64
Chương 6
TRUYỀN HÌNH SỐ
6.1 Khái niệm chung về truyền hình số
Các hệ thống truyền hình phổ biến hiện nay như: NTSC, PAL, SECAM là các
hệ thống truyền hình tương tự. Tín hiệu Video là hàm liên tục theo thời gian. Tín
hiệu truyền hình tương tự (từ khâu tạo dựng, truyền dẫn, phát sóng đến khâu thu tín
hiệu đều chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố (nhiễu và can nhiễu từ nội bộ hệ thống và
từ bên ngoài) làm giảm chất lượng hình ảnh.
6.1.1 Đặc điểm của truyền hình số
Để khắc phục những hiện tượng này người ta mã hóa tín hiệu hình ở dạng số
để xử lý. Truyền hình số có những ưu điểm sau:
+ 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 khâu xử lý đều gây méo).
+ Thuận lợi cho quá trình ghi đọc: có thể ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng
không bị giảm.
+ Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra và điều khiển nhờ máy tính.
+ Có khả năng lưu tín hiệu số trong các bộ nhớ có cấu trúc đơn giản và sau đó
đọc nó với tốc độ 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 thực hiện việc chuyển đổi hệ truyền
hình, đồng bộ từ nhiều nguồn khác nhau, dể 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
thuờng xảy ra trong hệ thống truyền hình tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu
theo nhiều đường.Việc tránh nhiễu đồng kênh trong hệ thống thông tin số cũng làm
giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá.
+ Tiết kiệm được phổ tần nhờ sử dụng các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ nén có
thể lên đến 40 lần mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất
lượng. Từ đó có thể 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.
65
+ 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).
6.1.2 Hiện trạng về truyền hình số
Số hóa toàn bộ hệ thống truyền hình 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 hóa hệ thống truyền hình hiện nay (NTSC, PAL, SECAM) chủ yếu là ở khâu phân
tích ảnh cho đến đầu vào của máy phát hình (thiết bị Studio) một phần công đoạn
trong máy phát hình (điều chế, xử lý tín hiệu) một phần lớn công đoạn trong máy thu
hình. Trong thực tế số hóa hoàn toàn cả hệ thống truyền hình là một điều hết sức khó
khăn mà chỉ thực hiện số hóa một số khâu quan trọng mà thôi vì truyền hình tương tự
còn rất phổ biến, đồìng thời phương tiện kỹ thuật, trang thiết bị còn rất mới mẽ và đắt
tiền.
+ Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số
6.2 Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình
6.2.1 Biến đổi tín hiệu Video
Biến đổi tín hiệu Video tương tự thành Video số là biến đổi thuận, còn biến
đổi tín hiệu Video số thành tương tự là biến đổi ngược. Trong hệ thống truyền hình
số có rất nhiều bộ biến đổi thuận và ngược.
Khi biến đổi tín hiệu Video màu tương tự thành tín hiệu Video màu số ta có
thể dùng 2 phương pháp sau:
Phương pháp 1:
Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM ra tín hiệu số
Phương pháp 2:
Biến đổi riêng từng tín hiệu thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu số R-Y và B-
Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản R, G, B) ra tín hiệu số và tryuền đồng thời theo thời
gian hoặc ghép kênh theo thời gian.
Phương pháp 2 Biến đổi riêng các tín hiệu thành phần (của tín hiệu màu)
thành tín hiệu sô sẽ làm tốc độ bit tăng cao hơn so với việc biến đổi tín hiệu màu
Video tổng hợp. Cách này có ưu điểm là không phụ thuộc các hệ thống truyền hình
tương tự, thuận tiện cho việc trao đổi các chương trình truyền hình. Cũng có thể giảm
tốc độ bit nếu sử dụng mã thích hợp. Do mã riêng các thành phần tín hiệu màu, nên
có thể khử được nhiễu qua lại (nhiễu của tín hiệu lấy mẫu với các hài của tải tần
màu).
