Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 1
#$%
&'()#*
+,&-.&/012
! "#$% &'$())*+,+-./)01'. 2)34
Truyền hình số là từ chỉ một hệ thống truyền hình mới, trong đó các thiết bị kỹ
thuật số đều làm việc theo nguyên lý kĩ thuật số. Theo nguyên lý đó thì từ một ảnh
quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được đổi thành tín
hiệu biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả màu sắc và độ chói)
mà nó sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (là một dãy các số 0 và 1).
• 56+"#$().7)*+,+-./)01'. 2)34.8'' 9+:
+ ! +0;'+<",'+ ! "#
()+ = (+>
Lựa chọn độ phân giải cho một hình ảnh số. Độ dài từ mã nhị phân là một
trong những chỉ tiêu chất lượng của kỹ thuật số hóa tín hiệu, nó phải ánh mức
sáng tối, mầu sắc của hình ảnh được ghi nhận và chuyển đổi. Về nguyên tắc độ
dài từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lượng, nghĩa là nó
được xem như độ phân giải của quá trình số hóa.
Tuy nhiên độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định nào đó là
thỏa mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay cũng như khả năng phân biệt
của mắt người. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit.
()+ = ,4>
Lựa chọn tần số lấy mẫu. Giá trị của tần số lấy mẫu đương nhiên là phản ánh
độ phân tích của hình ảnh số, nhưng mục đích của sự chọn lựa là tìm một số giá
trị tối ưu giữa một bên là chất lượng và một bên là tính kinh tế của thiết bị.
()+ =?,>
Lựa chọn cấu trúc lấy mẫu. Nếu coi hình ảnh số là tập hợp của các con số thì
việc sắp xếp, bố trí chúng theo một quy luật nào là có lợi nhất. Mục đích của vấn
đề là giảm tối thiểu của hiện tượng bóng, viền, nâng cao độ phân tích của hình
ảnh.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 5
! CB+! . 2)34.8'' 9+:+ ! +0;'+<",'
+ ! "#
Khái niệm từng phần và xen kẽ được hiểu là sự xuất hiện dần dần các camera
số gọn nhẹ, các studio số, các phòng phân phối phát sóng số tiến đến một dây
chuyền sản xuất hoàn toàn số.
Mô hình trên cũng cho chúng ta một nhận xét rằng đến một giai đoạn nào đó
sẽ xuất hiện tình trạng song song cùng tồn tại cả hai hệ thống công nghệ khác
nhau. Đó là thời kỳ bắt đầu ra đời máy phát số và đồng thời là các máy thu hoàn
toàn số và các bộ SET – TOP – BOX là các hộp chuyển đổi dành cho các máy
thu tương tự.
Tại sao lại phải chuyển đổi từng phần và xen kẽ? Có mấy lý do cơ bản như
sau:
- Chi phí tài chính.
- Bảo đảm duy trì sản xuất và phát sóng thường xuyên.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 6
Cam
(Analog)
Studio
(Analog)
Cam
(Analog)
Studio
(Digital)
Dựng
(Analog)
Dựng
(A/D)
Dựng
phí sẽ là 5 tỷ USD, chưa kể đầu tư cho các nhà máy sản xuất máy thu số màn
hình phẳng.
Như vậy chúng ta thấy rằng chi phí chung cho việc chuyển đổi toàn hệ thống
là rất lớn. Điều đó giải thích vì sao công nghệ truyền hình số vẫn chưa trở thành
quảng bá như hệ thống viễn thông.
F/)FAG+!"FH(+$%D B+"I'+ 01'H->
Chúng ta còn thấy hệ thống truyền hình tương tự hiện nay vẫn đang sử dụng,
chúng đóng góp một vai trò quan trọng trong việc sản xuất chương trình. Giả sử
có một sự thay đổi đáng kể về trang thiết bị của phần trung tâm sản xuất chương
trình trên một băng tần quy định (Trong công nghệ Analog chỉ cho phép phát
một chương trình trên một băng tần duy nhất) do đó hiệu quả đưa đến đối với
người xem một cách rõ rệt nếu như mạng lưới máy thu vẫn là máy thu tương tự.
Công nghệ truyền hình số chỉ có thể coi là hoàn thiện khi giải quyết được
vấn đề nói trên.
J &'$().7K,+LAM 4. 2)34+:+ ! +0;'+<
",'+ ! "#
JN F@'. 2)34+:ABD B++0;'+<",'ABD B+"#
Thực ra việc chuyển đổi là không hề đơn giản. Nó phụ thuộc vào việc thiết
kế của các tầng khuếch đại và tầng kích của máy phát. Nói chung thì các máy
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 7
phát số yêu cầu bộ khuếch đại có độ tuyến tính cao hơn so với máy phát tương
tự. Cả bộ khuếch đại Klystron và Tube đều có khả năng thay đổi được, tuy nhiên
để đạt được sự tuyến tính với mức ổn định cao thì nên thay hẳn các tầng khuếch
đại và tầng kích.
Với các tầng khuếch đại Tube, đòi hỏi công suất lớn để điều khiển nên nói
chung việc chuyển đổi là tốn kém.
Với các bộ khuếch đại Klystron, hệ số khuếch đại lớn hơn và yêu cầu công
suất đầu vào thấp, nên việc thực hiện chuyển đổi sẽ rẻ hơn. Và đối với bộ
khuếch đại Klystron điều khiển theo xung thì phải bỏ đi các bộ tạo tín hiệu xung
JOB.$()PQR49.. 4,"S$T4.B..;"U,V/'),'+W+X4
Việc chia sẻ với các cơ sở đang tồn tại là hoàn toàn có thể, tuy nhiên cũng có
những đòi hỏi về mặt kinh tế và kỹ thuật phải phù hợp. Và khi đưa ra các dịch
vụ số thì một điều đáng lưu ý là không gây ra những khó khăn không cần thiết
trước mắt những người xem tiềm năng.
Các kênh dùng cho phát sóng từ một cơ sở cũ có thể được lựa chọn sao cho
gần với kênh Analog vì điều này sẽ giúp tái tạo sử dụng các hệ thống Anten cũ
đang sử dụng, tuy nhiên khi sử dụng các kênh cận kề thì cần quan tâm đến việc
phát ngoài kênh, đặc biệt là các máy công suất lớn. Một trong những nguyên
nhân của việc phát sóng ngoài kênh danh định là sự không tuyến tính của các bộ
khuếch đại công suất. Trong các kênh kề cận việc phát ngoài kênh của máy phát
tương tự sẽ được các máy thu số nhận thấy như là nhiễu đồng kênh.
Các phương án nhằm làm giảm việc phát ngoài kênh vẫn đang được sử dụng
đó là phải sử dụng các bộ lọc tại đầu ra máy phát hoặc sử dụng các bộ cộng lựa
chọn RF.
Nếu sử dụng toàn bộ Anten hiện hành, có hai phương án chúng ta phải làm:
- Thứ nhất là sử dụng cộng RF cho cả nơi công suất cao và nơi công suất thứ
yếu.
- Thứ hai là phải dùng giải pháp thay thế cho các cơ sở thứ yếu, đó là sử dụng
các ứng dụng đa kênh.
JYZ0[$+\.8'"(+
Khi phát sóng cần phải xem xét tất cả những đặc tính dù là bình thường ở
phát số là rất khác.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 9
Lưu ý các bộ khuếch đại khi chuyển đổi sẽ không thể tạo ra một công suất
như trước. Công suất đầu ra số hiệu dụng sẽ phải thấp hơn 7 – 10 dB so với công
suất đỉnh tín hiệu sync ban đầu. Tuy nhiên đây không phải là vấn đề đối với
DVB – T vì công suất số thấp hơn – 15 đến – 20 dB so với công suất đỉnh sync
tín hiệu Analog hiện hành thì vẫn đạt được cùng một diện tích phủ sóng.
hiệu được phản xạ từ các bộ lọc và kết hợp lại vẫn nhờ bộ coupler 3 dB đó trước
khi đưa ra anten.
Các bộ lọc được yêu cầu phải lọc các tín hiệu số, khóa các kênh dải rộng và
đặc biệt là các kênh liền kề thì quan trọng. Tuy nhiên dùng bộ lọc sẽ dẫn đến
vấn đề trễ nhóm, đây chính là nguyên nhân của sự suy giảm tín hiệu, làm ảnh
hưởng đến khả năng lựa chọn của chính các bộ lọc đó. Nhằm tránh vấn đề này
cần phải sử dụng một bộ tiến sửa dải gốc (baseband precorrector).
? N b. )X4),M-
Các mạng phát hình thứ cấp là tập hợp những máy có công suất thấp và các
bộ lọc repeater dùng để bao phủ hoàn toàn những trạm phát chính. Chính việc
dùng các kênh số trên kênh trạm thứ cấp nên cũng dẫn đến những vấn đề như
trạm phát chính. Khuếch đại đa kênh là cách thức kết hợp kênh số có thể thực
hiện với những coupler không cần khả năng lựa chọn nên chi phí rất thấp.
,CD,.E1
- Thu các kênh nhờ các anten.
- Lọc và chuyển đổi lại kênh đầu vào trung tần IF.
- Xử lý trung tần.
- Chuyển đổi RF.
- Thực hiện coupling kênh có công suất thấp.
- Khuếch đại công suất ghép kênh.
. a',+\AT4. /D B+ ! "#A*+)(+
Đầu tiên cần phải tìm một vị trí thích hợp cho anten mới dựa trên cấu trúc cột
anten hiện thời. Trong nhiều trường hợp, độ mở tại cấu trúc hiện thời sẽ không
phù hợp cho các anten UHF mới đòi hỏi về mặt cắt ngang. Với những mặt cắt
ngang loại lớn này thiết kế cho dải rộng là rất khó.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 11
Tuy nhiên lợi thế chính là việc không dùng các bộ cộng RF công suất cao
nhưng hạn chế chính là chưa lọc được phát ngoài kênh. Do đó cần phải sử dụng
các bộ lọc tại đầu ra máy phát, như vậy thì rất có thể vùng phủ sóng của anten sẽ
- Tính tương tác hai chiều.
- Cho phép thu di động.
- Phù hợp với công nghệ VLL.
- Chi phí khai thác thấp.
- Hoàn toàn có khả năng hòa nhập vào xa lộ thông tin
OJ^;)WM #4 9+ #'+ ! "#
Một hệ thống truyền hình số theo tiêu chuẩn có thể coi gồm 3 thành phần
chính sau:
F2@G?(H
F2H+;I(@G?&/3B7
F2J/KL+,1?7
,^;)WM #4
! J^;)WM #4 9+ #'+ ! "#
?'-+e.V%A$49.
9+ #'D B+>
Các tín hiệu tương tự sau khi được chuyển đến A/D và đưa qua các phân hệ
tương ứng để thực hiện mã hóa và nén tín hiệu.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 13
Biến đổi
D/A
Máy thu
tương tự
Giải mã
hóa
nguồn
T/h
Truyền
hình
số
Giải mã
kênh. Tín hiệu được đưa đến bộ giải mã ghép kênh được đến bộ chuyển đổi D/A
của Audio và Video và đưa đến máy thu phát tương tự.
OOc*.)42A.d,+ ! "#
,g-.7$?@'+7>
Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa truyền hình số và
truyền hình tương tự. Truyền hình số yêu cầu băng tần rộng hơn.
?hV9.8'"(+i8'"(++XDLAj^4',Vi/4"\kRj^ik>
Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễm
trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi.
Với truyền hình số, nhiễu là các bit lỗi. (VD: Xung “on” chuyển thành
“off”).
Nhiễu trong truyền hình số được khắc phục nhờ các mạch và các mã sửa lỗi.
Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu. Khi có quá
nhiều bit lỗi sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi.
