CH−ƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ
Chương 1 của luận văn trình bầy các đặc điểm cơ bản, các vấn đề chủ
yếu trong quá trình chuyển đổi tín hiệu Video từ dạng tương tự sang dạng số.
1.1. Giới thiệu
Truyền hình đen trắng ra đời từ những năm đầu của thập kỷ XX với
nhiều tiêu chuẩn khác nhau: L, M, N, B, G, H, I, D, K.
Truyền hình màu với ba hệ: NTSC, PAL, SECAM xuất hiện vào thập
kỷ 50 đã tạo nên một bước ngoặt mới trong quá trình phát triển của công
nghệ truyền hình. Cả ba hệ đều sử dụng các tín hiệu thành phần là tín hiệu
chói và hai tín hiệu hiệu màu (Y, R-Y, B-Y). Điều khác nhau cơ bản là
phương pháp điều chế tín hiệu hiệu màu, tần số sóng mang màu và phương
pháp ghép kênh.
Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử với sự ra đời của
các vi mạch cỡ lớn, các bộ xử lý tín hiệu với tốc độ cao, các bộ nhớ với
dung lượng lớn và nhất là sự bùng nổ của công nghệ thông tin trong những
năm gần đây, video số, truyền hình số đã hoàn toàn mang tính khả thi và
từng bước trở thành hiện thực.
Số hoá tín hiệu video thực tế là sự biến đổi tín hiệu video tương tự
(Analog) sang dạng số (Digital).
Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với
công nghệ tương tự trên nhiều lĩnh vực.
Tuy nhiên việc chuyển đổi tín hiệu video từ tương tự sang số cũng có
nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu.
Tín hiệu video, theo tiêu chuẩn OIRT có tần số ≤ 6MHz vì vậy theo
tiêu chuẩn Nyquist để đảm bảo chất lượng, tần số lấy mẫu phải lớn hơn
12MHz; với số hoá 8 bít, để truyền tải đầy đủ thông tin một tín hiệu video
thành phần có độ phân giải tiêu chuẩn, tốc độ phải lớn hơn 200Mbit/s. Đối
với truyền hình độ phân giải cao, tốc độ bit lớn hơn 1Gbit/s.
1
Dung lượng này quá lớn, các kênh truyền hình thông thường không có
khả năng truyền tải. Các vấn đề mấu chốt cần xem xét trong quá trình số hoá

+ Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio (trung tâm
truyền hình) mà tỷ số S/N không giảm. Trong truyền hình tương tự thì việc
này gây méo tích luỹ (mỗi khâu xử lý đều gây méo).
+ Thuận lợi cho quá trình ghi, đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất
lượng không bị giảm.
+ Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nhờ máy tính.
+ Có khả năng lưu tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản
và sau đó đọc nó với tốc độ tuỳ ý.
+ Khả năng truyền trên cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài
mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ…).
+ Dễ tạo dạng lấy mẫu tín hiệu, do đó dễ thực hiện việc chuyển đổi hệ
truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau. dễ thực hiện những kỹ xảo
trong truyền hình.
+ Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng và không cần
điều chỉnh các thiết bị trong khi khai thác.
+ Có khả năng xử lý nhiều lần đồng thời một số tín hiệu (nhờ ghép
kênh phân chia theo thời gian).
3
+ Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường. Hiện tượng bóng
ma thường xảy ra trong hệ thống truyền hình tương tự do tín hiệu truyền đến
máy thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống
thông tin số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá.
+ Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ
nén có thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự
suy giảm chất lượng. Từ đó có thể thấy được nhiều chương trình trên một
kênh sóng, trong khi truyền hình tương tự mỗi chương trình phải dùng một
kênh sóng riêng.
+ Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin
hai chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm và điểm. Do sự
phát triển của công nghệ truyền hình số, các dịch vụ tương tác này ngày càng

