Bài giảng Kỹ thuật audio và video - Nguyễn Phạm Hoàng Dũng

ằng khoảng lƣợng tử và thay đổi từ 0 đến R - Q - Tất cả các bit mã hóa đều bằng 0 tƣơng ứng với mức lƣợng tử nhỏ nhất (0). Ví dụ: xét bộ biến đổi A/D đơn cực có số bit biễu diễn một mẫu B = 3 và tầm toàn thang R = 4V Tổng số mức lƣợng tử là: 2B = 23 = 8 mức 74 Khoảng lƣợng tử: V R Q B 5,0 2 4 2 3  Theo quy ƣớc, mức lƣợng tử nhỏ nhất là 0V tƣơng ứng với chuỗi bit 000. Do đó, việc biến đổi các mức lƣợng tử thành các chuỗi bit nhị phân đƣợc thực hiện theo ánh xạ nhƣ trong bảng sau. Mức lƣợng tử Chuỗi bit 0 000 0,5 001 1 010 1,5 011 Mức lƣợng tử Chuỗi bit 2 100 2,5 101 3 110 3,5 111 b. Mã hóa nhị phân lưỡng cực offset Thực tế các tín hiệu điện thƣờng có cả giá trị âm và dƣơng, do đó ngƣời ta thƣờng sử dụng các bộ biến đổi A/D lƣỡng cực. Để sử dụng nguyên tắc mã hóa lƣỡng cực offset, ta có một số quy ƣớc nhƣ sau: - Các mức lƣợng tử cách đều nhau bằng khoảng lƣợng tử và thay đổi từ -R/2 đến R/2 – Q - Mức lƣợng tử nhỏ nhất (-R/2) đƣợc biểu diễn bằng chuỗi bit 0 Ví dụ: xét bộ biến đổi A/D lƣỡng cực có số bit biễu diễn một mẫu B = 3, tầm toàn thang R = 4V và mã hóa theo nguyên tắc lƣỡng cực offset Khoảng lƣợng tử: V R Q B 5,0 2 4 2 3  Theo quy ƣớc, mức lƣợng tử nhỏ nhất là -2V ứng với chuỗi bit 000. Do đó, việc biến đổi các mức lƣợng tử thành các chuỗi bit nhị phân đƣợc thực hiện theo ánh xạ nhƣ trong bảng sau. Mức lƣợng tử Chuỗi bit -2 000 -1,5 001 -1 010 -0,5 011 Mức lƣợng tử Chuỗi bit 0 100 0,5 101 1 110 1,5 111 c. Mã hóa nhị phân lưỡng cực bù 2 75 Thực tế các tín hiệu truyền hình số đƣợc biểu diễn bằng mã lƣỡng cực bù 2, do đó mã này thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật truyền hình. Để sử dụng nguyên tắc mã hóa lƣỡng cực bù 2, ta có một số quy ƣớc nhƣ sau: - Các mức lƣợng tử cách đều nhau bằng khoảng lƣợng tử và thay đổi từ -R/2 đến R/2 – Q - Mức lƣợng tử nhỏ nhất (-R/2) có bit MSB bằng 1, các bit còn lại đều bằng 0, mức lƣợng tử 0 có chuỗi bit biểu diễn đều bằng 0 Ví dụ: xét bộ biến đổi A/D lƣỡng cực có số bit biễu diễn một mẫu B = 3, tầm toàn thang R = 4V và mã hóa theo nguyên tắc lƣỡng cực bù 2 Khoảng lƣợng tử: V R Q B 5,0 2 4 2 3  Theo quy ƣớc, mức lƣợng tử nhỏ nhất là -2V ứng với chuỗi bit 100 và mức lƣợng tử 0V đƣợc biểu diễn bằng chuỗi bit 000. Do đó, việc biến đổi các mức lƣợng tử thành các chuỗi bit nhị phân đƣợc thực hiện theo ánh xạ nhƣ trong bảng sau. Mức lƣợng tử Chuỗi bit -2 100 -1,5 101 -1 110 -0,5 111 Mức lƣợng tử Chuỗi bit 0 000 0,5 001 1 010 1,5 011 Phương pháp xấp xỉ liên tiếp Việc chuyển đổi các mẫu thành số nhị phân nhƣ để cập ở phần trên đƣợc thực hiện bằng cách lập bảng để tìm ánh xạ giữa mức lƣợng tử và chuỗi bit. Tuy nhiên phƣơng pháp này không thật sự hiệu quả khi tăng độ dài chuỗi bit biểu diễn một mẫu và đặc biệt là không thể hiện thực bằng phần cứng. Một trong những phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến để chuyển đổi một mẫu tín hiệu thành dạng số ở dạng một chuỗi bit là xấp xỉ liên tiếp. Thuật toán đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ 7.4. Giả sử chuỗi bit biểu diễn là b1b2bB, đầu tiên B bit bị xóa về 0. Tiếp theo, bắt đầu từ bit có trọng số cao nhất (MSB) b1, lần lƣợt từng bit trong chuỗi đƣợc bật lên 1 và sẽ có sự đánh giá để xác định xem các bit này đƣợc giữ nguyên giá trị hay phải bị xóa về 0. Quá trình đánh giá đƣợc thực hiện bằng cách so sánh hai giá trị x(n) và xQ(n), 76 ngõ ra C tƣơng ứng với giá trị của bit đang đƣợc đánh giá phụ thuộc vào hai ngõ vào nhƣ sau: Hình 7.4. Thuật toán xấp xỉ liên tiếp        )()(,0 )()(,1 nxnxkhi nxnxkhi C Q Q Bit đang đƣợc đánh giá sẽ thay đổi theo ngõ ra C. Ngõ vào so sánh xQ(n) đƣợc tính theo bảng 7.1 Bảng 7.1. Ngõ vào đánh giá thuật toán xấp xỉ liên tiếp Loại chuyển đổi Quan hệ vào/ra Nhị phân đơn cực xQ = R(b12 -1 + b22 -2 + . + bB2 -B ) Nhị phân lƣỡng cực offset xQ = R(b12 -1 + b22 -2 + . + bB2 -B – 0,5) Nhị phân lƣỡng cực bù 2 xQ = R( 1b 2 -1 + b22 -2 + . + bB2 -B – 0,5) Một số lƣu ý khác: - Đối với phƣơng pháp lƣợng tử làm tròn, ngõ vào so sánh x(n) đƣợc thay thế bằng x’(n), với x’(n) = x(n) + Q/2 - Đối với nguyên tắc mã hóa lƣỡng cực bù 2, bit có trọng số lớn nhất b1 có giá trị nhƣ sau:       0)(0 0)(1 1 nxkhi nxkhi b Ví dụ: Bộ biến đổi A/D có tầm toàn thang R = 4V, số bit biểu diễn một mẫu B = 6 bit. Tìm chuỗi bit biểu diễn cho mẫu x(n) = -1,2628V sử dụng các phƣơng pháp lƣợng tử và mã hóa sau: a. Lƣợng tử làm tròn, mã hóa lƣỡng cực offset 77 - Khoảng lƣợng tử: Q = R/2B = 4/26 = 0,0625 - Sử dụng phƣơng pháp lƣợng tử làm tròn nên ngõ vào so sánh là x’(n): x ’ (n) = x(n) + Q/2 = -1,2628 + 0,0625/2 = -1,23155 Giả sử chuỗi bit biểu diễn một mẫu có dạng: b1b2b6 - Sử dụng loại chuyển đổi nhị phân lƣỡng cực offset nên ngõ vào so sánh xQ(n) có dạng nhƣ sau: xQ = R(b12 -1 + b22 -2 + . + bB2 -B – 0,5) Lập bảng thể hiện thuật toán xấp xỉ liên tiếp test b1b2b3b4b5b6 xQ C b1 100000 0 > -1,23155 0 b2 010000 -1 > -1,23155 0 b3 001000 -1,5 < -1,23155 1 b4 001100 -1,25 < -1,23155 1 b5 001110 -1,125 > -1,23155 0 b6 001101 -1,1875 > -1,23155 0 Vậy chuỗi bit biểu diễn cho mẫu x(n) = -1,2628V là 001100 b. Lƣợng tử rút bớt, mã hóa lƣỡng cực bù 2 Sử dụng phƣơng pháp lƣợng tử rút bớt và mã hóa nhị phân lƣỡng cực bù 2 nên các ngõ vào so sánh là x(n) và xQ(n) Với x(n) = -1,2628V và xQ(n) = R( 1b 2 -1 + b22 -2 + . + bB2 -B – 0,5) Vì x(n) = -1,2628 < 0 nên b1 = 1, ta chỉ cần đánh giá các bit còn lại Lập bảng thể hiện thuật toán xấp xỉ liên tiếp test b1b2b3b4b5b6 xQ C b2 110000 -1 > -1,2628 0 b3 101000 -1,5 < -1,2628 1 b4 101100 -1,25 > -1,2628 0 b5 101010 -1,375 < -1,2628 1 b6 101011 -1,3125 < -1,2628 1 Vậy chuỗi bit biểu diễn cho mẫu x(n) = -1,2628V là 101011 7.3. Biến đổi tín hiệu số - tƣơng tự 78 Có chức năng khôi phục lại tín hiệu tƣơng tự từ chuỗi bit nhị phân nhận đƣợc. Mạch biến đổi số - tƣơng tự gồm rất nhiều thành phần, trong đó thành phần chính là bộ biến đổi số - tƣơng tự, làm việc theo nguyên tắc cộng điện áp hoặc cộng dòng. 7.4. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4FSC NTSC Các tiêu chuẩn video số tổng hợp ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu phải có một tiêu chuẩn chung cho tín hiệu truyền hình số để tiện cho việc chế tạo các bộ thu truyền hình kỹ thuật số cũng nhƣ chia sẻ các chƣơng trình truyền hình số. Trên nhu cầu đó, hai hệ thống tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video tổng hợp đã đƣợc phát triển rộng rãi, đó là các tiêu chuẩn 4fSC NTSC và 4fSC PAL. Sau đây ta sẽ tìm hiểu một số thông số kỹ thuật của hai tiêu chuẩn này. Quá trình lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp theo tiêu chuẩn NTSC đƣợc thực hiện với tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ nên tiêu chuẩn này còn gọi là 4fSC NTSC. Do đó, tần số lấy mẫu tín hiệu video chuẩn 4fSC NTSC là: fS = 4 x 3,58 = 14,32 MHz. Với tiêu chuẩn NTSC, tần số quét dòng là fH = 15734,25 Hz, ta tính đƣợc số mẫu trên một dòng video NTSC là: fS/fH = 14,32.10 6 /15734,25 = 910 mẫu. Trong đó, nhƣ mô tả trong hình 7.5, số mẫu tích cực là 768 mẫu, 142 mẫu còn lại sử dụng cho việc đồng bộ dòng video. Hình 7.5. Các mẫu tín hiệu trên dòng video số tổng hợp chuẩn 4fSC NTSC Việc lƣợng tử hóa đƣợc thực hiện theo thang lƣợng tử đều, mã hóa mỗi mẫu bằng 8 hoặc 10 bit. Hình 7.6 mô tả thang lƣợng tử trong trƣờng hợp mã hóa mỗi 79 mẫu tín hiệu video bằng 10 bit. Từ hình vẽ ta thấy giá trị giá trị điện áp đỉnh – đỉnh của tín hiệu video là 1304,2mV (thay đổi từ -306,1mV đến 998,1mV). Giá trị này đƣợc chia thành 1024 mức lƣợng tử, mỗi mức biểu diễn một tín hiệu màu sắc hoặc tín hiệu đồng bộ. Bốn mức lƣợng tử cao nhất (3FC đến 3FF) và thấp nhất (000 đến 003) là các mức dự phòng không đƣợc sử dụng cho bất kỳ tín hiệu nào. Một số mức lƣợng tử quan trọng khác đƣợc liệt kê trong bảng 7.2. Hình 7.6. Thang lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC NTSC Bảng 7.2. Các mức lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC NTSC Các mức tín hiệu Giá trị lượng tử (HEX) Mức bảo vệ 3FC, 3FD, 3FE, 3FF Mức lƣợng tử hóa cao nhất 3FB Mức đỉnh tín hiệu màu 3CC Mức trắng 320 Mức đen 11A Mức xóa 0F0 Đỉnh đồng bộ 010 Mức lƣợng tử hóa thấp nhất 004 Mức bảo vệ 003, 002, 001, 000 80 7.5. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4FSC PAL Cũng giống nhƣ tiêu chuẩn NTSC, tín hiệu video tổng hợp chuẩn PAL đƣợc lấy mẫu với tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ nên tiêu chuẩn này còn đƣợc gọi là 4fSC PAL. Do đó, tần số lấy mẫu tín hiệu video chuẩn 4fSC PAL là: fS = 4 x 4,4336 = 17,7344 MHz. Với tiêu chuẩn PAL, tần số quét dòng fH = 15625 Hz, do đó, số mẫu trên một dòng video chuẩn PAL là: fS/fH = 17,7344.10 6 /15625 = 1135 mẫu. Trong đó, nhƣ mô tả ở hình 7.7, số mẫu tích cực là: 948 mẫu, 187 mẫu còn lại sử dụng cho việc đồng bộ dòng video. Hình 7.7. Các mẫu tín hiệu trên dòng video số tổng hợp chuẩn 4fSC PAL Việc lƣợng tử hóa đƣợc thực hiện theo thang lƣợng tử đều, mã hóa mỗi mẫu bằng 8 hoặc 10 bit. Hình 7.8 mô tả thang lƣợng tử trong trƣờng hợp mã hóa mỗi mẫu tín hiệu video bằng 10 bit. Từ hình vẽ ta thấy giá trị giá trị điện áp đỉnh – đỉnh của tín hiệu video là 1238,3mV (thay đổi từ -304,8mV đến 933,5mV). Giá trị này đƣợc chia thành 1024 mức lƣợng tử, mỗi mức biểu diễn một tín hiệu màu sắc hoặc tín hiệu đồng bộ. Một số mức lƣợng tử quan trọng đƣợc liệt kê trong bảng 7.3. Bảng 7.3. Các mức lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC PAL Các mức tín hiệu Giá trị lượng tử (HEX) Mức bảo vệ 3FC, 3FD, 3FE, 3FF Mức lƣợng tử hóa cao nhất 3FB Mức đỉnh tín hiệu màu 3FB 81 Mức trắng 34C Mức đen 100 Mức xóa 100 Đỉnh đồng bộ 004 Mức lƣợng tử hóa thấp nhất 004 Mức bảo vệ 003, 002, 001, 000 Hình 7.8. Thang lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC PAL Tín hiệu video số tổng hợp có ƣu điểm tốc độ dữ liệu thấp nên chỉ cần băng thông nhỏ, nhƣng có khá nhiều nhƣợc điểm, trong đó nổi bật là: - Phụ thuộc vào hệ thống truyền hình tƣơng tự nên gây ra khó khăn trong việc trao đổi các chƣơng trình truyền hình - Tín hiệu video số tổng hợp rất khó xử lý và tạo kỹ xảo truyền hình Do đó, kiểu số hóa tín hiệu video tổng hợp thƣờng ít đƣợc sử dụng. Để khắc phục các nhƣợc điểm trên, ngƣời ta xây dựng tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video bằng cách số hóa các tín hiệu video thành phần. 82 7.6. Tín hiệu video số thành phần Đối với tiêu chuẩn video số thành phần, các tín hiệu đƣợc lấy mẫu và mã hóa là tín hiệu độ chói (Y) và hai tín hiệu màu (R-Y và B-Y). Để đảm bảo vấn đề đồng bộ, ngoài yêu cầu phải thỏa mãn định lý lấy mẫu, tần số lấy mẫu tín hiệu video thành phần đƣợc chọn là bội số của tần số quét dòng của cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525/60 và 625/50. Việc lấy mẫu đƣợc thực hiện cho ba tín hiệu nên tùy theo tiêu chuẩn mà mỗi tín hiệu có tần số lấy mẫu khác nhau, nhƣng đều dựa trên tần số chuẩn fo = 3,375 MHz. Sau đây ta xét một số tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video số thành phần. a. Tiêu chuẩn 4:4:4 Tín hiệu chói và hai tín hiệu màu thành phần đều đƣợc lấy mẫu với tần số fS = 4fo = 4x3,375 = 13,5 MHz Hình 7.9 mô tả các điểm lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:4:4. Tiêu chuẩn này cho khả năng khôi phục hình ảnh với chất lƣợng tốt nhất, thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu, Tuy nhiên, tiêu chuẩn này yêu cầu tốc độ bit khá lớn. Hình 7.9. Tiêu chuẩn 4:4:4 Với hệ PAL, màn hình có 576x720 điểm ảnh, nếu mã hóa mỗi mẫu bằng 10 bit thì tốc độ bit tối thiểu phải là: 720 x 576 x 3 x 10 x 25 = 311,04 Mbps (hệ PAL có tần số hình là 25 hình/s) Tiêu chuẩn này thƣờng đƣợc sử dụng cho truyền hình số chất lƣợng cao. b. Tiêu chuẩn 4:2:2 - Tín hiệu chói đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(Y) = 4fo = 4 x 3,375 = 13,5 MHz - Tín hiệu màu đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(R,B) = 2fo = 2 x 3,375 = 6,75 MHz Hình 7.10 mô tả các điểm lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:2:2. Điểm ảnh đầu tiên đƣợc lấy mẫu cả ba tín hiệu chói và màu, điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu tín hiệu 83 chói. Bộ giải mã màu sẽ sử dụng phƣơng pháp nội suy để tìm các tín hiệu màu ở điểm ảnh này. Điểm ảnh tiếp theo sẽ đƣợc lấy mẫu đầy đủ cả ba tín hiệu. Quá trình sẽ tiếp tục đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho toàn bộ một ảnh. Hình 7.10. Tiêu chuẩn 4:2:2 Với hệ PAL, màn hình có 576x720 điểm ảnh, nếu mã hóa mỗi mẫu bằng 10 bit thì tốc độ bit tối thiểu phải là: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207,36 