Tuy nhiên trong truyền hình quảng bá truyền hình số gặp phải vấn đề khó
khăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm trên kênh truyền. Tại đây cần
phải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số. Đây là công việc lớn có khối lượng
lớn và phức tạp.
. 5l/D 4+b>
Truyền hình số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và
truyền
G W'D 3jV4,"4'k>
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 14
Truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên
có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng. Theo chiều thẳng đứng chồng
phổ trong hay hệ thống tương tự là như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ theo
chiều ngang phụ thuộc vào méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực
hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao
nhất trong hệ thống tương tự.
+ Giảm số liệu : Data Reduction
+ Giảm tốc độ bit : Bit Rate Reduction
+ Mã hóa nguồn : Source Coding
JJ5`.)E. .d,l+E 49"#
- Để giảm dung lượng phải truyền dẫn.
- Giảm băng thông truyền dẫn.
- Làm giảm tốc độ bít của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà vẫn đảm bảo chất
lượng hình ảnh, âm thanh cần truyền tải.
! J^;)Wl$%'4F4l
JOB.+ 8'"#$l
+ Tỉ số nén: Ví dụ 100Mbit/s nén 20Mbit/s (tỷ số nén 5:1).
+ Phần trăm nén: Ví dụ 100Mb/s nén 20Mb/s (tương đương nén 80%).
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 16
Nén (mã hóa
nguồn)
Kênh truyền
dẫn lưu trữ
Giải nén (giải
mã nguồn)
Phát Truyền dẫn hay lưu trữ Thu
+ Số bit/Symbol: Ví dụ cần 8 bit/pixel nén 2 bit/pixel (tỷ số nén 4:1,75%).
JYF. (+.d,l
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 dưa thừa về mặt thời gian (Temporal redundancy): các điểm ảnh có
tin không phù hợp và thông tin cốt lõi, ta lại tiếp tục loại bỏ những thông tin
không phù hợp.
- Thông tin cốt lõi lại được tiếp tục sàng lọc để phân loại ra thông tin quan
trọng hơn và thông tin ít quan trọng hơn để loại bỏ thông tin ít quan trọng
- 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 yêu cầu mà ta nén nhiều hay nén ít.
* Cơ sở toán học:
- Nén không tổn hao.
+ Tốc độ bit R = H + ξ
R: Tốc độ bit
H: entropy
ξ: Một số dương rất nhỏ tiến dần về 0.
- Nén có tổn hao.
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 18
Độ dư thừa
entropy
Tín hiệu
Nén
Entropy
H
Độ méo D
O 100%
JJlM 8'+3 ,/>
.5o /BPZjPZ\'+ /G4'k
- Loại mã hoá này chính là các ký hiệu nguồn (hoặc các 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 thành lần nữa bởi mã hoá Huffman. Loại mã
hoá này được áp dụng nhiều trong các phương pháp ảnh tĩnh, nén Video.
Mã hoá RLC rất hiệu quả khi gặp một loại các ký hiệu giống nhau (RUN)
xuất hiện liên tiếp (Ví dụ: 100 bit 0 liền nhau được biểu diễn: (0,100); 80 bit 1
liền nhau được biểu diễn: (1,80). Tóm lại: Mỗi “Run” được biểu diễn bằng một
cặp (LEVEL, RUN), trong đó: LEVEL biểu thị giá trị 1 bít hay 1 ký hiệu; RUN
biểu thị số lần lặp lại của một bít hay một ký hiệu.
Các từ mã sau khi được mã hoá RLC thì lại được mã hoá VLC (Mã hoá
Huffman).
JOl.I+3 ,/
Nguyên lý hệ thống nén và giải nén (mã hoá và giải mã) có tổn hao
được mô tả như sau:
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 20
Dòng bit
chưa nén
BIẾN
ĐỔI T
MÃ HÓA
C
bit nénLượng tử
hóa Q
GIẢI MÃ
D
Giải
ta truyền sai số dự đoán e
n
f
i
25 35 30 41 72 72 72 83
Dự đoán f
i
= f
i-1
0 25 35 30 41 72 72 72 83
Sai số dđ e
n
25 10 -5 11 31 0 0 11
Trong một dòng nhiều Pixel giống nhau nên sai số dự đoán tập trung vào
điểm 0 nhiều.
