Đồ án Đánh giá một số kỹ thuậ trong truyền hình tương tự và truyền hình số

trong bộ nhớ bằng phương pháp nội suy. Hình 2.14: Sơ đồ khối DPCM trong mành Sơ đồ khối DPCM giữa các mành là: DPCM giữa các mành mã hoá trực tiếp vi sai giữa các mành kề nhau. Hoạt động của nó giống DPCM trong mành với dự báo1 phần tử. Độ trễ của mạch phản hồi đúng bằng thời gian một mành. Nội suy tín hiệu tương tự dựa trên nguyên tắc thay thế đặc tuyến tín hiệu tương tự bằng hàm điện áp (đa thức) có đặc tuyến và thời gian gần giống với nó. Nếu biết được đặc tuyến của hàm nội suy và giá trị của đặc tuyến tại một vài điểm thì có thể khôi phục các giá trị trung bình của tín hiệu. Trong trường hợp tín hiệu rời rạc, các trị chưa biết của các mẫu có thể được suy ra từ các mẫu trước hoặc sau. Đối với tín hiệu video, thường sử dụng hàm nội suy tuyến tính. Lúc đó, giá trị chưa biết của các mẫu khôi phục được coi như giá trị trung bình của các mẫu lân cận. Các loại DPCM giữa các mành được sử dụng bao gồm: a) Phương pháp lấy mẫu từ phần ảnh chuyển động: Chỉ truyền phần các điểm ảnh chuyển động và khôi phục phần các điểm ảnh còn lại bằng trị trung bình các điểm ảnh được truyền. b) Phương pháp làm đầy có chọn: Là phương pháp đan chéo các mành, còn gọi là phương pháp làm đầy có chọn khi ảnh truyền ít chuyển động và tốc độ thấp. Nguyên tắc là chỉ truyền phần ảnh được chọn ở mỗi mành và nhận ảnh có độ chiếu sáng lâu. c) Phương pháp chia thành những phần ảnh chuyển động và tĩnh: Nó là sự kết hợp giữa phương pháp làm đầy có chọn và phương pháp lấy mẫu từng phần ảnh chuyển động cùng với DPCM giữa mành với dự báo một phần tử. 2.4.3. Phương pháp mã chuyển đổi (TC-Transform Coding) Trong mã hoá DPCM, nó xử lí tín hiệu trong miền thời gian, còn trong công nghệ mã chuyển đổi TC: Nó xử lí thông tin trong miền tần số. Nó làm giảm thông tin dư thừa trong vùng không gian. Một phương pháp chuyển đổi phổ biến là: Biến đổi cosin rời rạc(DCT): Thay vì lượng tử hoá và mã hoá trực tiếp biên độ điểm ảnh, người ta sẽ lượng tử hoá và mã hoá các hệ số DCT. 2.4.3.1 Biến đổi cosin rời rạc (DCT) DCT là phép biến đổi giá trị một khối các điểm ảnh thành một khối các hệ số trong miền tần số. Công thức tính toán cho DCT hai chiều với ma trận vuông giá trị điểm ảnh (n*n) sinh ra ma trận vuông hệ số tuần tự như sau: Trong đó: F(u,v): Hệ số DCT của N*N điểm ảnh . Còn f(x,y) là giá trị biên độ của khối N*N điểm ảnh. u: tần số trục ngang v: tấn số trục đứng C(u),C(v) =nếu u,v = 0 C(u),C(v) = 1 nếu u,v ¹ 0 DCT có một tính chất quan trọng, đó là tính biến đổi thuận nghịch. Có nghĩa là:Từ các khối các hệ số DCT có thể hồi phục được giá trị biên độ các điểm ảnh ban đầu theo công thức chuyển đổi ngược sau: Trong kĩ thuật nén ảnh số, kích thước khối được chọn là 8*8 pixel vì: Thực nghiệm chỉ ra rằng, hàm hiệp phương sai suy giảm rất nhanh khi khoảng cách pixel mà ở đó hiệp phương sai được định nghĩa là vượt quá 8. Vì vậy phương pháp nén sử dụng việc loại bỏ các thông tin dư thừa về mặt không gian, không cần quan tâm đến các khối pixel lớn hơn 8. Mặt khác, khối 8*8 pixel là vừa đủ để thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế mạch cứng. 2.4.3.2. Lượng tử hoá hệ số DCT Trong bảng hệ số DCT, sai số hệ số một chiều DC có khả năng nhận biết một cách dễ ràng, bởi nó làm thay đổi mức chói trung bình của khối điểm ảnh. Còn với các hệ số AC tần số cao, giá trị nhỏ thì có thể biểu diễn lại bằng tập giá trị nhỏ hơn hẳn các giá trị cho phép. Quá trình này có thể được thực hiện bằng cách cho những khoảng cách giữa các bước lượng tử hóa thay đổi theo các hệ số. Lượng tử hóa được thực hiện bằng việc chia các hệ số F(u,v) cho các hệ số ở vị trí tương ứng trong bảng lượng tử Q(u,v) để biểu diễn số lần nhỏ hơn các giá trị cho phép của hệ số DCT: Các hệ số tần số thấp được chia cho các giá trị nhỏ, còn các hệ số ứng với tần số cao được chia cho các hệ số lớn hơn. Sau đó hệ số được làm tròn. Kết quả ta nhận được bảng Fq(u,v) mới, trong đó phần lớn các hệ số có tần số cao sẽ bằng 0. Hệ số bảng lượng tử hoá thuận được xác định theo biểu thức: Fq(u,v) =intk=0÷7 Giá trị Fq(u,v) sẽ được mã hoá trong các công đoạn tiếp theo. Hình 2.15: Lượng tử hoá có trọng số Việc xây dựng bảng lượng tử hoá Q(u,v), tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố sao cho được tối ưu nhất sẽ được sử dụng. Bảng này sẽ được ghi lại và truyền đi. Hệ thống giải nén sẽ nhận biết để khôi phục dữ liệu. Quá trình lượng tử hoá có trọng số này có gây mất thông tin, tức có tổn hao. Đây là bước tổn hao duy nhất trong thuật toán nén, và không ảnh hưởng lắm đến sự khôi phục ảnh. Quét các hệ số DCT Dòng số là dòng truyền tải các bit nối tiếp theo thời gian. Do vậy, cần một quá trình sắp xếp các hệ số DCT đã lượng tử trong ma trận 2 chiều thành dãy một chiều nối tiếp nhau. Quá trình đó gọi là quét các hệ sô DCT. Theo nghiên cứu, có hai dạng thức quét cho hệ số 0 đứng cạnh nhau là lớn nhất để thuận lợi cho việc mã hoá cũng như giảm tốc độ bít khi truyền. Đó là quét “zig - zag” và quét luân phiên. Mã hoá hệ số DCT Sau khi quét các hệ số DCT gồm rất nhiều hệ số 0 đi liền nhau, nên được mã hoá bằng loại mã RLC (độ dài chạy) rồi tiếp tục được mã hoá bằng mã huffmanVLC ( mã có độ dài thay đổi) sao cho giảm tối thiểu được tốc độ dòng bít. Việc mã hoá được quy định bởi các bảng mã cho từ mã đầu ra tương ứng. 2.4.4. Phương pháp nén liên ảnh 2.4.4.1. Mã hoá bù chuyển động Ảnh động tạo ra sự dư thừa đáng kể từ khung hình này đến khung hình kế tiếp. Rất nhiều phần trong khung hình có thông tin không thay đổi - một vài phần có thể đứng im và các phần khác có thể là các phần của khung hình trước dịch chuyển đi chút ít. Theo nguyên lí nay, bất cứ thứ gì đã tồn tại trong khung hình trước đều không cần phải được truyền lại. Nó chỉ cần được sao chép bằng máy thu hình từ một bản lưu trữ của khung hình trước. Chức năng chỉ ra một cái mới hay cũ trong một khung hình được gọi là:Bù chuyển động. Đây là một