Đồ án Số hóatín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số

cao. Quá trình biến đổi DTC không giảm tốc độ dòng số liệu và tính chất đảo ngược (Inverse DTC) tái tạo lại chính xác giá trị điểm ảnh ban đầu nếu các hệ số DCT giữ nguyên. 4.5.4. Lượng tử hóa khối DCT Quá trình lượng tử hóa khối DCT đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống nến video vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc tái tạo lại hình ảnh. Bảng trọng số Bảng Huffman VLC RLC Quét zig-zag Lượng tử hóa DTC Định dạng khối và cấu trúc khối Bộ đệm Lựa chọn tốc độ dòng bit ra Dòng tín hiệu nén Hệ số cân bằng Mã DPCM hệ số DC Điều khiển đệm Xác định khối Phân lớp năng lượng khối Hình 4.5. Nén trong ảnh Bộ lượng tử hóa chia mỗi hệ số DCT cho một số lớn hơn 1 để tạo ra các số có giá trị 0 hoặc gần bằng 0 có thể làm tròn hoặc bỏ qua trong quá trình tiếp theo. Các hệ số có năng lượng thấp đặc trưng cho sự biến đổi ít giữa các điểm ảnh có thể loại bỏ mà không ảnh hưởng đến sự cảm thụ chất lượng ảnh của mắt người. Thành phần DC và tần số thấp là các thông số có ý nghĩa nhất của khối điểm ảnh ban đầu. Hệ số DC được lượng tử với độ chính xác 12 bit để tránh các nhiễu xuất hiện giữa các khối điểm ảnh. Trong khi hệ số tương ứng với thành phần tần số cao được lượng tử với độ chính xác 2 bit (do khả năng cảm nhận ở tần số cao của mắt người giảm). Hệ số băng lượng tử hóa thuận được xác định theo biểu thức: Fq (u, v) = (F(u,v)/ Q(u,v)) = giá trị nguyên gần nhất (F(u,v) + Q(u,v)/2/Q(u,v)) ảnh càng chi tiết thì hệ số thành phần tần số cao càng lớn, có thể tràn bộ nhớ đệm nếu hệ số trong bảng lượng tử quá thấp. Với cấu trúc gồm 4 khối điểm chói, các chi tiết ảnh có thể được tập trung năng lượng cao vào 1 trong 4 khối. Tạo ra lượng tử hóa thô cũng như xuất hiện lỗi lượng tử lớn. Để tránh hiện tượng này, năng lượnt trong khối được đánh giá bằng cách xem xét hệ số AC có ý nghĩa nhất trong tất cả các khối. 4.5.5. Mã hóa entropy Giá trị lượng tử hóa có thể chỉ biểu diễn nhờ các từ mã có độ dài cố định, tức là các giá trị lượng tử hóa biểu diễn bằng cùng một số bit tuy nhiên hiệu quả không cao. Để hiệu quả hơn người ta dùng mã hóa entropy, dùng đặc tính thống kê của tín hiệu được mã hóa. Từ mã ít xảy ra sẽ nhiều thông tin hơn từ mã hay xảy ra. Mã hóa entropy làm tăng độ phức tạp, yêu cầu bộ nhớ lơn hơn so với mã có độ dài cố định và tốc độ bit thay đổi theo thời gian. Khi phân bố xác xuất càng lệch khỏi phân bố đều thì xuất hiện càng tăng nhờ mã hóa entropy. Các hệ số AC biểu diễn với các từ mã RLC được mã hóa bằng mã Huffman nhờ các bảng tìm kiếm. Nhóm đầu tiên được lấy ra phối hợp với giá trị số động để tạo ra một số nhị phân Huffman biểu diễn hệ số AC tương ứng. 4.5.6. Bộ nhớ đệm Các từ mã VLC tạo ra dòng số liệu với tốc độ biến đổi, phụ thuộc vào độ phức tạp của ảnh được mã hóa. Số liệu này được ghi vào bộ nhớ đệm, các bit số liệu sẽ được đọc ra từ bộ nhớ đệm này với một tốc độ cố định theo bộ mã hóa. Bộ nhớ đệm không được tràn, rỗng. quá trình điều khiển được thực hiện nhờ hệ số cân bằng cho bảng trọng số. Nếu bộ nhớ đệm đầy quá trình lượng tử hóa được thực hiện với mức biểu diễn bit ít hơn nhằm tạo ra tốc độ dòng bit nhỏ lại bằng cách tăng hệ số cân bằng của bộ lượng tử. 4.5.7. Giải mã DCT Quá trình lượng tử hóa ngược Rq(u,v) được tiến hành theo biểu thức: Rq(u,v) = Fq(u,v) Q(u,v) Các hệ số sẽ được biến đổi ngược (IDCT) bằng quá trình f(j,k) để tạo lại khối giá trị các điểm ban đầu theo biểu thức). f*(j,k) = F(u,v)Cos Bảng mã Huffman Bảng lượng tử VLC RLC (Zig-zag)-1 Lượng tử hóa IDCT Tách khối và cấu trúc khối Giải mã DPCM hệ số DC Video nén Y CB CR Hình 4.6. Giải mã DCT Biểu thức biểu diễn quá trình biến đổi DCT và IDCT là tương tự nhau. Hệ thống nén và giả nén có thể dùng chung một thiết bị phần cứng, sai lệch giữa khối ban đầu và các giá trị tạo lại nguyên nhân do các lỗi xuất hiện trong quá trình nén. Lỗi được biểu diễn: e(j,k) = f(i, k) - f*(j, k) 4.6. Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Frame Compression) 4.6.1. Mô hình Với một chuỗi ảnh liên tục, lượng thông tin chứa trong mỗi ảnh rất ít từ ảnh này sang ảnh khác. Tính toán dự định chuyển vị trí của nội dung ảnh được áp dụng trong kỹ thuật nén ảnh. Bù chuyển động Nén trong ảnh ảnh nén Nguồn ảnh Hình 4.7. Mô hình nén ảnh 4.6.2. Kỹ thuật dự đoán bù chuyển động Thay đổi về cường độ ánh sáng từ frame này đến frame kế tiếp là do chuyển động của đối tượng. Trong mã bù chuyển động frame hiện hành được dự báo từ frame trước bằng cách xấp xỉ chuyển động giữa hai frame và bù chuyển động đó. Sự khác nhau giữa frame hiện hành và dự báo của frame đó gọi là phần dư thừa của bù chuyển động sẽ được mã hóa phần năng lượng dư thừa thấp hơn nhiều so với năng lượnt trong tín hiệu gốc do loại bỏ những thành phần dư thừa tạm thời. Mã hóa phần dư thừa thay vì mã hóa video giúp đảm bảo thông tin dư thừa tạm thời không phải mã hóa lặp lại. Xác định phần ảnh chuyển động là (xấp xỉ chuyển động) khôi phục một ảnh bằng cách dùng các phần tử ảnh trước cùng với thông tin về chuyển động là "bù chuyển động". Phương pháp dự đoán để tìm ra các chi tiết ảnh thay thế giữa hai khung hình liền nhau và từ đó tạo ra một vectơ chuyển động ghi rõ vị trí mới của chi tiết ảnh trong khung hình sau. Vectơ chuyển động phối hợp tất cả các khối được nén trong khung hình trước đó mà khối các điểm này được lặp lại một vị trí mới. Phương pháp này được gọi là dự đoán bù chuyển động giữa các khung hình. Dự đoán chuyển động được thực hiện bằng cách sử dụng cấu trúc khối cho các điểm cho các vectơ chuyển động và các mã hóa DCT khác nhau của cấu trúc khối hiện tại và cấu trúc khối tham chiếu được truyền đi. Khối số liệu điểm ảnh được chọn gọi là tham chiếu, trong khung hình hiện tại chuyển động trong phạm vi tìm kiếm ở khung hình trước đó, các giá trị khối DCT tham chiếu được so sánh với các giá trị khối 8x8 điểm trong vùng tìm kiếm để tìm ra khối thích hợp với sự sai khác nhỏ nhất. Thông tin số liệu về vectơ chuyển động được truyền tới bộ giải mã cùng với hệ số DCT sai lệch. Các khối phối hợp trong số các khối của khung hình trước sử dụng như thành phần dự đoán sai số ít thông tin. Vùng tìm kiếm có kích thước 16x16 điểm. Để đơn giản hóa quá trình tính toán, độ phân giải của ảnh được giảm xuống cả theo hai chiều ngang và đứng. Ví dụ một ảnh với độ phân giải đầy đủ là 720 x 240 có thể sử dụng cho vùng dự đoán lớn hơn. Đầu tiên một dự đoán gần đúng được thực hiện trên các ảnh có độ phân giải thấp. Sau đó một phép dự đoán vectơ chuyển động chính xác sẽ thực hiện tính toán vị trí thay thế của đối tượng giữ hai khung hình. 4.6.3. ảnh dự đoán trước Phương pháp mã hóa nhờ ảnh dự đoán trước sử dụng xác xuất các ảnh liên tục trong chuỗi ảnh. Nhờ xác xuất này, phần lớn các ảnh trong chuỗi có thể nhận biết gần giống nhau trên cơ sở thông tin chứa trong ảnh. Phương pháp này rất hiệu quả khi chuỗi ảnh là ảnh tĩnh hoàn toàn, trong trường hợp này chỉ cần truyền ảnh đầu trên là đủ. Khi xuất hiện vật thể chuyển động nào đó phải xác định vật thể này và biểu diễn đặc trưng về sự thay đổi vị trí của nó. S S Ăn trước đó (ảnh so sánh) Tạo ảnh hiện tại để sử dụng cho dự đoán ảnh tiếp theo ảnh khác biệt ảnh dự đoán Xác định vector chuyển động Vector chuyển động ảnh hiện tại + - + + ảnh dự đoán Hình 4.8. Nén liên ảnh (ảnh dự đoán trước) Các chuyển động ngoài vùng tìm kiếm không thể thực hiện dự đoán bù chuyển động từ khung hình trước. Trường hợp này sẽ được mã hóa bằng phương pháp nén trong ảnh. Trong khối xác định vectơ chuyển động. Vectơ chuyển động tính toán sao cho ảnh hiện tại và ảnh dự báo cho ra ảnh khác biệt ở đầu ra. Số liệu về vectơ chuyển động và ảnh khác biệt sẽ được truyền đi. Hạn chế của mô hình này là không biểu diễn phần lớn các chuyển động có thể coi như các chuyển động quay, giảm hoặc tăng lên và các chuyển động phức tạp khác. 4.6.4. ảnh dự đoán hai chiều Dự đoán hai chiều theo thời gian, còn gọi là nội suy bù chuyển động sử dụng thông tin trong một khung hình cho trước và một khung hình hiện tại để dự đoán. ồ ảnh hiện tại ảnh hiện tại Vectơr chuyển động Xác định vector chuyển động ảnh dự đoán ồ ảnh trước ảnh sau + - + + ảnh dự đoán Mô hình này cho khả năng nén số liệu cao hơn. Hiệu ứng nhiễu trong khung hình hiện tại giảm bằng mức nhiễu trung bình của khung hình trước và khung hình sau, có khả năng dự đoán ngoài phạm vi của vùng tìm kiếm nhờ các hình tiếp theo. Hình 4.9 Nén lên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) Sự khác nhau cơ bản giữa hai mạch, mạch tạo ảnh dự đoán trước và mạch tạo ảnh dự đoán hai chiều là nhờ bộ so sánh. Để tạo ảnh dự báo trước chỉ cần nhớ ảnh trước đó. Để tạo ảnh dự đoán hai chiều phải nhớ cả hai ảnh trước và sau anh đang xét. ảnh dự đoán hai chiều là kết quả nội suy giữa hai ảnh để xác định chuẩn của nó, nên sẽ làm hay đổi thứ tự truyền ảnh. Bộ mã hoá ảnh đầu tiên phải truyền cả hai ảnh chuẩn, sau đó mới truyền đến ảnh dự đoán hai chiều. Quá trình sắp xếp lại khi mã hoá và giải mã tạo ra một thời gian trễ phụ thuộc vào khung hình giữa hai khung tham chiếu. Có thể có nhiều hơn một khung hình được dự đoán giữa hai khung hình tham chiếu xuất hiện trước và sau nó. Khi số các khung hình dự đoán tăng lên quan hệ giữa chúng và khung tham chiếu giảm xuống do vậy số bịt để mã hoá khung dự đoán tăng lên. Mã hoá dự đoán giữa các khung hình áp dụng cho các chương trình có ít chuyên động hoặc chuyên động chậm. 4.7 Các tiêu chuẩn nén 4.7.1. Tiêu chuẩn JPEG a. Mục đích của JPEG Tiêu chuẩn của JPEG được định ra cho nén ảnh tĩnh đơn sắc và màu, thực hiện bởi bốn mode mã hoá đó là: a- Mã tuần tự: ảnh được mã hoá bằng kiểu quét từ trái qua phải, lừ trênxuống dưới dựa trên khối DCT. b - Mã hoá luỹ tiến: ảnh được mã hoá bằng kiểu quét phức hợp theo chế độ phân giải không gian cho các ứng dụng trên các kiểu băng hẹp, và do đó thời gian truyền dẫn có thể dài. g - Mã hoá không tổn thất: ảnh được đảm bảo khôi phục chính xác mỗi giá trị mẫu của nguồn. Thông tin không cần thiết sẽ bị cắt bỏ nên hiệu quả nén thấp hơn so với phương pháp có tốn thất. d - Mã hoá phân cấp: ảnh được mã hóa ở chế độ phân giải không gian phức hợp để cho những ảnh có độ phân giải thấp có thể truy xuất và hiển thị mà không cân giải nén nh những ảnh có độ phân giải trong không gian lớn hơn. Thuật toán đơn giản nhất trong các chế độ DTC trên là JPEG Baselire. Đề cập tới JPEG có nghĩa là đề cập tới JPEG Baselire. b. Mã hoá và giải mã JPEG Hình 4.10. Sơ đồ khối mã hóa (a) và giải mã (b) JPEG Quá trình mã hoá và giải mã là hai quá trình ngược nhau. Quá trình mã hoá cho ra dòng sô liệu khi nén và sau đó được đa tới phần giãn (giải nén). ở bộ giải nén, bộ mã hoá entropy biến đổi dòng bịt được nén thành một bảng zig-zag mới có các hệ số DCT. Các hệ sổ này được nhân với các hệ số giải lượng tử hoá và đa đến quá trình biến đổi DCT ngược (Inverse DCT). Đầu ra ta có một khối 8 x 8 pixels có thể không tạo lại một ảnh chính xác tín hiệu gốc vì thông tin bị mất trong quá trình mã hoá (nén có tổn hao). Nếu coi ảnh động là chuỗi các ảnh tĩnh thì tiêu chuẩn JPEG được áp dụng và gọi là M-PEG. c. Phân cấp cấu trúc số liệu video Tiêu chuẩn JPEC bao gồm một phân cấp cấu trúc số liệu video nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc biển đôi các hình ảnh được mã hoá. Các thông số mã hoá, nh dạng làm việc của JPEG, kích thước và tần số ảnh, dộ chi tiết điểm ảnh, độ chính xác của lượng tử, các bảng mã đều được cộng vào với dòng số được truyền đi. Cấu trúc số liệu JPEG gồm 6 cấp khác nhau phụ thuộc vào chế độ làm việc của JPEG: ã Đơn vị số liệu (DU): đơn vị số liệu bao gồm một khối 8 x 8 các mẫu thành phần trong dạng nén mật thông tin. ã Đơn vị mã hoá nhỏ nhất (MCU): là nhóm nhỏ nhất các DU xen kẽ. Trong sử dụng nén DCT theo tiêu chuẩn CCIR - 601, MCU bao gồm hai khối Y, một khối CR và một khối CB. ã Đoạn mã entropy (ECS): gồm một số các MCU. Đoạn mã entropy cho phép giảm kích thước khôi phục từ giới hạn ngắt của số liệu entropy. ã Quét: tiêu chuẩn xác định phương pháp quét cho toàn bộ ảnh. ã Khung hình: có thể được tạo thành từ một hay nhiều quá trình quét. ã Lớp ảnh: ảnh là cấp trên cùng của phân cấp số liệu nén, bao gồm khung và mã hoá cho toàn bộ một bức ảnh. d. Đặc điểm của M-JPEG Nén M-PEC chỉ thực hiện trạng mỗi ảnh nên lý số nén thấp. Nếu nén với tỷ số cao sẽ xuất hiện các ô vuông trên ảnh khôi phục do các đặc trng của hệ số DCT. Nếu mã hoá nhiều lần thì hiệu ứng trên sẽ tăng lên. Tham số theo tiêu chuẩn nén JPEC trong bảng 4.3. Chuẩn nén M-JPEG có ưu điểm khi sử dụng trong công nghệ sản xuất chương trình truyền hình. Vì các ảnh được mã hoá độc lập với nhau nên việc thực hiện dựng chính xác tới từng ảnh là hoàn toàn có thể thực hiện được. Đây chính là điểm mạnh của M-PEG sử dụng trong các thiết bị sản xuất chương trình tiện dụng cho sludio và dựng hậu kỳ, làm kỹ xảo với giá thành hệ thống phù hợp, không gây tổn hao trong quá trình dựng. Tham số Đặc điểm Tín hiệu mã hoá Cấu trúc lấy mẫu Kích thước ảnh tối đa (điểm ảnh x điểm ảnh) Biểu diễn mẫu Độ chính xác của quá trình luvng tử hoá và biến đỗi DCT Phương pháp lượng tử hoá hệ Cấu trúc khói trong quăn trinh lượng tử hoá thạch nghi Độ chính xác cực đại của hệ số DC Bảng lượng từ Biến đổi RLC Hệ số cân bằng các khối Bù chuyển động Quét Kênh truyền RGB hoặc Y và CR, CB 4:4:4, 4:2:2 và 4:2:0 65 536 x 65 536 8á12 bit cho hệ thống mở rộng DCT 9 bit DPCM 16 x 16 bit 11 bit Sai lệhc giữa các giá trị Y và CR, CB Mã Huffman Có thể biến đổi Không Tuần tự hay xen kẽ Được quản lý lỗi Bảng 4.3. Tham số theo tiêu chuẩn nén JPEG 4.7.2 Tiêu chuẩn nén MPEG a. Giới thiệu Chuẩn nén MPEG (Moving Picture Expert Group) là chuỗi các chuẩn nén video với mục đích là mã hoá tín hiệu hình ảnh và âm thanh ở tốc độ từ 1,5 á 50 Mbit/s. Nén dữ liệu audio với tỉ lệ từ 5:1 á 10:1. ã MPEG - 1: nén ảnh động có kích thước 320 x 240, tốc độ bit còn từ 1 Mbit/s đến 1,5 Mbi/s dùng cho ghi hình trên băng từ và ớ a quang (CD), đồng thời truyền dẫn trong các mạng. ã MPEG - 2: được sử dụng cho các ứng dụng cao hơn với tốc độ còn Ê10Mbit/s, để truyền tín hiệu truyền hình số thông thường. ã MPEG - 3: nén tín hiệu số xuống còn 50 Mbit/s để truyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao. ã MPEG - 4: dùng cho nén hình ảnh video với ít khung hình và yêu cầu làm tươi chậm. Tốc độ dữ liệu yêu cầu là 9á40 Kbit/s. MPEG - 4 đã phát triển các tiêu chuẩn mã hoá đối với tốc độ bit rất thấp. ã MPEG - 7: mô tả thông lin của rất nhiều loại phương tiện, cho phép khả năng tìm kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng. Tiêu chuẩn MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. Tức là phương pháp nén có tổn hao dựa trên biến đổi DCT và bù chuyển động. b. Các cấu trúc ảnh ã ảnh loại I (In tra Picture): là ảnh được mã hoá riêng, tương tự như việc mã hoá ảnh tĩnh trong JPEG. ảnh I chứa đựng dữ liệu để tái tạo lại toàn bộ hình ảnh và cho phép truy cập ngẫu nhiên. Tuy nhiên đạt tỉ lệ nén thấp nhất. ã ảnh loại P (Predicted pictre): là ảnh được mã hoá có bù chuyển động từ các ảnh I hoặc P ở phía trước (ảnh dự đoán trước). ảnh P cho tỷ số nén cao hơn ảnh I, có thể làm một ảnh so sánh cho việc bù chuyển động các ảnh P và B khác. ã ảnh loại B (Bi Directional Predicted Pictutre): là anh được mã hoá sử dụng bù chuyên động từ các ảnh I hoặc P ở phía trước và ở phía sau (ảnh dự đoán hai chiều). ảnh B cho tỷ lệ nén cao nhất và có nhiều ưu điểm. - Giải quyết được các vấn đề thay đổi ảnh cũng nh không dự báo được sự thay đổi về nội dung hình ảnh. - Việc sử dụng bù chuyển động từ hai ảnh cho tỷ số tín hiệu/tạp âm tốt hơn nếu nh chỉ sử dụng bù chuyển động từ một ảnh. - ảnh B không sử dụng là ảnh so sánh cho ảnh khác nên nó có thể mã hoá với số lượng bit thấp và không gây lỗi trễ trên đường truyền. ã ảnh loại D (Dc-coded Pictre): là ảnh được sử đụng trong MPEG - 1 và MPEG - 4 nhưng không được sử dụng ở MPEG -2. ảnh có các thành phần một chiều ở đầu ra DCT được thể hiện. c. Nhóm ảnh (GOP) Với chuẩn MPEG, chất lượng ảnh không nhưng phụ thuộc vào tỷ lệ nén trong từng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh. Nhóm ảnh GOP (Group Of Pictre) mang thông tin độc lập của MPEG. Công nghệ MPEG sử dụng 3 loại ảnh I, P, B. Trong đó ảnh P, B không phải là một ảnh hoàn chỉnh mà chỉ chứa sự khác biệt giữa ảnh đó và ảnh xuất hiện trước nó (đối với P) hay sự khác biệt với cả khuôn hình xuất hiện trước và sau nó (đối với B). Để có một khuôn hình hoàn chỉnh, ảnh P và B cần phải có dữ liệu từ các ảnh lân cận. Mỗi nhóm ảnh bắt buộc phải bắt đầu bằng một ảnh I hoàn chỉnh sau đó là các ảnh P và B. Nhóm ảnh có thể mở (Open) hoặc đóng (Close). Hình 4.11. Cấu trúc Gop mở và đóng ảnh P (ảnh 4) được dự báo trước trên cơ sở ảnh I (ảnh I). ảnh B được dự đoán từ hai hướng, ảnh B (ảnh 2) và ảnh B (ảnh 3) được dự đoán từ hai ảnh, ảnh I (ảnh I) và ảnh P (ảnh 4). ảnh B (ảnh 5) được dự đoán từ 2 ảnh, ảnh P (ảnh 4) và ảnh I tiếp theo (ảnh 6). Thứ tự truyền ảnh và hiện ảnh trên màn hình là không giống nhau. d. Cấu trúc dòng bit MPEG video Cấu trúc số liệu video MPEG - 1 và MPEG - 2 bao gồm 6 lớp: ã Khối: khối 8 x 8 các điểm ảnh tín hiệu chói và tín hiệu màu dùng cho phương pháp nén DCT. ã Tổ hợp khối: một nhóm các khối tương ứng với lượng thông tin chứa đựng trong kích thước 16 x 16 điểm trên các bức ảnh, xác định lượng thông tin chứa trong đó sẽ thay đổi tuỳ theo cấu trúc mẫu được sử dụng. ã Mảng (Slice): bao gồm các cấu trúc khối liền nhau, có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh hoặc một cấu trúc khối. Thông tin đầu của mảng chứa đựng vị trí của mảng trong toàn bộ ảnh và hệ số cân bằng lượng tử. Kích thước thông tin đầu của mảng được xác định bằng số lỗi cho phép xuất hiện trong mảng đối với một ứng dụng nhất định. Hệ số DC tham chiếu dùng trong mã hoá DCPM được so chuẩn tại đầu mỗi mảng. ã ảnh: lớp ảnh cho phép bộ giải mã xác định loại của ảnh được mã hoá là ảnh I, P hay B. Thông tin đầu chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã sắp xếp ảnh theo thứ tự đúng. Thông tin đầu của ảnh còn chứa các thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi của véctơ chuyển động. ã Nhóm ảnh (GOP): là tổ hợp của nhiều khung I, P và B, được xác định bằng tham số m và n. Thông tin đầu gồm 25 bit chứa mã định thời và điều khiển. ã Đoạn video: bao gồm thông tin đầu, một số nhóm ảnh và thông tin kết thúc đoạn. Đoạn thông tin đầu của đoạn video chứa đựng kích thước mỗi chiều của ảnh, kích thước của ảnh, tốc độ dòng video, tần số ảnh và bộ đệm tối thiểu cân có. e. Nguyên lý nén MPEG ã Nguyên tắc hoạt động. Hoạt động của bộ mã hoá, phụ thuộc vào loại hình ảnh, là mã hoá tại thời điểm đang xét. Nén MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. Dạng thức đầu vào là Rec - 601 4:2:2 hoặc 4:2:0 được nén liên ảnh trước tạo ra được ảnh khác biệt ở đầu ra bộ cộng, sau đó lại được nén trong ảnh qua các bước: biến đôi DCT, lượng tử hoá, mã hoá. Cuối cùng ảnh này được trộn cùng với véctơ chuyển động đa đến bộ khuếch đại đệm sẽ thu được ảnh đã nén. Xét ví dụ bộ nén dùng ảnh I và P trong cấu trúc GOP. ảnh thứ nhất trong nhóm phải được mã hoá nh ảnh loại I. Trong trường hợp này, sau khi lấy mẫu lần đầu, tín hiệu video được truyền đến block biến đổi DCT cho các MB riêng, sau đó đến block của bộ lượng tử hoá và mã hoá entropy. Tín hiệu ra từ bộ lượng tử hoá được đa đến bộ lượng tử hoá ngược và biến đổi DCT ngược, sau đó được lưu vào bộ nhớ của bộ nhớ ảnh, bao gồm ảnh xuất hiện trong bộ giải mã sau khi giải mã ảnh truyền loại I. Hình 4.12. Sơ đồ khối quá trình mã hoá MPEG Trong trường hợp mã hoá ảnh loại P, mạch nén chuyển động làm việc. Trên cơ sở so sánh ảnh đang xét và ảnh trong bộ nhớ, sẽ xác định được các véctơ chuyển động, sau đó dự đoán ảnh. Sự chênh lệch giữa hai ảnh được biến đổi DCT, lượng tử hoá và mã hoá entropy cũng nh trong trường hợp các ảnh loại I, tín hiệu ra từ bộ lượng tử hoá được giải lượng tử hoá và biển đôi DCT ngược rồi cộng với dự báo ảnh đang xét và lu vào bộ nhớ. Tốc độ bit của tin hiệu video được nén không cố định, phụ thuộc vào nội dung ảnh đang xét. Tại đầu ra bộ mã hoá, dòng bit phải cố định để xác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền. Vì vậy, tại đầu ra bộ mã hoá phải có bộ nhớ đệm phải đủ lớn. Khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần bằng dung lượng cực đại thì hệ số biến đổi DCT được lượng tử hoá ít chuẩn xác hơn. ã Quá trình giải mã Giai đoạn 1 là tách mã hoá entropy ra. Sau đó tách số hếu ảnh ra khỏi véctơ chuyển động. Số liệu sẽ được giải lượng tử hoá và biến đôi DCT ngược. Trường hợp ảnh loại I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi, sẽ nhận được ảnh đầu ra hoàn chỉnh bằng cách trên. Nó được lưu trong bộ nhớ ảnh và được sử dụng để giải mã các ảnh tiếp theo. Trong trường hợp ảnh P sẽ thực hiện giải lượng tử hoá và biến đổi DCT ngược với việc sử dụng các véctơ chuyển động và lu vào bộ nhớ ảnh sớm hơn. Trên cơ sở đó, xác định được dự báo ảnh đang xét. Ta nhận ra ảnh sau khi cộng dự báo ảnh và kết quả biến đổi DCT ngược. ảnh này cũng được lưu vào bộ nhớ để sử dụng khi giải mã các ảnh tiếp theo. Nhớ đệm Giải mã entropy Giải lượng tử hóa Biến đổi DCT ngược ồ ảnh dự báo Nhớ ảnh Nén video Số liệu điều khiển Video Hình 4.13 Giải mã MPEG 4.7.3 Tiêu chuẩn nén MPEG-2 a. Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 có sự phân lớp và là sự mở rộng cú pháp của cấu trúc MPEG-L. Nó bao gồm các chức năng của MPEG-L, có nghĩa là chúng tương hợp với nhau. Có hai hướng đi trong dòng bit MPEG-2, hoặc theo quy trình của MPEG-L hoặc theo chức năng mở rộng của MPEG-2. Chuỗi Header MPEG-1 ISO/IEC 11172-2 Chuỗi mở rộng Dòng bit Hình 4.14 Hai hướng bit trong cú pháp dòng bit MPEG-2 Hướng mở rộng phải thực hiện mọi lợi ích của MPEG- 1. Chấp nhận độ phức tạp cao. MPEG-2 có khả năng xử lý chuỗi video xen kẽ. Sơ đồ mã hoá có thể thích nghi với sự lựa chọn Field hoặc Frame trong khi MPEG-L chỉ có một mode cố định. Chuỗi video được bắt đầu mã hoá bằng Sequence Header, sau đó là chuỗi mở rộng (nếu có) và các nhóm ảnh. Nếu phần chuỗi mở rộng không được xác định (không có mã báo có thành phần mở rộng), các lớp tín hiệu tiếp theo khi đó sẽ thực hiện quy trình giông MPEG-L, đó là tương hợp thuận. Header của nhóm ảnh có chức năng tương tự nh Header của MPEG-L và không có chức năng đặc biệt trong Extension Header của GOP. Các thông số quan trọng dùng để mã hoá mở rộng được xác định nghĩa trong Extension Header của ảnh. Các lớp dưới Slice không bị ảnh hưởng đảng kể. Slice tổng quát không cần mã hóa các vùng nhất định nào đó trên ảnh cũng là một bộ phận của Extension MPEG-2. Chuỗi Header Chuỗi mở rộng GOP Header GOP mở rộng Header ảnh ảnh mở rộng Lớp Slice Lớp MB Lớp Block Hình 4.15 Cấu trúc dòng bit video MPEG-2 b. Đặc tính và mức Nén MPEG-2 có chuỗi các mức (Level) và đặc tính (Profile) được dùng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Phân chia các cấu trúc thành các tập con gọi là Profile. Trong phạm vi mỗi Profile chỉ cho phép sử dụng các phần tử của các phần tử vừa phải trong cấu trúc tín hiệu đầy đủ. Các định nghĩa về Profile: ã Simple Profile (Profile đơn giản): số bước nén thấp nhất chỉ cho phép mã hoá các ảnh I hoặc P, việc tách ảnh loại B làm giảm bộ nhớ dùng cho giải mã chuỗi. ã Min Profile (Profile chính): cho phép sử dụng tất cả các loại ảnh nhng không tạo ra các mức bất kỳ. Chất lượng tốt hơn Profile đơn giản nhng tốc độ bit không thay đổi. ã SNR Profile Scalable (Profile nhân cấp theo SNR): tín hiệu tiêu chuẩn MPEG-2 cho phép phân cấp theo tý số tín hiệu trên tạp âm. Chuỗi ảnh có thể chia thành hai lớp phân biệt nhau về chất lượng. Lớp thấp bao gồm ảnh cơ sở, lớp cao bao gồm ảnh hoàn thiện hơn, cho phép khôi phục cùng ảnh đó nhưng chất lượng cao hơn. ã Spatially Scable Profiie (phân cấp theo không gian): chuỗi ảnh được chia ra thành hai lớp tương ưng với độ phân giải khác nhau của ảnh. Lớp thấp bao gồm ảnh có độ phân giải thấp, ví dụ như truyền hình tín hiệu tiêu chuẩn, lớp cao bao gồm ảnh có độ phân giải cao hơn, ví dụ như truyền hình độ phân giải cao (HDTV). ã High Profile (Profile cao): cho phép đối với cả hai loại thang mức và chuẩn 4:2:2 của tín hiệu video. Bao gồm toàn bộ các công cụ của Profile trước cộng thêm khả năng mã hoá các tín hiệu khác nhau cùng một lúc. Đây là hệ thống hoàn hảo được thiết kế cho toàn bộ các ứng dụng mà không bị hạn chế bởi tốc độ bit cao. Vấn đề hạn chế mức có liên quan đến độ phân giải cực đại của ảnh. Có 4 mức sau: ã Low level (mức thấp): ứng với độ phân giải của MPEG- 1 , bằng 1/4 độ phân giải truyền hình tiêu chuẩn. ã Min level (mức chính): độ phân giải truyền hình tiêu chuẩn. ã High-1440 level (mức cao): độ phân giải của HDTV với 1440 mẫu/dòng. ã High level (mức cao): độ phân giải của HDTV với 1920 mẫu/dòng. 4.8 Kