Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, với chính sách mở cửa đúng đắn của Đảng và nhà nước
nền kinh tế của nước nhà đã và đang phát triển với một tốc độ cao. Các thành tựu khoa
học kỹ thuật mới trên thế giới đã nhanh chóng thâm nhập vào nước ta. Đặc biệt trong
lĩnh vực điện tử-viễn thông, sự xuất hiện những công nghệ hiện đại, những dây chuyền
sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với hệ thống điều khiển tự động tiên tiến...đã
tạo điều kiện thúc đẩy các thành phần kinh tế trong nước phát triển vượt bậc cả về số
lượng lẫn chất lượng.
Sự phát triển không ngừng của kỹ thuật số đã xâm nhập vào hầu hết tất cả các lĩnh vực
khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình cũng không nằm ngoài quá trình đó. Công nghệ
số diễn ra trong truyền hình ngày nay không chỉ do yêu cầu ngày càng cao về chất lượng
của dịch vụ truyền hình mà còn do sức ép đang tăng lên đối với nguồn tài nguyên phổ
tần số. Đối với những nước có nền công nghiệp truyền hình-viễn thông phát triển mạnh,
vấn đề này đang trở nên gay gắt hơn bao giờ hết. Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh trong
nền kinh tế thị trường đã thúc ép các nước này phải nhanh chóng xác lập và lựa chọn
chuẩn số thích hợp, để sớm tung ra các thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thế thượng
phong trên thị trường. Hầu hết các nước hiện nay đã đặt ra lộ trình chuyển đổi sang số
và sẽ chấm dứt truyền hình tương tự trong khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới.
Đối với Việt Nam, một nước nghèo với những đặc thù riêng của mình, vấn đề số hoá
lại còn có một ý nghĩa khác. Về tài nguyên phổ tần, có lẽ trong vòng 10 đến 15 năm tới,
chúng ta cũng chưa bị thúc ép gay gắt như các nước có ngành truyền hình-viễn thông
phát triển hiện nay. Bên cạnh mục đích nâng cao chất lượng phục vụ người xem, truyền
hình Việt Nam trong 10 đến 15 năm nữa sẽ buộc phải chuyển sang số vì các thiết bị
tương tự sẽ không được sản suất nữa. Như vậy, số hoá truyền hình là con đường tất yếu
1
mà truyền hình Việt Nam cần phải đi mặc dù còn rất nhiều khó khăn trước mắt như điều
kiện kinh tế còn eo hẹp, nền công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật còn non trẻ...
Trong khuôn khổ của đồ án, em đề cập tới các vấn đề của quá trình thực hiện số hoá
đối với tín hiệu truyền hình tương tự, đồng thời trình bày khái quát về các phương thức
sự trong công nghiệp truyền hình.
3
Sự dịch chuyển từ các dịch vụ truyền hình dựa trên các ứng dụng của kỹ thuật tương
tự sang các dịch vụ truyền hình dựa trên ứng dụng các kỹ thuật số đang phát triển một
cách nhanh chóng. Sự dịch chuyển của các dịch vụ truyền hình này một phần là nhờ
kết quả của sự hội tụ của các lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, các ngành khoa học và
đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số.
Tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống truyền hình, tại camera và tại đầu thu
tương ứng vốn là là tín hiệu tương tự. Như vậy, có một câu hỏi tự nhiên được đặt ra tại
sao phải số hoá. Trong khi sự suy giảm tín hiệu của các tín hiệu tương tự được tích luỹ
thì khả năng để tái tạo lại một chuỗi xung số một cách chính xác rất dễ dàng. Luồng bit
số có thể được xen kẽ trong một kênh, quá trình xen kẽ này cho phép phát xạ, truyền
dẫn, lưu trữ , hoặc xử lý tín hiệu phụ cùng với tín hiệu video và audio. Hơn nữa, các kỹ
thuật nén số dựa trên sự cắt giảm độ dư thừa có thể được ứng dụng để số hoá các dịch
vụ video và audio cho phép truyền một dịch vụ HDTV hoặc nhiều dịch vụ truyền hình
bình thường trên một kênh có độ rộng bằng kênh phát hình tương tự quảng bá hiện tại.