Mbps c. Tiêu chuẩn 4:1:1 - Tín hiệu chói đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(Y) = 4fo = 4 x 3,375 = 13,5 MHz - Tín hiệu màu đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(R,B) = 1fo = 1 x 3,375 = 3,375 MHz Hình 7.11 mô tả các điểm lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:1:1. Điểm ảnh đầu tiên đƣợc lấy mẫu cả ba tín hiệu chói và màu, ba điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu tín hiệu chói. Bộ giải mã màu sẽ sử dụng phƣơng pháp nội suy để tìm các tín hiệu màu ở các điểm ảnh này. Điểm ảnh tiếp theo sẽ đƣợc lấy mẫu đầy đủ cả ba tín hiệu. Quá trình sẽ tiếp tục đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho toàn bộ một ảnh. Hình 7.11. Tiêu chuẩn 4:1:1 Với hệ PAL, màn hình có 576x720 điểm ảnh, nếu mã hóa mỗi mẫu bằng 10 bit thì tốc độ bit tối thiểu phải là: (720 + 180 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,52 Mbps 84 Tiêu chuẩn này có tốc độ bit thấp nhất trong ba tiêu chuẩn, thƣờng sử dụng cho các dịch vụ hoặc chƣơng trình truyền hình chất lƣợng trung bình. Thang lƣợng tử đƣợc sử dụng để mã hóa các mẫu là thang đều, mỗi mẫu đƣợc mã hóa bằng 8 hoặc 10 bit. Các mức lƣợng tử cụ thể cho tín hiệu độ chói và tín hiệu mang màu đƣợc mô tả nhƣ trong bảng 7.4 và 7.5. Bảng 7.4. Các mức lƣợng tử cho tín hiệu độ chói Mã hóa 8 bit Mã hóa 10 bit Các mức bảo vệ FF 3FC, 3FD, 3FE, 3FF Mức lƣợng tử hóa cao nhất FE 3FB Mức trắng EB 3AC Mức xóa 10 040 Mức lƣợng tử hóa thấp nhất 01 004 Các mức bảo vệ 00 000, 001, 002, 003 Bảng 7.5. Các mức lƣợng tử cho tín hiệu mang màu Mã hóa 8 bit Mã hóa 10 bit Các mức bảo vệ FF 3FC, 3FD, 3FE, 3FF Mức lƣợng tử hóa cao nhất FE 3FB Mức dƣơng cao nhất F0 3C0 Mức xóa 80 200 Mức âm cao nhất 10 040 Mức lƣợng tử hóa thấp nhất 01 004 Các mức bảo vệ 00 000, 001, 002, 003 7.7. Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản – CCIR601 Việc đề ra một tiêu chuẩn truyền hình số nhằm các mục đích sau: - Thuận tiện cho quá trình sản xuất, trao đổi chƣơng trình - Tƣơng thích cho tất cả các thiết bị video số - Dễ dàng trong việc xử lý tín hiệu Một số nguyên tắc cần phải quan tâm khi lựa chọn các thông số. 85 - Lựa chọn tín hiệu mã hóa là video tổng hợp hay video thành phần: thực tế cho thấy phƣơng pháp mã hóa các tín hiệu video thành phần sẽ cho chất lƣợng hình ảnh tốt hơn. - Chọn các thông số lấy mẫu tín hiệu video: bao gồm cấu trúc lấy mẫu và tần số lấy mẫu. Sử dụng cấu trúc lấy mẫu phổ biến, đó là cấu trúc trục giao. Tần số lấy mẫu phải thỏa mãn định lý lấy mẫu và các điều kiện đồng bộ. Do đó, tần số lấy mẫu đƣợc chọn là 13,5 MHz cho tín hiệu độ chói và 6,75MHz cho tín hiệu màu. Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản có tên gọi là CCIR-601. Tiêu chuẩn này phù hợp cho cả hai hệ truyền hình 525 và 625, còn đƣợc gọi là tiêu chuẩn 4:2:2. Một số thông số kỹ thuật đƣợc cho trong bảng 7.6 Bảng 7.6. Các thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn CCIR-601 STT Thông số Hệ 525/60 Hệ 625/60 1 Tín hiệu đƣợc số hóa Y, (R-Y) và (B-Y) 2 Tổng số mẫu mỗi dòng - Tín hiệu chói - Mỗi tín 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 Tần số lấy mẫu - Tín hiệu chói - Tín hiệu màu 13,5MHz 6,75 MHz 5 Phƣơng thức mã hóa Lƣợng tử hóa đều, mã hóa 8 bit/mẫu 6 Số mẫu tích cực trên một dòng - Tín hiệu chói - Tín hiệu màu 720 360 7 Tổng số mức - Tín hiệu chói + Mức đen + Mức trắng - Tín hiệu màu 0 – 255 mức 220 mức mức 16 mức 235 255 mức, đối xứng qua trục tại mức 128 86 7.8. Tín hiệu audio số Quá trình số hóa tín hiệu audio cũng đƣợc thực hiện thông qua ba bƣớc cơ bản nhƣ tín hiệu video, đó là: lấy mẫu, lƣợng tử và mã hóa. - Tần số lấy mẫu tín hiệu âm thanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể + 32 KHz: cho các ứng dụng truyền dẫn + 44,1 KHz: cho các ứng dụng lƣu trữ, ghi băng PAL, NTSC + 48 KHz: cho truyền thanh, truyền hình quảng bá - Các giá trị tín hiệu audio đƣợc biểu diễn theo dạng số bù 2: giá trị âm khi bit MSB bằng 1, giá trị dƣơng khi bit MSB bằng 0 - Số bit biểu diễn cho một mẫu: 16, 20 hoặc 24 bit tùy vào ứng dụng cụ thể CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 7 1. Trình bày các ƣu điểm nổi bật của truyền hình số. 2. Trình bày định lý lấy mẫu. 3. Một hệ thống hòa âm số stereo, ghi âm riêng biệt, mỗi kênh lấy mẫu ở tần số 48KHz và mã hóa mỗi mẫu 20 bit. Các mẫu số hóa này đƣợc lƣu trên một đĩa cứng để xử lý sau này. Cần bao nhiêu dung lƣợng đĩa cứng để ghi một ca khúc trong thời gian 4 phút? 4. Bộ biến đổi tƣơng tự - số có tầm toàn thang R = 2V, lƣợng tử rút bớt, mã hóa lƣỡng cực bù 2, mỗi mẫu đƣợc biểu diễn bằng 6 bit. a. Xác định sai số lƣợng tử hiệu dụng b. Tìm chuỗi bit biểu diễn cho các mẫu: 0,367V và -0,812V 5. Thế nào là tiêu chuẩn video số thành phần 4:4:4, 4:2:2 và 4:1:1. Trong hệ NTSC, tính tốc độ dữ liệu tối thiểu cho từng tiêu chuẩn trên. 6. Nêu các tiêu chuẩn của truyền hình số cơ bản (CCIR601) cho cả hai hệ 525/60 và 625/50? 87 Chƣơng 8. TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 8.1. Hệ thống ghép kênh và truyền tải 8.1.1. Truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2 MPEG-2 đƣợc xây dựng từ năm 1994, đây là tiêu chuẩn mã hóa có nén hình ảnh động. Tiêu chuẩn này cho phép kết hợp dữ liệu nén của âm thanh, hình ảnh và các loại dữ liệu khác vào một luồng dữ liệu duy nhất phục vụ cho việc lƣu trữ và truyền dẫn. MPEG-2 hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số mặt đất, vệ tinh và cáp. Hình 8.1 mô tả các thành phần chính của hệ thống truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2. Hình 8.1. Truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2 Tiêu chuẩn MPEG-2 là sự kết hợp của nhiều tiêu chuẩn, trong đó ba tiêu chuẩn đƣợc sử dụng trong truyền tải là: ISO/IEC 13818-1, ISO/IEC 13818-2 và ISO/IEC 13818-3. - ISO/IEC 13818-2: quy định tiêu chuẩn dùng để mã hóa tín hiệu hình (video). - ISO/IEC 13818-3: quy định tiêu chuẩn dùng để mã hóa tín hiệu tiếng (audio) 88 - ISO/IEC 13818-1: quy định cấu trúc đóng gói các luồng dữ liệu cơ sở và ghép kênh các gói dữ liệu. Các luồng dữ liệu cơ sở (còn gọi là ES) là các tín hiệu video và audio sau khi đƣợc số hóa và nén, với chiều dài gần nhƣ vô tận và chỉ chứa những thông tin cần thiết để có thể khôi phục lại tín hiệu hình và tiếng ban đầu. 8.1.2. Đóng