trong những nhiệm vụ phức tạp nhất của nén video. Thực tế, hiệu quả của bù chuyển động luôn luôn bị hạn chế do khả năng tính toán và tốc độ. Bù chuyển động được dựa vào quá trình xử lí ảnh trong khối. Đưa ra một khung hình (đầu tiên) hoàn chỉnh như là điểm xuất phát,các khối từ khung hình tiếp theo được lấy và so sánh với các vùng của khung hình thứ nhất, để xác định xem có điểm nào trùng khớp ở bất kì vị trí nào trên khung hình thứ nhất hay không (khối có thể đã dịch chuyển giữa các khung hình). Nếu tìm thấy điểm trùng khớp, một véc tơ chuyển động sẽ được tạo ra cho máy thu sử dụng để dự đoán vùng của khung hình thứ 2 bằng cách sao chép nó từ khung hình thứ nhất. Biết rằng số lượng chuyển động giữa các khung hình thương không quá lớn nên chỉ việc tìm kiếm trong một khu vực nhỏ xung quanh vị trí của khối được kiểm tra. Thậm chí, như vậy số lượng thao tác ở đây cũng rất lớn và cần phải hạn chế phạm vi tìm kiếm so với thực tế cần thiết. Các khối không được tìm thấy ở khung hình trước, phải được mã hoá bằng các phương tiện khác và truyền đi đầy đủ. Hình 2.16: Véc tơ chuyển động giữa hai khung hình liền nhau 2.4.4.2. Mô hình nén liên ảnh Hình 2.17: Mô hình nén liên ảnh Ảnh dự đoán trước(ảnh P):Ảnh hiện tại được dự báo từ các pixel của frame hiển thị trước đó. Phương pháp này rất hiệu quả khi chuỗi ảnh biểu diễn là chuỗi ảnh tĩnh hoàn toàn: Trong trường hợp này chỉ cần truyền ảnh đầu tiên là đủ, và thông tin lần lượt mỗi ảnh không khác nhau mấy so với ảnh trước. Khi xuất hiện vật thể chuyển động nào đó trong ảnh, thì cần phải phát hiện các vật thể này và biểu diễn đặc trưng về sự thay đổi vị trí của nó. Bằng cách này và trên cơ sở phân tích các ảnh trước, có thể dự báo gần đúng nội dung ảnh đang xét. Trong trường hợp ảnh đang xét khác với dự báo của nó, thì cần phải truyền thêm các thông tin về sự khác nhau đó, giữa các ảnh nói trên. Khi đó vị trí Block được biểu diễn bằng véc tơ biểu thị sự dịch chuyển Block này so với vị trí của MB trong ảnh dự báo trước. Kết quả ta nhận được các véc tơ chuyển động cho mỗi MB. Sơ đồ sau chỉ ra quá trình tạo ảnh dự báo trước ảnh P: Hình 2.18: Nén liên ảnh(ảnh dự đoán trước) Trong đó, ảnh trước đó được lưu trữ trong bộ nhớ với đầy đủ độ phân dải, đầy đủ dữ liệu. Còn trong khối “xác định véc tơ chuyển động” với véc tơ chuyển động được tính toán sao cho ảnh hiện tại được dự đoán một cách chính xác nhất. Hiệu giữa ảnh hiện tại và ảnh dự báo sẽ cho ảnh khác biệt ở đầu ra. Số liệu về véc tơ chuyển động và ảnh khác biệt sẽ được truyền đi. Nó không truyền toàn bộ ảnh. Ảnh dự đoán hai chiều(ảnh B): Đối với mỗi MB ảnh dự đoán 2 chiều sẽ tìm các block giống nhau của các pixel trong hai ảnh là ảnh trước và ảnh sau. Do đó ta nhận được 2 véc tơ chuyển động. Hình vẽ dưới đây là mạch tạo dự báo ảnh hai chiều (B) : Hình 2.19 : Nén liên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) Sự khác nhau cơ bản giữa hai mạch trên là: Bộ nhớ ảnh so sánh. Để tạo được dự báo ảnh trước ta chỉ cần nhớ ảnh trước đó. Còn để tạo được ảnh dự báo hai chiều, ta phải nhớ cả hai ảnh: ảnh trước và ảnh sau ảnh đang xét. Có thể xem ảnh dự báo hai chiều là kết quả nội suy giữa hai ảnh để xác định chuẩn của nó.Vì để tạo được ảnh 2 chiều, bộ giải mã phải xác định nội dung của hai ảnh xác định chuẩn của nó, nên sẽ làm thay đổi thứ tự truyền các ảnh. Bộ mã hoá đầu tiên phải truyền cả hai ảnh chuẩn, sau đó mới truyền đến ảnh dự đoán hai chiều. Điều đó dẫn đến: Bộ mã hoá và giải mã phải đánh số lại các frame, lên làm tăng công việc. Bộ mã hoá và giải mã phải dùng bộ nhớ lớn . Cũng có thể có nhiều hơn một khung hình B giữa hai khung hình tham chiếu xuất hiện trước và sau nó. 2.5. Nén tín hiệu AUDIO Tín hiệu audio số PCM được sử dụng trong TV, truyền thông đa phương tiện cũng như trong nhiều ứng dụng khác. Các dòng lấy mẫu với tần số là 48 khz và độ phân giải 16 bít thì dòng số tạo ra sẽ có tốc độ là 1,54 Mbit/s. Một hệ thống âm thanh surround cung cấp cho dòng số tốc độ 4,5 Mbit/s. Bởi vậy yêu cầu phải có một phương pháp nén hiệu quả cho lưu trữ dữ liệu thời gian dài cũng khi phân phối dữ liệu qua các kênh co bề rộng dải thông hẹp. Việc nén audio hiện nay được tổ hợp trên các ứng dụng đa fương tiện trên cơ sở là máy tính, cho sự phân phối chương trình trên đĩa CD-ROM và mạng. Nó cũng được sử dụng trong truyền dẫn qua vệ tinh quảng bá. Cơ sở của của nén tín hiệu audio Nén tín hiệu audio được thực hiện dựa trên cơ sở là mô hình tâm sinh lí thính giác của con người, sự hạn chế về mặt cảm nhận, hiện tượng che lấp các tín hiệu âm. Mô hình tâm sinh lí thính giác Hệ thống thính giác của con người (Humam audio system _HAS) có đặc điểm như một bộ phân tích phổ. Nó chia giải phổ âm thanh nghe thấy thành các băng tần gọi là các băng tới hạn như một dãy các bộ lọc thông dải. Các băng tần này có bề rộng dải thông là 100Hz với các tần số lớn hơn 10Khz. Có thể mô hình hoá hệ thống cảm nhận của con người bằng 26 bộ lọc thông dải liên tiếp có bề rộng dải thông như đã nói. Khi tín hiệu âm thanh bao gồm các tần số gần kề nhau, hệ thống thính giác của con người(HAS) sẽ tổ hợp chúng thành một nhóm có năng lượng cân bằng. Ngược lại, nếu có âm thanh bao gồm nhiều tần số khác biệt nhau, chúng sẽ được sử lí tách biệt và độ lớn âm thanh được xác định. Tính nhạy của HAS giảm tại các tần số cao và các tần số thấp. Điều này có nghĩa là đối với các mức âm thanh thấp thì sự thay đổi trong cảm nhận của con người là rất quan trọng và sẽ giảm dần tại các mức âm cao. Sự che lấp tín hiệu audio Hệ thống thính giác của con người còn có một đặc điểm vô cùng quan trọng, đó là tính che lấp “Masking”. Có hai dạng che lấp là: che lấp thời gian và che lấp tần số. Tiến hành thực nghiệm đối với hệ thống thính giác người ta xây dựng được đặc tuyến che lấp trong miền thời gian và trong miền tần số . Che lấp tần số Sự che lấp về mặt tần số là hiện tượng một âm thanh nghe thấy ở tần số này bỗng trở lên không cảm nhận được do ngưỡng