BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN TRỌNG NGHĨA
NGHIÊN CỨU VỀ NÉN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN: T.S PHẠM VĂN BÌNH
Hà Nội – 2012
LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho học viên cao học)
I. Sơ lược lý lịch:
Họ và tên: Trần Trọng Nghĩa
Giới tính: Nam
ảnh 4x6
Sinh ngày 22 tháng 02 năm 1981
Nơi sinh(Tỉnh mới): Nghĩa Hội - Nghĩa Đàn - Nghệ An
Quê quán: Hưng Lam – Hưng Nguyên – Nghệ An
Chức vụ: Giáo viên
Đơn vị công tác: Trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam –Hàn Quốc
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khoa kỹ thuật điện tử - Trường cao đẳng nghề KTCN Việt
Nam –Hàn Quốc, đường Hồ Tông Thốc- Nghi phú – TP. Vinh – Nghệ an
Điện thoại CQ:0383511452
KTCN Việt Nam –Hàn Quốc
IV. Các công trình khoa học đã công bố:
Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật.
Ngày 26 tháng 03 năm 2012
NGƯỜI KHAI KÝ TÊN
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Trần Trọng Nghĩa, học viên lớp cao học Điện tử - Viễn thông,
khoá 2010 - 2012, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan nội dung bản luận văn hoàn toàn là kết quả tìm hiểu,
nghiên cứu của bản thân tôi trên cơ sở hướng dẫn của TS. Phạm Văn Bình, giảng
viên khoa Điện tử -Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong luận văn
tôi có tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước và có liệt kê đầy đủ trong mục
tài liệu tham khảo.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với bản luận văn của mình.
Hà nội, ngày 26/03/2012
Người thực hiện
Trần Trọng Nghĩa
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ TRUYỀN HÌNH ..........Error! Bookmark not defined.
II.2.2. Nhiễu xung ........................................................Error! Bookmark not defined.
II.2.3. Nhiễu chói biến đổi chậm. ...............................Error! Bookmark not defined.
II.2.4. Nhiễu hạt ...........................................................Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG III...............................................................Error! Bookmark not defined.
HIỆN TRẠNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ
.......................................................................................Error! Bookmark not defined.
III.1. TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ ĐẶT RA TRÊN CON
ĐƯỜNG CHUYỂN ĐỔI.............................................Error! Bookmark not defined.
III.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM KHI CHUYỂN ĐỔI TỪ TRUYỀN
HÌNH TƯƠNG TỰ SANG TRUYỀN HÌNH SỐ .....Error! Bookmark not defined.
III.2.1 Khả năng chuyển đổi từ máy phát tương tự sang máy phát số ........Error!
Bookmark not defined.
III.2.2 Thực hiện chuyển đổi ......................................Error! Bookmark not defined.
III.2.3 Các vấn đề RF - Việc chia sẻ với các cơ sở Analog đang tồn tại ......Error!
Bookmark not defined.
III.2.4 Lưu ý về Anten công suất ..............................Error! Bookmark not defined.
III.2.5 Sử dụng lại các anten đang dùng. ..................Error! Bookmark not defined.
III.3 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ ..........Error! Bookmark not defined.
III.3.1 Những ưu điểm nổi bật của truyền hình số..Error! Bookmark not defined.
III.3.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số ..............Error! Bookmark not defined.
III.3.3 Đặc điểm của truyền hình số ........................Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ NÉN ..................Error! Bookmark not defined.
IV.1 KHÁI NIỆM CHUNG......................................Error! Bookmark not defined.
IV.1.1 Định nghĩa: ......................................................Error! Bookmark not defined.
IV.1.2 Mục đích của nén tín hiệu số:.......................Error! Bookmark not defined.
IV.1.3 Mô hình nén ảnh: ...........................................Error! Bookmark not defined.
IV.1.4 Các thông số về nén: .....................................Error! Bookmark not defined.
IV.1.5 Bản chất của nén. ..........................................Error! Bookmark not defined.
defined.
V.1.3. Lượng tử hóa sai số dự báo. ..........................Error! Bookmark not defined.
V.1.4. Khái niệm bù chuyển động và vector chuyển động. Error! Bookmark not
defined.
V.1.5. Ước lượng chuyển động bằng phương pháp tìm kiếm khối tương đồng
.......................................................................................Error! Bookmark not defined.