* Đánh giá bù chuyển động (Motion Estimation & Compensation):
Đây là dạng dự đoán 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 véc tơ chuyển động.
?4b)34q4+,jq4+,,"m/Ak
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
Fourier để chuyển mảng ảnh từ không gian 2 chiều sang miền tần số, để thấy
được tần số cao ở đâu và tần số thấp ở đâu, để sau đó loại bỏ tần số cao.
.4b)34),D L'4F4
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 21
Sai số dự đoán
bộ dự đoán
hóa. Các loại mã hóa thông dụng thường được sử dụng là VLC, RLC ở phía giải
nén ta có bộ giải mã D với chức năng ngược lại.
JOO5o I,G<)/Bj\G4.+4$\./G4'k
Nguồn ảnh chứa một thông tin rất lớn, nếu mã hóa trực tiếp nguồn tin này theo
PCM, tốc độ dòng bít thu được sẽ rất cao. Mặt khác, nguồn ảnh lại chứa đựng sự dư
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 22
thừa và tính “có nhớ”, giữa các điểm ảnh lân cận có mối quan hệ tương hỗ với nhau.
Do đó mã hóa dự đoán được xây dựng trên nguyên tắc cơ bản sau:
* Lợi dụng mối quan hệ tương hỗ này, từ các giá trị điểm ảnh lân cận, theo
một nguyên tắc nào đó có thể tạo nên một giá trị gần giống điểm ảnh hiện hành.
Giá trị này gọi là giá trị “dự báo”.
* Loại bỏ đi tính “có nhớ” của nguồn tín hiệu bằng một bộ lọc đặc biệt có
đáp ứng đầu ra là hiệu giữa tín hiệu vào s(n) và giá trị dự báo cho nó.
* Thay vì lượng tử hóa trực tiếp các mẫu điểm ảnh, mã hóa dự đoán lượng
tử và mã hóa các “sai số dự báo” tại đầu ra bộ lọc.
“Sai số dự báo” là sự chênh lệch giữa trị dự báo và giá trị thực sự của
mẫu hiện hành. Do nguồn “sai số dự báo” là nguồn không có nhớ và chứa đựng
lượng thông tin thấp, nên số bít cần mã hóa sẽ giảm đi rất nhiều.
Phương pháp tạo điểm ảnh dựa trên tổng giá trị của các điểm dự đoán và sai
số dự báo gọi là “ /)@G1OPQR7
! JO6Ao I,5
! JY6'4F4Ao5
này có tính thuận nghịch, các hệ số này hoàn toàn có thể hồi phục thành giá trị
tín hiệu ban đầu bằng phép chuyển đổi ngược.
So với giá trị thực của điểm ảnh, nguồn các hệ số là không có nhớ. Mặt
khác thông tin của nguồn ảnh tập trung phần lớn ở các thành phần tần số thấp
nên trong khối các hệ số, thông tin cũng tập trung tại một số ít các hệ số chuyển
đổi c
i
. Do vậy sẽ giảm được lượng bít nếu mã hóa số này thay cho việc mã hóa
trực tiếp các mẫu. Số lượng bít mã hóa còn có thể giảm hơn nữa nếu lợi dụng
đặc điểm của mắt người không nhạy cảm với sai số ở tần số cao. Bởi vậy, có thể
sử dụng bước lượng tử thô cho các hệ số ứng với tần số cao mà không làm giảm
sút chất lượng ảnh khôi phục.
! J],CB+! Ao /B. 2)34 ,4. 4
! J]?CB+! '4F4Ao. 2)34 ,4. 4
Nén tín hiệu trong truyền hình kỹ thuật số DVB – T 24
Biến đổi
hai chiều
Lượng tử, mã
hoá entropy
q
p
B
pxq
Biến đổi ngược
hai chiều
Giải mã
Copyright: Tài liệu đại học ©