nghe thấy bị dâng lên vì sự có mặt của âm thanh ở tần số khác có cường độ mạnh hơn. Để tai người có thể nghe thấy bất cứ một âm thanh ở một tần số đơn nào cũng phải có một mức áp suất âm thanh lớn hơn một giá trị ngưỡng nhất định. Tập hợp tất cả các giá tri ngưỡng này đối với tất cả các âm đơn trong giải tần nghe được tạo nên một đường cong gọi là: ngưỡng nghe tuyệt đối - là đường đậm nét được minh hoạ trên hình vẽ. Tất cả các âm thanh nằm dưới đường cong này đều không có khả năng được con người cảm nhận. Hình 2.20: Đặc tuyến che lấp đối với hệ thống thính giác trong miền tần số Sự xuất hiện của một âm thanh có cùng độ cao ở một tần số nào đó sẽ làm cho đường cong này biến đổi đi. Trong hình vẽ trên, âm 1KHz với mức thanh áp 45dB làm cho ngưỡng nghe thấy tuyệt đối dâng 27dB. Điều này có nghĩa là những tạp âm dưới 27dB đều không nghe thấy. Nếu sử dụng thang lượng tử 6dB/ bước nhảy thì chỉ cần 3 bit để mã hoá âm này vì giá trị vi sai ở đây là: 45 – 27 = 18dB. Nếu mức âm này tăng lên tới 65dB thì mức che phủ sẽ tăng lên 55dB, giá trị vi sai lúc này chỉ còn 10dB và có thể mã hoá chỉ bằng 2 bít. Việc che phủ tần số trước và sau cũng rất quan trọng như trên hình vẽ, âm 1KHz cũng làm cho ngưỡng nghe thấy của các âm tần số xung quanh dâng lên. Sự che phủ tần số sau quan trọng hơn và tăng theo mức âm. Điều này cho phép giảm độ chính xác mã hoá cho những tần số tín hiệu xung quanh âm che phủ. Những âm đơn tần số xung quanh 1Khz có mức âm nhỏ hơn đường cong che phủ sẽ không có khả năng cảm nhận và không cần thiết phải mã hoá mà vẫn không làm ảnh hưởng tới chất lượng cảm nhận của con người. Hệ thống nén dựa trên đặc điểm này được gọi là hệ thống nén theo thính giác. Sự che phủ thời gian Đó là hiện tượng tai người chỉ cảm nhận được âm sau khi âm đó bắt đầu khoảng 200ms và có cảm tưởng âm thanh còn kéo dài khoảng 200ms nữa sau khi âm thanh đã dứt. Ngoài ra, thính giác cũng không phân biệt được những khoảng ngừng nhỏ hơn 50ms giữa hai âm thanh giống nhau đi liền nhau. Công nghệ giảm tốc độ nguồn dữ liệu audio số Công nghệ mã hoá nguồn được sử dụng để loại bỏ đi sự dư thừa trong tín hiệu audio số (khi giá trị vi sai mẫu – xấp xỉ gần giá trị không). Còn công nghệ che lấp dựa trên mô hình tâm sinh lí thính giác của con người có tác dụng loại bỏđi các mẫu không có giá trị cảm nhận (các mẫu không nghe thấy). Có hai công nghệ nén cơ bản là: Mã hóa dự báo miền thời gian: Sử dụng mã hoá vi sai các giá trị chênh lệch giữa các mẫu liên tiếp nhau để loại bỏ sự dư thừa thông tin cá nhân nhằm thu được dòng số có tốc độ thấp. Mã hoá chuyển đổi miền tần số: Công nghệ này sử dụng các khối của các mẫu PCM tuyến tính biến đổi từ miền thời gian thành một số nhất định các băng tần trong miền tần số. Hiện tượng che lấp quan trọng nhất xảy ra trong miền tần số. Để lợi dụng đặc điểm này, phổ của tín hiệu audio được phân tích thành nhiều băng phụ cóđộ phân giải thời gian và tần số phù hợp với độ rộng các băng tần tới hạn của HAS. Mỗi băng phụ chứa một số thành phần âm rời rạc. Cấu trúc bộ mã hoá audio cơ bản như sau: Hình 2.21: Cấu trúc bộ mã hoá Audio Có ba cách thực hiện dãy bộ lọc. Đó là: Đa băng tần: Phổ của tín hiệu được chia thành các băng tần phụ có độ rộng bằng nhau tương tự như khi chia phổ tần thành các băng tần tới hạn của hệ thống HAS. Với các tần số nhỏ hơn 500Hz một băng con sẽ chứa vài băng tần tới hạn. Trong công nghệ nén audio, sử dụng một loại bộ lọc bộ lọc băng con. Ví dụ PQMF - bộ lọc gương đa pha bình phương. Bộ lọc này cóđộ chồng phổ thấp và thường được sử dụng cho các mẫu gần kề về mặt thời gian. Trong tiêu chuẩn nén AUDIO MPEG một khung audio gồm 1152 mẫu được chia thành 32 băng con, mỗi băng con có 36 mẫu. Dãy chuyển đổi: áp dụng thuật toán DCT có cải biên (MDCT) được dùng để biến đổi tín hiệu audio miền thời gian thành một số lượng lớn các băng con (từ 256 đến 1024 ) trong miền tần số . Dãy bộ lọc cân bằng: tín hiệu vào trước tiên được chia thành 32 băng con nhờ các bộ lọc PQMF. Sau đó áp dụng phép biến đổi MDCT cho mỗi 18 mẫu của băng con. Kết quả sẽ thu được 576 băng rất hẹp (41,76 Hz tại tần số lấy mẫu 48Khz). Việc kết hợp này cóđộ phân giải thời gian khoảng 3.8ms. Bộ lọc trong dãy phải được xác định phù hợp với một số tác nhân quan trọng. Dãy bộ lọc có độ phân tích thấp (nghĩa là băng tần rộng) sẽ cho số lượng băng con nhỏ. Trong mỗi băng con sẽ chứa hầu hết các thành phần âm của phổ tín hiệu audio khiến tác dụng che lấp giảm và sẽ cần rất nhiều bit để mã hoá các thành phần tín hiệu trong các băng con. Tuy nhiên, số lượng các băng con thấp sẽ giảm được mức độ phức tạp mã hóa/giải mã mà vẫn giữđược độ phân giải tốt về thời gian. Nếu dãy bộ lọc cóđộ phân tích cao, sẽ cho số lượng lớn các băng con. Khi đó, một số băng con không chứa thành phần âm sẽ không cần phải mã hoá. Bề rộng băng tần hẹp cho khả năng mô phỏng tốt hơn các băng tới hạn của HAS. Tuy nhiên, có độ phân giải thời gian thấp dẫn đến hiện tượng có tiếng tạp âm lanh canh khi mã hoá tín hiệu audio ngắn. Do vậy, có thể sử dụng dãy bộ lọc thích nghi có khả năng chuyển đổi từ dãy bộ lọc có độ phân giải cao sang dãy bộ lọc có độ phân giải thấp khi mã hoá tín hiệu audio ngắn. Đặc tuyến của quá trình xử lí dãy bộ lọc bao gồm các yếu tố: Độ phân giải thời gian = độ dài mẫu khối bộ lọc* 20,83 us. Với tần số lấy mẫu 48Khz, khoảng cách thời gian giữa các mẫu liên tiếp sẽ là 20,83 us. Ví dụ trong mã hoá AC-3 độ phân giải thời gian là 128*20,83=2,66ms. Độ phân giải tần số = bề rộng phổ cực đại/tổng số băng con. Với tần số lấy mẫu 48KHz, bề rộng phổ tần tối đa là 24 KHz. Ví dụ trong mã hoá AC-3, độ phân giải tần số là: 24000/256 = 95,75 Hz. Độ dài khung dữ liệu = số băng con trong một khối * số mẫu trong khối *20,83us. Ví dụ như trong tiêu chuẩn MPEG lớp một, độ dài khung dữ liệu là 32*12*20,83 = 8us. Sự phân phối bít Một phép phân tích mô hình tâm sinh lí thính giác chính xác tín hiệu PCM đầu vào sử dụng thuật toán biến đổi (fourier