V.1.5.1. Tìm kiếm ba bước vectơ chuyển động. .....Error! Bookmark not defined.
V.1.5.2. Giải thuật tìm kiếm hai chiều. ...................Error! Bookmark not defined.
V.1.5.3. Giải thuật tìm kiếm hai hướng liên hợp ..Error! Bookmark not defined.
V.1.6. Hệ thống DPCM có bù chuyển động............Error! Bookmark not defined.
V.2. NÉN VIDEO - CÔNG NGHỆ MÃ HÓA CHUYỂN ĐỔI (TC TRANFORM CODING). ..........................................Error! Bookmark not defined.
V.2.1. Xử lý giải mã tương hỗ trong công nghệ TC. ...........Error! Bookmark not
defined.
V.2.2. Biến đổi cosin rời rạc (Discrete consine tranform - DCT). ............Error!
Bookmark not defined.
V.2.3. Lượng tử hóa các hệ số DCT.........................Error! Bookmark not defined.
V.2.3.1. Đặc tính thị giác của mắt người . ..............Error! Bookmark not defined.
V.2.3.2. Lượng tử hóa lấy mẫu từng vùng..............Error! Bookmark not defined.
V.2.3.3. Lượng tử hóa có trọng số............................Error! Bookmark not defined.
V.2.4. Quét các hệ số DCT. .......................................Error! Bookmark not defined.
V.2.5. Mã hóa các hệ số DCT....................................Error! Bookmark not defined.
V.2.6. Hệ thống nén Video công nghệ mã hóa chuyển đổi. Error! Bookmark not
defined.
V.3. SỰ KẾT HỢP CÁC CÔNG NGHỆ NÉN. ......Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG VI: NÉN VIDEO THEO CHUẨN MPEG...........Error! Bookmark not
defined.
VI.1. KHÁI QUÁT VỀ CÁC TIÊU CHUẨN NÉN..Error! Bookmark not defined.
VI.2. NÉN VIEO THEO TIÊU CHUẨN MPEG - 1............Error! Bookmark not
KẾT LUẬN ..................................................................Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................Error! Bookmark not defined.
THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT
A/D
Analog/Digital
Tương tự/số
ATM
Asynchronnous Transfer Mode
Phương pháp truyền số liệu gói
CD
Compact Disc
CSIF
Đĩa quang
Common Source Intermediete Format Định dạng nguồn dữ liệu đầu vào
của các bộ nén và giải nén
D
LSI
Large Scale Integrationia
Mạch tích hợp cỡ lớn
MPEG Moving Picture Expert Group
Nhóm chuyên gia về hình ảnh động
PCS
Tem thời gian tham chiếu chương
Program Clok Renference
trình
PES.
Packetized Elementary Stream
Dòng dữ liệu đóng gói
PS
Program Stream
Dòng chương trình
PTS
UHF
Ultra-High Frequency
Siêu cao tần
VHF
Very High Frequencies
Tần số rất cao
VLC
Variable Length Coding
Mã hoá chiều dài biến đổi
VLL
Virtual Law Library
Thư viện ảo
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng IV.1.1: Đánh giá bù chuyển động
Bảng V.1.1: Trọng lượng tử hóa của chuẩn JPEG cho tín hiệu chói và
Trang
84
Bảng VI.1.5: Các mức của kích cỡ ảnh.
86
Bảng VI.1.6: Các giá trị của số PID
91
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình I.1.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình
2
Hình I.1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu
3
Hình I.1.3: Sơ đồ khối của máy thu hình màu
5
Hình I.1.4: Phương pháp quét liên tục
6
Hình IV.1.1: Mô hình hệ thống nén video.
29
Hình IV.1.2: Đồ thị nén có tổn hao
32
Hình IV.1.3: Hệ thống nén và giải nén có tổn hao
34
Hình IV.1.4: Sơ đồ biến đổi dự đoán tuyến tính
34
Hình IV.1.5: Bộ mã hóa DPCM
37
Hình IV.1.6: Bộ giải mã DPCM
Hình IV.1.7: Quá trình giải mã chuyển đổi hai chiều
Hình V.1.1: Tạo dự báo
37
38
42
Hình V.1.2: Véc tơ chuyển động giữa hai khung kế tiếp
61
Hình V.1.10: quá trình quét và mã hóa một khối các hệ số DCT
64
Hình V.1.11: Nén ảnh theo công nghệ Transform Coding.