sẽ xảy ra hiện tượng chồng phổ làm xuất hiện
các thành phần phụ và xuất hiện méo, ví dụ như hiệu ứng lưới trên màn hình
(do các tín hiệu vô ích nằm trong băng tần video), méo sườn xung tín hiệu,
làm nhoè biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), các điểm sáng tối nhấp nháy trên
màn hình.
Trị số f
sa
tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói, tín
hiệu màu cơ bản (R, G, B), các tín hiệu hiệu số màu, tín hiệu Video màu
tổng hợp. Cuối cùng việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền
hình màu.
* Lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp (video composite):
Theo định lý lấy mẫu Nyquist - Shannon thì tần số lấy mẫu phải ≥ 2
lần tần số lớn nhất của tín hiệu (sẽ tránh được hiện tượng chồng phổ). Với
dải thông video là 6 MHz thì tần số lấy mẫu tối thiểu cho tín hiệu video phải
lớn hơn hoặc bằng 12 MHz. Tuy nhiên nếu chọn tần số lấy mẫu ( f
sa
) không
có quan hệ với tần số sóng mang màu (f
sc
) thì có hiện tượng xuyên điều chế
giữa f
sa
và f
sc
, gây ra méo tín hiệu sau khi khôi phục. Có thể chọn tần số lấy
mẫu f
sa
= 3f
sc

PAL và NTSC với C
R
= 0,71(R-Y) và C
B
= 0,564(B-Y ). Tần số lấy mẫu
tín hiệu chói được chọn chung, bằng bội số nguyên của tần số dòng cho cả
hai hệ 625 dòng & 525 dòng. Tần số lấy mẫu của tín hiệu chói Y:
f
Sa luminance
= 858 f
h 525
= 864f
h 625
= 13,5 MHz.
Tần số lấy mẫu tín hiệu màu tuỳ thuộc theo chuẩn lấy mẫu, biểu thị tỷ
lệ lấy mẫu giữa các tín hiệu thành phần Y, C
R
và C
B
. Cấu trúc lấy mẫu trực
giao các tín hiệu Y, C
R,
C
B
theo chuẩn lấy mẫu 4:4:4 ; 4:2:2 ; 4:2:0 ; 4:1:1.
Cấu trúc này được mô tả ở hình vẽ dưới. [3]
6
Hình 1.2. Các chuẩn lấy mẫu tín hiệu số
Trong tiêu chuẩn này, các mẫu được lượng tử và biểu diễn bằng 8 bit
hoặc 10 bit/mẫu. Lượng tử hoá 8 bit ta có 256 mức lượng tử và 10 bit là

1.4.2. Lượng tử hoá
a. Khái niệm
Lượng tử hoá là bước tiếp theo trong quá trình biến đổi AD, là quá
trình mà biên độ tín hiệu được chia thành các mức- gọi là mức lượng tử,
khoảng cách giữa hai mức lượng tử kề nhau được gọi là bước lượng tử.
Số giá trị lượng tử Q được xác định theo biểu thức:
N
Q 2=
(2.4)
N – là số bit biểu diễn mỗi mẫu.
8
Tớn hiu s nhn c l mt giỏ tr xp x ca tớn hiu ban u bi vỡ
tt c cỏc giỏ tr nm trong mt mc lng t u cú mt giỏ tr nh nhau-
ú chớnh l mc lng t Q.
Quỏ trỡnh lng t húa gõy ra sai s lng t, õy l mt ngun nhiu
khụng th trỏnh khi trong cỏc h thng s, nhiu trng hp nú nh hng
nghiờm trng n chớnh xỏc v tin cy ca tớn hiu.
Biu thc sai s lng t cú dng l:
e
q
= x - Q(x)
trong ú:
e
q
: l sai s lng t.
x: l giỏ tr cỏc mu tớn hiu trc khi lng t.
Q(x): l giỏ tr cỏc mu tớn hiu sau khi lng t.
e
q
ph thuc vo tớnh thng kờ ca tớn hiu u vo v rng cỏc

Q
Q
Q
Q
Q
n+5
n+4
n+3
n+2
n+1
Thời gian
T T T T T T T T
Q
Lỗi lư
ợng tử
Các mẫu
Hình 1.3: Quá trình lượng tử hoá
9
Giá trị căn bình phương trung bình của e
q
:
12
∆
=RMS

