là quá trình rời rạc hoá theo biên độ tín hiệu (đã được rời rạc hoá theo thời gian) có nghĩa là chia biên độ ra nhiều mức khác nhau và mỗi mức được gắn bằng một biên độ. - Mã hoá: có nghĩa là biến đổi tín hiệu đã được lượng tử hóa thành tín hiệu số bằng việc sắp xếp cho mỗi mức tín hiệu (hệ thập phân) theo hệ đếm nhị phân. Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Xung lấy mẫu + đồng hồ đo Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Hình 2.3: Quá trình chuyển đổi A/D II.1. Lấy mẫu tín hiệu video Lấy mẫu tín hiệu video là bước đầu tiên thể hiện tín hiệu tương tự sang số vì các thời điểm lấy mẫu đã chọn ra sẽ chỉ ra toạ độ của các điểm đó. Quá trình biến đổi này phải tương đương về mặt tin tức - có nghĩa là tín hiệu sau khi lấy mẫu phải mang đủ thông tin của tín hiệu video vào. Biên độ của tín hiệu video được lấy mẫu với chu kỳ T, thu được một chuỗi các xung hẹp với tần số lấy mẫu dược tính bằng công thức : fsa = 1/ T fsa : tần số lấy mẫu T : chu kỳ lấy mẫu Quá trình lấy mẫu tương đương với một quá trình điều biên tín hiệu (fo) trên sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu fsa. Quá trình điều biên tạo ra biên trên và biên dưới. Sóng lấy mẫu có dạng hình chữ nhật, phổ của nó bao gồm thành phần tần số lấy mẫu và các hài của nó. 0 f0 fsa-f0 fsa fsa+f0 2fsa-f0 2fsa 2fsa+f0 3fsa-f0 3fsa 3fsa+f0 Tần số Biên độ Hình 2.4: Phổ của tín hiệu lấy mẫu Thực tế, lấy mẫu tín hiệu video dựa trên cơ sở của định lý Nyquist hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế cắt tại Wc hoàn toàn Shannen: "Tín hiệu được xác định bằng một dãy các giá trị tức thời lấy mẫu cách nhau một đoạn T = Tsa Ê 1/2fc với fc = Wc/ 2p". Hàm x(t) xác định trong khoảng (t0, t0+1) sẽ hoàn toàn được xác định từ các mẫu rời rạc x(kDt) của nó theo biểu thức : X(t) = ) Trong đó ; k = 0; ±1, ± 2 … Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó toàn bộ lượng thông tin mang trong tín hiệu gốc nếu : Tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn tức là nó không có những phần tử có tần số nằm ngoài một tần số fc nào đó. Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn 2fc (fsa ³ 2fc) Tín hiệu video do có đặc trưng riêng nên ngoài việc thoả mãn định lý lấy mẫu Nyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữa các hệ thống … Đối với tiêu chuẩn tần số Nyquist việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số fsa < fNy là nguyên nhân của méo chồng phổ và làm giảm độ phân giải theo chiều ngang. Một trong những yêu cầu làm tăng tần số tín hiệu truyền hình là tăng khoảng bảo vệ cho mạch lọc thông thấp trước khi lấy mẫu. Mạch lọc này là thành phần đầu tiên của bộ biến đổi A/D. Để không làm xuất hiện méo tín hiệu tương tự, mạch lọc thông thấp của hệ thống loại bỏ các thành phần gây chồng phổ tín hiệu. Do các mạch lọc không có đặc trưng lý tưởng, đặc tính mạch lọc ngoài dải thông không phải là suy giảm hoàn toàn nên sử dụng băng tần bảo vệ. Hình 2.5: Băng tần bảo vệ fsa fgh 0 fg fsa f II.2. Lượng tử hoá tín hiệu video Trong quá trình này, biên độ tín hiệu được chia thành các mức gọi là mức lượng tử. Khoảng cách giữa 2 mức kề nhau gọi là bước lượng tử. Các mẫu có được từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử. Giá trị lượng tử Q được xác định theo công thức Q = 2N (N : số bít biểu diễn mỗi mẫu). Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu nguyên nhân do quá trình lượng tử hoá xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu. Có 2 phương pháp lượng tử là lượng tử hóa tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau và lượng tử hoá phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau. Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng Studio tất cả các mức lượng tử đều có biên độ bằng nhau. Quá trình lượng tử hoá gọi là lượng tử hoá đồng đều. Đây là quá trình biến đổi từ một chuỗi các mẫu với vô hạn biên độ sang các giá trị nhất định vì vậy quá trình này gây ra sai số gọi là sai số lượng tử. II.3. Mã hoá II.3.1. Khái quát Mã hoá là khâu cuối cùng của bộ biến đổi A/D. Mã hoá theo quan điểm thống kê là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thống truyền tin. Dữ liệu sau mã hoá ưu điểm là tín hiệu chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tương đương khả năng thông qua của kênh. Các mã được sử dụng trong truyền hình số có thể phân chia một cách quy ước thành các nhóm : - Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình - Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin. - Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền hình số. Để đáp ứng mã hoá tín hiệu truyền hình và sau đó tái tạo lại ở bên thu người ta thường dùng một loại mã còn đối với việc truyền chống nhiễu theo kênh thông tin thì dùng loại mã khác. II.3.2. Các loại mã Để truyền thông tin hình ảnh bằng hệ thống truyền số, cần sử dụng mã xác định sự phụ thuộc giữa mức lượng tử hoá các mẫu và tín hiệu đánh dấu. Có 2 loại mã là mã đều và mã không đều. Các thông số quan trọng nhất của mã là: cân bằng và phân kỳ. Mã dùng trong truyền hình số được chia thành các nhóm sau: - Mã sơ cấp: dùng để tạo tín hiệu số, mẫu của nó ở studio có giới hạn độ dư thừa thông tin. - Mã bảo vệ và sửa sai: dùng để tăng khả năng chịu đựng của tín hiệu (trong mã sơ cấp) và trong kênh có nhiễu. - Mã truyền tuyến tính: dùng để tăng và ghi tín hiệu truyền hình số. Đầu tiên tất cả các tín hiệu video số được mã hoá sơ cấp, sau đó mã hoá chuyển đổi. Mã sơ cấp là mã cơ sở mà từ đó hình thành từ mã bảo vệ. Mã số cấp dùng trong truyền hình số là các mã nhị phân. Trong truyền hình số người ta thường sử dụng các mã có cấu trúc tuyệt đối: - NRZ (Non Return to Zero) : không thể trở lại mức 0. - RZ (Return to Zero) : trở lại mức 0 - Biph (Biphase) : hai pha Trong mã NR 2 độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng hồ. Mức logic 0 ứng với điện áp thấp nhất, mức logic 1 ứng với mức cao nhất. 1 0 1 1 0 1 0 0 NRz NRz -M NRz -S NRz -P Rz Rz-P Rz-U BiPh BiPh-M BiPh-S Hình 2.6: Mã sơ cấp III. Biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Chuyển đổi số tương tự (DAC) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bít) đã biết của tín hiệu số đối với độ chính xác là một mức lượng tử (1LSB). 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 hoá. Mạch logic DAC Lấy mẫu Lọc thông thấp > Video tương tự Video số Xung lấy mẫu Hình 2.7: Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi - tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự đã được lấy mẫu. Mạch cơ bản DAC bao gồm: - Mạch số với nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vao. - Mạch giải mã số-tương tự với nhiệm vụ biến tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tương ứng dưới dạng các xung có biên độ thay đổi. t Um Hình 2.8: Đồ thị thời gian của tín hiệu ra mạch chuyển đổi D/A Mạch tạo xung lấy mẫu và xung đồng hồ có nhiệm vụ tạo các xung lấy mẫu và đồng bộ các quá trình còn lại trong DAC, đồng bộ với mạch tạo các xung giống nhau. Mạch lấy mẫu thứ cấp có nhiệm vụ khử nhiễu (xuất hiện do chuyển mạch nhanh ở đầu ra của mạch DAC). Mạch lọc thông thấp để tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu (rời rạc). Bộ lọc thông thấp đóng vai trò như một bộ nội suy, ở đây tín hiệu tương tự biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của tín hiệu rời rạc theo thời gian Um. Khuếch đại tín hiệu video ra. Trong thực tế mạch giải mã số - tương tự thường làm việc bằng cách cộng điện áp. Mạch giải mã bao gồm : + Nguồn điện áp hoặc dòng chuẩn. + Mạng điện trở thích hợp. + Chuyển mạch chuyển đổi trong các thời khắc thích hợp với độ chính xác cao về điện áp hoặc dòng chuẩn ở đầu vào mạng điện trở. Tốc độ hoạt động của nó giống như tốc độ làm việc của mạch mã hoá. Tín hiệu đầu ra độ biến đổi D/A là 1 chuỗi các xung chữ nhật có biên độ bằng biên độ các tín hiệu số, độ rộng xung là T = 1/f. IV. Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video màu tổng hợp IV.1. Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp Điều kiện đầu tiên là phải chú ý đến tải tần màu (sóng mang màu) fsc. Khi chọn tần số lấy mẫu (fsa) có thể xuất hiện các trường hợp sau: fsa gấp nhiều lần fsc, ví dụ fsa = 2fsc, fsa = 3fsc, fsa = 4fsc dùng cho hệ NTSC và PAL vì hai hệ này chỉ dùng một tần số fsc. Hệ SECAM dùng 2 tải tần màu nên không dùng được một tần số fsc cho các tín hiệu số màu. fsa không có quan hệ trực tiếp với fsc. Trong trường hợp này, ngoài các thành phần tín hiệu có ích còn xuất hiện thêm các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa fsa và fsc hoặc hài của fsc trong phổ tín hiệu lấy mẫu. Đặc biệt thành phần tín hiệu (fsa- 2fsc) sẽ gây méo tín hiệu video (tương tự) được khôi phục lại. Laọi méo này gọi là méo điều chế chéo. Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằm trong kênh màu sẽ tạo trên màn hình các "hình đồng màu", thể hiện rất rõ trong các hình ảnh có nền đồng màu và độ bão hoà màu cố định. Độ ổn định các hình đồng màu trên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fsa và các tần số quét dòng và mành. Méo điều chế chéo sẽ xuất hiện trong trường hợp lấy mẫu và mã hoá riêng tín hiệu chói và các tín hiệu số màu. Như vậy, để tránh méo gây ra do các hài của fsc trong phổ của tín hiệu lấy mẫu - méo điều chế chéo - thông thường chọn tần số lấy mẫu bằng bội số của tần số sóng mang màu. Điều này, ở hệ NTCS, PAL do sử dụng sóng mang màu nên việc chọn giá trị tần số fsa tối ưu sẽ đơn giản hơn. Thường thì fsa được chọn bằng hài bậc ba tần số tải màu fsc. * fsa/ PAL = 13,3085625 MHz > 2fsc/PAL; fsc /PAL = 5 hoặc 5,5 MHz. * fsa/ PAL = 10,738635 MHz > 2fsc/PAL; fsc /PAL = 4,2 MHz. Nếu chọn fsa = 4fsc thì sẽ cho chất lượng hình ảnh khôi phục rất tốt. Tuy nhiên, nó sẽ làm tăng tốc độ bít tín hiệu dẫn đến lãng phí dải thông. Đối với hệ SECAM, tần số lấy mẫu fsa không thể chọn bằng hài bậc cao của tải màu fsc bởi vì hệ SECAM sử dụng điều tần nên việc chọn fsa ở đây có nhiều khó khăn hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tần số lấy mẫu tiến đến gần phạm vi 13MHz chất lượng hình ảnh khôi phục sẽ rất tốt. Nếu tần số lấy mẫu nhỏ hơn 13MHz chất lượng ảnh giảm rõ rệt đối với lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp. Hiện nay, để chuẩn hoá công nghiệp cho các thiết bị video số, phù hợp với yêu cầu công nghệ các tổ chức đã đưa ra hai hệ thống tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video tổng hợp. Đó là: * Tiêu chuẩn 4 fsc NTSC. * Tiêu chuẩn 4 fsc PAL Tín hiệu video tổng hợp tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ (4fsc). IV.1.1. Tiêu chuẩn 4fsc NTSC Chuẩn SMPTE 244M xác định các tham số của tín hiệu video tổng hợp theo hệ NTSC 4fsc cũng như tính chất kết nối song song của hệ thống. Bảng 2.1 Các tham số mã hoá tiêu chuẩn 4fsc NTSC Tín hiệu vào NTSC Tổng số mẫu trên một dòng video 910 Số mẫu trên một dòng video tích cực 768 Tần số lấy mẫu 4fsc = 14,32818 MHz Cấu trúc lấy mẫu Trực giao Các mẫu + 33o, + 123o, + 213o, + 303o Số bít lượng tử 10 bít/ mẫu a/ Tham số cơ bản Tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang phụ hay bằng 14,3181 MHz. Tín hiệu xung clock được lấy từ xung đồng bộ của tín hiệu video tổng hợp. Hình 2.10 minh hoạ phổ lấy mẫu 4fsc NTSC. ở đây có một khoảng cách giữa các tần số 4,2 MHz, tần số cao nhất hệ NTSC tiêu chuẩn và tần số 7,16MHz (tần số Nyquist). Tiêu chuẩn không xác định tính chất của các bộ lọc chống nhiễu và bộ lọc tái tạo. Các sản phẩm 4fsc có dải thông không thống nhất. Biên độ Tần số fSC 3,58MHz 2fSC 7,16MHz 3fSC 10,7MHz 4fSC 14,3MHz 5fSC Dải thông mức danh định Dải thông có thể chấp nhận Tần số lấy mẫu Hình 2.9: Phổ của tín hiệu lấy mẫu chuẩn 4fsc NTSC b. Cấu trúc lấy mẫu Tiêu chuẩn SMPTE phù hợp với các tham số NTSC cơ bản, tức là mã hoá tín hiệu I/Q thay vì các tín hiệu (R-Y)/(B-Y). Tín hiệu NTSC cơ bản có dải thông I và Q khác nhau (tương ứng là 1,2MHz và 0,5 MHz) theo đó làm tăng độ phân dải của màu da cam. Hình 2.10 minh hoạ quá trình lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4fsc NTSC, ta thấy khoảng lấy mãu cần trùng với đỉnh âm và dương của các thành phần sóng mang phụ I và Q. Phần trên của hình có vẽ các thông tin tương ứng về tín hiệu R-Y và B-Y. Với tần số lấy mẫu fsa = 14,3181 MHz và tần số quét dòng fH = 15734,25 Hz tổng số mẫu thu được trên một dòng là fsa/fH=910mẫu. Dòng video tích cực chiếm 768 mẫu, 142 mẫu còn lại dành cho đồng bộ dòng tín hiệu số. R-Y B-Y +180o 0o I Q +180o +90o Sóng mang hình sin I Q -I -Q -Q I Q -I -Q +123o +33o +303o +213o +123o +33o +303o +213o Các mẫu Hình 2.10: Lấy mẫu chuẩn 4fsc NTSC c) Thang lượng tử và biểu diễn thang lượng tử Bảng 2.2 liệt kê các mức có ý nghĩa của tín hiệu NTSC tương tự tổng hợp với sọc màu chuẩn 100/7,5/100/7,5 tương ứng với giá trị tín hiệu video số 4fsc biểu diễn dưới dạng số Hex cho trường hợp sử dụng 8bít và 10 bít để lượng tử. Trong trường hợp số hoá 10 bít ta có được 1024 mức lượng tử (210), chúng được biểu diễn từ 0 đến 1023 (hay từ 000 đến 3FF hệ Hex). Các mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF được sử dụng để bảo vệ và không được phép xuất hiện trong dòng số. Còn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ mức từ mức 4 ámức 1019 dùng để biểu diễn tín hiệu video. Đỉnh đồng bộ được thiết lập ở mức 16 (010 Hex). Mức tín hiệu cực đại tương ứng với màu vàng, màu xanh lơ được thiết lập ở giá trị 972 (3 CC Hex). Các khoảng bảo vệ bao gồm từ mức 4 đến 16 (004 á 010) và 972 đến 1019 (3CC á3FB) khoảng bảo vệ đạt 1dB cho phép tín hiệu vào tương tự biến động trong một khoảng giới hạn nhất định. Khoảng bảo vệ làm suy giảm tỉ số S/Qrms một lượng tương ứng. Với n = 10 bít biểu diễn mẫu; fsa = 14,32 MHz; fc = 4,2 MHz, VQ = 1,3042V; Vw- VB = 0,7143V. Giá trị S/Qrms được tính bằng S/Qrsm = 68,10dB. Trong trường hợp số hoá 8 bít, 254 trong 256 mức (01 đến FE) được sử dụng để biểu diễn giá trị lượng tử. Mức OO và FF dùng cho bảo vệ và không được phép cho phép có trong dòng số. Giá trị S/Qrsm cho hệ 8 bít được tính bằng: S/Qrms = 56,06dB. Bảng 2.2. Mức tín hiệu video tổng hợp hệ NTSC khi lượng tử 8 bít và 10 bít. 8 bít 10 bít Mức biên bảo vệ FF 3FC,3FD, 3FE, 3FF Mức lượng tử cực đại FE 3FB Mức đỉnh thành phần màu F3 3CC Mức trắng C8 320 Mức đen 46 11A Mức xung xoá 3C 0F0 Mức tín hiệu đồng bộ 04 010 Mức lượng tử thấp nhất 01 004 Mức biên bảo vệ 00 000, 001, 002, 003 d) Cấu trúc mành số Khoảng thời gian tích cực của mành số vượt quá thời gian tích cực của mành tương tự. Một chu kỳ tích cực của mành số bắt đầu trước và kết thúc sau chu kỳ tích cực của mành tương tự. Trong một chu kỳ quét NTSC gồm 4 mành, các khoảng xoá mành I và III được được tính từ dòng 525 (mẫu 768) đến dòng 9 (mẫu 767) và các khoảng xoá của mành II và IV được tính từ dòng 263 (mẫu 313) đến dòng 272 (mẫu 767). Dòng tích cực số vượt quá dòng tích cực tương tự. Dòng tích cực số bắt đầu trước và kết thúc sau dòng tích cực tương tự. Như vậy, khoảng xoá dòng tương tự sẽ nằm trong dòng số tích cực. Điều này làm giảm cách tạo bóng và viền của tín hiệu tương tự do ảnh hưởng của tín hiệu ở tần số cao đối với các bộ lọc tái tạo, đồng thời cũng phù hợp với sườn xung số có thời gian nhỏ. Khoảng xoá dòng số bắt đầu từ mẫu 768 đến mẫu 909 trên tất cả các dòng không thuộc khoảng xoá mành. Điểm cuối dòng video số tích cực Dòng chuẩn Điểm bắt đầu dòng video số tích cực Điểm bắt đầu xoá dòng số Điểm kết thúc._. xoá dòng số 767 768 782 784 785 787 849 854 857 864 893 900 000 909 Hình 2.11: Một số mẫu đặc trưng trong khoảng xoá dòng hệ 4fsc NTSC IV.1.2. Tiêu chuẩn 4fSC PAL Tín hiệu tương tự PAL và NTSC có nhiều điểm tương đồng song tín hiệu số theo chuẩn 4fSC của hai hệ thống này rất khác nhau. Bảng 2.3 Đặc điểm của tín hiệu số hệ PAL Tín hiệu vào PAL Tổng số mẫu trên 1 dòng 1135 Số mẫu trên 1 dòng tích cực 948 Tần số lấy mẫu 4fsc = 17,734475 MHz Cấu trúc lấy mẫu Trực giao Các mẫu + 45o, + 135o, + 225o, + 315o Số bít lượng tử 8 hoặc 10 bít cho mẫu a) Tham số cơ bản Tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang phụ hay 17,734475MHz. Tín hiệu xung clock được lấy từ xung đồng bộ màu của tín hiệu video tổng hợp. Hình 2.12 minh hoạ phổ lấy mẫu 4fsc PAL. ở đây có 1 khoảng cách giữa các tần số 5MHz, tần số cao nhất của hệ PAL cơ bản và tần số 8,86 MHz (tần số Nyquist). Tiêu chuẩn không xác định tính chất của các bộ lọc chống nhiễu và bộ lọc tái tạo song các nhà sản xuất thường sử dụng tại tần số cao. Cũng như với 4fsc NTSC cần chú ý đến vấn đề vượt quá mức tín hiệu trong quá trình chuyển đổi sang tín hiệu số khi đưa trực tiếp vào các thiết bị số 4fsc, theo đó tạo các yêu cầu nghiêm ngặt về giới hạn dải thông của bộ lọc tái tạo. Biên độ Tần số fsc 4,43MHz 2fsc 8,86MHz Tần số Nyquist 3fsc 13,29MHz 4fsc 17,7MHz 5fsc Hình 2.12: Phổ của tín hiệu lấy mẫu chuẩn 4fsc PAL b) Cấu trúc lấy mẫu 0,934V 0,886V +167o +135o +45o 0,934V 100% vạch vàng sóng mang chuẩn U+V U-V U-V U+V các mẫu 0,62V mức chổi Hình 2.13: Vị trí chu kỳ lấy mẫu hệ PAL với tần số lấy mẫu là fsc Tín hiệu tương tự được lấy mẫu với tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ, theo tục của burst màu. Pha chuẩn cho đồng hồ lấy mẫu là sóng mang phụ tại 0o (trục +U) c) Thang lượng tử và biểu diễn thang lượng tử Bảng 2.4 các mức có ý nghĩa của tín hiệu PAL tương tự tổng hợp với tín hiệu sọc mẫu chuẩn 100/0/100/0 tương ứng với giá trị tín hiệu video số 4fsc biểu diễn dưới dạng số HEX cho trường hợp sử dụng 8 bít và 10 bít để lượng tử. Với lượng tử hoá 10 bít ta có 1024 mức lượng tử (210) từ 0 á 1023 hay theo hệ HEX từ 000 á 3FFF. Các mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF được dùng để bảo vệ và không được phép xuất hiện trong dòng số. Còn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ số 4 á 1019 (004 á3FB HEX) để biểu diễn tín hiệu video. Đỉnh đồng bộ được thiết lập ở mức 4 (004 HEX) không như trong hệ NTSC. 4fsc không có khoảng phòng vệ phía dưới mà đỉnh xung đồng bộ là mức lượng tử thấp nhất của tín hiệu. Mức cao nhất của tín hiệu tương tự được lượng tử hoá là 908,3mV tương ứng với mức lượng tử 1019 hay 3 FB (HEX). Mức tín hiệu này thấp hơn tín hiệu vàng và xanh lơ trong thang sọc màu 100/0/100/0 tương đương 933,5mV. Như vậy sẽ có một khoảng bảo vệ âm tại đỉnh của tín hiệu. Bảng 2.4 Mức tín hiệu video tổng hợp hệ PAL khi lượng tử bít và 10 bít 8 bít 10 bít Mức biên bảo vệ FF 3FC,3FD, 3FE, 3FF Mức lượng tử cực đại FE 3FB Mức đỉnh thành phần màu >>FE >>3FB Mức trắng D3 34C Mức xung xoá 3C 100 Mức tín hiệu đồng bộ 04 016 Mức lượng tử thấp nhất 01 004 Mức biên bảo vệ 00 000, 001, 002, 003 d) Cấu trúc mành số Khoảng thời gian tích cực của mành số vượt quá thời gian tích cực của mành tương tự. Một chu kỳ tích cực của mành số bắt đầu trước và kết thúc sau chu kỳ tích cực của mành tương tự. Trong một chu kỳ quét PAL gồm 4 mành, các khoảng xoá của mành I và mành III được tính từ dòng 623, mẫu 382 đến dòng 5 mẫu 947. Dòng tích cực số vượt quá dòng tích cực tương tự. Dòng tích cực số bắt đầu trước và kết thúc sau dòng tích cực tương tự. Như vậy, khoảng xoá dòng tương tự sẽ nằm trong dòng số tích cực. Điều này làm giảm cách tạo bóng và viền của tín hiệu tương tự do ảnh hưởng của tín hiệu ở tần số cao đối với các bộ lọc tái tạo đồng thời cũng phù hợp với sườn xung số có thời gian nhỏ. Khoảng xoá dòng số bắt đầu từ mẫu 948 đến mẫu 1134 trên tất cả các dòng không thuộc khoảng xoá mành. Điểm cuối dòng video số tích cực Dòng chuẩn Điểm bắt đầu dòng video số tích cực Điểm bắt đầu xoá dòng số Điểm kết thúc xoá dòng số 947 953 957 958 962 1036 3045 1052 1067 1090 1102 000 1134 948 Hình 2.14: Một số mẫu đặc trưng trong khoảng xoá dòng hệ 4fsc NTSC V. Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần V.1. Các tiêu chuẩn lấy mẫu Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu dưới và các tín hiệu màu trong đó bao gồm: tiêu chuẩn 4:4:4; 2:2:2; 4:2:0; 4:1:1. Các định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của video. Để nắm được ý nghĩa của các chuẩn lấy mẫu ta đi tìm hiểu các phương thức của từng chuẩn. V.1.1. Tiêu chuẩn 4:4:4 Mẫu tín hiệu chỉ được lấy đối với các phần tử tích cực của tín hiệu video. Với hệ PAL màn hình được chialàm 625 x 720 điểm (pixel) Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CR Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CB Hình 2.15: Tiêu chuẩn 4:4:4 Các tín hiệu chói Y, các tín hiệu mà CR, CB được lấy mẫu tại tất cả điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Cấu trúc lấy mẫu là cấu trúc trực giao, vị trí lấy mẫu như hình 2.16. Với chuẩn 4:4:4 tốc độ dòng dữ liệu (hệ PAL) được tính như sau: - Lấy mẫu 8 bít : (720 + 720 + 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mb/s - Lấy mẫu 10 bít: ( 720 + 720 + 720) x 576 x 10 x 25 = 311Mb/s V.1.2. Tiêu chuẩn 4:2:2 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CR Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CB Hình 2.16: Tiêu chuẩn 4:2:2 - Điểm lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu : chói(Y) và màu (CR, CB). - Điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu tín hiệu Y, còn 2 tín hiệu không lấy mẫu. Khi giải mã màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước. - Điểm sau nữa lại lấy mẫu đủ cả 3 tín hiệu Y, CR, CB. Tuần tự như thế cứ 4 lần lấy mẫu Y thì 2 lần lấy mẫu CR, 2 lần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2. Với chuẩn 4:2:2 tốc độ dòng dữ liệu (PAL) được tính như sau: - Lấy mẫu 8 bít : (720 + 360 + 360) x 576 x 8 x 25 = 166 Mb/s - Lấy mẫu 10 bít : (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207 Mb/s V.1.3. Tiêu chuẩn 4:2:0 Theo hình 2.18, lấy mẫu tín hiệu Y tại tất cả các điểm ảnh của dòng còn tín hiệu màu thì cứ cách 1điểm sẽ lấy mẫu cho 1 tín hiệu màu. Tín hiệu màu được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu màu CR hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu CB. Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CR Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CB Hình 2.17: Tiêu chuẩn 4:2:0 Điểm lấy tín hiệu chói Y Điểm lấy tín hiệu chói CR Điểm lấy tín hiệu chói CB Tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn 4:2:0 (hệ PAL) được tính như sau: - Lấy mẫu 8 bít : (720 + 360) x 576 x 8 x 25 = 124,4Mb/s - Lấy mẫu 10 bít: (720 + 360) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mb/s V.1.4. Tiêu chuẩn 4:1:1 Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Y Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CR Điểm lấy mẫu tín hiệu chói CB Hình 2.18: Tiêu chuẩn 4:1:1 Trong điểm ảnh đầu lấy mẫu đủ Y, CR, CB; ba điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu Y, không lấy mẫu của CR, CB. Khi giải mã, màu của 3 điểm ảnh sau phải suy từ điểm ảnh đầu. - Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu Y có 1 lần lấy mẫu CB và đây là cơ cấu 4:1:1. Tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn 4:1:1 (hệ Pal) được tính như sau: - Lấy mẫu 8 bít: (720 + 180 + 180) x 576 x 8 x 25 = 124,4Mb/s - Lấy mẫu 10 bít: (720 + 180 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mb/s V.2. Lấy mẫu tín hiệu video thành phần Trong quá trình số hoá tín hiệu video thành phần thì tần số lấy mẫu ngoài yêu cầu là bội số của tần số dòng còn phải đạt điều kiện là tần số lấy mẫu chung cho cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525 và 625 dòng để có thể tiến tới một tiêu chuẩn video số chung cho toàn thế giới. Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thông qua tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu các tín hiệu màu. 4:2:2 là tiêu chuẩn trong đó tỉ số giữa tần số lấy mẫu của các tín hiệu video thành phần Y/CB/CR = 4:2:2 và các tần số lấy mẫu tương ứng với các tín hiệu thành phần (sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao): fsa(Y) = 13,5MHz; fsa(CB) = 6,75MHz; fsa(CR) = 6,75 MHz Giá trị 13,5 là một số nguyên lần tần số dòng cho cả 2 tiêu chuẩn 525 và 625 dòng: 13,5MHz = 864fH đối với chuẩn 625 (fH = 15625Hz) 13,5MHz = 858fH đối với chuẩn 525 (fH = 15750Hz) Tần số lấy mẫu của tín hiệu màu được lấy từ tần số lấy mẫu của tín hiệu chói qua bộ chia hai. Đặc tuyến tần số của tín hiệu màu bằng phẳng đến 2,75MHz. Tần số lấy mẫu quyết định bề rộng tối đa của dải phổ tín hiệu. Tần số lấy mẫu tối thiểu phải bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu. Như vậy với tần số lấy mẫu như trên, bề rộng dải phổ của các tín hiệu thành phần theo lý thuyết sẽ bằng 6,75MHz đối với tín hiệu chói và bằng 3,375MHz đối với tín hiệu màu CB, CR. Tần số lấy mẫu đáp ứng được những yêu cầu trên đã được các tổ chức thống nhất lựa chọn là fsa = 13,5 MHz chung cho cả 2 tiêu chuẩn 525 và 625 dòng. 5 6,75 13,5 15 20 Tần số (MHz) Biên độ Hình 2.19: Phổ lấy mẫu 13,5 MHz của tín hiệu chói V.3. Thang lượng tử và các mức lượng tử. Bảng 2.5 Mức tín hiệu của các thành phần tín hiệu chói Y 8 bít 10 bít Mức biên bảo vệ FF 3FC,3FD, 3FE, 3FF Mức lượng tử cực đại FE 3FB Mức trắng EB 3AC Mức xung xoá 10 040 Mức lượng tử thấp nhất 01 004 Mức biên bảo vệ 00 000, 001, 002, 003 Với 10 biểu diễn mẫu ta có được 1024 mức lương tử (210) từ 0 đến 1023 (hay từ 000 đến 3FF hệ HEX). Các mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF được dùng làm chuẩn thời gian. Còn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ số 4 đến 1019 để biểu diễn tín hiệu chói. Xung xoá được thiết lập ở mức 64 (040 HEX). Đỉnh trắng được thiết lập tại mức 940 (3AC hệ HEX). Các khoảng phòng vệ phía trên và phía dưới bao gồm từ mức 4 đến mức 64 (004 đến 040) và từ mức 940 đến 1019 (3AC đến 3FB). Phần đồng bộ của tín hiệu chói không được lấy mẫu. Khoảng phòng vệ cho phép mức tín hiệu tương tự có thể thay đổi. - Mức tín hiệu của các thành phần tín hiệu màu CB và CR. Bảng 2.6 Mức tín hiệu của các thành phần tín hiệu màu CB và CR 8 bít 10 bít Mức biên bảo vệ FF 3FC, 3FD, 3FE, 3FF Mức lượng tử cực đại FE 3FB Mức dương cực đại FO 3CO Mức xung xoá 80 200 Mức âm cực đại 10 040 Mức lượng tử thấp nhất 01 004 Mức biên bảo vệ 00 000, 001, 002, 003 Với 10 bít biểu diễn mẫu, có 1016 có mức lượng tử từ 4 đến 1019 (hay từ 004 đến 3FB hệ HEX) để biểu diễn tín hiệu màu CB và CR. Xung xoá được thiết lập tại mức 512 (hay 200 hệ HEX). Mức dương cực đại của tín hiệu tương tự được xác định tại mức 960 (hay 3CO hệ HEX). Các khoảng phòng vệ phía trên và phía dưới bao gồm từ mức 4 đến mức 64 (004 đến 040 hệ HEX) và từ mức 940 đến 1019 (3AC đến 3FB). Phần đồng bộ của tín hiệu chói không được lấy mẫu. Khoảng phòng vệ cho phép mức tín hiệu tương tự có thể thay đổi. V.4. Cấu trúc lấy mẫu Trong tiêu chuẩn số hoá tín hiệu thành phần sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao. Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần số quét dòng tạo ra một cấu trúc các mẫu được xếp lần lượt theo các dòng và theo các mành. Do tần số lấy mẫu tín hiệu chói bằng 2 lần tần số lấy mẫu tín hiệu màu cho nên số mẫu của tương tự chói cũng nhiều hơn 2 lần số mẫu của mỗi tín hiệu màu. VI. Ghép dòng số liệu phân chia theo thời gian Tuỳ thuộc vào các ứng dụng, các mẫu của tín hiệu chói và tín hiệu màu có thể được xử lý riêng biệt hoặc được ghép theo thời gian. Số mẫu tổng cộng sau khi ghếp trên một dòng là 1716 mẫu (theo tiêu chuẩn 562/60) và 1728 mẫu (theo tiêu chuẩn 625/50). Dòng số tích cực bao gồm 720 mẫu tín hiệu Y và 360 mẫu tín hiệu CB đối với cả hai tiêu chuẩn. Như vậy, dòng số tích cực bao gồm 1440 mẫu, số các từ trong khoảng thời gian xoá là 276 (đối với tiêu chuẩn 525/60) và 288 (đối với tiêu chuẩn 625/60) VII. Tín hiệu chuẩn thời gian Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu thành phần không thực hiện lấy mẫu xung đồng bộ. Để đồng bộ dòng tín hiệu Video, tại đầu cuối mỗi dòng số tích cực, một tín hiệu chuẩn thời gian được ghép vào cùng dòng số tổng hợp.Trong mỗi khoảng xoá dòng có 8 từ mã dùng là chuẩn thời gian. Theo tiêu chuẩn 525/60, các từ mã đánh số từ 1440 đến 1443 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian EVA.Các từ mã đánh số từ 1712 đến 1715 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian SAV. Theo chuẩn 625/50, các từ mã đánh số từ 1440 đến 1443 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian EAV, các từ mã đánh số từ 1724 đến 1727 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian SAV. Các từ mã chuẩn thời gian không thay đổi trong khoảng xoá mành. Một tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu Video, sử dụng từ mã 8 bit mã hoá hệ HEX, bao gồm 4 từ mã được sắp xếp theo thứ tự: FF 00 00 XY Ba từ mã đầu mang giá trị cố định, từ mã XY mang nhũng thông tin sau: Mành chẵn hoặc mành lẻ. Bắt đầu hoặc kết thúc xung xoá mành. Bắt đầu hoặc kết thúc xung xoá dòng. Một tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu Video, sử dụng từ mã 10 bit mã hoá hệ HEX, bao gồm 4 từ mã được sắp xếp theo thứ tự: 3FF 000 000 XYZ Ba từ mã mang giá trị cố định. Giá trị các từ 3FF và 000 dùng để xác thời gian bắt đầu cho các tín hiệu EAV và SAV. XYZ là các giá trị biến đổi. Chúng mang các thông tin về: Mành chẵn hoặc mành lẻ. Bắt đầu hoặc kết thúc xung xoá mành. Bắt đầu hoặc kết thúc xung xoá dòng. VIII. Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản Việc lựa chọn các thông số cơ bản của truyền hình số được đặt ra từ năm 1972 thông qua tổ chức EBU và OIRT Bảng 2.7 Chỉ tiêu truyền hình số cơ bản STT Thông số Hệ 525/60 Hệ 625/50 1 + tín hiệu được số hoá Y, (R-Y),(B -Y) 2 + tổng số mẫu mỗi dòng Tín hiệu chói: Tín hiệu hiệu màu: 858 429 864 432 3 + Cấu trúc lấy mẫu . Cấu trúc lấy mẫu trực giao, cố định, lặp lại theo dòng ,mành và ảnh . 4 + Vị trí các mẫu các tín hiệu thành phần . Mẫu của (R-Y),(B-Y) được lấy tại cùng một điểm với các mẫu Y lẻ trên mỗi dòng . 5 + Tần số lấy mẫu Tín hiệu chói: Tín hiệu hiệu màu: 13.5 MHz 6.75 MHZ 6 + Phương thức mã hoá Lượng tử hoá đồng đều đối với tất cả các mức 7 + Số mẫu trên dòng tích cực: Tín hiệu chói: Tín hiệu hiệu màu: 720 360 8 + Khoảng cách từ điểm cuối của dòng số (thời gian tích cực) đến điểm bắt đầu của dòng số mới . 16 chu kỳ nhịp 12 chu kỳ nhịp 9 + Tổng số mức : + Tín hiệu chói : Mức đen : Mức trắng : + Tín hiệu hiệu màu: 0 ữ 255 mức 220 mức Mức 16 Mức 235 225 mức ,đối xứng qua trục tại mức 128 10 + Tín hiệu đồng bộ . Từ mã tương ứng với các mức 0 và 255 tuyệt đối chỉ dùng cho tín hiệu đồng bộ. Từ mức 1ữ 254 có thể được sử dụng cho tín hiệu Video . IX. Tín hiệu Audio số IX.1. Khái niệm cơ bản của Audio số Hiện nay ,các thiết bị Audio số đã dần chiếm linh và thay thế các thiết bị Audio tương tự trong phát song và sản xuất. Với những ưu điểm của tín hiệu Audio số như: Độ méo tín hiệu nhỏ một cách lý tưởng (0.1%), dải động âm thanh lớn gần ở mức tự nhiên (> 90dB), đáp tuyến tần số bằng phẳng (±0.5 dB), việc tìm kiếm dữ liệu nhanh chóng, dễ dàng, độ bền ổn định lâu dài… Kết quả là đã cải thiện chất lượng ghi xử lý âm thanh, đồng thời nó đáp ứng được nhu cầu lưu trữ và các hệ thống sản xuất chương trình bằng máy tính. Một tiêu chuẩn Audio số ra đời với sự liên kết giữa hai Hiệp hội kỹ thuật Audio AES và Hiệp hội truyền thanh truyền hình châu Âu EBU đã xây dựng cho sự phát triển các thiết bị ghi âm và các thiết bị tại Studio, nơi tín hiệu được xử lý và phân phối hoàn toàn số. Ngoài ra ,nó còn hạn chế hiện tượng méo tín hiệu âm thanh trong hai quá trình biến đổi tương tự – số và ngược lại, từ đó chất lượng âm thanh được nâng cao rõ rệt. Thiết bị Audio này có đặc điểm tín hiệu vào và ra là tương tự, dùng thay thế trực tiếp các thiết bị số và hoạt động trong môi trường tương tự. Tuy nhiên, trong kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn có xu hướng sẽ tiến tới số hoá toàn phần, đó là toàn bộ quá trình ghi, xử lý và truyền dẫn đều làm việc trong môi trường số. IX.2. Nguyên tắc chuyển đổi A/D Hiện tại, các bộ chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn như microphone và loa phóng thanh đều là thiết bị tương tự. Vì vậy, các tín hiệu điện liên tục theo thời gian phải chuyển đổi thành các định dạng số rời rạc theo thời gian dùng cho xử lý số tín hiệu (DSP). Các bước của quá trình biến đổi A/D tín hiệu âm thanh là: Lấy mẫu (rời rạc hoá theo thời gian). Lượng tử hoá (rời rạc hoá theo biên độ). Mã hoá (gán giá trị nhị phân cho các mẫu). IX.2.1. Lấy mẫu lý tưởng Nguyên lý lấy mẫu là quá trình lấy biên độ của dạng sóng tương tự tại từng thời điểm theo một chu kỳ nhất định. Thực chất quá trình lấy mẫu bao gồm việc nhận các tín hiệu tương tự với một chuỡi xung truyền lặp đi lặp lại theo thời gian có tần số là tần số lấy mẫu. Biên độ Tín hiệu Audio t Điều chế biên độ Biên độ t Xung lấy mẫu Biên độ Tín hiệu lấy mẫu (PAM) t Hình 2.20 : Quá trình lấy mẫu và kết quả dãy PAM (trong miền thời gian) Chúng ta sẽ tìm hiểu trường hợp lấy mẫu lý tưởng với khoảng thời gian xung lấy mẫu gần bằng 0. Biên độ t Phổ tín hiệu Audio Fmax Biên độ t fs-fmax 2fs Phổ tín hiệu Audio lấy mẫu Điều chế biên độ fs 2fs 3fs t Phổ tần số lấy mẫu “sóng mang” fs Hình 2.21: Phổ của dãy PAM (trong miền tần số) Tín hiệu lấy mẫu (PAM) Biên độ t Biên độ t fs 2fs Phổ tín hiệu Audio lấy mẫu Lọc thông thấp Biên độ Tín hiệu Audio t Biên độ t Phổ tín hiệu Audio Fmax Hình 2.22 :Khôi phục tín hiệu Audio tương tự IX.2.2.Lấy mẫu thực tế Quá trình lấy mẫu lý tưởng giả thiết khoảng thời gian xung lấy mẫu gần bằng không. Tuy nhiên trong thực tế, trong thời gian cho phép của bộ chuyển đổi A/D, giá trị biên độ xung cho mỗi mẫu sẽ được duy trì đến tận thời gian mẫu tiếp theo được lấy.Vì vậy, tạo ra tín hiệu Audio tương tự đã được lấy mẫu có dạng bậc thang, khoảng thời gian tồn tại này đúng bằng chu kỳ lấy mẫu (1/fsa). Biên độ Tín hiệu Audio t Điều chế biên độ Xung lấy mẫu t Biên độ Tín hiệu đã lấy mẫu t Hình 2.23 : Quá trình lấy mẫu thực tế Biên độ IX.2.3. Lượng tử hoá Từng mẫu của tín hiệu tương tự nguyên thuỷ được ấn định cho một giá trị mã số nhị phân bởi một thiết bị còn gọi là bộ lượng tử hoá. Trong hệ thống 4 bít sẽ có 16 bit giá trị nhị phân để mã hoá tương ứng biên độ xung cho mỗi mẫu. Vùng giá trị nhị phân được miêu tả không đối xứng đối với các chuyển dịch dương và âm của tín hiệu Audio gốc. Một giá trị nhị phân được biểu diễn là phần bù của 2 sẽ được dùng biểu diễn các giá trị âm. Tín hiệu Audio tương tự có biên độ thấp được lượng tử hoá với rất ít các mức rời rạc. Điều này gây nên lỗi lượng tử của các tín hiệu vào mức thấp. Vì vậy, để giảm độ lớn của lỗi lượng tử có thể bằng cách tăng mức số rời rạc. Nếu biên độ tín hiệu Audio tương tự vượt qua vùng lượng tử, khi đó quá trình cắt số sẽ được thực hiện. IX.2.4. Mã hoá Mỗi giá trị nhị phân sau khi lượng tử hoá được mã hoá theo một cấu trúc thích hợp để tạo nên cấu trúc mẫu tín hiệu phục vụ cho truyền dẫn và các thiết bị lưu trữ. Hầu hết, các hệ thống mã hoá đều sử dụng phương pháp điều xung mã (PCM), điều chế xung rộng (PWM), mã hoá vi sai (DPCM), điểm di động . X. Giao diện tín hiệu Audio số Giải mã AES/EBU Chuyển đổi nối tiếp – song song Bộ chọn lọc tín hiệu vào Lọc số A/D 20bit 2dòngtínhiệu AES/EBUgiốngnhau Từ số liệu 20 bit 4dòngtínhiệu tương tự Hình 2.24: Giao diện đầu vào audio của bộ xử lý 4 kênh XI. Giải mã và ghếp kênh tín hiệu AES/EBU Bộ giải mã BPM được sử dụng để khôi phục chuỗi tín hiệu Audio số AES/EBU đã mã hoá BPM thành dòng số liệu. Sau đó, các tín hiệu số liệu Audio từ 2 kênh của bộ ghép dòng số liệu được tách ra thành hai dòng bit số liệu Audio song song. Các bit phụ (V,U,C,P) cũng được trích từ mỗi khung con để điều khiển quá trình xử lý và đồng bộ các khung phụ và toàn bộ khung. Chuyển đổi nối tiếp -song song & Tách kênh Bộ đệm kênh 1 Bộ đệm kênh 2 Data (2CH) Kênh 1 1 11 Kênh 2 1 11 Giải mã đánh dấu lưỡng pha Khôi phục xung clock Ck Ck • Ck • Xén số liệu Lọc Chuyển đổi VUCP bit Tín hiệu AES/EBU Hình 2.25: Bộ giải mã và tách kênh dòng số liệu Audio AES/EBU nối tiếp XII. Đồng bộ giữa các tín hiệu Audio số Các tín hiệu Audio số được tạo thành từ các mẫu rời rạc. Các quá trình như trộn, chèn, hay ghép tín hiệu Audio số từ các nguồn khác nhau, đòi hỏi phải có các tín hiệu đồng bộ của mỗi mẫu từ nguồn chuẩn. Tín hiệu đồng bộ ở đây gồm cả đồng bộ về pha và tần số. Hai thiết bị độc lập đặt trong cùng một Studio có thể sinh ra hiện tượng trễ trong các mẫu theo thời gian tại hai đầu ra. Muốn vậy hiện tượng này đòi hỏi tốc độ lấy mẫu phải được lấy từ một bộ phát trung tâm hoặc từ thiết bị này tới thiết bị khác. Đối với nguồn bên ngoài tín hiệu Audio không thể có được nguồn phát trung tâm. Như vậy sẽ tồn tại sự trễ thời gian giữa nội bộ nguồn bên trong và bên ngoài của tín hiệu do đó tín hiệu Audio cần phải được bổ xungnhằm tạo ra một tín hiệu Audio số đầy đủ . Đồng bộ hoá tín hiệu Audio số khác nhau được thực hiện qua 2 bước: Thời gian chuẩn của các đồng hồ lấy mẫu hay đồng bộ về tần số. Khung chuẩn của các tín hiệu Audio, hay đồng bộ về pha. Bộ trộn (48KHz) Chuyển đổi tốc độ Audio R-DAT R-DAT Đồng bộ khung Audio TínhiệuAudio AES chuẩn CD – ROM (44.1 KHz) Nguồn Audio mở rộng Tín hiệu chuẩn (48KHz) Ghi tín hiệu Audio số Phân phối • • • • • Hình 2.26: Đồng bộ Audio số trong sản xuất ở Studio Hai tín hiệu Audio số có tần số lấy mẫu khác nhau hoặc không thể đồng bộ cùng nhau thì các bộ chuyển đổi tốc độ lấy mẫu và đồng bộ được sử dụng. Quá trình đồng bộ thực hiện được khi tốc độ cả hai dòng số liệu đã được kiểm soát và có mối quan hệ với nhau thông qua tỉ số giữa