65
Hình V.1.12: Giải mã DCT.
65
Hình V.1.13. Mã hóa DCT dự báo có bù chuyển động
66
Hình VI.1.1. Cấu trúc Macroblock của các dạng lấy mẫu
72
Hình VI.1.2: Cấu trúc các nhóm ảnh.
73
Hình VI.1.3. Cấu trúc dòng dữ liệu Video MPEG.
74
88
Hình VI.1.12: Hệ thống truyền tải MPEG -2
88
Hình VI.1.13: Cấu trúc gói PES
89
Hình VI.1.14: Định dạng dòng chương trình, dòng truyền tải từ dòng
90
đóng gói PES.
Hình VI.1.15: Cấu trúc gói truyền tải
91
Hình VI.1.16: Định dạng truyền tải MPEG - 2
92
Hình VI.1.17: Dòng truyền tải đa chương trình
95
Hình VI.1.18. Thông tin đồng hồ hệ thống PCR
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt xin trân trọng cảm ơn tiến sỹ PHẠM VĂN BÌNH đã
tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn thạc sỹ này.
1
CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ TRUYỀN HÌNH
I.1. GIỚI TỔNG QUÁT HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH
Hệ thống truyền hình là một tập hợp các thiết bị cần thiết để đảm bảo các quá
trình phát và thu các hình ảnh trông thấy. Truyền hình được sử dụng vào nhiều mục
đích khác nhau, tùy theo mục đích của truyền hình mà xác định chỉ tiêu kỹ thuật của
hệ thống cho phù hợp. Yêu cầu chung là ảnh nhận được trên máy thu hình phải
phản ánh trung thực vật cần truyền đi. Chất lượng ảnh càng cao thì thiết bị của hệ
thống truyền hình càng phức tạp và đắt tiền. Do đó khi thiết kế các hệ thống truyền
hình phải dung hòa các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế.
Cảnh
vật A
Ống
kính
Bộ
chuyển
đổi ảnhtín hiệu
Bộ KĐ
và gia
công tín
hiệu
Hình ảnh là tin tức cần truyền đi. Tín hiệu điện mang tin tức về hình ảnh được
gọi là tín hiệu hình hay còn gọi là tín hiệu video. Quá trình chuyển đổi ảnh quang
thành tín hiệu điện là quá trình phân tích ảnh. Dụng cụ chủ yếu để thực hiện quá
trình chuyển đổi này là phần tử biến đổi quang điện.
Quá trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh phải hoàn toàn đồng bộ và đồng pha với quá
trình chuyển đổi ảnh – tín hiệu thì mới khôi phục được ảnh quang đó truyền đi. Để
thực hiện được sự đồng bộ và đồng pha, trong hệ thống truyền hình phải dùng một
bộ tạo xung đồng bộ. Xung đồng bộ được đưa tới bộ chuyển đổi ảnh – tín hiệu để
khống chế quá trình phân tích ảnh đồng thời cũng đưa đến bộ khuếch đại và gia
công tín hiệu hình để cộng với tín hiệu hình rồi truyền sang phía thu. Tín hiệu hình
2
đó cộng thêm xung đồng bộ gọi là tín hiệu truyền hình.
I.2. HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH MÀU
I.2.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu.
Đối với hệ thống truyền hình màu, thông tin được truyền đi không chỉ là thông
tin về độ chói của điểm ảnh, cảnh vật quanh ta chứa nhiều màu sắc vì vậy truyền
hình cần phải truyền đi được các thông tin về màu sắc của ảnh sao cho phía thu có
thể khôi phục được thành hình ảnh có màu sắc như thực tế.
Vấn đề đặt ra cho kỹ thuật truyền hình màu là làm thế nào không tăng số kênh
thông tin mà vẫn truyền được hình ảnh màu hay nói cách khác biến hình ảnh màu
thành một tín hiệu điện biến đổi theo thời gian, để có thể truyền đi bằng một kênh
thông tin.