gói luồng dữ liệu cơ sở (PES) Đóng gói luồng dữ liệu cở sở là việc chèn thêm các trường bit vào đầu mỗi luồng dữ liệu cơ sở phục vụ cho việc đồng bộ dữ liệu trên đƣờng truyền, phát hiện và sửa sai dữ liệu bên phía thu, giúp phía thu nhận biệt đƣợc các thông tin phụ của luồng dữ liệu, Việc đóng gói luồng dữ liệu cơ sở đƣợc mô tả nhƣ hình 8.2. Phần chèn thêm vào là tiêu đề, còn gọi là trường header. Trƣờng tiêu đề bao gồm một số trƣờng khác có kích thƣớc nhỏ hơn. Hình 8.2. Đóng gói luồng dữ liệu cơ sở - Trường mã khởi đầu: có kích thƣớc 3 byte (24 bit) và có giá trị cố định là 000001H, dùng để nhận biết khởi đầu của một luồng dữ liệu cở sở đã đƣợc đóng gói (còn gọi là PES). - Chỉ số ID của luồng: có kích thƣớc 1 byte (8 bit) dùng để phân biệt các luồng dữ liệu khác nhau cũng nhƣ thể loại của luồng dữ liệu cơ sở. + Chỉ số ID có giá trị từ C0H đến DFH: luồng dữ liệu audio + Chỉ số ID có giá trị từ E0H đến EFH: luồng dữ liệu video Từ đó ta thấy mỗi header có thể phân biệt đƣợc 16 chƣơng trình video và 32 chƣơng trình audio. Từng chƣơng trình trong số 48 chƣơng trình (video và audio) đều có thể kèm theo dữ liệu riêng của ngƣời dùng. 89 - Trường dung lượng của luồng dữ liệu cơ sở (ES): có kích thƣớc 2 byte (16 bit), dùng để chỉ dung lƣợng của luồng dữ liệu cở sở (ngay sau header) tính theo đơn vị byte. Do đó, mỗi gói PES chỉ có thể mang luồng dữ liệu cở sở có dung lƣợng tối đa là 64Kbyte (2 16 byte). - Trường tùy chọn: có thể có hoặc không có trong PES tùy vào ứng dụng cụ thể. Trƣờng này cũng bao gồm một số trƣờng nhỏ hơn có kích thƣớc khác nhau dùng để thể hiện một số thông tin của luồng dữ liệu cơ sở nhƣ: thông tin về bản quyền, dữ liệu cơ sở là bản gốc hay bản sao chép, trƣờng chứa các bit kiểm tra lỗi và sửa sai dữ liệu, các thông tin riêng tƣ của ngƣời dùng, 8.1.3. Ghép kênh luồng chƣơng trình Thông thƣờng có hai phƣơng thức cung cấp thông tin video và audio số tới ngƣời sử dụng: từ các nguồn phát tại chỗ nhƣ ổ đĩa cứng, các đĩa quang (CD, DVD) và từ mạng truyền hình quảng bá thông qua cáp, vệ tinh hoặc truyền thông mặt đất. MPEG-2 định nghĩa hai phƣơng pháp ghép kênh phục vụ cho cả hai phƣơng thức trên. Luồng chƣơng trình đƣợc thiết kế để truyền dẫn trong môi trƣờng không tạp nhiễu và sai nhầm, ví dụ nhƣ việc đọc/ghi ổ đĩa cứng, đĩa quang, Hình 8.3 mô tả phƣơng pháp ghép kênh luồng chƣơng trình. Quá trình này chỉ đơn thuần là việc ghép các gói PES lại với nhau theo trật tự nhất định (thƣờng là theo tuần tự thời gian). Do không có trƣờng phân biệt các chƣơng trình khác nhau nên tại một thời điểm chỉ có thể ghép một kênh chƣơng trình. Hình 8.3. Ghép kênh luồng chƣơng trình Vì môi trƣờng truyền dẫn phát sóng thực tế mà chúng ta quan tâm luôn có tạp nhiễu và sai nhầm, do đó không thể dùng luồng chƣơng trình mà phải dùng luồng truyền tải. 8.1.4. Ghép kênh luồng truyền tải 90 Việc ghép kênh luồng truyền tải không chỉ là việc ghép các gói PES của cùng một chƣơng trình lại với nhau mà còn là việc ghép nhiều chƣơng trình lại để có thể truyền dẫn trên một cùng một kênh. Hình 8.4 mô tả phƣơng pháp ghép kênh luồng truyền tải. Khác biệt cơ bản nhất của ghép kênh luồng truyền tải so với ghép kênh luồng chƣơng trình là các gói dữ liệu vào ghép kênh đều có chiều dài 184 byte. Hình 8.4. Ghép kênh luồng truyền tải Mỗi gói PES (bao gồm cả header của PES) đƣợc chia thành những gói nhỏ hơn có chiều dài cố định 184 byte nhƣ mô tả trong hình 8.5. Riêng đối với gói dữ liệu cuối cùng nếu không đủ 184 byte sẽ đƣợc thêm một số byte để đủ chiều dài 184 byte. Các byte thêm vào đƣợc gọi là trƣờng Adaptation, sẽ không đƣợc giải mã ở bộ thu. Mỗi gói nhỏ có kích thƣớc 184 byte này sẽ đƣợc gắn thêm một tiêu đề (header) có kích thƣớc 4 byte để tạo thành những gói dữ liệu có kích thƣớc đều nhau 188 byte, gọi là gói TS. Các gói TS này đƣợc ghép nối tiếp nhau tạo thành luồng truyền tải. Hình 8.5. Chia gói PES thành các gói TS 91 Cũng nhƣ gói PES, mỗi gói TS đều có phần tiêu đề (header) dùng để đồng bộ, định thời và chống lỗi đƣờng truyền. Hình 8.6 mô tả cấu trúc của một TS header. Ý nghĩa của một số trƣờng trong TS header nhƣ sau: - Sync byte: có độ dài 8 bit với giá trị cố định là 47H, đóng vai trò là từ đồng bộ thể hiện khởi đầu của một gói TS - Transport Error Indicator: cờ báo lỗi truyền dẫn. Khi tỉ lệ sai nhầm bit (BER) vƣợt quá giá trị cho phép, cờ này sẽ bật lên 1 - Start Indicator: cờ báo bắt đầu một gói PES. Khi truyền một gói PES mới, cờ này sẽ đƣợc bật lên 1 - Transport Priority: cờ báo gói TS đƣợc ƣu tiên truyền dẫn - PID: có chiều dài 13 bit thể hiện chỉ số của gói PES. Đây là trƣờng rất quan trọng trong header. Do gói PES đƣợc chia nhỏ thành nhiều gói TS nên trƣờng này dùng để nhận biết gói TS thuộc gói PES nào. Các gói TS của cùng một luồng dữ liệu cơ sở sẽ có cùng chỉ số PID. Các giá trị PID đƣợc mô tả nhƣ trong bảng 8.1. Ta thấy có khoảng 8175 giá trị PID (từ 0010H đến 1FFEH) đƣợc dùng để gán cho các luồng sơ cấp PES, nhƣ vậy có thể ghép tối đa đến hơn 8000 luồng cơ sở vào một kênh truyền tải. Hình 8.6. Cấu trúc của TS header - Scrambling Control: chỉ chế độ trộn dữ liệu trong trƣờng dữ liệu TS - Adaptation Field Control: gồm 2 bit điều khiển trƣờng Adaptation. Hai bit này dùng để xác định có hay không trƣờng Adaptation trong dữ liệu TS. Bảng 8.2 thể hiện ý nghĩa của các giá trị trong trƣờng này. 92 - Continuity Counter: có chiều dài 4 bit, sẽ tăng lên 1 đơn vị theo các gói TS kế tiếp nhau thuộc về cùng một luồng gói sơ cấp PES (cùng PID). Điều này cho phép phía thu có thể sắp xếp lại các gói TS theo đúng thứ tự ở phía phát. - Adaptation Filed: sự xuất hiện của trƣờng này trong gói TS phụ thuộc vào giá trị của trƣờng Adaptation Field Control. Adaptation Field có độ dài thay đổi mang thông tin về các giá trị đƣợc gắn thêm vào trong phần dữ liệu TS khi cần thiết. Bảng 8.1. Bảng các giá trị PID của TS header Giá trị PID Mô tả 0000H Bảng hiệp hội chƣơng trình 0001H Bảng truy cập có điều kiện 0002H – 000FH Dành riêng 0010H – 1FFEH Dành cho luồng PES, bảng thông tin đặc tả chƣơng trình, 1FFFH Gói rỗng Bảng 8.2. Các giá trị của trƣờng Adaptation Field Control Giá trị Mô tả 00 Giá trị dự phòng, không sử dụng 01 Không có trƣờng Adaptation, chỉ có dữ liệu PES trong dữ liệu TS 10 Chỉ có trƣờng Adaptation, không có