transform - FFT) được thực hiện để xác định nội dung tần số và năng lượng của nó. Từ ngưỡng nghe được và đặc tính che phủ tần số của HAS, người ta tính toán được đường cong che lấp như minh họa hình dưới đây. Hình 2.22: Đường cong che lấp Hình dạng và kích thước đường cong che lấp phụ thuộc vào nội dung tín hiệu. Trong ví dụ trên, có thể thấy sai số giữa đường bao phổ tín hiệu và đường cong che lấp giảm xuống, điểm có giá trị max là 40dB. Giá trị sai lệch max này quyết định số lượng bít cần thiết (thông thương lượng tử hoá cơ bản là 6dB/ bit), để mã hoá tất cả các thành phần phổ tần tín hiệu audio. Quá trình phân bố bít cần đảm bảo tạp âm lượng tử hoá thấp hơn ngưỡng nghe được. Trong hình, tại vung tần số lớn hơn 12KHz, đường cong che lấp cao hơn đường bao phổ tín hiệu nên không cần phân phối bit để mã hoá vùng tín hiệu này. Từ đường cong che lấp, ngưỡng che lấp của mỗi băng con được xác định. Chúng quy định năng lượng tạp âm lượng tử cực đại có thể chấp nhận được cho mỗi băng con, tại đó tạp âm bắt đầu trở lên nghe thấy. Sau khi ước lượng ngưỡng che lấp cho mỗi băng tân con, các tham số xếp loại được sử dụng để biến đổi bước lượng tử của mỗi băng con, tức biến đổi cấu trúc tạp âm lượng tử sao cho phù hợp nhất. Cuối cùng, mã hoá Huffman được sử dụng. Lượng tử hoá: Lượng tử hoá các băng tần con trong phô tín hiệu audio là một qua trình không đồng bộ. Tức là mỗi băng con được lượng tử với một bước lượng tử khác nhau phù hợp với mức năng lượng cũng như mức độ che lấp của băng tần. Bước lượng tử được xác định nhờ bộ phân phối bit. Ghép kênh dữ liệu: Các khối (hay là các nhóm) 12 mẫu dữ liệu từ đầu ra bộ lượng tử hoá được ghép kênh cùng với tham số xếp loại tương ứng của chúng và thông tin phân phối bit để hình thành lên khung dữ liệu audio trong dong bít mã hoá . 2.6.Các tiêu chuẩn truyền hình số 2.6.1. Hệ thống quảng bá truyền hình hữu tuyến DVB-C Đặc điểm chung: DVB-C: Hệ thống truyền dẫn qua cáp sử dụng độ rộng kênh truyền 7-8 MHz, điều chế QAM với 64 trạng thái (64 QAM), tốc độ dữ liệ cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 38,1 Mb/s. Trong mạng truyền hình hữu tuyến do tín hiệu hình ảnh được truyền tải trên đường dây cáp đồng trục nên nó ít bị can nhiễu bên ngoài. Trong các nguyên tắc DVB đã qui định sử dụng các phương thức điều chế QAM, căn 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 2.23: Sơ đồ của hệ thống truyền hình số hữu tuyến Hình 2.23 là sơ đồ của hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến. Nếu 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 chuyển đổi thành dòng dữ liệu MPEG-2, đối với tín hiệu thị tần - âm tần AV thì cần bộ giải nén biên mã số để giải mã tín hiệu, tạo ra dòng dữ liệu MPEG-2. Nguồn tín hiệu khác nhau sẽ tạo ra dòng dữ liệu MPEG-2 ở bộ trộn nhiều đường số để tiến hành trộn và thu được dòng tín hiệu có tốc độ cao hơn. Sau đó tín hiệu này đưa vào bộ điêu chế QAM, bộ biến tần để đạt được dải tần cần thiết cho mạng truyền hình hữu tuyến. 2.6.2. Hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB-S Đặc điểm chung: DVB-S: Hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh DVB-S có các đặc trưng như sau: sử dụng băng tần băng C và Ku, điều chế số QPSK, tối ưu hóa cho từng tải tiêng cho từng bộ phát đáp (Transponder: thiết bị thu phát trên vệ tinh) và công suất hiệu dụng, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 38,1 Mb/s. Hình 2.24: Sơ đồ khối hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh Nguyên lí quảng bá truyền hình số vệ tinh trình bày ở hình 2.24. Thông tin âm tần và thị tần và các tín hiệu số trước tiên sẽ đi qua bộ nén biên mã số MPEG-2 (ENC) tiến hành việc nén biên mã, tín hiệu truyền hình số với tốc độ trên 200 Mb/s được nén xuống còn 6 Mb/s, dòng số liệu MPEG-2 bị nén nhiều đường sẽ được dòng mã MPEG-2 có tộc đồ càng cao hơn. Căn cứ vào yêu cầu, các chương trình truyền hình cần truyền tải sẽ được thực hiện việc mã hóa, sau đó dòng số hiệu MPEG-2 được đưa vào bộ điều chế số QPSK. Cuối cùng tiến hành biến tần, tín hiệu QPSK được điều chế tới trung tần IF, đạt tới tần số vi ba cần thiết của dải sóng C hoặc Ku, thông qua anten phát tiến hành phát xạ lên truyền hình vệ tinh. Sơ đồ khối của hệ thống thu truyền hình số vệ tinh như hình 2.25. Tín hiệu vệ tinh qua bộ biến tần LNB, máy thu vệ tinh số IRD (intergrated receiver coder) sẽ tiến hành việc giải điều chế QPSK, giải mã đưa ra tín hiệu âm tần và thị tần, nếu dùng đầ 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. Hình 2.25: Sơ đồ khối của hệ thống thu truyền hình số vệ tinh 2.6.3. Hệ thống quảng bá truyền hình số trên mặt đất DVB-T Đặc điểm chung: DVB-T: Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộng kênh 7-8 Mhz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s. Người ta sử dụng phương pháp điều chế số mã hóa 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 nghiêm trọng. Hình 2.26: Sơ đồ khối hệ thống DVB-T 2.7. Kết luận về truyền hình số Truyền hình số có những đặc điểm sau nổi trội hơn so với truyền hình tương tự: + Có thể tiến hành rất nhiều quá trình xử lý trong Studio (trung tâm truyền hình) mà tỉ số S/N không giảm (biến đổi chất lượng cao). Trong truyền hình tương tự thì việc này gây ra méo tích lũy (mỗi khau xử lý đều gây méo). + Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng không 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 tùy 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 thwucj hiện việc chuyển đổi hệ truyền hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, để 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). + 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 thẻ truyền 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 2 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 ngày càng phong phú đa dạng và ngày càng mở rộng. Trong đó có sự kết hợp giữa máy thu hình và hệ thống máy tính, truyền hình từ phương tiện thông tin đại chúng trở thành phương tiện thông tin cá nhân. Tuy nhiên truyền hình số cũng có những nhược điểm đáng quan tâm: + Dải thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng băng tần của thiết bị và hệ thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự. + Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số ở mỗi điểm của kênh truyền thường phức tạp hơn (phải dùng mạch chuyển đổi số - tương tự). 