UG
UB
UY
Bộ điều
chế
màu
UM =UY’+UC
UC
U, Y
Bộ chọn
tín hiệu
Bộ tách
sóng màu
S1
Mạch ma
trận
S2
U, R
U, G
U, B
Ống
thu
Tín hiệu cao tần của băng sóng VHF và UHF được đưa tới khối chọn kênh tương
ứng. Khối chọn kênh có nhiệm vụ chọn kênh thu, khuếch đại và biến đổi tần số thu
thành tần số trung tần: trung tần tiếng fttt và trung tần hình ftth ( mang thông tin tín
hiệu tổng hợp màu UM). Sau đó tín hiệu fttt được xử lý ở khối đường tiếng rồi đưa ra
loa, tín hiệu ftth mang thông tin tín hiệu tổng hợp màu UM được xử lý bởi khối
đường hình và cuối cùng đưa lên đèn hình màu.
Đèn hình màu là phần tử chính của máy thu hình màu, nó biến đổi các tín
hiệu màu cơ bản thành hình ảnh màu. Loại đèn hình và thông số của nó quyết định
mạch điện và thông số một số mạch điện của máy thu hình màu. Ứng với mỗi loại
đèn hình thì mạch ma trận và tín hiệu đặt lên các điện cực của đèn hình màu cũng
khác nhau.
4
Hình I.1.3: Sơ đồ khối của máy thu hình màu
I.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP ẢNH
I.4.1. Nguyên lý quét.
I.4.1.1 Phương pháp quét lên tục
Thông tin mà mắt người thu nhận được từ cảnh vật xung quanh là thông tin về
màu sắc trong không gian ba chiều và biến đổi theo thời gian. Đó là thông tin về độ
sâu của hình ảnh, về độ chói, kích thước, hình dạng và sự biến đổi… Lượng thông
tin mà mắt người thu nhận được là vô cùng lớn. Việc truyền thông tin về hình ảnh
chỉ đảm bảo được một phần nào đó trong lượng thông tin của cảnh vật thực mà thôi.
Chúng ta nhìn thấy và phân biệt được mọi vật là nhờ tính chất phản xạ ánh sáng
khác nhau của từng chi tiết của một vật. Khi rọi lên một vật chùm tia sáng trắng, từ
mỗi phần tử (điểm) của vật đều phản xạ lại phía người quan sát. Cường độ và thành
5
dòng 1 của ảnh thứ 2. Quá trình diễn ra liên tiếp với các ảnh thứ 3, 4… với một tốc
6
độ lớn. Nếu thời gian cần thiết để truyền xong một ảnh là Ta (chu kỳ quét một ảnh)
và nếu ảnh chứa Na phần tử ảnh, thì thời gian truyền một phần tử ảnh là: tpt = Ta/ Na.
Như vậy, mỗi giây truyền được fa ảnh, fa =1/Ta, được gọi là tần số quét ảnh.
Mỗi phần tử ảnh được truyền đi fa lần trong một giây và mỗi lần truyền đi cần thời
gian tpt.
Khi khôi phục lại ảnh (tổng hợp ảnh), các phần tử ảnh được sắp xếp lại đúng vị
trí của nó. Sự sắp xếp này thực hiện được nhờ một bộ quét thứ 2 làm việc đồng bộ
với bộ quét thứ nhất (khi phân tích ảnh), và chúng được khống chế bằng cùng một
tín hiệu đồng bộ. Mỗi phần tử ảnh được khôi phục cũng bức xạ ánh sáng gián đoạn
fa trong một giây và mỗi lần chỉ kéo dài trong khoảng thời gian tpt.
I.4.1.2 Phương pháp quét xen kẽ
Do sự lưu ảnh của mắt, nếu ta truyền 24 ảnh/ 1 giây thì khi tái tạo lại hình ảnh,
người xem sẽ có cảm giác một hình ảnh chuyển động liên tục. Mặt khác với 24 ảnh/
1 giây, ánh sáng vẫn bị chớp, gây khó chịu cho khán giả. Đối với điện ảnh, trong
thời gian chiếu một ảnh người ta ngắt ánh sáng làm hai lần. Điều đó có nghĩa là thay
vì chiếu một ảnh liên tục trong thời gian 1/24 giây, người ta chiếu ảnh đó làm hai
lần, mỗi lần 1/48 giây. Kết quả cho ta được xem 48 ảnh / 1 giây thay vì 24 ảnh /1
giây. Hình ảnh sẽ chuyển động liên tục và không bị chớp. Như vậy số lượng ảnh
truyền trong một giây càng lớn thì cử động trong ảnh càng thấy liên tục và ảnh tổng
hợp không bị nhấp nháy.