dữ liệu PES trong dữ liệu TS 11 Trong dữ liệu TS, theo sau trƣờng Adaptation là dữ liệu PES Từ các lý thuyết truyền tải trên, ta thấy luồng truyền tải MPEG-2 rất linh hoạt, thể hiện dƣới hai đặc điểm sau: - Các chƣơng trình đƣợc định nghĩa là sự kết hợp của các luồng bit dữ liệu cơ sở có đánh dấu chỉ số (ID) để nhận dạng. Các luồng bit dữ liệu sơ cấp có thể xuất hiện trong một hoặc nhiều chƣơng trình khác nhau. Các chƣơng trình cũng có thể đƣợc sửa đổi cho phù hợp với một số yêu cầu đặc biệt. Ví dụ: cùng một chƣơng trình truyền hình, nhƣng phần audio có thể đƣợc thay đổi cho phù hợp với ngôn ngữ từng vùng, tức là cùng một luồng video kết hợp với hai luồng audio khác nhau để phục vụ cho các khu vực khác nhau. 93 - Nhiều chƣơng trình khác nhau có thể đƣợc ghép kênh trong cùng một hệ thống truyền tải, do đó, có thể khai thác tối đa băng thông của một kênh truyền. Việc thêm các chƣơng trình, các dịch vụ mới chỉ đơn thuần là ghép thêm các luồng dữ liệu cơ sở mới và gán các chỉ số ID mới. 8.2. Kỹ thuật điều chế số cơ sở 8.2.1. Điều chế dịch pha PSK Điều chế dịch pha PSK là phƣơng pháp điều chế tín hiệu số, trong đó, thay vì đƣợc truyền dƣới dạng các chuỗi bit, thông tin sẽ đƣợc truyền đi dƣới dạng các biểu trƣng (còn gọi là symbol), mỗi symbol mang thông tin của 1, 2, 3 hoặc nhiều bit hơn. Trong trƣờng hợp tổng quát một symbol mang thông tin của n bit thì ta sẽ có tổ hợp M = 2n symbol mà một sóng mang có thể biểu diễn đƣợc, nên kiểu điều chế này còn đƣợc gọi là điều chế M-PSK. Cụ thể hơn, trong điều chế M-PSK, pha của sóng mang sẽ dịch theo những góc đều nhau tùy thuộc vào số bit đƣợc biểu diễn trong một symbol. Ví dụ, trong trƣờng hợp một symbol mang 1 bit, khi đó sẽ có tổ hợp M = 2 symbol, ta có kiểu điều chế 2-PSK hay BPSK, còn đƣợc gọi là điều chế dịch pha hai trạng thái. Hai trạng thái này cách nhau góc 180o (2π/2 = π radian). Nếu một symbol mang 2 bit, ta phải dùng bốn trạng thái pha cách đều nhau một góc 90o (2π/4 = π /2 radian) tƣơng ứng với bốn trƣờng hợp của 2 bit nhị phân, do đó ta có kiểu điều chế 4-PSK hay QPSK, còn gọi là điều chế dịch pha bốn trạng thái. Trƣờng hợp điều chế M-PSK tổng quát, cần phải có M trạng thái pha khác nhau của sóng mang cách đều nhau góc 360 o /M (hoặc 2π/M radian). Kiểu điều chế này còn đƣợc gọi là điều chế dịch pha M trạng thái. Biểu thức toán học của kiểu điều chế M-PSK có dạng nhƣ sau: vM-PSK(t) = Acos(ωot + 2πi/M + λ) (8.1) trong đó: + A: biên độ sóng mang + ωo = 2πfo, với fo là tần số sóng mang + i = 0, 1, 2, , M – 1 chỉ số thứ tự của từng trạng thái pha sóng mang + λ: kết hợp với 2πi/M tạo thành pha ban đầu của sóng mang 94 - Với M = 4, ứng với điều chế QPSK + Giả sử λ = 0, khi đó, các cặp bit 00, 01, 11, 10 (tƣơng ứng với i = 0, 1, 2, 3) sẽ ứng với các góc pha ban đầu là 0, π/2, π và 3π/2. Các trạng thái này có thể đƣợc biểu diễn bằng giản đồ vector nhƣ trong hình vẽ 8.7a. + Giả sử λ = π/4, khi đó các cặp bit 00, 01, 11, 10 sẽ ứng với các góc pha ban đầu là π/4, 3π/4, 5π/4 và 7π/4. Các trạng thái này có thể đƣợc biểu diễn bằng giản đồ vector nhƣ trong hình vẽ 8.7b. Hình 8.7. Giản đồ vector của kiểu điều chế QPSK ứng với λ = 0 và λ = π/4 Khoảng cách d giữa các trạng thái biểu diễn trên giản đồ vector đặc trƣng cho khả năng phân biệt giữa trạng thái này với trạng thái khác. Giá trị d càng nhỏ thì khả năng nhận sai trạng thái dẫn đến sai bit càng lớn và ngƣợc lại. Từ các giản đồ vector trên ta thấy khoảng cách giữa hai trạng thái gần nhất là d = A√ , với A là biên độ sóng mang, tỉ lệ với công suất sóng mang. Do đó, công suất sóng mang càng lớn thì khoảng cách d càng lớn làm giảm xác suất nhận sai bit. - Với M = 8, ứng với điều chế 8-PSK Giả sử λ = 0, giản đồ vector biểu diễn các trạng thái điều chế 8-PSK đƣợc mô tả nhƣ hình 8.8. Từ giản đồ vector hình 8.8 ta thấy khoảng cách giữa hai trạng thái gần nhất đã giảm đáng kể so với kiểu điều chế QPSK. Do đó với cùng một công suất sóng mang, xác suất nhận sai bit của kiểu điều chế 8-PSK cao hơn so với QPSK. 95 Hình 8.8. Giản đồ vector của kiểu điều chế 8-PSK 8.2.2. Điều biên trực pha QAM Điều biên trực pha QAM là sự kết hợp giữa điều pha và điều biên của sóng mang đối với chuỗi số. Trong phƣơng pháp điều chế M-PSK, để tăng hiệu suất sử dụng băng tần với cùng một tốc độ bit, ta cần phải tăng bậc điều chế, có nghĩa là tăng M. Tuy nhiên, nhƣ đã đề cập ở trên, khi tăng M, khoảng cách d giữa các trạng thái kề nhau sẽ giảm và xác suất thu sai bit sẽ tăng. Để khắc phục khó khăn này, ta dùng phƣơng pháp điều chế QAM thay cho kiểu điều chế M-PSK khi truyền số liệu trên cùng một dải băng tần với tốc độ bit không đổi. Xét kiểu điều chế QAM 16 trạng thái biểu diễn 4 bit số nhị phân, còn gọi là 16-QAM. Các trạng thái của 16-QAM trong không gian tín hiệu đƣợc mô tả nhƣ hình 8.9. Các điểm trạng thái QAM không phân bố đều trên các vòng tròn nhƣ điều chế M-PSK mà phân bố cách đều nhau trong mặt phẳng tọa độ vuông. Khoảng cách giữa các trạng thái phụ thuộc vào năng lƣợng bit. Khi năng lƣợng bit tăng, tƣơng ứng với công suất phát tăng hoặc tốc độ bit giảm, khoảng cách d giữa các trạng thái sẽ tăng và do đó xác suất thu sai sẽ giảm. Thực tế, QPSK, 16-QAM, 64-QAM và 256-QAM là các kiểu điều chế đƣợc sử dụng phổ biến trong truyền hình số. 96 Hình 8.9. Các trạng thái của tín hiệu 16-QAM 8.3. Truyền hình cáp 8.3.1. Giới thiệu về hệ thống truyền hình cáp Hệ thống truyền hình cáp (CATV) là thuật ngữ đƣợc dùng để chỉ chung cho các hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến. Tại Việt Nam, truyền hình cáp vô tuyến MMDS sử dụng sóng điện từ có băng tần 2,5GHz – 2,69GHz. Tuy nhiên, từ năm 2010, dịch vụ truyền hình MMDS đã dừng phát sóng do phải nhƣờng lại băng tần cho các dịch vụ vô tuyến khác. Do đó, truyền hình cáp hiện nay thƣờng đƣợc gọi là truyền hình cáp hữu tuyến, trong đó tín hiệu truyền hình đƣợc truyền dẫn bằng cáp quang hoặc cáp đồng trục. Trong thực tế, mạng truyền hình cáp là mạng lai giữa cáp đồng trục và cáp quang. Trong quá trình xây dựng mạng truyền hình vô tuyến quảng bá, các nhà kỹ thuật truyền hình gặp phải vấn đề là sóng điện từ không thể đến đƣợc các vùng lõm sóng, tức là các khu vực có địa hình phức tạp, bị che khuất, Giải pháp đƣợc đề ra cũng là nền tảng của công nghệ truyền hình cáp hiện nay. Tín