2.8. Kết luận chương Chương 2 đã giới thiệu về truyền hình số, trình bày một số kỹ thuật của truyền hình số. Rút ra được các ưu điểm nổi trội của nó so với truyền hình tương tự như khả năng chống nhiễu cao, ít suy hao, có thể truyền đi xa và ghi đọc nhiều lần mà không bị giảm chất lượng tín hiệu… CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG TRUYỀN HÌNH TƯƠNG TỰ VÀ TRUYỀN HÌNH SỐ 3.1. Phương pháp điều chế trong truyền hình tương tự và truyền hình số 3.1.1. Truyền hình tương tự Hình 3.1. Sơ đồ điều chế tín hiệu video và audio trong truyền hình tương tự Điều chế tín hiệu hình Tín hiệu hình có dải tần từ 0 ÷ 6 MHz cho (OIRT) và để phát tín hiệu này người ta tiến hành điều chế (để chuyển phổ lên dải tần siêu cao tần) cho band VHF có tần số từ 48 MHz đến 230 MHz hoặc band UHF có giải tần từ 300 ÷ 3000 MHz và chia thành nhiều kênh sóng. Đối với tín hiệu hình người ta tiến hành điều chế biên độ (AM) và thành phần phổ của tín hiệu điều chế biên độ gồm 3 thành phần: Sóng mang FOV Dải biên tần trên: (FOV + FVIDEO MIN đến FOV + Fvideo MAX) Dải biên tần dưới: (FOV + FVIDEO MAX đến FOV + FVIDEO MIN) Trong đó FOV: tần số mang tín hiệu hình (thị tần) FVIDEO: tần số tín hiệu hình Phổ của tín hiệu Video có độ rộng là FOV - FVIDEO MAX đến FOV + FVIDEO MAX tức là bằng: 2xFVIDEO MAX = 6x2 =12 MHz (hình 3.2a). Để tiết kiệm phổ tần và nâng cao độ chọn lọc tần số lân cận thì người ta chỉ phát đi thành phần phổ gồm có sóng mang fOV, toàn bộ dải biên tần trên và một phần dải biên tần dưới (hình 3.2b). (Hình 3.2a) (Hình 3.2b) Hình 3.2: Phổ của tín hiệu điều chế Điều chế tín hiệu tiếng Tín hiệu tiếng được điều chế FM vào sóng mang foa và cũng nằm trong dải tần số siêu cao foa > fov tùy thuộc vào kênh sóng đang truyền. foa và fov được điều chế và phát đi trên một kênh theo phương thức “hợp sóng mang” do đó tần phổ tín hiệu của một kênh truyền hình có độ rộng là 8 MHz. Hình 3.3: Điều chế tín hiệu tiếng Với hệ: OIRT khoảng cách giữa foa và fov: 6,5 MHz FCC khoảng cách giữa foa và fov: 4,5 MHz CCIR khoảng cách giữa foa và fov: 5,5 MHz Độ rộng kênh của một kênh truyền hình OIRT: 8MHz FCC: 6MHZ CCIR: 7MHz Chú ý rằng tín hiệu VTTH được điều chế theo từng kênh sóng thì: ở dạng cao tần ta có tần số sóng mang tiếng > tần số sóng mang hình. Sau khi đổi tần (thành tần số trung tần) thì tần số mang hình > tần số mang tiếng. Thực hiện phách hai tần số trung tần mang hình và trung tần mang tiếng ta có được tần số trung tần tiếng. 3.1.2. Truyền hình số DVB – C (QAM) Kênh cáp: tuyến tính hơn kênh vệ tinh, tỉ lệ S/N cao nhưng băng tần hạn chế (7÷8 MHz/Kênh), bị ảnh hưởng nhiễu, echo và sự lặp lại của tín hiệu. Điều chế mức cao 16 – 32 -64 QAM (với việc không dùng mã xoắn Viterbi, tốc độ bit hiệu dụng ~ 38Mb/s (64 QAM)). Hình 3.4: Tiêu chuẩn DVB - C DVB – S (QPSK): + Phi tuyến, băng rộng (36MHz/kênh), công suất hạn chế. + QPSK (Q – Quatery/Quadrature), đơn sóng mang: Dữ liệu (video/audio) dưới dạng gói có độ dài cố định trong dòng truyền tải MPEG – 2. Hình3.5: Tiêu chuẩn DVB – S DVB – T (OFDM) Dùng VHF (UHF) COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Hình 3.6: Tiêu chuẩn DVB – T + Có thể chia dòng truyền bit thành hàng ngàn sóng mang phụ tốc độ thấp trong FDM (ghép kênh theo tần số). 3.1.3. So sánh đánh giá phương pháp điều chế Truyền hình tương tự: Sử dụng hai phương pháp điều chế là AM và FM giúp cho tín hiệu có thể truyền đi xa song hai phương pháp này có hạn chế đó là dễ bị can nhiễu, dải tần hình ảnh bị cắt xén, chất lượng hình ảnh kém. Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách song điều tần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực và có thể truyền âm thanh Stereo, song FM ít bị can nhiễu hơn so với sóng AM. Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm Km, do đó sóng FM thường được sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương. Truyền hình số: Đối với điều chế QAM: là sự kết hợp của ASK và PSK tức là tín hiệu được phân định mức theo cả biên độ và pha làm tăng hiệu suất phổ cũng như tốc độ truyền chống được can nhiễu tốt. Đối với điều chế QPSK: là phương pháp điều pha với 4 trạng thái pha phương pháp này làm tăng tốc độ bit truyền, tránh được nhiễu lân cận cũng như các nhiễu không mông muốn khác ngoại trừ nhiễu trắng. Đối với điều chế OFDM: đây là phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các kí hiệu(ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm của nó là đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở máy phát và máy thu. Từ đây có thể thấy phương pháp điều chế cho truyền hình số có ưu điểm hơn so với truyền hình tương tự có khả năng chống nhiễu cao, hiệu suất lớn và tốc độ bit cao. 3.2. Đánh giá về mặt mã hóa tín hiệu giữa truyền hình số và truyền hình tương tự 3.2.1. Mã hóa tín hiệu truyền trong truyền hình tương tự: Hình 3.7: Mạch mã hóa tín hiệu truyền hình màu Ba tín hiệu màu cơ bản R,G,B từ camera đưa đến qua ma trận theo tỷ lệ nhất định, ở đầu ra của Matrix ta được: Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B R – Y B – Y Tín hiệu Y đi thẳng đến bộ (+) còn hai tín hiệu “hiệu màu” R – Y, B – Y qua bộ điều chế với sóng mang phụ fsc sau đó nhập chung với tín hiệu Y bộ cộng. Tại đầu ra của bộ (+) ta được tín hiệu hình màu tổng hợp sau đó tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ điều biên với sóng mang fov sau đó đưa đến anten và phát đi. 3.2.2. Mã hóa tín hiệu truyền đi trong truyền hình số 3.2.2.1. Lấy mẫu tín hiệu video Lấy mẫu tín hiệu tương tự là quá trình gián đoạn (rời rạc hóa) theo thời gian băng tần số lấy mẫu flm kết quả cho ta một chuỗi các mẫu. Lấy mẫu là bước đầu tiên thể hiện tín hiệu tương tự sang số, vì các thời điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ta tọa độ các điểm đo. Quá trình biến đổi này phải tương đương về mặt tin tức. Quá trình lấy mẫu tương đương với một quá trình điều biên tín hiệu (f0) trên sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu (flm). Quá trình điều biên tạo ra các biên trên và biên dưới. Sóng lấy mẫu có dạng hình chữ nhật, phổ của nó bao gồm thành phần tần số lấy mẫu và các hài của nó (hình 3.8) Hình 3.8: Phổ của tín hiệu lấy mẫu Thực tế việc lấy mẫu tín hiệu dựa trên cơ sở của định lý Nyquist – Shannon: “tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế tại wc hoàn toàn được xác định bằng một dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn T = Tlm ≤ (1/2fc) với fc = wc/2π”. Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video là cấu trúc trực giao, cấu trúc “quincunx” mành và “quincunx” dòng. 3.2.2.2. Lượng tử hóa Bước tiếp theo trong quá trình biến đổi A/D là lượng tử hóa. Trong quá trình này biên độ tín hiệu được chia thành các mức – gọi là mức lượng tử. Khoảng cách giứa hai mức kề nhau gọi là bước lượng tử. Các mẫu có được từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử. Giá trị lượng tử Q được xác định theo biểu thức: Q = 2N Trong đó: N - Số bit biểu diễn mỗi mẫu. Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu, nguyên nhân do quá trình lượng tử hóa xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu. Hình 3.9 cho thấy, tất cả các giá trị biên độ nằm trong phạm vi giới hạn của một mức lượng tử đều được thiết lập một giá trị như nhau – đó chính là mức lượng tử Q.Có hai phương pháp lượng tử hóa là: Lượng tử hóa tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau và lượng tử hóa phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau. Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio, tất cả các mức lượng tử đều có biên độ bằng nhau và quá trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hóa đồng đều. Đây là quá trình biến đổi từ một chuỗi các mẫu với vô hạn biên độ sang các giá trị nhất định, vì vậy quá trình này gây ra sai số, gọi là sai số lượng tử. Sai số lượng tử là một nguồn nhiễu không thể tránh khỏi trong hệ thống số. Hình 3.9: Quá trình lượng tử hóa và sai số lượng tử Biên độ tín hiệu video biến đổi theo thời gian. Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong phạm vi trong đó, Q là bước lượng tử. 3.2.2.3. Mã hóa Mã hóa là khâu cuối cùng của bộ biến đổi A/D. Mã hóa, theo quan điểm thống kế, là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thống truyền tin. Dữ liệu sau mã hóa có ưu điểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tương đương khả năng thông qua của kênh. Quá trình này biến đổi các mức tín hiệu đã lượng tử hóa thành chuỗi các bit “0”, “1”. Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này, thuật ngữ chuyên môn gọi là từ mã nhị phân được tính bằng số lượng các con số “0” và “1”, là một trong những chỉ tiêu chất lượng của kỹ thuật số hóa tín hiệu. Nó phản ánh số lượng mức sáng, tối, màu sắc của hình ảnh được ghi nhận và biến đổi, về nguyên tắc độ dài của từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lượng, nghĩa là nó được xem như là “độ phân giải” của quá trình số hóa. Tuy nhiên độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định là đủ thỏa mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay, cũng như khả năng phân biệt của mắt người xem. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8bit/mẫu. Các mã được sử dụng trong truyền hình số có thể được phân chia một các quy ước thành 4 nhóm, đó là: + Các mã để mã hóa tín hiệu truyền hình + Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin + Các mã thuận tiên cho việc giải mã và đồng bộ bên thu + Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền hình số. Các quá trình mã hóa tín hiệu truyền hình truyền tin tức theo kênh thông tin, và quá trính giải mã tín hiệu bên thu là độc lập. thậm chí không phối hợp với nhau. Điều đó có nghĩa là các mã thích nghi cho việc biểu diễn số của tín hiệu truyền hình có thể không thích hợp cho việc truyền theo kênh thông tin, còn các mã thích hợp cho việc mã hóa tín hiệu truyền hình và truyền chống nhiễu theo kênh thông tin có thể được giải mã theo phương pháp rất phức tạp. Vì vậy trong truyền hình số thưỡng dẫn tới giải quyết vấn đề biểu diễn mã. 3.2.3. Đánh giá về mặt mã hóa tín hiệu giữa truyền hình số và truyền hình tương tự. Phương pháp mã hóa tín hiệu: Truyền hình tương tự : quá trình mã hóa là quá trình lấy thông tin về tín hiệu hiệu màu của hình ảnh rồi truyền tín hiệu hiệu màu đó đi bằng đường dây hữu tuyến rồi phía thu thu tín hiệu hiệu màu đó và khôi phục hình ảnh. Thực chất tín hiệu hiệu màu ở đây truyền đi là sự chênh lêch điện áp giữa các màu trong một điểm ảnh. Truyền hình số: quá trình mã hóa gồm 4 khâu đó là lọc, lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa. Tín hiệu hay các điểm ảnh được lấy mẫu rời rạc tín hiệu theo quy định Nyquist rồi sau đó sẽ làm tròn các mẫu rời rạc đó và khâu cuối cùng là mã hóa tín hiệu để truyền đi. Vì vậy mà đi kèm với tín hiệu số thì truyền hình số có thêm các phương pháp khác để điều chế tín hiệu như QAM, QPSK, ASK… Độ trễ tín hiệu và méo Truyền hình tương tự: Do quá trình mã hóa tín hiệu chỉ có 1 khâu nên độ trễ truyền của truyền hình tương tự là nhỏ hơn so với truyền hình số song việc đảm bảo tín hiệu không bị méo thì ít hơn vì nó không có khả năng chống nhiễu tác động vào. Truyền hình số: Độ trễ lớn hơn so với truyền hình tương tự do quá trình mã hóa gồm 4 khâu là lọc, lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa do vậy mà trể truyền của nó lớn hơn so với truyền hình tương tự. Tuy nhiên về khả năng chống nhiễu thì truyền hình số có khả năng chống nhiễu tốt hơn hơn nhưng lại sử dụng các phương pháp điều chế sô khác