chúng là các số nguyên. Hình trên minh hoạ quá trình đồng bộ hoá từ một tín hiệu chuẩn chung cho tất cả các thiết bị Audio số trong sản xuất ở Studio . Chương III: Nén tín hiệu số Khái niệm chung I.1. Định nghĩa : Nến tín hiệu số là biểu diễn tín hiệu số với số bit ít hơn nhưng thông tin phải được bảo toàn hoặc mất mát có thể chấp nhận được. Các loại nén : + Nén tín hiệu số : Digital Signal Compression. + Nén số liệu : Data Compression. + Giảm số liệu : Data Reduction. + Giảm tốc độ bit : Bit Rale Reduction. + Mã hoá nguồn : Source Coding. I.2. Mục đích của nén tín hiệu số Để giảm dung lượng phải lưu trữ. Giảm băng thông truyền dẫn. Làm giảm tốc độ bit của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn bảo đảm chất lượng hình ảnh, âm thanh cần truyền tải. Nén (mã hoá nguồn) Kênh truyền dẫn hay lưu trữ Giải nén (giải mã nguồn ) Truyền dẫn hay lưu trữ Thu Phát Hình 3.1: Sơ đồ nén và giải nén I.3. Các thông số về nén Tỉ số nén. Phần trăm nén. Số bit / Symbol. I.4 Bản chất của nén Khác với nguồn dữ liệu một chiều như nguồn âm, đặc tuyến đa chiều của nguồn ảnh cho thấy nguồn ảnh chứa nhiều sự dư thừa hơn các nguồn thông tin khác. Đó là: Sự dư thừa về mặt không gian (Spatial redundancy): Các điểm ảnh kề nhau trong một mành có nội dung gần giống nhau. Sự dư thừa về mặt thời gian (Temporal redundancy): Các điểm ảnh có cùng một vị trí ở các mành kề nhau có nội dung rất giống nhau. Sự dư thừa về mặt cảm nhận của con người: Mắt người nhạy cảm hơn với các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với sự thay đổi nhanh tần số cao. Do vậy, có thể coi nguồn hình ảnh là nguồn có nhớ. Nén ảnh thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các dư thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn thông tin mới có lượng thông tin nhỏ hơn. Đồng thời sử dụng các dạng mã hoá có khả năng tận dụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lượng bit sử dụng để mã hoá một lượng thông tin nhất định là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng theo yêu cầu. Các thành phần thông tin: Thông tin chứa trong một tín hiệu có thể chia làm hai thành phần chính: + Lượng tin hay entropy hay độ bất định. + Độ dư thừa. Tuỳ theo nội dung của thông tin, phần entropy lại được chia làm hai phần: + Thông tin không phù hợp: Thông tin không có giá trị đối với hệ thống cảm thụ chủ quan của con người. + Thông tin cốt lõi tức là phần còn lại của entropy: Thông tin này có thể được chia thành nhiều phần nhỏ khác nhau tuỳ theo mức độ quan trọng đối với sự cảm thụ của con người. Độ dư thừa entropy Tín hiệu Nén entropy Nén không tổn hao: Nén có tổn hao: Sau khi nén không tổn hao tín hiệu, kết quả được đem đi sàng lọc ra thông tin không phù hợp và thông tin cốt lõi, ta lại tiếp tục loại bỏ đi những thông tin không phù hợp. Thông tin cốt lõi lại được tiếp tục được sàng lọc để phân loại ra thông tin quan trọng hơn và loại bỏ thông tin ít quan trọng hơn . Với một mảng hình lớn (tần số thấp) thì quan trọng hơn những hình chi tiết (tần số cao). Nén càng nhiều chất lượng thông tin càng giảm. Vì vậy tuỳ thuộc vào chất lượng thông tin theo yêu cầu mà ta nén nhiều hay nén ít. Cơ sở toán học Nén không tổn hao: + Tốc độ bít : R = H + Є R : Tốc độ bit H : Entropy Є : Một số dương rất nhỏ tiến dần về 0 Nén có tổn hao: ã ã ã Độ méo ∆ 0 H R 100% % II. Nén không tổn hao Nén không tổn hao hay mã hoá nguồn là quy trình biểu diễn các ký hiệu dòng bit nguồn thành dòng các từ mã (Codeword), mỗi từ mã gồm một số bit, sao cho giảm được tốc độ bit. Mã hoá có hiệu quả càng cao thì số bit trung bình dùng biểu diễn một ký hiệu càng tiến gần giá trị entropy. II.1. Phân loại Nén theo mô hình thống kê (Mã hoá Symbol (VLC + RLC)). Nén theo mô hình từ điển (không dùng trong phát thanh và truyền hình). II.2. Mã hoá VLC (Variable Length Coding) – Mã hoá Huffman Trong các dạng mã hoá thì mã hoá Huffman là dạng được sử dụng phổ biến nhất. Bảng mã Huffman có thể cho độ dài trung bình để mã hoá cho một mẫu là nhỏ nhất do tận dụng được xác suất xuất hiện của các mẫu trong nguồn tín hiệu. Trong đó, mẫu có xác suất xuất hiện cao nhất sẽ được gắn với từ mã có độ dài ngắn nhất. Mặc dù có độ dài mã thay đổi song mã Huffman vẫn có khả năng giải mã đúng do có các thuộc tính tiền tố duy nhất (không có từ mã nào là phần đầu của từ mã tiếp theo). Một Symbol (8 bit) có 256 Symbol khác nhau, có những Symbol xuất hiện nhiều, có những Symbol xuất hiện ít. Những Symbol xuất hiện nhiều thì gán cho từ mã có độ dài ngắn hơn những Symbol xuất hiện ít. Trong một dòng bit, lấy xác suất xuất hiện của các Symbol để gán từ mã, kết quả cho một dòng bit ngắn hơn nhưng vẫn đảm bảo được thông tin đầy đủ. II.3. Mã hoá RLC (Run Length Coding) Mã hoá RLC chính là các ký hiệu nguồn (hoặc là ký hiệu ở đầu ra của bộ lượng tử) có độ dài thay đổi được mã hoá thành các từ mã có độ dài cố định, tiếp tục mã hoá các từ mã này lần nữa bởi từ mã Huffman. Loại mã này được áp dụng nhiều trong các phương pháp ảnh tĩnh, nén Video. Mã hoá RLC rất hiệu quả khi gặp một loạt các ký hiệu giống nhau (RUN) xuất hiện liên tiếp. Mỗi RUN được biểu diễn bằng một cặp (LEVEL, RUN). Trong đó: LEVEL biểu thị giá trị một bit hay một ký hiệu. RUN biểu thị số lần lặp lại của một bit hay một ký hiệu. Các từ mã sau khi được mã hoá RLC thì lại được mã hoá VLC (mã hoá Huffman). III. Nén có tổn hao Nguyên lý nén và giải nén (mã hoá và giải mã) có tổn hao được mô tả như sau: Biến đổi T Lượng tử hoá Q Mã hoá C Dòng bit chưa nén Dòng bit nén Hệ thống nén có tổn hao Giải mã D Giải lượng tử R Biến đổi ngược T-1 Dòng bit nén Dòng bit chưa nén Hệ thống giải nén có tổn hao Hình3.2: Hệ thống nén và giải nén có tổn hao III.1. Bộ biến đổi T (Transformer) Bộ biến đổi T áp dụng cho một phép biến đổi 1-1 đối với số liệu đầu vào. ở đầu ra bộ biến đổi T thì có một cách biểu diễn số liệu thích hợp hơn để nén. Về phía giải nén, ta có bộ biến đổi ngược T –1 , với chức năng ngược một số phép biến đổi sau: Biến đổi dự đoán tuyến tính (Linear Predictive Transform) + DPCM (Differrentral Pulse Code Modulation) Bộ dự đoán fn + - Sai số dự đoán en=fn-f’n Sai số dự đoán f’n=fn-1 + Đánh giá bù chuyển động Đây là dạng dự doán Inter có xét đến chuyển động của các vật thể trên ảnh khi nén Video. Ta lấy ảnh cũ gần giống ảnh mới dự đoán thay vì truyền ảnh chỉ truyền sai số dự đoán và vectơ chuyển động. Biến đổi Unita (Unita Transform) Biến đổi Unita là biến đổi tín hiệu số trong miền thời gian (tín hiệu Audio số) hoặc trong miền không gian 2D (ảnh tĩnh) thành các hệ số trong miền tần số. Biến đổi DCT là một trường hợp của biến đổi Unita. Biến đổi DCT (Disscrete Cosine Transform) là dựa vào phép biến đổi Forrier để chuyển mảng ảnh từ không gian 2D sang miền tần số, để thấy được miền tần số cao ở đâu và tần số thấp ở đâu rồi sau đó loại bỏ tần số cao. Biến đổi đa phân giải Biến đổi đa phân giải là chia tín hiệu thành tập các tín hiệu con có độ phân giải khác nhau. Một số biến đổi tiêu biểu : + Mã hoá giải con . + Biến đổi Wavelet . III.2. Lượng tử hoá Q (Quantizer) và bộ giải lượng tử hoá R Lượng tử hoá là quá trình biểu diễn một tập giá trị liên tục ở ngõ vào bằng một lượng giới hạn các ký hiệu ở ngõ ra. Đây chính là khâu gây ra tổn hao khi loại bỏ thông tin không phù hợp (độ dư thừa tâm sinh lý) hay thông tin ít quan trọng và chấp nhận một độ méo (độ suy giảm chất lượng) nhất định. Về phía giải nén ta có bộ giải lượng tử R với chức năng ngược lại . Có thể phân biệt hai lượng tử chủ yếu: + Lượng tử vô hướng (Scalar Quantization) là lượng tử từng giá trị một cách độc lập . + Lượng tử vectơ (Vector Quantization) là quá trình biểu diễn một tập vectơ (mỗi vectơ gồm nhiều giá trị) bằng một số hữu hạn các ký hiệu ở ngõ ra . Lượng tử hoá có thể được áp dụng cho các giá trị trong miền thời gian, không gian cũng như các hệ số trong miền tần số . III.3. Mã hoá (Coder) và giải mã (Decoder) Bộ mã hoá có hai nhiệm vụ: Loại bỏ độ dư thừa trong các ký tự ở ngõ ra bộ lượng tử hoá. ánh xạ các ký tự này thành các từ mã hợp thành dòng bit ra. Bộ mã hoá này chính là bộ mã hoá ký hiệu – mã hoá entropy vì sử dụng mô hình thống kê để mã hoá. Các loại mã hoá thông dụng thường sử dụng là VLC, RLC. ở phía giải nén ta có bộ giải mã D với chức năng ngược lại. III.3.1. Mã hoá dự đoán (Predictive Coding) Nguồn ảnh chứa một tông tin rất lớn, nếu mã hoá trực tiếp theo PCM thì tốc độ dòng bit thu được sẽ rất cao. Mặt khác, nguồn ảnh lại chứa đựng sự dư thừa và tính “có nhớ”, giữa các điểm ảnh lân cận có mối quan hệ tương hỗ ._.e phủ sẽ tăng lên tới 55dB, giá trị vi sai lúc này chỉ còn 10 dB và có thể được mã hoá chỉ bằng 2 bít. Việc che phủ tần số trước và sau cũng rất quan trọng. Như trên hình vẽ, âm 1 KHz cũng làm ngưỡng nghe thấy của các âm tần số xung quanh dâng lên. Sự che phủ tần số phía sau quan trọng hơn và tăng theo mức âm. Điều này cho phép giảm độ chính xác mã hoá cho những tần số tín hiệu xung quanh âm che phủ. Những âm đơn tần xung quanh 1 KHz có mức âm nhỏ hơn đường cong che phủ sẽ không có khả năng cảm nhận và không cần thiết phải mã hoá mà vẫn không làm ảnh hưởng tới chất lượng cảm nhận của con người. Hệ thống nén dựa trên đặc điểm này được gọi là hệ thống nén theo thính giác. Sự che phủ thời gian: 50 100 150 200 300 -50 0 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Mức