Sử dụng phương pháp số để tạo,lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền
hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền
hình. 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 hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tín hiệu và lưu trữ.
So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không
làm giảm chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp tín
hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn với tín hiệu tương tự (ví dụ như bộ lọc). Mặc dù
vậy xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệp truyền hình trên thế giới, nhằm đạt
được một sự thống nhất chung, là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kĩ thuật số có
chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin.
4
thường. Kết quả này cho thấy hình ảnh của truyền hình có độ phân giải cao HDTV có
thể được truyền trên các kênh tương đối hẹp với tốc độ bit từ 15 đến 25Mbits/s và các
dịch vụ truyền hình analog thông thường có thể có thể được truyền với tốc độ 1,5 -
12Mbit/s tuỳ thuộc vào chất lượng của dịch vụ. Sử dụng các tiêu chuẩn, các kỹ thuật
điều chế đa mức sẽ có thể truyền một kênh truyền hình HDTV hoặc nhiều kênh truyền
hình thông thường trong các kênh truyền hình dải VHF và UHF hiện tại có băng thông
6, 7 hoặc 8Mhz.
Trong khoảng thời gian từ 1991 tới 1995 sự phát triển của các chuẩn giao tiếp chung
giữa các hệ thống vệ tinh số, cáp và phát quảng bá mặt đất đã mở ra một bước ngoặt
mới. Nhóm làm việc 11/3 của ITU đã đưa ra các khuyến nghị đối với các thành phần
chung của hệ thống quảng bá truyền hình số mặt đất. Những chi tiết đối với phục vụ
quảng bá bằng vệ tinh số, cáp được chấp thuận ở một số vùng lãnh thổ theo các khuyến
nghị của ITU và chuẩn theo vùng địa lý.
Những ứng dụng của kỹ thuật số đối với truyền hình đã đem lại công nghệ truyền hình
số với rất nhiều ưu điểm. Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt
đối so với công nghệ truyền hình tương tự trên nhiều lĩnh vực:
•
Chất lượng của dịch vụ cao, cung cấp hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực do
tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo xảy ra trên đường truyền, có khả năng
phát hiện lỗi và sửa sai (nếu có).
•
Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu.
•
Giá thành hoạt động thấp thông qua việc sử dụng các kỹ thuật nén và độ tin cậy
của hệ thống cao.
6
•
Mật độ chương trình được gia tăng, khả năng cung cấp nhiều dịch vụ trên một
kênh dịch vụ truyền hình hiện tại, hiệu quả sử dụng dải thông cao, gia tăng hiệu quả
sự hợp nhất giữa các chuẩn về mã hoá kênh, mã hoá nguồn, phương thức điều chế, nhận
dạng trong, chống lỗi và sửa sai...
Số hoá toàn bộ hệ thống truyền hình có nghĩa là chuyển tín hiệu tương tự sang dạng
số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình. Việc số hoá hệ
thống truyền hình hiện nay (các hệ truyền hình PAL, NTSC, SECAM) chủ yếu là các
khâu phân tích ảnh cho đến đầu vào máy phát hình (điều chế, sửa và xử lý tín hiệu). Số
lượng các máy thu hình hiện nay là rất lớn, nên việc số hoá hệ thống truyền hình phải
được thực hiện qua từng giai đoạn (ngoại trừ các hệ thống truyền hình mới, ví dụ hệ
thống truyền hình chất lượng cao HDTV).