Mã hóa tín
hiệu hình
Mã hóa
kênh
Biến đổi
tín hiệu
Kênh
truyền hình
Biến đổi
tín hiệu
Giải mã
kênh
Giải mã tín
hiệu hình
T.hiệu
hình
t.tự vào
T.hiệu
Video
t.tự ra
Hình 6.1 Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số
66
Vì những nguyên nhân trên cho nên cách biến đổi số các tín hiệu thành phần
(của tín hiệu Video màu tổng hợp) ưu việt hơn cách biến đổi trực tiếp tín hiệu Video
màu tổng hợp. Do đó, tổ chức truyền thanh truyền hình quốc tế khuyến cáo nên dùng
loại này cho trung tâm truyền hình (studio), truyền dẫn, phát sóng và ghi hình.
6.2.2 Chọn tần số lấy mẫu
Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là
lấy mẫu (có nghĩa là rời rạc tín hiệu tương tự theo thời gian). Do đó tần số lấy mẫu
là một trong những thông số cơ bản của hệ thống kỹ thuật số. Có nhiều yếu tố quyết
định việc lựa chọn tần số lấy mẫu. Tần số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình
ảnh nhận được có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền đi với tốc độ bit nhỏ nhất, độ
rộng băng tần nhỏ nhất và mạch đơn giản.
a. Lấy mẫu tín hiệu Video : Để cho việc lấy mẫu không gây méo, ta phải
chọn tần số lấy mẫu thoả mãn công thức Kachenhicop sa 2max (max = 5,5MHz đối
với hệ PAL) nghĩa là sa 11MHz.
Trường hợp sa < 2max sẽ xảy ra hiện thượng chồng phổ làm xuất hiện các
thành phần phụ (alias components) và xuất hiện méo, ví dụ như hiệu ứng lưới trên
màn hình (do các tín hiệu vô ích nằm trong băng tần video), méo sườn xung tín hiệu,
làm nhoè biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), các điểm sáng tối nhấp nháy trên màn
hình.
Trị số sa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói (trắng đen), tín
hiệu màu cơ bản (R, G, B). các tín hiệu số màu, tín hiệu Video màu tổng hợp. Cuối
cùng việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu.
Trong trường hợp lấïy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp phải chú ý đến tần số
sóng mang phụ sc, khi chọn sa có thể xuất hiện các trường hợp sau đây:
+ sa gấp nhiều lần sc, ví dụ sa = 3sc hoặc 4sc (hệ PAL, NTSC chỉ dùng một
tần số sc). Hệ SECAM dùng hai sóng mang phụ màu nên không dùng được một tần
số sa cho các tín hiệu hiệu số màu.
+sa không có quan hệ trực tiếp với sc. Trong trường hợp này ngoài các thành
phần tín hiệu có ích sẽ xuất hiện các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa sa và
sc hoặc hài của sc trong phổ tín hiệu lấy mẫu. Đặc biệt thành phần tín hiệu (sa -
2sc) sẽ gây méo tín hiệu Video (tương tự) được khôi phục lại gọi là méo điều chế
chéo (Intermodulation). Méo này sẽ không xuất hiện trong trường hợp lấy mẫu và mã
hóa riêng tín hiệu chói và các tín hiệu số màu. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu
Video màu tổng hợp cho hệ NTSC, PAL thường thì người ta chọn bằng hài bậc 3 tần
số tải màu sc : sa =3sc.
saPAL = 13,3 MHz > 2maxPAL = 2x5=10MHz hoặc 2x5,5=11MHz.
saNTSC = 10,7 MHz > 2maxNTSC = 2x4,2=8,4MHz.
Nếu chọn sa= 4sc thì cho chất lượng khôi phục rất tốt. Tuy nhiên, nó sẽ làm
tăng tốc độ bit tín hiệu số
+ Nếu tín hiệu truyền đi từng thành phần chất lượng hình ảnh thu được đảm
bảo tốt hơn do ảnh hưởng của sóng mang phụ khi lấy mẫu không có.
+ Tần số lấy mẫu của tín hiệu chói saY 2maxY và bằng bội số của tần số
dòng.
+ Tần số lấy mẫu các tín hiệu màu sa(R-Y)(B-Y) 2max (R-Y)(B-Y) và bằng bội số
của tần số dòng.
Kết hợp điều này với thực tế người ta chọn:
67
saY= 13,5 MHz
sa(R-Y)(B-Y)= sc= 6,75MHz cho cả 2 tiêu chuẩn: 625 50 và 525 60.
Tuy nhiên, sự lựa chọn sa theo định lý Kachenhicop thì chưa đủ mà phải thỏa
thêm các điều kiện sau:
- Tần số sa phải đồng bộ với tần số quét dòng fH.
- Tần số sa phải đồng bộ với tần số quét mành V.
- Tần số sa phải đồng bộ với tần số ảnh fP, fP= 2V.
6.2.3 Lượng tử hóa tín hiệu Video
Qúa trình lượng tử hóa tín hiệu rời rạc (sau khi lấy mẫu) bao gồm việc chia
biên độ thành nhiều mức (nhiều khoảng) và sắp xếp mỗi trị của mẫu bằng một mức.
Các khoảng chia (khoảng lượng tử) có thể đều nhau và cũng có thể không đều
nhau và ta gọi là lượng tử tuyến tính và lượng tử phi tuyến. Trong quá trình lượng tử
hóa biên độ của các mẫu nằm trong cùng một khoảng lượng tử (Q) sẽ có biên độ
bằng nhau, biên độ này có thể là nằm bậc trên hay nằm bậc dưới của mức lượng tử.
Mỗi bậc tương ứng với một mã số nhất định.
Nếu ta làm tròn với bậc trên của thang lượng tử thì gọi là lượng tử hóa trên
bậc. Nếu làm tròn với bậc dưới thì gọi là lượng tử hóa dưới bậc. Hai phương pháp
này gọi chung là lượng tử hóa có thang nửa bậc.
Nếu làm tròn với mức ở giữa khoảng lượng tử thì gọi là lượng tử hóa có
thang nửa bậc. Loại có thang nửa bậc cho độ chính xác cao hơn (sai số lượng tử nhỏ
hơn) so với lượng tử hóa không có thang nửa bậc. Tuy nhiên nó có nhược điểm là
nhiễu kênh trống.
6.2.4 Mã hóa tín hiệu Video
Mã hóa tín hiệu Video là biến đổi tín hiệu đã lượng tử hóa thành tín hiệu số
bằng cách sắp xếp số nhị phân cho các mức lượng tử hóa và ánh xạ của các mức này
thành tín hiệu có 2 mức logic “0” và “1”.
Theo lý thuyết và thực nghiệm ta có thể dùng mã 8 bit (tức 28 =256 mức
lượng tử) để mã hóa tín hiệu Video. Nếu số bit tăng độ chính xác của bộ chuyển đổi
tăng nhưng tốc độ bit tăng đòi hỏi kênh truyền rộng đồng thời đáp ứng của bộ chuyển
đổi thấp.
Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được chia thành 4 nhóm như sau:
+ Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình
+ Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin
+ Các mã thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ ở bên thu
+ Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống
truyền hình số
Mã sơ cấp để tạo tín hiệu số ở trung tâm truyền hình, có dạng tín hiệu nhị
phân liên tục, các bit 0 và 1 có thể được biểu diễn bằng các phương pháp khác nhau,
được phân biệt bằng thời gian tồn tại, cực tính, mức pha… chẳng hạn NRZ, RZ,
Biphase (hai pha)…
Mã sơ cấp là mã cơ sở để hình thành mã bảo vệ. Mã bảo vệ dùng để tăng
cường khả năng chịu đựng nhiễu cho tín hiệu truyền trong kênh thông tin.
Tùy theo cách sắp xếp số nhị phân mà ta có các loại PCM (Pulse Code
Modulation:Điều chế xung mã) tuyến tính hay DPCM (Diffirent PCM: PCM vi sai).
PCM tuyến tính truyền số mức lượng tử (mã nhị phân) còn DPCM truyền tín hiệu số
bằng liên hợp các gía trị lượng tử của một vài mẫu.
68
Phương pháp điều chế PCM tuyến tính 8 bit cho kết quả hình ảnh thu được rất
tốt. Các hiện tương méo lượng tử giảm đáng kể. Do vậy đối với các hình ảnh yêu cầu
chất lượng cao người ta thường dùng loại này (Studio) nhưng nó có nhược điểm là
tốc độ bit lớn, kênh truyền phải có băng tần rộng.
Tần số lấy mẫu của của tín hiệu Video màu tổng hợp là 13,5MHz. Với mã hóa
riêng từng thành phần tín hiệu chói có tần số lấy mẫu là 13,5MHz và các tín hiệu
màu có tần số lấy mẫu là 6,75MHz
Gọi C là tốc độ bit đơn vị là b s.
Ta có C = sa.m
Vậy CVID tổnghợp = 13,5.8 = 108 Mb s
CTPC = 13,5.8 = 108 Mb s (TPC: thành phần các tín hiệu chói)
CTPM = 6,75.8= 54 Mb s (TPM: thành phần các tín hiệu màu)
C= (108 + 2.54) = 216Mb s
Độ rộng băng tần của kênh truyền phải là: W 3C 4
WVID tổng hợp 108.3 4= 81MHz
Wcác thtp 216.3/4 = 162 MHz (thtp: tín hiệu thành phần)
Ta thấy băng tần của kênh truyền rất lớn so với kênh truyền của tín hiệu tương
tự (6,5MHz). Muốn truyền đi xa đối với tín hiệu truyền hình số người ta phải giảm
tốc độ bit.
6.3 Giảm tốc độ bit trong truyền hình
Nếu sử dụng dụng PCM tuyến tính để biến đổi số tín hiệu Video tương tự thì
tốc độ bit sẽ tăng rất cao và do đó thiết bị Video số cũng như thiết bị truyền dẫn số
cần phải có dải thông rất lớn so với trương hợp tín hiệu Video tương tự.
Trong truyền hình số người ta thường lấy tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu chói và
tần số lấy mẫu tín hiệu các tín hiệu số màu để đánh giá chất lượng hình ảnh.
sY : sc:R-Y : sc:B-Y
4 : 4 : 4 chất lượng cao nhất
4 : 2 : 2 chất lượng cao
4 : 1 : 1 chất lương trung bình
2 : 1 : 1 (dùng cho thoại truyền hình )
Việc giảm tốc độ bit dựa vào các yếu tố sau:
+ Nguồn tín hiệu Video được xem như nguồn có nhớ. Các thông tin được
truyền trên 2 dòng kề nhau chỉ khác nhau rất ít và được xem là giống nhau. Nó cũng
đúng cho cả hai mành (nửa ảnh) và 2 ảnh kề nhau. Hay nói cách khác : Một số thông
tin nhất định trong tín hiệu Video có thể được khôi phục lại ở đầu thu mà không cần
truyền đi nó.
+ Dựa vào những đặc điểm sinh lý của mắt người : độ nhạy của mắt, các đặc
điểm về phổ của mắt, khả năng phân biệt của mắt, độ lưu ảnh của võng mạc nên
không cần truyền đi toàn bộ thông tin chứa trong các dòng và các mành hoặc các ảnh
liên tục, các tín hiệu không truyền đi đó gọi là tín hiệu dư thừa (Redundanced Video
Signal)
+ Để giảm tốc độ bit truyền hình số còn thực hiện chọn mã thích hợp có thể
thực hiện theo các nhóm sau:
+ DPCM: PCM phi tuyến, PCM có dự báo, PCM vi sai.
+ Mã chuyển vị (chuyển đổi).
+ Mã nội suy và ngoại suy.