cảm nhận (dB) Thời gian(ms) 250 0 Tín hiệu che lấp Che phủ trước Che lấp liên tục Che phủ sau Hình 3.24 : Sự che lấp về thời gian Sự che phủ thời gian là hiện tượng tai người chỉ cảm nhận được âm sau khi âm đó bắt đầu khoảng 200 ms và có cảm tưởng âm thanh còn kéo dài khoảng 200ms nữa sau khi âm thanh đã dứt. Ngoài ra, thính giác cũng không phân biệt được khoảng ngừng nhỏ hơn 50 ms giữa hai âm thanh giống nhau đi liền nhau. I.3. Nén Audio theo tiêu chuẩn AC-3: I.3.1. Giới thiệu: Theo tiêu chuẩn nén Audio AC-3, tín hiệu Audio được lấy mẫu với tần số 48 MHz và được khóa với xung đồng hồ (Clock) 27 MHz. Nếu tín hiệu đầu vào là tín hiệu tương tự, tần số lấy mẫu của bộ biến đổi A/D bằng 48 MHz. Nếu tín hiệu đầu vào là tín hiệu số và tần số lấy mẫu ban đầu khác 48 KHz, bộ mã hóa Audio phải chuyển đổi sang tốc độ 48 KHz. Tốc độ lấy mẫu tại đầu vào của bộ mã hóa Audio phải đồng bộ với xung đồng hồ của tín hiệu Video để đảm bảo sự làm việc của toàn hệ thống. Tín hiệu đầu vào nói chung được lượng tử hóa tối thiểu là 16 bit, tuy nhiên hệ thống nén Audio có thể tải tín hiệu Audio có độ phân giải tới 24 bit. Về nguyên tắc, đầu ra của bộ mã hóa Audio là dòng cơ sở ES (Elementary Stream) và sau đó được tạo thành dòng cơ sở đóng gói PES (Packetized Elementary Stream) ở công đoạn tiếp theo. Mã hóa Audio Đóng gói Điều chế RF Giải mã Audio Mở gói PES Giải điều chế RF Kênh truyền Audio vào Audio ra Dòng ES Dòng PES RF Hình 3.25 : Hệ thống Audio trong truyền hình số Song tùy từng hãng sản xuất, bộ mã hóa có thể đảm bảo nhận cả công việc đóng gói dòng dữ liệu. Trong trường hợp đó, tín hiệu tại đầu ra của bộ mã hóa đã có dạng PES. I.3.2. Nén Audio theo chuẩn AC-3: Chuẩn nén Audio số theo chuẩn AC-3 được quy định trong ATSC Doc. Mục đích chính của nén Audio là biểu thị tín hiệu Audio bằng một số lượng bit ít đến mức có thể, trong khi vẫn bảo toàn được chất lượng cần thiết cho mỗi ứng dụng. Nén Audio có hai ứng dụng chủ yếu: nén để sử dụng hiệu quả nhất độ rộng dải thông và giảm tối thiểu nhu cầu lưu trữ. Trong hệ thống truyền hình hai ứng dụng này đều hết sức cần thiết. Nén Audio bao gồm 3 công đoạn chính: Công đoạn thứ nhất: Tín hiệu Audio thay vì được biểu diễn trong miền thời gian được chuyển đổi qua miền tần số. ở miền này, công nghệ nén thực hiện hiệu quả hơn dựa trên cơ sở “ tâm lý âm thanh”. Các hệ số tần số được lượng tử hóa thô (Coarsely) bởi lẽ tạp do lượng tử hóa cũng sẽ có cùng tần số như tín hiệu Audio. Tỉ lệ S/N cũng không đòi hỏi cao nhờ phương pháp “che mặt nạ” dựa trên hiệu ứng “ tâm lý âm thanh”. Công đoạn thứ hai: Phép hoạch định bit (Bit Allocation) dựa trên mô hình “tâm lý âm thanh” của con người, xác định giá trị S/N cần thiết đối với mỗi hệ số tần số. Công đoạn thứ ba: Các hệ số tần số được lượng tử hóa thô với mức độ chính xác cần thiết và tạo nên dòng cơ sở ES. Đơn vị cơ sở của tín hiệu Audio đã được mã hóa được gọi là khung đồng bộ AC-3 (AC-3 Sync Frame), mỗi khung chứa 1536 mẫu Audio. Dữ liệu cơ sở ES có chứa thông tin cần thiết cho phép bộ giải mã mở gói giải lượng tử và tái tạo lại các hệ số tần số ban đầu. Băng lọc tổng hợp (Synthesis Filterbank) thực hiện quá trình ngược lại của băng lọc phân tích (Analysis Filterbank) và chuyển đổi các hệ số tần số mới được tái tạo, trở lại dạng tín hiệu trong miền thời gian ban đầu. Băng lọc phân tích Hoạch định bit Lượng tử hóa Băng lọc tổng hợp Giải lượng tử Hoạch định bit Kênh truyền Audio vào Audio ra Hệ số tần số Dòng ES Hình 3.26: Sơ đồ khối hệ thống nén và giải nén Audio Dòng ES Quá trình chuyển đổi tín hiệu Audio từ miền thời gian sang miền tần số đòi hỏi tín hiệu Audio được đóng vào từng khối (Block), mỗi khối có 512 mẫu bao gồm 256 mẫu mới và 256 mẫu trước đó. Mỗi mẫu Audio được chứa trong hai Block, như vậy số lượng mẫu được xử lý tăng gấp đôi. Sự chồng lấn (Overlapping) lên nhau của các khối nhằm tránh khả năng nghe rõ của hiệu ứng nhân tạo (Artifacts). Các khối Audio mới được hình thành sau mỗi 5,33ms. ( 256.T = ) Mỗi nhóm gồm 6 khối mã lại thành một khung đồng bộ AC-3 với 6 khối x 256 mẫu = 1536 mẫu. Cú pháp dòng bit (Bit Stream Syntax) Dòng bit Audio bao bao gồm sự lặp lại của các khung dữ liệu Audio được gọi là khung đồng bộ AC-3 (AC-3 Sync Frame). Mỗi khung đồng bộ AC-3 chứa các thông tin: - Thông tin đồng bộ SI (Synchronization Information) Thông tin về dòng bit BSI (Bit Stream Information) 32 ms dữ liệu Audio đã mã hóa. Mã kiểm tra độ dư thừa có chu kỳ CRC (Cyclic Ređunancy Check) Các khung đồng bộ có cùng độ dài (cùng dung lượng bit) và chứa khối Audio đã mã hóa. Khung đồng bộ có thể được coi như một đơn vị truy cập Audio (Audio Access Unit) Trong SI có một từ mã đồng bộ 16 Bit, có chỉ thị về tốc độ lấy mẫu (trong hệ thống truyền hình số, tốc độ lấy mẫu bằng 48 KHz) và chỉ thị về kích thước của khung Audio (tốc độ Bit). Mỗi khung đồng bộ AC-3 được kết thúc bởi 16 Bit mã sửa sai CRC. Bộ giải mã sử dụng mã này để xác định khả năng dòng dữ liệu có bị thiếu hụt hoặc tổn hại. Ngoài ra mạch giải mã còn có thể sử dụng cờ báo lỗi (Error Flag) của hệ thống truyền tải để phát hiện lỗi. Trong trường hợp giải mã sai, mạch giải mã có thể sửa lại hoặc là cắt bỏ. Chuẩn hóa âm lượng: Trong các hệ thống truyền hình số, việc tạo nên sự đồng đều về âm lượng cho tất cả các chương trình là hết sức cần thiết. Người xem thường rất khó chịu nếu âm lượng thay đổi mỗi khi chuyển chương trình, hoặc giữa các tiết mục của cùng một chương tình. Một trong những âm thanh thường gặp ở tất cả các chương trình là giọng nói. Phấn đấu để đạt được một sự hài hòa tương đối về âm lượng khi đối thoại giữa các chương tình khác nhau là mục tiêu cần phải đạt được. Chuẩn nén Audio AC-3 có khả năng thực hiện mục tiêu đó. Dòng cơ sở AC-3 có chứa các chỉ số về mức khi đối thoại (Dialnorm) Máy thu truyền hình số ( và tất cả các bộ giải mã AC-3 khác) có khả năng sử dụng chỉ số Dialnorm này để tự điều chỉnh mức âm thanh đầu ra. Như vậy các chương trình khác nhau đều có cùng một mức âm thanh đối thoại như nhau. Trong phần thông tin về dòng Bit BSI (Bit Stream information) của khung đồng bộ (AC-3 Sync Frame) có chứa trường chỉ thị mức đối thoại trung bình của chương trình Audio đã mã hóa. SI BSI AB0 AB1 AB2 AB3 AB4 AB5 AUX CRC SI BSI Hình 3.27: Khung đồng bộ AC-3 (AC-3 Sync Frame) Có hai phương pháp chính để đảm bảo giá trị Dialnorm được đặt chính xác: Lựa chọn mức đối thoại thích hợp cho tất cả các chương trình và điều chỉnh mức âm thanh của các chương trình gốc phù hợp với mức này khi mã hóa AC-3. Phù hợp với mức Dialnorm đồng nghĩa với việc một số chương trình không bao giờ đạt tới mức 100% và một số khác phải đảm bảo không bị vượt quá mức 100%. Cho phép tất cả các chương trình được mã hóa với các mức có sẵn. Sự khác biệt về mức được sửa thông qua việc điều chỉnh giá trị mã hóa các Dialnorm của mỗi chương trình. Phương pháp này thực tế hơn bởi thiết bị điều khiển từ xa bằng máy tính cho các thiết bị mã hóa trở nên thông dụng hơn. Chương trình chính, chương trình kết hợp và dịch vụ đa ngôn ngữ: Dòng cơ sở AC-3 chỉ chứa đựng nội dung của một chương trình Audio. Để truyền tải nhiều dịch vụ Audio phải sử dụng nhiều dòng cơ sở. Mỗi dòng cơ sở được truyền tải với một PID (Program Identification) duy nhất. Mỗi loại hình dịch vụ Audio được mã hóa thành các dòng cơ sở ES riêng biệt. Loại hình dịch vụ được truyền tải trông mỗi dòng ES được xác định bởi trường bit Bsmod (Bsmod Bit Field). Có hai loại hình dịch vụ chính (Main Service) và 6 loại hình dịch vụ kết hợp (Associated Servise). Mỗi loại hình dịch vụ kết hợp có thể được gắn với một hoặc nhiều dịch vụ chính. Dịch vụ chính CM: Dịch vụ chính CM chứa đựng toàn bộ chương trình Audio bao gồm : đối thoại, âm nhạc, kỹ xảo. Dịch vụ CM thường bao gồm 1 đến 5,1 kênh Audio, các ngôn ngữ khác nhau được cung cấp bởi các dịch vụ CM khác nhau. Dịch vụ chính ME: Dịch vụ ME chứa đựng âm nhạc và kỹ xảo âm thanh của một chương trình Audio. Dịch vụ ME có thể bao gồm 1 đến 5,1 kênh Audio. Phần đối thoại gốc của chương trình gốc được loại ra, thay vào đó là chương trình D của dịch vụ kết hợp. Nhiều chương trình D với các ngôn ngữ khác nhau được kết hợp trong một dịch vụ ME duy nhất. Dịch vụ kết hợp VI: Dịch vụ VI thường là ngôn ngữ kể chuyện miêu tả tòan bộ nội dung hình ảnh của chương trình. Trong trường hợp này VI là một kênh Audio duy nhất. Dịch vụ kết hợp HI: Dịch vụ kết hợp HI chỉ bao gồm một kênh đối thoại duy nhất để phục vụ các đối tượng khiếm thính. Những người này thường không nghe rõ nội dung đối thoại thì trong chương trình có kèm theo âm nhạc và kỹ xảo âm thanh. Dịch vụ kết hợp D: Dịch vụ kết hợp D được sử dụng khi có nhu cầu truyền đồng thời nhiều kênh Audio bằng các ngôn ngữ khác nhau. Khi sử dụng dịch vụ D, dịch vụ thường là ME (âm nhạc và kỹ xảo). Nếu dịch vụ chỉ có một kênh duy nhất, dịch vụ ME và dịch vụ D cùng được giải mã để có thể cấu thành chương trình Audio hoàn chỉnh. Dịch vụ C: Dịch vụ kết hợp C tương tự như dịch vụ D, ngoại trừ việc thay vì truyền tải chương trình bình luận tùy chọn. Dịch vụ C có thể là một kênh duy nhất, chứa đựng nội dung bình luận. CM và C được giải mã đồng thời sẽ cho phép người khán giả nghe được thêm chương trình bình luận. Dịch vụ kết hợp E: Dịch vụ kết hợp E cho phép cài thêm những thông báo khẩn cấp. Bất kể khi nào dịch