Sử dụng các hệ thống số trong truyền hình đòi hỏi phải biến đổi video tương tự (từ
camera truyền hình ở studio) thành tín hiệu video số. Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu
tương tự ở đầu vào máy phát hình. Các thông số của hệ thống số phải được chọn sao
cho chất lượng hình ảnh bằng hoặc tốt hơn so với hệ thống số tương tự. Đó là giai đoạn
sử dụng hỗn hợp truyền hình tương tự và truyền hình số.
Các ứng dụng của kĩ thuật số vào ngành truyền hình có một số nguyên tắc kỹ thuật và
các tiến trình riêng biệt bao gồm :
•
Sự phát triển của phương thức nén số liệu , hình ảnh, âm thanh tương thích với
các nhu cầu của hệ thống phát hình số và cung cấp các mức thích hợp của hiệu năng
hệ thống.
•
Phải có sự nhận dạng của ghép kênh hình ảnh, âm thanh, số liệu , các đặc điểm
mã hoá kênh và điều chế đáp ứng yêu cầu của hệ thống.
•
Tìm hiểu phổ và các khía cạnh đặt kế hoạch của các dịch vụ truyền hình số bao
gồm vùng phủ sóng cho bộ thu khác nhau và các điều kiện môi trường khác nhau.
•
Khả năng cung cấp hệ thống phát số trong dải VHF và UHF cho phép khả năng
hoạt động đồng thời với các dịch vụ truyền hình tương tự đang tồn tại.
8
truyền dẫn
Giải
điều chế
Giải mã
hoá kênh
Phân
kênh
Chọn
đồng bộ
Phát
đồng bộ
Gia công
số
Gia công
tương tự
ADC
Gia công
số
ADC
Gia công
tương tự
Xử lý tín hiệu
Tín hiệu
hình
Tín hiệu
tiếng
Tín hiệu
phụ
Tín hiệu đo
kiểm tra
thấp
Tín hiệu
tương tự
Tín hiệu
số
Đồng bộ
Lấy mẫu Lượng tử Mã hoáLọc thông
thấp
Tín hiệu
tương tự
Tín hiệu
số
Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu video màu tổng hợp.
•
Biến đổi riêng từng tín hiệu video màu thành phần thành các tín hiệu video
thành phần số:
Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu video màu thành phần.
Việc lựa chọn phương pháp biến đổi tín hiệu video phụ thuộc vào nhiều yếu tố: yêu
cầu về khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu, yêu cầu về truyền dẫn phát sóng...Số hoá
tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm là tốc độ bít thấp, điều đó cũng có nghĩa là dung
lượng cần để lưu trữ nhỏ hơn, lợi hơn về dải tần. Tuy nhiên tín hiệu video số tổng hợp
bộc lộ nhiều nhược điểm trong quá trình xử lý số, tạo kĩ xảo, dựng hình...và nó còn
mang đầy đủ những khiếm khuyết của video tương tự nhất là hiện tượng can nhiễu chói
- màu.
Số hoá tín hiệu video thành phần khắc phục được các nhược điểm trong số hoá tín
hiệu video tổng hợp nhưng nó lại tạo ra dòng số có tốc độ bit cao hơn. Với sự phát triển
của công nghệ điện tử như ngày nay, các chíp có tốc độ cao ra đời cho phép truyền toàn
12
Đồng bộ
bộ chuỗi số liệu video số thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫn duy nhất đã tạo
thuận lợi cho quá trình xử lý số tín hiệu video thành phần.
Mặc dù cả hai phương pháp trên đều được nghiên cứu và áp dụng trong kĩ thuật
truyền hình số nhưng do nhờ những tính chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu
video thành phần được khuyến khích sử dụng. Các kĩ thuật của phương pháp này đang
được sử dụng rộng rãi và hình thành nên các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số.
Video số thành phần được coi là phương pháp số hoá sử dụng trong hiện tại cũng như
trong tương lai tại các studio hoàn toàn số. Chính vì vậy trong phần xử lý tín hiệu video
em chỉ trình bày các kĩ thuật xử lý tín hiệu video thành phần.