nhau làm tăng khả năng chống nhiễu cũng như khả năng bảo mật tín hiệu. 3.3. Đánh giá kỹ thuật ghi đọc tín hiệu truyền hình tương tự và truyền hình số. 3.3.1. Ghi tín hiệu hình trên băng từ: Trong máy ghi âm, đầu từ gắn cố định và băng được kéo chạy qua áp sát vào đầu từ với tốc độ ổn định cho trước. Với dải tần số âm thanh (từ 20Hz ÷ 20KHz) và với công nghệ chế tạo đầu từ hiện nay cho phép ghi và đọc tín hiệu âm thanh trên toàn bộ dải tần với chất lượng cao. Do tín hiệu hình (video) có dải tần công tác rất rộng từ 0Hz ÷ 6MHz. Việc ghi, đọc tín hiệu trên toàn bộ dải tần và đặc biệt tại tần số cực tiểu fmin và cực đại fmax trở nên phức tạp và đòi hỏi phải có phương pháp xử lý thích hợp. 3.3.1.1.Ghi tín hiệu ở tần số cực đại (fmax) Từ công thức , với tần số cực đại fmax ta có λ cực tiểu .Như đã xét ở phần trước, để tránh suất điện động cảm ứng E = 0; λmin phải lớn hơn d trong đó d là khe hở của đầu từ: Từ đó suy ra: V>fmax.d Nếu fmax = 6 MHz và giả thiết khe từ d=2µm ta có: V> 6.106.2.10-6 = 12m/s Với V = 12m/s thiết bị phải có hệ thống cơ khí rất ổn định. Hơn nữa, với tốc độ trên, đòi hỏi một lượng băng quá lớn. Ví dụ với cuộn băng dài 1000m, nếu máy ghi có v = 0,2m/s thời lượng có thể ghi được trên băng bằng: t = 1000 : 0,2 = 5000(s) » 1h30’ Trong khi đó với máy ghi có V = 12m/s thì t = 1000 : 12 = 83 giây » 2 phút Ghi tín hiệu video ở tần số cực tiểu (fmin) Giả thiết ta phải ghi tín hiệu có tần số tối thiểu fmin là 50Hz Trong đó V là tốc độ kéo băng và giả thiết V = 12m/s như tính toán ở phần trên: Để đạy được suất điện động cảm ứng cực đại, độ rộng d của khe từ phải có giá trị bằng: Như vậy nếu đầu từ có khe từ d = 0,12m để thỏa mãn yêu cầu ghi, đọc tín hiệu ở tần số fmin = 50Hz lại không thỏa mãn được yêu cầu ghi, đọc tín hiệu ở vùng tần số cao. Tóm lại do dải tần tín hiệu video quá rộng (0÷6MHz), không thể thỏa mãn cùng một lúc việc ghi, đọc tín hiệu trên cả hai vùng tần số cao và vùng tần số thấp, đặc biệt là ở tần số cực đại fmax và cực tiểu fmin, do vậy đòi hỏi phải có các phương pháp xử lý khi tín hiệu video lên băng từ. Phương pháp ghi vuông góc Hình 3.10: Ghi vuông góc Đặc điểm của phương pháp ghi vuông góc là: 4 đầu từ video 1,2,3 và 4 được gắn cách nhau 900 trên một đĩa tròn vuông góc với mặt băng từ. Đĩa tròn được gắn cố định trên trục của môtơ. Khi môtơ quay, các đầu từ sẽ quét trên băng từ, theo hướng từ mép trên xuống mép dưới và vạch ra các đường từ nghiêng gần 900 so với hướng chuyển động của băng. Vì vậy phương pháp này được gọi là phương pháp ghi vuông góc. Nó được sử dụng trong các thiết bị ghi hình chuyên dụng như loại KA DR3, KA DR5, Ampex. Hệ máy ghi hình sử dụng phương pháp ghi vuông góc có những ưu nhược điểm chính sau: Ưu điểm: Độ ổn định tốc độ của băng từ khi dịch chuyển ảnh hưởng không đáng kể tới tốc độ tương đối giữa đầu từ - băng từ. Vì vậy, sai lệch gốc thời gian của tín hiệu video nhỏ. Rãnh từ video trên băng ngắn, dễ dàng điều khiển đầu từ đi đúng rãnh từ video khi phát. Tốc độ tương đối giữa đầu từ - băng từ lớn bảo đảm ghi phát tín hiệu video có dải tần rộng đến 6,5MHz. Do đó nâng cao được chất lượng tín hiệu hình ảnh. Nhược điểm: Mỗi đầu từ chỉ ghi hoặc phát một đoạn tín hiệu nên khi phát cần phải ghép nối tín hiệu liên tục từ 4 đầu từ mới cho ta một tín hiệu hoàn chỉnh. Vì thế chỉ cần một trong bốn đầu từ không đảm bảo chất lượng, hình ảnh sẽ không trung thực. Do tốc độ tương đối giữa đầu từ và băng từ quá lớn nên đầu từ video chóng mòn, thời gian sử dụng chỉ khoảng 180÷250 giờ. Bộ phần cơ khí (đĩa đầu từ, hộp nén băng, đường dẫn băng) nói chung phức tạp, đòi hỏi chế tạo và hiệu chỉnh chính xác hơn các loại máy ghi hình khác. Kích thước lớn, khối lượng nặng, vì thế chỉ được sử dụng trong các trung tâm và các trường quay (studio) truyền hình. Phương pháp ghi xiên Hình 3.11: Ghi xiên Hai đầu từ video gắn đối diện nhau trên đĩa tròn, băng từ bao quanh đĩa một góc lớn hơn 1800. Mặt phẳng đĩa đầu từ tạo với mép băng từ một góc α tương đối nhỏ. Ngày nay phương pháp ghi xiên được áp dụng rộng rãi trong tất cả các hệ máy ghi hình chuyên dụng và dân dụng. Phương pháp ghi xiên có những ưu, nhược điểm sau: Ưu điểm: Tuổi thọ của đầu từ so với loại ghi vuông góc khá cao (100 giờ). Mỗi đầu từ video ghi trong một mành của tín hiệu video nên có thể thực hiện các chức năng phát chậm, dừng ảnh… Kết cấu máy gọn nhẹ hơn, có thể sử dụng thuận tiện tại trung tâm truyền hình cũng như để thực hiện chương trình lưu động ngoài trời. Thiết kế hệ cơ khí đơn giản hơn phương pháp ghi vuông góc. Nhược điểm: Do góc α khá nhỉ nên sự ổn định tốc độ kéo băng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ tương đối giữa đầu từ - băng từ. Rãnh từ video trên băng hài, gây nhiều khó khăn cho việc điều khiển đầu từ trượt trên rãnh từ khi phát. Đĩa đầu từ quay với tốc độ 1800 vg/ph (NTSC) và 1500 vg/ph(PAL/SECAM) và tốc độ tương đối giữa đầu từ - băng từ là 5,8m/s (với loại VHS), chỉ cho phép ghi tín hiệu video có dải tần rộng từ 3÷5MHz. Vì thế, so với loại ghi vuông góc, chất lượng tín hiệu hình ảnh kém hơn. Ghi và lữu trữ audio Ghi và lưu trữ audio analog Hình 3.12: Quá trình lưu trữ và phát tín hiệu audio Âm thanh sau khi phát ra từ nguồn được đưa đến micophone (một chiếc microphone bao gồm các màng nhỏ tự do để rung động, theo cơ chế chuyển dao động của màng thành tín hiệu điện) do đó sóng âm thanh được chuyển thành sóng điện qua microphone. Thông thường, áp lực cao hơn tương ứng với điện thế cao hơn. Một máy ghi băng chuyển dạng sóng lần nữa – từ tín hiệu điện trong dây dẫn thành tín hiệu từ trong cuộn băng. Khi chúng ta phát băng, tiến trình sẽ đảo ngược lại, với tín hiệu từ được chuyển thành tín hiệu điện, và tín hiệu điện được làm cho loa rung động. Ghi và lưu trữ audio số Việc ghi âm vào băng là một ví dụ của kiểu ghi analog. Thiết bị chính sử dụng trong ghi âm số là bộ chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC – Analog Digital Conversion). Bộ ADC thu nhận những tín hiệu của điện thế trên đường audio và tái hiện lại bằng các số có thể được gởi cho máy tính. Bằng cách thu nhận điện thế hàng nghìn lần trên giây, chúng ta có thể lấy được xấp xỉ rất tốt của tín hiệu âm thanh ban đầu. Có 2 nhân tố xác định chất lượng của việc ghi số: Tỷ lệ mẫu: Tỷ lệ mẫu được thu nhận hoặc được phát lại, đo bằng Hz, hoặc mẫu trên giây. Ví dụ một audio CD có tỷ lệ mẫu là 44.100 Hz, thường được ghi ngắn gọn là 44 KHz. Đó cũng là tỷ lệ mẫu mặc định thường được sử dụng, vì audio CD rất thịnh hành. Định dạng mẫu hoặc lượng tử mẫu: Về bản chất đó là số con số tương tự tái hiện số của mỗi mẫu. Nghĩ về tỷ lệ mẫu như sự chính xác theo chiều dọc của dạng sóng số và định dạng mẫu như sự chính xác theo chiều ngang. Một đĩa audio có độ chính xác là 16bits. Lượng tử mẫu càng cao cho phép việc phục hồi âm thanh càng chính xác. Tỷ lệ mẫu có thể ít nhất gấp hai lần số lớn nhất của tín hiệu mà chúng ta muốn số hoa (định lý lấy mẫu). Con người không thể nge thấy tần số khoảng 20.000 Hz, do đó 44.100 Hz đã được chọn như tỷ lệ cho các audio CD để bao gồm tất cả các tần số tiếng nói của con người. Tỷ lệ mẫu 96 và 192 KHz đang bắt đầu trở nên phổ biến hơn, thường là trong các DVD – audio, nhưng nhiều người, một cách thành thực, không thể nghe thấy sự khác biệt. Kết luận đánh giá về phương pháp ghi tín hiệu Qua trình bày về kỹ thuật ghi tín hiệu truyền hình tương tự và truyền hình số ở trên ta có thể thấy: Trong kiểu ghi số, các mẫu được ghi sao cho chúng có thể sử dụng bằng thiết bị số. Việc ghi âm số có nhiều lợi ích hơn so với ghi âm analog. Các tệp số có thể được sao chép bao nhiêu lần cũng được, mà không giảm chất lượng, và chúng có thể được ghi vào một audio CD hoặc chia sẻ qua mạng viễn thông. Các tệp âm thanh số cũng có thể được chỉnh sửa dễ dàng hơn so với băng từ analog. Trong quá trình ghi đĩa CD, luồng tín hiệu dạng số được đưa vào đầu vào của tia lazer (chuỗi các bít 1 và 0, ví dụ như là 100110111010 ….), gặp bít 0 thì tia lazer bắn 1 lỗ vào bề mặt của đĩa, còn bít 1 thì không bắn. Khi đọc đĩa CD thì quá trình ngược lại, mắt thần (len) của đầu đọc đĩa sẽ phát ra tia lazer chiều vào mặt đĩa CD. Khi gặp lỗ trên mặt CD, tia lazer không bị phản xạ lại, đầu đọc hiểu đó là bít 0. Chỗ nào còn nguyên (không bị lỗ), tia lazer bị phản xạ ngược lại, mắt thần nhận được tia phản xạ đó, đầu đọc đĩa hiểu đó là bít 1. Rõ ràng, với hệ thống tương tự, các máy móc phải được thiết kế để phân biệt rất nhiều mức tín hiệu. Trong khi đó, với hệ thống số, máy móc chỉ cần phân biệt 2 mức. Với 2 mức là rất dễ chế tạo. So sánh đánh giá về cấu tạo, tín hiệu phát và các phép đo máyphát. Để đánh giá hai hệ thống này chúng ta có thể đánh giá trên rất nhiều khía cạnh khác nhau như: máy phát, phương pháp điều chế, kỹ thuật…. Từ hệ thống máy phát này có thể cho ta thấy sự khác biệt cơ bản giữa truyền hình số và truyền hình tương tự cũng như giải thích được vì sao mà truyền hình số đang dần thay thế truyền hình tương tự. Về cơ bản, sơ đồ khối máy phát hình số và tương tự giống nhau. Chỉ khác nhau ở bộ điều chế tương tự hay số. Tuy nhiên các khuếch đại khi sử dụng để phát số (với số lượng nhiều chương trình) cần tuyến tính cao hơn khi phát tương tự. Hình 3.13: Cấu tạo máy phát hình Khác nhau ở tín hiệu vào: công nghệ phát tương tự tín hiệu vào là video tổng hợp và tín hiệu âm thanh tương tự. Dải thông của video cao nhất là 6MHz, dải thông của âm thanh cao nhất là 20 KHz. Công nghệ phát số tín hiệu vào là tín hiệu số, cụ thể là dòng truyền tải MPEG- 2. Dải thông của tín hiệu số (hay chính xác hơn là vận tốc của dòng truyền tài từ 4,9Mbits/s đến 31bit/s). Phổ cao tần ra của phát tương tự chỉ tập chung tại vùng tần số của sóng mang video, sóng mang âm thanh và sóng mang màu. Tần số mang video cách tần số mang âm thanh là 6,5MHz. Phổ cao tân ra của máy phát hình số sẽ dày đặc trong dải thông 7,61MHz, tận dụng hết vùng phổ. Vì vậy, về đó công suất của máy phát hình tương tự thường là đo công suất đỉnh xung đồng bộ, đối với máy phát hình số đo công suất trung bình. Về xuất hiện điện áp đỉnh trong máy phát tương tự không xảy ra, nhưng trong máy phát số thường xuyên xảy ra. Các phép đo máy phát cũng có nhiều thông số hoàn toàn khác nhau. Hện thống thiết bị đo chất lượng hai máy sử dụng hai công nghệ khác nhau là khác nhau hoàn toàn. 3.5. Kết luận chương Chương 3 đã đi so sánh đánh giá một số kỹ thuật trong truyền hình số và truyền hình tương tự như: kỹ thuật điều chế, kỹ thuật mã hóa, kỹ thuật ghi đọc tín hiệu và so sánh đánh giá giữa máy phát truyền hình số và truyền hình tương tự. Qua đó cho ta thấy truyền hình số có nhiều ưu điểm hơn so với truyền hình tương tự. Từ đó chứng minh hệ thống truyền hình số sẽ dần thay thế truyền hình tương tự trong tương lai. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN Đồ án “Đánh giá một số kỹ thuật trong truyền hình tương tự và truyền hình số” đã đi so sánh, đánh giá kỹ thuật của truyền hình số và truyền hình tương tự. Thấy được hệ thống truyền hình số có những điểm nổi bật hơn so với truyền hình tương tự như: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng tín hiệu không giảm, ít bị can nhiễu, hiệu suất lớn, tốc độ bit cao…Vì vậy, trong tương lai kỹ thuật truyền hình số sẽ dần thay thế hoàn toàn kỹ thuật truyền hình tương tự. Từ những nắm bắt về kỹ thuật trên, có thể phát triển đồ án đi sâu nghiên cứu về số hóa truyền hình cho mạng 4G tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Hoàng Tiến, Giáo trình kỹ thuật truyền hình, NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật. Nguyễn Xuân Trường,Luận án xử lý tín hiệu áp dụng trong phát thanh số, xuất bản năm 2008. Nguyễn Kim Sách, Truyền hình số và Multimedia, xuất bản năm 2008. Cù Văn Thanh, Bài giảng máy phát hình, Trường cao đẳng phát thanh và truyền hình 1, xuất bản năm 2009. Nguyễn Văn Tuấn, Kỹ thuật truyền hình, Trường đại học bách khoa Đà Nẵng, xuất bản năm 2008.