hiệu đƣợc thu tại những điểm có sóng tốt, sau khi đƣợc xử lý sẽ đƣợc dẫn đến nơi thu bằng dây cáp. 97 Về mặt kỹ thuật, truyền hình cáp hữu tuyến có những ƣu điểm vƣợt trội so với các hệ thống truyền hình vô tuyến. - Ít chịu ảnh hƣởng của nhiễu công nghiệp do tín hiệu truyền hình đƣợc truyền dẫn bằng các sợi cáp có khả năng chống nhiễu cao, đảm bảo chất lƣợng tín hiệu - Không bị ảnh hƣởng của các điều kiện địa lý nhƣ thời tiết, địa hình. Truyền hình cáp hữu tuyến đặc biệt phù hợp với các đô thị đông dân cƣ - Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến mà vẫn có thể truyền dẫn một số lƣợng lớn các kênh truyền hình. Điều này đặc biệt hữu ích khi tài nguyên tần số ngày càng bị thu hẹp do xuất hiện ngày càng nhiều dịch vụ sử dụng sóng vô tuyến điện từ - Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác do tín hiệu đƣợc truyền dẫn trong các sợi cáp đƣợc cách ly và chống nhiễu tốt - Có khả năng tích hợp dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác nhƣ internet, thoại, - Về mặt thẩm mỹ: truyền hình cáp hữu tuyến không sử dụng anten, góp phần tăng vẻ mỹ quan cho các thành phố Truyền hình cáp có nhƣợc điểm lớn nhất đó là, việc triển khai mạng cáp hữu tuyến tốn rất nhiều chi phí thời gian và công sức. Do đó, các dịch vụ cáp hầu hết đều là các dịch vụ tốn phí. 8.3.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình cáp Nhƣ mô tả trong hình 8.10, mạng truyền hình cáp bao gồm ba thành phần chính: trung tâm truyền hình (Headend), mạng phân phối tín hiệu và các thiết bị thuê bao. Hình 8.10. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình cáp - Trung tâm truyền hình (Headend): là nơi cung cấp, quản lí các chƣơng trình cho hệ thống truyền hình cáp. Các chƣơng trình có thể đƣợc thu từ các trung tâm khác thông qua vệ tinh, vô tuyến mặt đất, cáp hoặc các các chƣơng trình do trung tâm 98 trực tiếp sản xuất. Đây cũng là nơi thu thập các thông tin giám sát trạng thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển mạng. - Mạng phân phối tín hiệu: là môi trƣờng truyền dẫn tín hiệu từ Headend đến các thuê bao. Đối với truyền hình cáp hữu tuyến, mạng phân phối là hệ thống dây cáp (cáp quang, cáp đồng trục, ), các bộ chuyển mạch và khuếch đại tín hiệu. Mạng phân phối là bộ phận quyết định đến chất lƣợng dịch vụ và khả năng mở rộng, nâng cấp hệ thống. - Thiết bị thuê bao: trong truyền hình cáp là các máy thu hình. Rộng hơn là các bộ chia tín hiệu dùng để sử dụng đồng thời nhiều dịch vụ nhƣ: truyền hình, internet, 8.3.3. Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến a. Mạng toàn cáp đồng trục Đây là mạng chỉ sử dụng cáp đồng trục để phân phối tín hiệu truyền hình từ trung tâm truyền hình đến các thuê bao. Đây là hình thức phân phối tín hiệu ban đầu của truyền hình cáp hữu tuyến. Tuy vậy, ngoài nhƣợc điểm chung của hình thức truyền dẫn tín hiệu hữu tuyến là chi phí triển khai lắp đặt rất lớn, hình thức này còn có rất nhiều nhƣợc điểm khác - Truyền dẫn bằng cáp đồng trục có mức suy hao tín hiệu lớn, đặc biệt mức suy hao tỉ lệ với khoảng cách truyền dẫn, do đó cần phải đặt rất nhiều bộ khuếch đại tín hiệu trên đƣờng truyền làm cho các chi phí khác kèm theo. - Do phải sử dụng khá nhiều bộ khuếch đại để khôi phục lại tín hiệu trên đƣờng truyền nên các tín hiệu nhiễu cũng đƣợc tích lũy, khuếch đại theo và thƣờng không đƣợc loại bỏ hết tại phía thu, nên càng xa trung tâm truyền hình chất lƣợng tín hiệu càng giảm, do đó, bán kính phục vụ của mạng bị hạn chế. - Cũng do đặc điểm tín hiệu bị suy hao trên đƣờng truyền nên việc giữ công suất cân bằng cho tất cả các thuê bao là vấn đề khó khăn. Để có thể truyền tín hiệu đi xa, các trung tâm truyền hình phải tăng công suất phát, nhƣng giải pháp này lại ảnh hƣởng đến các thuê bao ở gần trung tâm truyền hình. Do đó, các thuê bao ở gần Headend thƣờng đƣợc trang bị thêm thiết bị thụ động để làm suy giảm bớt mức tín hiệu gọi là Pad. 99 Để giải quyết các nhƣợc điểm trên, ngƣời ta thay cáp trung kế đồng trục bằng cáp quang. Toàn hệ thống vừa có cáp quang và cáp đồng trục, gọi là mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục. b. Mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục (HFC) Mạng HFC kết hợp cả cáp quang và cáp đồng trục, đƣợc mô tả nhƣ trong hình 8.11. Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các node quang là cáp quang, còn từ các node quang đến thuê bao là cáp đồng trục. Hình 8.11. Mạng HFC - Mạng truyền dẫn: bao gồm hệ thống cáp quang và các bộ chia tín hiệu (còn gọi là Hub) sơ cấp, có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu truyền hình từ Headend đến các khu vực xa. - Mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống cáp quang và các Hub thứ cấp và node quang. Tín hiệu quang từ các Hub sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu điện tại các node quang để truyền đến thuê bao qua cáp quang. - Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục truyền dẫn tín hiệu truyền hình từ node quang đến các thiết bị thuê bao. Ƣu điểm của hệ thống này đến từ việc truyền dẫn tín hiệu thông qua cáp quang. Cáp quang có ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng thức truyền dẫn khác, đó là: băng thông rất lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, tín hiệu truyền dẫn là tín hiệu quang 100 gần nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu điện từ, bảo đảm chất lƣợng tín hiệu trên đƣờng truyền. Tuy nhiên, việc lắp đặt hệ thống cáp quang và các thiết bị quang đòi hỏi độ chính xác rất cao và chi phí rất lớn so với việc lắp đặt cáp đồng trục, đây cũng là nhƣợc điểm lớn nhất của hệ thống cáp quang nói chung. 