Quá trình chuyển đổi tín hiệu video thành phần từ tương tự sang số gồm nhiều vấn đề
cần xem xét nghiên cứu, nó phải qua nhiều công đoạn và có một số mấu chốt như: tần
số lấy mẫu, phương thức lấy mẫu, tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu
màu, lượng tử hoá,mã hoá...
2.1.1 / Lấy mẫu.
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...Quá trình này phải xác định được tần số lấy mẫu, cấu
trúc lấy mẫu nhằm đạt được chỉ tiêu về chất lượng hình ảnh,tính tương thích giữa các hệ
truyền hình, tốc độ bít thích hợp và mạch thực hiện đơn giản. Việc chọn tần số lấy mẫu
tối ưu sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệu khác nhau đồng thời nó cũng phụ thuộc
vào hệ thống truyền hình màu. Cấu trúc lấy mẫu chính là sự phân bổ toạ độ các điểm lấy
mẫu. Vị trí các điểm lấy mẫu được xác định dựa trên các dòng,mành và thời điểm lấy.
Cấu trúc lấy mẫu phù hợp với tần số lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất.
Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu
tín hiệu video:
13
Cấu trúc trực giao.
Các mẫu được sắp xếp trên các dòng kề nhau thẳng hàng theo chiều đứng.Cấu trúc
này là cố định theo mành.
đã thống nhất lựa chọn tần số lấy mẫu f
s
= 13,5 MHz cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625
15
dòng. 13,5 MHz là tần số duy nhất trong khoảng 12 MHz ÷ 14 MHz có giá trị bằng một
số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn:
13,5 MHz = 864 f
H
với chuẩn 625 dòng (f
H
= 15625 Hz).
13,5 MHz = 858 f
H
với chuẩn 525 dòng (f
H
= 15750 Hz).
Thời gian một dòng của hệ 625 dòng là 64 µs, hệ 525 dòng là 63,56 µs. Thời gian tích
cực của một dòng trong hệ 625 dòng là 52 µs. Nếu cả hai hệ đều lấy thời gian tích cực
bằng 52µs thì thời gian xoá dòng tương ứng với từng hệ là 12µ và 11,56 µs và các thông
số cơ bản đối với mỗi hệ là :
•
Tổng số mẫu mỗi dòng.
Hệ 625 dòng: 64 × 13,5 = 864 mẫu.
Hệ 525 dòng: 63,56 × 13,5 = 858 mẫu.
•
Tổng số mẫu trong thời gian tích cực của một dòng.
Hệ 625 dòng: 52 × 13,5 = 702 mẫu.
Hệ 525 dòng: 52 × 13,5 = 702 mẫu.
•
•
Điểm đầu tiên lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu Y, C
R
, C
B
.
•
Điểm kế tiếp chỉ thực hiện lấy mẫu tín hiệu Y. Khi giải mã, màu suy ra từ màu
của điểm ảnh trước.
•
Điểm tiếp theo lại lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu.
Tuần tự như vậy cứ 4 lần lấy mẫu Y thì có hai lần lấy mẫu C
R
và hai lần lấy mẫu C
B
tạo nên cơ cấu 4:2:2.
18
Hình 2.9 : Tiêu chuẩn 4::2:2.
Tiêu chuẩn 4:2:0.
Tín hiệu Y được lấy mẫu tại tất cả các điểm ảnh của dòng còn tín hiệu hiệu màu thì
cứ cách một điểm thì lấy mẫu cho một tín hiệu hiệu màu. Tín hiệu hiệu màu được lấy
xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu C
R
thì hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tín hiệu C
B
.
Hình 2.10 : Tiêu chuẩn 4:2:0.
Tiêu chuẩn 4:1:1.
Trong điểm ảnh đầu lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu Y, C
Mức danh định.
•
Khoảng bảo vệ cần thiết (biên bảo hiểm).
•
Số bit tương ứng với mỗi mẫu.
•
Mã “cấm”.
Thông số chi tiết của các dạng thức video số được thể hiện qua các bảng dưới đây.
Bảng 2.1: Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu Y.
Số hoá 8 bit, 3,196 mV / mức.
Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal
Mức cấm đối
với dòng tích
cực
763,927 1111 1111 FF 255
Khoảng trống
dự phòng
760,731
:
703,196
1111 1110
:
1110 1100
FE
:
EC
254
:
236
Mức video
Bảng 2.2 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu Y.
Số hoá 10 bit; 0,799 mV / mức.
21
Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal
Mức cấm đối
với dòng tích
cực
766,324
:
763,927
11 1111 1111
:
11 1111 1100
3FF
:
3FC
1023
:
1020
Khoảng trống
dự phòng
763,128
:
700,799
11 1111 1011
:
11 1010 1101
3FB
:
4
Mức cấm đối
với dòng tích
cực
-48,744
:
-51,142
00 0000 0011
:
0000 0000
003
:
000
3
0
Bảng 2.3 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu C
B
, C
R
.
Số hoá 8 bit, 3,125 mV / mức.
Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal
Mức cấm đối
với dòng tích
cực
396,875 1111 1111
FF
255
Khoảng trống
dự phòng
:
16
Khoảng trống
dự phòng
-353,125
:
-396,875
0000 1111
:
0000 0001
0F
:
01
15
:
1
Mức cấm đối
với dòng tích
cực
-400,000 0000 0000 00 0
Bảng 2.4 : Giá trị các từ mã ứng với các mức và điện áp tín hiệu C
B
, C
R
.
Số hoá 10 bit; 0,781 mV / mức.
Điện áp ( mV) Binary Hexadecimal Decimal
Mức cấm đối
với dòng tích
cực
11 1100 0000
:
10 0000 0000
3C0
:
200
940
:
512
23
:
-350,000
:
00 0100 0000
:
040
:
64
Khoảng trống
dự phòng
-350,781
:
-396,875
00 0011 1111
:
00 0000 0100
03F
:
004
(R’ - Y’) = 0.5R’ - 0.419G’ - 0.081B’
C
B
’ = K
B
(B’ - Y’) = -0.169R’ - 0.331G’ - 0.5B’
Với K
R
= 0.713.
K
B
= 0.564.
R’, G’, B’ là các tín hiệu màu cơ bản sau khi sửa méo gama.
2.1.3 / Tín hiệu chuẩn thời gian TRS (Time Reference Signal).
24
Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video thành phần không thực hiện lấy mẫu các xung đồng
bộ. Để đồng bộ dòng tín hiệu video tại đầu và cuối mỗi dòng số tích cực tín hiệu chuẩn
thời gian được ghép vào cùng với dòng video số tổng hợp.Trong mỗi khoảng xoá dòng
có 8 từ mã dùng làm chuẩn thời gian. Tín hiệu SAV (Start of Active Video) gồm 4 từ
mã xuất hiện ở điểm đầu mỗi dòng. Tín hiệu EAV (End of Active Video) cũng gồm 4 từ
mã xuất hiện ở điểm cuối mỗi dòng. Như vậy khoảng thời gian bắt đầu từ EAV và kết
thúc tại SAV là khoảng xoá dòng.
Tín hiệu chuẩn thời gian cho tín hiệu video bao gồm 4 từ mã, mã hoá hệ hex được sắp
xếp như sau:
•
Mã hoá 8 bit : FF 00 00 XY.
•
Mã hoá 10 bit : 3FF 000 000 XYZ.
Trong cả 2 trường hợp dùng mã hoá 8 bit và 10 bit 3 từ mã đầu đều có giá trị cố định.
2
, P
3
dùng để phát hiện và sửa lỗi.
2.1.4 / Dữ liệu phụ ANC (Ancillary Data).
25
Copyright: Tài liệu đại học ©