Trong đó d
i
(i=1.....N) là giá trị lượng tử, ∆ : bước lượng tử, f
x
(x) là

10
= 1024 mức lượng tử ) từ 0
đến 1023 (từ 000 đến 3FF trong hệ HEX). Các mức 000, 001, 002, 003 và
3FC, 3FD, 3FE, 3FF được dùng làm khoảng dự phòng mức dưới và trên của
tín hiệu video, các mức còn lại để lượng tử tín hiệu video tích cực.
Méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử. Đối với tín hiệu video,
méo lượng tử xuất hiện ở hai dạng chính: Hiệu ứng đường viền và nhiễu hạt
ngẫu nhiên.
Hiệu ứng đường viền xuất hiện ở những vùng có độ sáng thay đổi
chậm và đều theo chiều ngang, khi đó có những sọc với độ sáng cố định chia
thành nhiều đường rõ nét theo chiều đứng như đường biên. Nếu tăng số mức
lượng tử, hiệu ứng đường viền sẽ giảm, khi sử dụng từ mã 8 bit để biểu diễn
màu, hiệu ứng đường viền hầu như không xuất hiện.
Hiệu ứng hạt là loại nhiễu có dạng như sương mù xuất hiện ở vùng
ảnh rộng và có độ sáng đồng đều.
b. Phân loại
Có hai phương pháp lượng tử hoá là:
10
• Lượng tử hoá tuyến tính có các bước lượng tử Q bằng nhau.
• Lượng tử hoá phi tuyến có các bước lượng tử Q khác nhau.
1.4.3. Mã hoá
a. Khái quát
Mã hoá là khâu cuối cùng trong biến đổi AD, là quá trình biến đổi cấu
trúc nguồn tín hiệu mà không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các
chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống truyền tin. Dữ liệu sau mã hoá có nhiều ưu
điểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tương đương khả năng
thông qua của kênh.
Quá trình mã hoá biến đổi các mức lượng tử hoá thành chuỗi các bit
“0”, “1”. Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này (gọi là từ mã nhị phân) được
tính bằng số lượng các con số “0”, “1” là một trong các chỉ tiêu chất lượng

kênh có nhiễu.
• Mã truyền tuyến tính: Tăng khả năng truyền dẫn.
Ban đầu, tất của các tín hiệu video số được mã hoá sơ cấp, sau đó là
mã hoá chuyển đổi. Mã sơ cấp là mã cơ sở mà từ đó hình thành mã bảo vệ.
1.5. Giảm tốc độ bit trong truyền hình
Nếu sử dụng PCM tuyến tính để biến đổi số tín hiệu Video tương tự
thì tốc độ bit sẽ tăng rất cao và do đó thiết bị Video số cũng như thiết bị
truyền dẫn số cần phải có dải thông rất lớn so với trường hợp tín hiệu Video
tương tự.
Trong truyền hình số người ta thường lấy tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu
chói và tần số lấy mẫu tín hiệu số màu để đánh giá chất lượng hình ảnh.
ƒ
sY
: ƒ
sc:R-Y
: ƒ
sc:B-Y
4 : 4 : 4 chất lượng cao nhất
4 : 2 : 2 chất lượng cao
4 : 1 : 1 chất lương trung bình
2 : 1 : 1 (dùng cho thoại truyền hình )
12
Việc giảm tốc độ bit dựa vào các yếu tố sau:
+ Nguồn tín hiệu Video được xem như nguồn có nhớ. Các thông
tin được truyền trên hai dòng kề nhau chỉ khác nhau rất ít và được xem là
giống nhau. Nó cũng đúng cho cả hai mành (nửa mành) và 2 ảnh kề nhau.
Hay nói cách khác: Một số thông tin nhất định trong tín hiệu Video có thể
được khôi phục lại ở đầu thu mà không cần truyền đi nó.
+ Dựa vào những đặc điểm sinh lý của mắt người: độ nhạy của
mắt, các đặc điểm về phổ của mắt, khả năng phân biệt của mắt, độ lưu

Hiện nay có ba tiêu chuẩn truyền hình số là DVB (Châu Âu), ATSC
(Mỹ), ISDB-T (Nhật), trong đó DVB tỏ ra có nhiều ưu điểm và có khoảng
84% số nước trên thế giới trong đó có Việt Nam lựa chọn sử dụng.
Mô hình hệ thống truyền dẫn DVB được mô tả như hình vẽ dưới đây:

14
Truyền đa
chương trình
Mã hoá đầu
cuối cáp
Điều chế
QAM
Truyền đa
chương trình
Mã hoá
kênh
Điều chế
QPSK
Truyền đa
chương trình
Mã hoá
kênh
Điều chế
COFDM
Ghép
kênh
chương
trình
Dòng chương
trình 1

cứ vào trạng thái môi trường truyền tải có thể sử dụng các tốc độ điều chế
khác nhau như 16-QAM; 128-QAM; 256-QAM.
Hình 1.5 là sơ đồ của hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến.
Nguồn tín hiệu truyền hình lấy nguồn từ vệ tinh thì cần một máy thu vệ tinh
số IRD (Integrated Receiver Coder) để thu các chương trình khác nhau và
15
Máy thu vệ
tinh số
Máy thu vệ
tinh số
Máy thu vệ
tinh số
Bộ giải điều
chế số
Bộ giải điều
chế số
Bộ giải điều
chế số
Bộ trộn
Máy phát
Mạng hữu
tuyến
Tín hiệu
từ vệ tinh
Tín hiệu
từ vệ tinh
Tín hiệu
từ vệ tinh
Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số qua c áp
chuyển đổi thành dòng dữ liệu MPEG-2, đối với tín hiệu thị tần-âm tần AV

nhiều
đường
Bộ
điều
chế
QPSK
Bộ đổi
tần lên
Phát lên
vệ tinh
Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh
cần thiết của dải sóng C hoặc K
u
, thông qua anten phát tiến hành phát lên vệ
tinh.
Sơ đồ khối của hệ thống thu truyền hình số vệ tinh như hình 1.7. Tín
hiệu vệ tinh qua bộ biến tần LNB, máy thu vệ tinh số IRD sẽ tiến hành việc
giải điều chế QPSK, giải mã đưa ra tín hiệu âm tần và thị tần, nếu dùng đầu
nối thu CATV ở trước thì mạng truyền hình hữu tuyến có thể được chia
thành phương thức truyền tải tương tự và phương thức truyền tải số.
Trong phương thức truyền tải tương tự thì số đường truyền đạt và số
lượng máy thu bằng nhau, do tín hiệu đầu ra của máy thu vệ tinh số IRD là
AV cho nên cần phải dùng các bộ điều chế tương tự với các kênh tần khác
nhau để truyền tải tín hiệu tới hộ dùng.
1.6.3. Hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất DVB-T
Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộng kênh
7-8MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s. Người ra
sử dụng phương pháp điều chế số mã hoá ghép kênh theo tần số trực giao
COFDM do sự truyền tải của hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất
tương đối đặc biệt, có hiện tượng phản xạ tín hiệu nhiều lần, can nhiễu rất

thông
thường
A
V
Tín hiệu từ vệ
tinh
Hình 1.7. Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số
K ết luận chương 1
Những nội dung đã trình bày trong chương 1 cho ta cái nhìn tổng thể
về các vấn đề của truyền hình số, vai trò của việc lựa chọn tần số lấy mẫu, số
bit lượng tử, các loại mã và sự cần thiết phải nén tín hiệu nhằm đưa truyền
hình số vào ứng dụng thực tiễn. Vấn đề về nén tín hiệu video trong truyền
hình số sẽ được giải quyết trong chương 2.
CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ NÉN TÍN HIỆU VIDEO TRONG
TRUYỀN HÌNH SỐ
Nén nhằm giảm tốc độ bit của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn
đảm bảo chất lượng hình ảnh hoặc âm thanh cần truyền tải. Tín hiệu Video
sau khi được số hoá (8 bit) có tốc độ bằng 216 Mb/s. Để có thể truyền trong
một kênh truyền hình thông thường, thì tín hiệu video số cần phải được nén
trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng hình ảnh. Chương 2 nêu các nội
dung này nhằm xây dựng nội dung lý luận cho các giải pháp sẽ đưa ra trong
chương tiếp theo (chương 3) về ứng dụng công nghệ nén trong sản xuất
chương trình truyền hình.
2.1. Tổng quan về kỹ thuật nén Video số
2.1.1. Khái niệm chung
2.1.1.1. Mục đích của nén Video số
Nén video có hai lợi ích quan trọng thấy rõ:
Thứ nhất: nén video giúp chúng ta có thể sử dụng nguồn video số đã
được mã hoá để truyền đi hay lưu trữ một cách có hiệu quả ngay cả trên
những môi trường truyền dẫn không hỗ trợ những file video chưa được nén

cách đơn giản nh− hình 2.1.
• Biến đổi:
Một số phép biến đổi vμ kỹ thuật đ−ợc sử dụng để loại bỏ tính có nhớ
của nguồn dữ liệu ban đầu, tạo ra một nguồn dữ liệu mới t−ơng đ−ơng chứa
l−ợng thông tin ít hơn. Ví dụ nh− kỹ thuật tạo sai số dự báo trong công nghệ
DPCM hay phép biến đổi cosin rời rạc của công nghệ mã hoá chuyển đổi.
Các phép biến đổi phải có tính thuận nghịch để có thể khôi phục tín hiệu ban
đầu nhờ phép biến đổi ng−ợc.
• M∙ hoá:
Các dạng mã hoá đ−ợc lựa chọn sao cho có thể tận dụng đ−ợc xác suất
xuất hiện của mẫu. Thông th−ờng sử dụng mã RLC (run length coding: mã
hoá loạt dμi) vμ mã VLC (variable length coding): gắn cho mẫu có xác suất
xuất hiện cao từ mã có độ dμi ngắn sao cho chứa đựng một khối l−ợng thông
tin nhiều nhất với số bit truyền tải ít nhất mμ vẫn đảm bảo chất l−ợng yêu
cầu.
2.1.1.3. Phân loại nén
Các thuật toán nén có thể phân lμm hai loại: Nén không tổn thất
(lossless
20
Dữ liệu
Dữ liệu
Dữ liệu đã nén
Biến đổi
Mã hoá
Giải mã
Biến đổi
ngược
Dữ liệu đã nén
Quá trình nén
Quá trình giải nén

1
), p(s
2
),.., p(s
N
)}. Khi đó,” entropy” của nguồn tin đ−ợc
định nghĩa nh− sau: [1]
∑
=
−=
N
i
ii
SPSPH
1
2
)(log).(
Ví dụ một nguồn tin gồm các mẫu {1,0} với:
+ xác suất xuất hiện mẫu “1” lμ 0,8.
21
+ xác suất xuất hiện mẫu “0” lμ 0,2.
Khi đó “entropy” của nguồn lμ:
H = - (0,8.log
2
0,8 + 0,2.log
2
0,2)
= 0,7219 bit
“Entropy” của nguồn tin quy định giới hạn d−ới tốc độ bit tại đầu ra
bộ mã hoá. Ph−ơng pháp mã hoá nμo có độ dμi mã trung bình (số bit trung

bất cứ từ mã nμo lại lμ phần đầu của từ mã tiếp theo).
Để xây dựng cây mã Huffman gồm các b−ớc sau:
1- Liệt kê các xác suất của các symbol nguồn và tạo ra các tập
nút bằng cách cho các xác suất này thành các nhánh của cây
nhị phân.
2- Lấy hai nút với xác suất nhỏ nhất từ tập nút và tạo ra một
xác suất mới bằng tổng xác suất của các xác suất đó.
3- Tạo ra một nút mẹ với các xác suất mới, và đánh dấu 1 cho
nút con ở trên và 0 cho nút con ở dưới.
4- Tạo tiếp tập nút bằng cách thay thế 2 nút với xác xuất nhỏ
nhất cho nút mới. Nếu tập nút chỉ chứa một nút thì kết thúc,
ngược lại thì ta quay lại bước 2.
Ph−ơng pháp mã hoá thống kê Huffman sẽ trở nên nặng nề khi số tin
của nguồn quá lớn. Trong tr−ờng hợp nμy ng−ời ta dùng một biện pháp phụ
để giảm nhẹ công việc mã hoá. Tr−ớc tiên liệt kê các tin của nguồn theo thứ
tự xác suất giảm dần, sau đó ghép thμnh từng nhóm tin có tổng xác suất gần
bằng nhau. Dùng một mã đều để mã hoá các tin trong cùng một nhóm. Sau
đó xem các nhóm tin nh− một khối tin vμ dùng ph−ơng pháp Huffman để mã
hoá các khối tin. Từ mã cuối cùng t−ơng ứng với mỗi tin của nguồn gồm hai
phần: một phần lμ mã Huffman vμ một phần lμ mã đều.
Xét ví dụ thiết lập cây mã Huffman cho một nguồn tin chứa các mẫu :
{s
0
, s
1
, ..,s
7
} với xác suất xuất hiện lần l−ợt lμ :
23
p(s

0
0
0
1
1
P(s
2
)=0.21
P(s
3
)=0.3
P(s
4
)=0.05
P(s
5
)=0.05
P(s
6
)=0.07
P(s
7
)=0.03
P(s
1
)=0.19
P(s
0
)=0.1
1

q
+
Giải mã
entropy

Bộ dự
đoán
Kênh tín hiệu
-
V

Đầu ra giải
mã
p
Hình 2.3: Sơ đồ khối bộ giải mã DPCM
25
Hỡnh 2.2: S khi b mó hoỏ DPCM

B d
oỏn
Mó hoỏ
entropy
B lng
t hoỏ

Tớn hiu
video s
V +
e
+