vụ E có mặt, mạch giải mã ngừng giải mã dòng dịch vụ chính và chỉ giải mã dịch vụ D. Dịch vụ E có thể được sử dụng bởi tổ chức phất thanh, truyền hình như một kênh ưu tiên cho dù không phải là các kênh thông tin khẩn cấp. Dịch vụ VO: Dịch vụ VO tương tự như dịch vụ E, ngoại trừ việc thay vì dịch vụ E thay thế hoàn toàn dịch vụ Audio chính, dịch vụ VO được giải mã đồng thời với dịch vụ chính và chỉ trộn vào kênh giữa của dịch vụ Audio chính. Tốc độ Bit Cú pháp của chuẩn nén Audio AC-3 cho phép tốc độ Bit thay đổi từ 32 Kbps tới tối đa 640 Kbps cho mỗi dòng cơ sở ES. Tốc độ Bit sử dụng trong truyền hình số bị giới hạn nhằm làm giảm kích thước bộ đệm đầu vào (Input Buffer) của bộ giải mã và giá thành máy thu. Dịch vụ Audio chính hoặc Audio kết hợp (gồm các thành phần cấu thành một chương trình hoàn chỉnh) có tốc độ tối đa 384 Kbps. Dịch vụ Audio kết hợp đơn kênh giải mã đồng thời với dịch vụ chính có tốc độ Bit tối đa 128 Kbps. Dịch vụ kết hợp hai kênh thoại giải mã đồng thời với dịch vụ chính có tốc độ Bit nhỏ hơn hoặc bằng 192 Kbps. Ngoài ra tốc độ Bit của toàn hệ thống bao gồm dịch vụ chính và tất cả các dịch vụ kết hợp được truyền và giải mã đồng thời không được lớn hơn 512 Kbps. I.3.3. Các đặc tính của AC-3 : Nén Audio theo chuẩn AC-3 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số mặt đất ATSC và gần đây kể cả những nước đã lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T như Australia, Singapore thay vì dùng chuẩn nén Audio MPEG cũng chọn AC-3. Những đặc tính quan trọng của tiêu chuẩn nén Audio số AC-3 bao gồm: Đạt được tốc độ dòng số liệu từ 32 đến 640 Kbit/s . Chu kỳ khung là 32 ms cho kênh 48 KHz ( 384x4x20,83 ms = 24 ms). Hệ số tỉ lệ là 4,5 bit trên một băng. Phân phối bit theo phương thức thích ứng trước. Chế độ mono cho mã hóa kênh 5,1. Mở rộng trong các ứng dụng của người sử dụng. Tiêu chuẩn nén AC-3 có nhiều ứng dụng trong thực tế như HDTV, CATV, DVB, Multimedia, Internet… Có khả năng trộn tín hiệu theo yêu cầu của người nghe âm thanh stereo hay mono . Mức âm lượng ổn định khi chuyển kênh, chuyển giữa các chương trình, các chương trình đa kênh và stereo. Chương IV: Truyền dẫn tín hiệu số I. Hệ thống ghép kênh và truyền tải I.1. Hệ thống truyền tín hiệu MPEG 2 Hệ thống MPEG-2 sử dụng cấu trúc dữ liệu dạng gói như dữ liệu của các mạng truyền thông. Các gói dữ liệu luôn luôn bao gồm phần đầu đề (Header) và phần tải (Payload). - Phần header chứa thông tin cần thiết để xử lí dữ liệu ở phần payload (ví dụ như thông tin phân loại ảnh trong phần header gói ảnh). - Kích thước phần payload có thể cố định hoặc thay đổi . Payload Packet header Hình 4.1: Cấu trúc gói dữ liệu Packet payload Trong tiêu chuẩn MPEG-2, dòng bit tại đầu ra bộ mã hoá Video/Audio được gọi là dòng sơ cấp ES (Elementary Stream) có đơn vị truy cập là một ảnh nếu là dòng sơ cấp Video và là một khung audio trong dòng Audio cơ bản. Các dòng ES sẽ được đóng gói trở thành dòng cơ bản đóng gói PES (Packetized Elementary Stream). Cũng như mọi dạng gói thông tin khác, PES bao gồm phần header và phần payload. Phần payload của PES có độ dài thay đổi. Các gói PES sau đó được chia ra thành các gói nhỏ hơn có độ dài cố định gọi là gói truyền tải TSP (Transport Stream Packet). Mỗi loại gói cấu trúc nên một dạng dòng dữ liệu sử dụng cho những ứng dụng khác nhau. Các gói PES cấu thành dòng chương trình (Program Stream). Nếu chúng được chia nhỏ thành các gói TSP thì tạo thành dòng truyền tải (Transport Stream). ở phía phát thực hiện đóng gói và ghép kênh. Còn bên thu sẽ mở gói và giải mã. Hình 4.2 : Cấu trúc phân lớp hệ thống MPEG-2 Mã hoá/ nén Định dạng nguồn Bộ đóng gói Ghép kênh tạo dòng chương trình Ghép kênh tạo dòng truyền tải Giải nén/ giảimã Giải định dạng nguồn Bộ mở gói Phân kênh dòng chương trình Phân kênh dòng truyền tải Audio, Video, Data Lớp nén (Compress layer) Lớp hệ thống (System layer) Mã hóa nén MPEG-2 Giải nén, giải mã MPEG-2 Dòng cơ sở ES Dòng cơ sở đóng gói PES Dòng chương trình PS Dòng truyền tải TS MPEG-2 trong lớp tăng cường của mình là System Layer, xác định cú pháp kết nối các dòng video, audio riêng lẻ thành các dòng chương trình (Program Stream) hoặc dòng truyền tải (Transport Stream) cũng như các thông tin cần thiết cho phân kênh và đồng bộ tại bên thu. Cuối lớp hệ thống (System Layer), các thông tin đồng bộ tham chiếu SCR (System Clock Reference) và tem thời gian trình diễn (Presentation Time Stamp) được xen vào dòng bít. I.2. Dòng dữ liệu đóng gói, dòng chương trình và dòng truyền tải - Dòng dữ liệu đóng gói PES (Packetized Elementary Stream) Dòng Video, Audio cơ bản qua bộ đóng gói sẽ được phân tách thành các gói PES với kích cỡ bất kỳ. Nội dung của PES khởi nguyên từ dữ liệu âm thanh, hình ảnh MPEG-2 gốc. Sau khi được đóng gói, các dòng video, audio cơ bản (Elementary Stream) trở thành các dòng được đóng gói PES (Packetized Elementary Stream). Cấu trúc gói PES trong tiêu chuẩn MPEG-2 như sau: Số Byte Mục đích 3 SC Bắt đầu mã 1 SI Xác định dòng 2 PL Độ dài gói 2 BS Dung lượng bộ đệm Hình 4.3 : Cấu trúc gói PES Dữ liệu phần Payload Gói có dung lượng max là 8 Kbyte 8 byte header SC SI PL BS - Dòng chương trình PS (Program Stream) và dòng truyền tải TS (Transport Stream) Audio Audio Video PES header packet header (header gói) Gói PES a) Dòng chương trình Audio Audio Video TS header hay trasnpart header b) Dòng truyền tải PES header Gói TS Video Video Audio Hình 4.4 : So sánh dòng chương trình và dòng truyền tải + Dòng chương trình: Dòng chương trình bao gồm các gói PES có độ dài thay đổi. Dòng chương trình được cấu thành từ sự ghép nối các dòng video và audio đóng gói (PES), được thiết kế để truyền trên các kênh tương đối ít bị nhiễu ví dụ trong các ứng dụng CD-ROM. + Dòng truyền tải : Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi (mỗi gói TS được bắt đầu bằng TS header) và truyền các gói này đi, ta sẽ có dòng truyền tải TS (Transport Stream). Các gói TS có độ dài không đổi là 188 byte, trong đó có chứa thông tin định thời, đồng bộ cũng như công cụ chuẩn xác độ jitter để đảm bảo truyền dẫn xa. Dòng TS có khả năng chống lỗi cao, được thiết kế để truyền trên các kênh truyền có nhiễu như: kênh truyền hình thông thường (thông qua trạm mặt đất) cũng như các kênh truyền hình cáp. Hình dưới đây mô tả quá trình ghép kênh Audio, Video tạo thành dòng truyền tải: Hình 4.5 : Định dạng dòng truyền tải MPEG-2 Chuỗi Video # n-1 Chuỗi Video # n Chuỗi Video # n+1 Chuỗi Audio # n-1 Chuỗi Audio # n Chuỗi Audio # n+1 Video Audio Video Audio2 Audio1 Dữ liệu Video Video Audio Video Audio Dòng chương trình #1 Dòng chương trình #2 Dòng chương trình #3 188 byte 188 byte/gói 188 byte/gói Gói PES ( độ dài thay đổi, lớn hơn 64 kbit ) Gói PES ( độ dài thay đổi, lớn hơn 64 kbit ) Dòng sơ cấp Video đã đóng gói Dòng sơ cấp Video Các gói truyền tải Video Dòng sơ cấp Audio Dòng sơ cấp Audio đã đóng gói Các gói truyền tải Audio 1 Dòng truyền tải đa chương trình I.3. Ưu điểm của dòng truyền tải MPEG-2 - 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 với số PID thuộc TS header. - Khả năng co giãn: Một kênh có dải thông rộng hơn có thể được khai thác tối đa bằng cách sử dụng nhiều dòng sơ cấp ES tại đầu vào bộ ghép kênh. Tính chất này rất có giá trị khi phân phối trên mạng cũng như cung cấp khả năng liên vận hành. Hai lĩnh vực liên vận hành cần được quan tâm là: + Dòng truyền tải MPEG-2 có thể được truyền trên tất cả các hệ thống thông tin. + Hệ thống truyền tải MPEG-2 cũng có thể truyền các dòng bít đã tạo ra bởi các hệ thống thông tin khác. - Khả năng mở rộng: Cấu trúc dòng truyền tải cho phép mở rộng được khả năng phục vụ các dịch vụ trong tương lai. Các dòng bit sơ cấp mới có thể được ghép thêm vào dòng truyền tải mà không cần sửa đổi cấu tạo phần cứng phiá phát, chỉ cần gắn thêm các PID mới, khả năng tương hợp ngược vẫn đảm bảo. - 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 giữa các dòng bít sơ cấp video, audio đang ghép kênh chung (dựa vào thông tin trong phần header). - Tính linh hoạt của dòng truyền tải : Dòng truyền tải MPEG-2 rất linh hoạt, thể hiện dưới hai khía cạnh sau: + Các chương trình được định nghĩa như bất kỳ sự kết hợp nào của các dòng bít sơ cấp. Các dòng bít sơ cấp có thể xuất hiện trong một hoặc nhiều chương trình khác nhau. Các chương trình cũng có thể được sửa đổi phù hợp với một số yêu cầu đặc biệt. + Nhiều chương trình khác nhau có thể ghép kênh trong cùng một hệ thống truyền tải. Tại phía thu (phía giải mã) chúng sẽ được tách ra dễ dàng. II. Kỹ thuật điều chế và giải điều chế II.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 tàn vô tuyến. Quá trình này gọi là quá trình điều chế. Quá trình tái tạo lại tín hiệu số từ các tín hiệu trong băng tần vô tuyến gọi là quá trình giải điều chế . Quá trình điều chế số bao gồm việc khoá chuyển biên độ, tần số hay pha của sóng mang. Có 3 phương pháp điều chế để truyền dẫn số là điều biên, điều tần, điều pha. Nếu truyền dòng số bằng điều chế biên độ theo dòng tín hiệu xung có-không thì ta sẽ chứng kiến sự dịch chuyển biên độ sóng cao tần lúc cao, lúc thấp theo tín hiệu số cần truyền. Nếu truyền dòng số bằng điều chế tần số theo dòng tín hiệu xung có-không thì ta sẽ thấy tần số sóng cao tần lúc cao, lúc thấp tuỳ theo biên độ của dòng xung. Nếu truyền dòng số bằng điều pha theo dòng tín hiệu xung có-không thì ta sẽ thấy pha của tín hiệu cao tần cũng có sự dịch chuyển. Mỗi phương pháp điều chế có ưu nhược điểm riêng nên 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 cức đại. + Mức độ phức tạp cực tiểu. Trong kỹ thuật truyền hình số, người ta sử dụng điều chế khoá chuyển pha và khoá chuyển biên kết hợp gọi là điều chế cầu phương hay điều chế biên độ vuông góc (QAM). II.2. Khoá dịch biên (ASK) Sóng điều biên được thiết kế để thay đổi biên độ sóng mang tỷ lệ với băng gốc và thường được tạo ra bằng cách nhân sóng mang hình sin với tín hiệu băng gốc. Bộ ghép kênh Sóng đã điều chế A(t) = S(t). cos(w0t + q) Tín hiệu gốc S(t) Sóng mang cos(w0t + q) Hình 4.6 : Sơ đồ nguyên lý điều biên 1 0 1 -1 0 S(t) A(t) Hình 4.7 : Khoá ASK tắt-bật Sóng điều biên A(t) có thể được viết bằng biểu thức sau: A(t) = S(t). cos(w0t + q) trong đó S(t) là tín hiệu băng gốc, và sóng mang là cos(w0t + q). Ta xét một xung đơn cực là tín hiệu băng gốc như chỉ ra ở hình 4.7. Khi xung là 1, sóng mang được đưa ra, khi xung là 0, sóng mang không được đưa ra. Điều biên theo kiểu này được gọi là ASK tắt-bật hoặc khoá tắt-bật (Ook). 1 0 1 -1 0 S(t) S(t) Hình 4.8 : ASK đảo pha (PRK) -1 Xét một xung lưỡng cực là tín hiệu băng gốc. Khi xung là 1, chiều biên độ sóng mang ngược với khi xung là -1. Nói cách khác, pha được đảo. Điều biên theo kiểu này được gọi là ASK đảo pha hay khóa đảo pha (PRK). II.3. Khoá dịch pha (PSK) Sóng điều pha có thể nhận được bằng cách thay đổi pha sóng mang tỷ lệ với tín hiệu băng gốc và có thể được diễn tả bằng: P(t) = cos{w0t + q + (S(t).DF)/2} ở biểu thức trên, D(j)=2/p là sai pha giữa các ký hiệu lân cận, S(t) là tín hiệu băng gốc nhiều mức, nhận các mức là ±1, ±2, ±3, ... ±n. Nếu n=2, DF=p thì sóng mang điều chế có dạng: 1 0 S(t) P(t) Hình 4.9a: 2PSK (BPSK) -1 1 -1 Hình4.9b: Sơ đồ pha 2PSK P(t) = cos{w0t + q + S(t).p/2} ở đây, vì tín hiệu băng gốc S(t) là xung NRZ lưỡng cực nhận 2 giá trị như ở hình 4.9a, nên dạng sóng đã điều chế có dạng giống như ASK đảo pha. Sơ đồ điều chế này sử dụng một trong hai pha lệch nhau 1800 và được gọi là 2PSK hoặc PSK nhị phân (BPSK). Hình 4.9b cho thấy một sơ đồ pha của tín hiệu 2PSK. 0 S(t) P(t) Hình4.10a: 4PSK (QPSK) -1 1 -3 3 1 -1 Hình4.10b: Sơ đồ pha 4PSK 3 -3 Nếu n=2, DF=p và tín hiệu băng gốc là một xung NRZ lưỡng cực nhận 4 giá trị, thì một dạng sóng đã điều chế như ở hình 3.6. Sơ đồ điều chế này sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 900, được gọi là 4PSK hoặc PSK cầu phương (QPSK). Hình 4.10b biểu diễn sơ đồ pha tín hiệu 4PSK. Giống như 2PSK, nếu tín hiệu băng gốc không bị hạn băng, thì tín hiệu 4PSK cũng dịch chuyển tức thời trên vòng tròn đơn vị. Bên cạnh 2PSK và 4PSK, còn có PSK nhiều pha. Hình 4.11 đưa ra các sơ đồ pha đối với 8PSK và 16PSK. Hình 4.11: Sơ đồ pha 8PSK và 16PSK (a) 8PSK (b) 16PSK II.4. Điều chế biên độ vuông góc (QAM) Sóng điều chế biên độ vuông góc có thể nhận được bằng cách thay đổi đồng thời thông số biên độ và pha, nó thực hiện truyền dẫn có hiệu quả các mã nhiều mức. a. Biểu diễn tín hiệu cầu phương Trước khi miêu tả điều chế biên độ cầu phương, ta hãy xét sự biểu diễn cầu phương của các tín hiệu. Một tín hiệu hình sin cos(w0t + q) có pha xác định được trình bày bằng định lý cộng của hàm lượng giác như sau: cos(w0t + q) = cosq.cosw0t - sinq.sinw0t Trong biểu thức này: - cosw0t và sinw0t là các tín hiệu hàm sin có hiệu sốpha là 900 và cắt nhau vuông góc trong biểu đồ pha. - cosq và tương ứng sinq là các hệ số của chúng có thể biểu diễn tất cả các điểm tín hiệu của sóng điều chế nhiều mức bằng cách chọn thích hợp các hệ số này. b. Biểu diễn điều pha QAM Bây giờ ta xét biểu thứccầu phương của 4PSK. Sóng 4PSK E(t) có thể được biểu diễn là tổng của hai tín hiệu hình sin vuông góc với nhau như sau: E(t) = e1(t) + e2(t) = {S1(t). cosw0t + S2(t). sinw0t}/ Nếu e1(t) và e2(t) là các sóng điều biên có hai giá trị thì có thể kết hợp chúng để tạo thành các sóng điều chế có 4 điểm tín hiệu. Vì quỹ tích véc tơ của các tín hiệu bị hạn băng không dịch chuyển trên đường tròn đơn vị nên các sóng thu được khác với tín hiệu 4PSK chuẩn. Tuy nhiên vì chúng có cùng một biên độ cố định tại thời điểm tách sóng nên ta có thể coi chúng như là PSK. Tín hiệu nhận được bằng cách kết hợp hai sóng điều biên (AM) vuông góc với nhau được gọi là sóng điều biên cầu phương (QAM). Sóng QAM có hai ưu điểm, nó có thể biển diễn được từ hai tín hiệu điều chế biên độ cơ sở và có thể chọn một điểm bất kỳ trên biểu đồ không gian tín hiệu như là một điểm tín hiệu. c. QAM nhiều trạng thái QAM cho phép sắp xếp ngẫu nhiên các điểm tín hiệu cũng như dễ dàng thực hiện điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ tính chất cầu phương của các tín hiệu. Ngoài ra, cách sắp xếp thường được sử dụng khi thuộc tính C/N đòi hỏi khá cao. Hình 4.12 cho thấy một cách sắp xếp các điểm tín hiệu đối với 16 mức. Ta thường gọi cách sắp xếp này là 16 QAM. QAM nhiều trạng thái có thể được tạo thành bởi hai tín hiệuđiều chế biên độtrực giao có n mức, vì vậy có 2n điểm tín hiệu. Khi n=2 thì QAM giống hệt cách sắp xếp tín hiệu của 4PSK. Khi n=4 thì điều chế là 16-QAM, khi n=8 hoặc 16 thì điều chế tương ứng là 64-QAM hoặc 256-QAM. Hình 4.12: Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái Các mức Các mức n2 QAM III. Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Có 3 phương thức để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số là: Truyền qua cáp quang. Truyền qua vệ tinh. Truyền qua mặt đất. III.1. Truyền hình cáp 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 VHF thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng. Ưu điểm cuả 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 điều khiển ở độ tuyến tính cao để tránh hiện tượng điều biến tương hỗ. Cáp quang được ứng dụng 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 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 bit 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: Hạn chế thành phần một chiều và thành phần tần số thấp để có thể đấu nối tín hiệu từ mạch này sang mạch khác bằng biến áp hoặc qua tụ. Thuận lợi cho việc tái tạo xung nhịp ở đầu thu. Phát hiện lỗi. III.2. Truyền hình số mặt đất Nhược điểm của truyền hình số mặt đất: Kênh bị giảm chất lượng do hiện tượng phản xạ nhiều đường. Giá trị tạp do con người tạo ra cao. Do phân bố khá dày trong phổ tần đối với truyền hình, giao thoa giữa truyền hình số và truyền hình tương tự là vấn đề cần xem xét… 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: Trên dải tần của một kênh truyền hình tương tự có thể phát một chương trình truyền hình có độ phân tích cao HDTV hoặc nhiều chương trình có độ phân tích thấp. Trong phạm vi phủ sóng chất lượng ổn định, khắc phục được các vấn đề như hình ảnh có bóng, tạp nhiễu, tạp âm… Dung lượng chứa âm thanh lớn. Có thể chuyển đổi từ phát chương trình có hình ảnh và âm thanh chất lượng cao sang nhiều chương trình chất lượng thấp hơn và ngược lại. Cấu trúc của hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất DTTB bao gồm: Biến đổi tín hiệu Audio, Video thành các dữ liệu số. Mã hoá nguồn dữ liệu số. Gói và đa hợp Audio, Video và các dữ liệu phụ vào một dòng dữ liệu. Điều chế tín hiệu phát băng dòng dữ liệu, bao gòm cả mã hoá truyền dẫn, mã hoá kênh và các kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi, chống lại suy giảm chất lượng do pha đinh, tạp nhiễu . Thu: Mở gói, giải mã, hiển thị và đưa tiếng ra máy thu. III.3. Truyền hình vệ tinh Ưu điểm của hệ thống truyền hình vệ tinh: Một đường truyền vệ tinh có thể truyền các tín hiệu với khoảng cách rất xa. Đường truyền vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi địa hình, địa vật. Thiết lập một đường truyền qua vệ tinh được thực hiện trong thời gian ngắn. 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 trạm phát lên vệ tinh sử dụng điều chế pha và chủ yếu dùng điều chế QPSK. Quá trình điều chế của trạm này được thực hiện ở tần số trung tần 70 MHz nghĩa là pha của sóng 70 MHz bị thay đổi theo tín hiệu số đã nén và ghép lại (dòng truyền tải MPEG 2). Pha biến đổi theo từng nhóm như [00],[01],[10],[11]. Kết luận Sau khi phân tích nội dung “Xử lý tín hiệu truyền hình số”, ta nhận thấy rằng: Truyền hình số mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi và có rất nhiều ưu điểm so với truyền hình tương tự .Tín hiệu số có thể thay thế hoàn toàn tín hiệu tương tự nhất là trong việc xử lý và lưu trữ. Bên cạnh đó thì nhờ công nghệ nén số, ta có thể truyền nhiều chương trình truyền hình trên một kênh thông tin thông thường (8 MHz) hoặc 1 tín hiệu truyền hình số phân giải cao. ở việt Nam, truyền hình số đang bắt đầu áp dụng trong các đài phát. Do điều kiện kinh tế nên chúng ta chưa thể thay thế hoàn toàn hệ thống truyền hình tương tự sang hệ thống truyền hình số. Hy vọng rằng trong những năm tới chúng ta có thể số hoá hoàn toàn hệ thống truyền hình, đưa mạng truyền hình việt Nam hoà vào hệ thống truyền hình các nước trên thế giới. Em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và sự chỉ bảo tận tình của cô giáo Nguyễn Thuý Anh đã giúp em hoàn thành đồ án này. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự góp ý của các thầy, cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! ._.