8.3.4. Tiêu chuẩn DVB-C Tại Việt Nam, tín hiệu truyền hình đƣợc số hóa theo tiêu chuẩn DVB của Châu Âu. Mỗi phƣơng thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình có một tiêu chuẩn riêng. - Truyền hình cáp hữu tuyến: số hóa theo tiêu chuẩn DVB-C - Truyền hình mặt đất: số hóa theo tiêu chuẩn DVB-T - Truyền hình vệ tinh: số hóa theo tiêu chuẩn DVB-S Với tiêu chuẩn DVB-C, tín hiệu truyền hình số đƣợc nén theo chuẩn MPEG- 2 và sử dụng phƣơng thức điều chế tín hiệu số một sóng mang, có mức điều chế cao nhƣ 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 256-QAM. Tín hiệu truyền hình số đƣợc ghép kênh theo thời gian nên trên băng thông 8MHz của một kênh truyền hình tƣơng tự có thể truyền đƣợc nhiều hơn một kênh truyền hình số. Ngoài ra việc truyền dẫn tín hiệu số qua cáp có khả năng chống nhiễu cao, luồng dữ liệu số đƣợc chèn thêm các bit có khả năng tự phát hiện và sửa lỗi nên tại phía thu tín hiệu truyền hình gần nhƣ đƣợc khôi phục hoàn toàn, giúp cho chất lƣợng hình ảnh và âm thanh cải thiện đáng kể so với truyền hình tƣơng tự. Tiêu chuẩn DVB-C sử dụng Reed-Solomon cho chức năng phát hiện và sửa sai dữ liệu ở phía thu. Hiện nay, tiêu chuẩn DVB-C đã có phiên bản thứ hai là nâng cấp của phiên bản đầu tiên, gọi là DVB-C2. Tiêu chuẩn DVB-C2 có một số thay đổi so với DVB- C. Những thay đổi này nhằm mục đích sử dụng băng tần có hiệu quả hơn, tăng cƣờng khả năng chống nhiễu trong quá trình truyền dẫn tín hiệu và tăng tốc độ truyền dữ liệu. Một số thay đổi cụ thể nhƣ sau: - Phƣơng pháp điều chế một sóng mang trong tiêu chuẩn DVB-C đƣợc thay thế bằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM. 101 - Mã sửa sai Reed-Solomon trong DVB-C đƣợc thay thế bằng hai tầng mã sửa sai: BCH (mã ngoài, đƣợc ghép vào từng gói dữ liệu) và LDPC (mã trong, theo tỉ lệ n/m). - Phƣơng pháp điều chế QAM đƣợc mở rộng đến 4096-QAM. Băng thông của cáp khá lớn nên ngoài một phần băng thông sử dụng cho các kênh truyền dẫn tín hiệu truyền hình số, cáp còn đƣợc sử dụng cho các dịch vụ khác nhƣ truyền số liệu, internet, 8.4. Truyền hình số mặt đất 8.4.1. Sơ đồ hệ thống truyền hình số mặt đất Truyền hình số mắt đất có đầy đủ những ƣu điểm của truyền hình số nói chung. - Tiết kiệm băng thông: truyền hình số có khả năng truyền tải nhiều hơn một chƣơng trình trên một kênh truyền hình tƣơng tự. Đặc điểm này giúp giải phóng một số băng tần trên dải tần số đƣợc sử dụng cho truyền hình tƣơng tự hiện nay. - Chất lƣợng: truyền hình số có chất lƣợng âm thanh và hình ảnh cao hơn hẳn so với truyền hình tƣơng tự. Những đặc điểm trên giúp truyền hình số mặt đất ngày càng phổ biến và đang thay thế dần truyền hình tƣơng tự. Rất nhiều quốc gia trên thế giới đã số hóa hoàn toàn tín hiệu truyền hình mặt đất. Tại Việt Nam, đề án số hóa truyền hình mặt đất cũng đang đƣợc triển khai. Theo lộ trình, đến năm 2020, truyền hình kỹ thuật số mặt đất sẽ thay thế hoàn toàn truyền hình tƣơng tự mặt đất. Hình 8.12 mô tả khái quát cấu trúc của một hệ thống truyền hình số mặt đất. Hình 8.12. Khái quát hệ thống truyền hình số mặt đất - Studio số: là các trung tâm truyền hình có chức năng thu nhận hoặc tự sản xuất và lƣu trữ các chƣơng trình truyền hình đã đƣợc số hóa. 102 - Mã hóa nguồn: có chức năng nén dữ liệu nguồn để giảm bớt tốc độ dữ liệu (tốc độ bit). Việc nén dữ liệu đƣợc hiểu là bỏ bớt một phần dữ liệu thể hiện các thông tin dƣ thừa hoặc các thông tin lặp đi lặp lại của nguồn dữ liệu số. - Mã hóa kênh truyền: chèn thêm có các dữ liệu phụ vào luồng dữ liệu cơ sở với mục đích đồng bộ, thể hiện thông tin chƣơng trình, phát hiện và sửa lỗi trên đƣờng truyền - Điều chế: sử dụng các phƣơng pháp điều chế số cơ sở điều chế luồng dữ liệu phục vụ cho việc truyền dẫn. - Giải điều chế: quá trình tách luồng dữ liệu khỏi sóng mang. - Giải mã kênh truyền: đọc các thông tin đồng bộ, thông tin về chƣơng trình, kiểm tra và sửa lỗi đƣờng truyền. - Giải mã nguồn: giải nén và khôi phục lại luồng dữ liệu cơ sở. - D/A: biến đổi tín hiệu truyền hình dạng số thành dạng tƣơng tự để xuất ra máy thu hình. 8.4.2. Tiêu chuẩn DVB-T DVB-T là tiêu chuẩn số hóa tin hiệu truyền hình mặt đất của châu Âu đƣợc lựa chọn để số hóa truyền hình mặt đất tại Việt Nam. Tiêu chuẩn DVB-T có một số đặc điểm nhƣ sau: - Mã hóa nguồn: sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-2 để nén dữ liệu truyền hình số - Mã hóa kênh truyền: sử dụng hai tầng chống lỗi (phát hiện và sửa sai) đƣờng truyền là Reed-Solomon (mã ngoài) và mã xoắn Viterbi (mã trong). Mã ngoài đƣợc ghép vào mỗi gói dữ liệu truyền đi (có chiều dài 188 byte) có chức năng phát hiện và sửa lỗi cho gói dữ liệu dài. Mã Reed-Solomon có khả năng sửa lỗi hoàn toàn khi tỉ lệ lỗi nhỏ hơn 2.10-4 (cứ 2.104 bit thì có 1 bit lỗi). Mã trong thƣờng đƣợc ghép chung với dữ liệu theo tỉ lệ n/m (cứ m bit truyền đi thì có n bit mang thông tin). Với chuẩn DVB-T thì tỉ lệ n/m có thể là: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. - Truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM với các kiểu điều chế số cơ sở là: QPSK, 16-QAM và 64-QAM - Tốc độ bit thông thƣờng là: 24 Mbps, có thể đạt cực đại 31,7 Mbps 103 - Yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/N): lớn hơn 16,7 dB (khi truyền với tốc độ 24Mbps) Hiện nay, tiêu chuẩn DVB-T đã có phiên bản thứ hai là nâng cấp của phiên bản đầu tiên, gọi là DVB-T2. Tiêu chuẩn DVB-T2 có một số thay đổi so với DVB- T. Những thay đổi này nhằm mục đích sử dụng băng tần có hiện quả hơn, tăng cƣờng khả năng chông nhiễu trong quá trình truyền dẫn tín hiệu và tăng tốc độ truyền dữ liệu. Một số thay đổi cụ thể nhƣ sau: - Hai tầng chống lỗi Viterbi-Reed-Solomon đƣợc thay thế bằng LDPC-BCH có khả năng chống lỗi tốt hơn và có nhiều lựa chọn tỉ lệ mã hóa hơn (có thêm hai tỉ lệ 3/5 và 4/5). - Bổ sung thêm kỹ thuật điều chế số cơ sở: 256-QAM - Nâng cao tốc độ dữ liệu: tốc độ thông thƣờng là: 40 Mbps, tốc độ tối đa là: 45,5 Mbps - Yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn: 10,8 dB (so với 16,7 dB khi truyền với tốc độ 24 Mbps). 8.5. Truyền hình vệ tinh 8.5.1. Giới thiệu Việc sử dụng vệ tinh cho hệ thống truyền hình quảng bá đƣợc bắt đầu từ những năm 70 của thế kỷ XX và phát triển với tốc độ rất nhanh chóng. Điểm khác biệt lớn nhất của truyền hình vệ tinh so với truyền hình cáp và mặt đất là môi trƣờng truyền dẫn. Việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình đƣợc thực hiện thông qua một trạm đặt trên không gian, thông thƣờng là vệ tinh địa tĩnh. Các thành phần của một hệ thống truyền hình vệ tinh đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ 8.13. Một trạm mặt đất muốn truyền tín hiệu truyền hình sẽ thực hiện phát tín hiệu lên vệ tinh theo đƣờng lên, gọi là uplink, bằng anten có búp sóng hẹp. Tín hiệu đƣợc thu nhận tại vệ tinh sẽ đƣợc khuếch đại và dịch chuyển tần số xuống dải tần số phát xuống qua bộ chuyển đổi, gọi là bộ phát đáp. Tín hiệu đƣợc truyền xuống mặt đất thông qua đƣờng xuống, gọi là downlink. Vùng mặt đất mà vệ tinh có thể phủ sóng đƣợc gọi là vệt vệ tinh. Phạm vi của vệt có thể thay đổi tùy thuộc vào công suất bức xạ của vệ tinh. 104 Hình 8.13. Hệ thống truyền hình vệ tinh Hình 8.14 mô tả một hệ thống thu tín hiệu truyền hình vệ tinh quảng bá của đầu cuối gia đình. Hình 8.14. Hệ thống thu tín hiệu truyền hình vệ tinh của đầu cuối gia đình 105 Khối thu ngoài trời bao gồm bộ nhiễu thấp LNB thƣờng đƣợc đặt ở tiêu điểm của một thiết bị thu tín hiệu vệ tinh có dạng parabol, còn gọi là chảo parabol. Bộ LNB có chức năng chính là khuếch đại nhiễu thấp và bƣớc đầu đổi tần tín hiệu (trong trƣờng hợp này tín hiệu truyền hình vệ tinh quảng bá có dải tần số 12,2 đến 12,7 GHz sẽ đƣợc đổi tần xuống dải tần số 950 đến 1450 MHz). Tín hiệu sau đổi tần sẽ đƣợc dẫn đến đầu thu vệ tinh bằng cáp đồng trục. Đầu thu có chức năng giải mã tín hiệu vệ tinh thành tín hiệu truyền hình trƣớc khi đƣa đến máy thu hình. Do những đặc thù riêng của môi trƣờng truyền dẫn nên truyền hình vệ tinh có một số ƣu điểm nổi bật nhƣ sau: - Vì khoảng cách truyền rất lớn, tầm phủ sóng rộng khắp trái đất nên truyền hình vệ tinh rất thích hợp cho các chƣơng trình quảng bá bên ngoài lãnh thổ một quốc gia hoặc chƣơng trình tƣờng thuật trực tiếp các sự kiện lớn đến từng quốc gia trên thế giới. - Đƣờng truyền vệ tinh không bị ảnh hƣởng bởi điều kiện địa lý, tín hiệu truyền hình vệ tinh có thể đến với những vùng sâu, vùng xa, đại dƣơng, hải đảo, những nơi mà truyền hình cáp và truyền hình mặt đất không thể phủ sóng tới. Tuy nhiên, truyền hình vệ tinh cũng có những nhƣợc điểm rất đặc trƣng, trong đó đặc biệt là tác động lớn của nhiễu bên ngoài làm cho chất lƣợng của truyền hình vệ tinh không tốt nhƣ truyền hình cáp và mặt đất. Các nguồn nhiễu có thể bắt nguồn từ môi trƣờng truyền dẫn hoặc điều kiện thời tiết mƣa, gió, Các anten thu và phát nếu mất đồng chỉnh cũng sẽ làm tín hiệu bị tổn hao đáng kể. Khi vệ tinh đi vào vùng tối của trái đất, mất nguồn cung cấp điện từ mặt trời, khi đó vệ tinh sẽ sử dụng nguồn năng lƣợng dự trữ cũng làm cho công suất phát của vệ tinh giảm đi một phần. Đây cũng là vấn đề mang tính đặc trƣng của vệ tinh. 8.5.2. Băng tần vệ tinh Vì vệ tinh ở vị trí rất cao so với mặt đất nên sóng điện từ sử dụng trong thông tin vệ tinh cũng phải có tần số rất cao để có thể xuyên qua tầng khí quyển trái đất. Những sóng điện từ loại này nằm trong dải tần sóng viba có tần số lớn hơn 1GHz. Theo tiêu chuẩn quốc tế, các vệ tinh viễn thông sử dụng các dải tần số L (1 – 2GHz), S (2 – 4GHz), C (4 – 8GHz), X (8 – 12GHz), Ku (12 – 18GHz), K (18 – 106 26GHz), Ka (26 – 40GHz) và dải tần số có bƣớc sóng milimet. Trong đó, các dải tần C và Ku đƣợc sử dụng rộng rãi cho truyền hình. Bảng 8.3 mô tả các dịch vụ ứng với các băng tần cụ thể. Bảng 8.3. Băng tần dịch vụ truyền hình vệ tinh Dịch vụ Băng tần Phát lên (GHz) Phát xuống (GHz) Truyền thông cố định (FSS) C 5,925 – 6,425 3,7 – 4,2 Ku 14,0 – 14,5 11,7 – 12,2 Truyền thông quảng bá (BSS) Ku 17,3 – 17,8 12,2 – 12,7 Đƣờng truyền dành cho truyền thông quảng bá có công suất lớn nhất, đƣợc sử dụng cho cả các chƣơng trình truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. Các đƣờng truyền còn lại có công suất nhỏ hơn, đƣợc sử dụng cho các chƣơng trình truyền hình cố định. Từ bảng 8.3 ta thấy, mỗi băng tần đều có băng thông 0,5 GHz (500 MHz) cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống. Băng thông này đƣợc chia thành các băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp. Độ rộng băng tần thông thƣờng của bộ phát đáp là 36 MHz cùng với khoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4 MHz, do đó băng thông của một bộ phát đáp thƣờng là 40 MHz. Vì vậy, băng tần 500 MHz có thể đảm bảo cho 12 bộ phát đáp. Bằng cách chỉnh phân cực anten (đứng – ngang, phải – trái), ta có thể tăng bộ phát đáp lên gấp hai lần, tức là một băng tần có thể có 24 kênh 40 MHz, 12 kênh cho mỗi phân cực. Hình 8.15 cho thấy quy hoạch tần số và phân cực cho vệ tinh thông tin băng C. Hình 8.15. Quy hoạch tần số và phân cực băng C 107 8.5.3. Tiêu chuẩn DVB-S DVB-S là tiêu chuẩn số hóa tín hiệu truyền hình vệ tinh của châu Âu đƣợc lựa chọn để số hóa tín hiệu truyền hình vệ tinh ở Việt Nam. Cũng giống nhƣ các tiêu chuẩn DVB-C và DVB-T, DVB-S sử dụng tiêu chuẩn mã hóa nguồn MPEG-2, mã phát hiện và sửa sai Reed-Solomon và Viterbi, kiểu điều chế số cơ sở là: QPSK, 8-PSK và 16-QAM. DVB-S2 là tiêu chuẩn thế hệ thứ hai, là phiên bản nâng cấp của DVB-S. Với việc tăng hệ số điều chế, DVB-S2 cho phép khai thác có hiệu quả hơn băng thông của một bộ phát đáp. Mã chống lỗi Reed-Solomon và Viterbi trong DVB-S cũng đƣợc thay thế bằng mã LDPC và BCH trong DVB-S2. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 8 1. Thế nào là luồng dữ liệu cơ sở (ES), luồng dữ liệu cơ sở đóng gói (PES), luồng chƣơng trình, luồng truyền tải? 2. Giải thích các trƣờng trong tiêu đề (Header) của luồng dữ liệu cơ sở đóng gói (PES)? Vì sao mỗi PES chỉ có thể mang dữ liệu với dung lƣợng tối đa là 64KB? 3. Giải thích các trƣờng trong tiêu đề (Header) của luồng truyền tải (TS)? 4. Giải thích nguyên lý ghép kênh luồng truyền tải? 5. Trình bày những ƣu điểm nổi bật của truyền hình cáp hữu tuyến. 6. Mô tả khái quát một hệ thống truyền hình số mặt đất. 7. Trình bày những ƣu điểm nổi bật và khuyết điểm của truyền hình vệ tinh. 8. Vì sao sóng mang sử dụng trong truyền hình vệ tinh có tần số rất cao? 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đỗ Hoàng Tiến, Dƣơng Thanh Phƣơng, Giáo trình Kỹ thuật truyền hình, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, năm 2004. [2]. Vũ Đình Thành, Nguyên lý thông tin tương tự - số, Nhà xuất bản ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, 2003. [3]. Hoàng Đình Chiến, Mạch điện tử thông tin, Nhà xuất bản ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, 2013. [4]. Lê Tiến Thƣờng, Xử lý số tín hiệu và wavelets, Nhà xuất bản ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, 2012 [5]. Nguyễn Kim Sách, Truyền hình số có nén và multimedia, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2000 [6]. A. Bruce Carlson, Communication Systems, McGraw-Hill Fourth Edition, 2002. [7]. European Standard ETSI EN 300 v1.6.1, 2009