Trong truyền hình, người ta thường truyền 25 ảnh/ 1 giây đối với những nơi sử
dụng điện lưới 50Hz và 30 ảnh/ 1 giây đối với những nơi sử dụng điện lưới 60Hz.
Để loại trừ hiện tượng chớp sáng, trong truyền hình người ta sử dụng phương pháp
quét xen kẽ. Phương pháp quét xen kẽ giống phương pháp quét liên tục ở chỗ dòng
điện tử cũng quét từ trên xuống dưới, từ trái sang phải và các dòng điện tử quét
máy thu không bị nhấp nháy. Đây cũng chính là ưu điểm của phương pháp quét
này.
I.4.2. Nguyên lý chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện.
Nguyên lý chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện dựa trên cơ sở lần lượt
chuyển đổi độ chói của từng phần tử ảnh thành tín hiệu điện. Để chuyển đổi độ chói
thành dòng điện (hoặc điện áp) tương ứng, ta dùng hiệu ứng quang điện, trong đó có
hiệu ứng quang điện trong và hiệu ứng quang điện ngoài. Bản chất của hiệu ứng
quang điện trong là: đối với một số chất bán dẫn, khi được rọi sáng thì độ dẫn điện
(điện trở) của nó thay đổi tỉ lệ với độ rọi. Bản chất của hiệu ứng quang điện ngoài
là: đối với một số kim loại, khi được rọi sáng, trên bề mặt của nó có bức xạ điện tử.
8
Các điện tử bức xạ này được gọi là quang điện tử. Số lượng quang điện tử tỉ lệ với
độ rọi trên bề mặt lim loại.
I.4.3. Nguyên lý khôi phục ảnh quang
Quá trình phân tích ảnh và chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện ta đó chia
ảnh quang thành các phần tử và chuyển đổi độ chói của từng phần tử thứ tự theo
thời gian thành tín hiệu điện, thì ở đây, khôi phục ảnh quang là quá trình ngược lại,
tức là phải khôi phục độ chói của từng phần tử ảnh và sắp xếp các phần tử ảnh lại
đúng vị trí của nó, khi đó ta sẽ nhận được ảnh quang cần truyền đi.
Để thực hiện được điều đó có thể dùng ống tia điện tử có màn huỳnh quang. Đặc
điểm của màn huỳnh quang là ở môi trường chân không, khi có tia điện tử đập vào
nó, nó sẽ sáng lên. Cường độ sáng tỉ lệ với công suất của tia điện tử ở thời điểm nó
đập tại mỗi điểm vào màn. Dùng tín hiệu hình để điều chế tia điện tử của ống tia,
sao cho thời điểm tương ứng với phần tử trắng của hình ảnh tia có công suất lớn
nhất và ứng với phần tử đen tia có công suất bé. Dùng hệ thống lái tia làm cho tia
điện tử quét khắp màn huỳnh quang theo quy luật đó định trước. Tia điện tử đó
được khống chế quét liên tục lên màn huỳnh quang phải đồng bộ và đồng pha với
để chuẩn bị quét tiếp dòng sau, chiếm khoảng 16% ÷ 18% của một chu kỳ dòng.
Trong khoảng thời gian quét ngược, tín hiệu không mang tin tức của ảnh nên được
dùng để truyền xung tắt dòng. Xung tắt dòng cú tác dụng tắt tia điện tử ở ống tia
trong thời gian quét ngược.
Đối với ảnh, khi tia điện tử quét hết một mành (nửa ảnh), tức là quét một lượt
qua tất cả các dòng của một mành từ trên xuống dưới, tia phải chuyển động ngược
lại từ dưới lên trên được gọi là thời gian quét ngược của mành. Trong khoảng thời
gian này, tín hiệu không mang tin tức của ảnh nên được dùng để truyền xung tắt
mành. Xung tắt mành có tác dụng tắt tia điện tử của ống thu trong thời gian quét
ngược của mành. Thời gian quét ngược của mành thường dài bằng 23÷30 chu kỳ
của dòng.
Như vậy xung tắt dòng xuất hiện sau mỗi dòng và xung tắt mành xuất hiện sau mỗi
mành. Mức đỉnh của xung tắt được chọn vượt quá mức đen một ít để đảm bảo tắt
10
Copyright: Tài liệu đại học ©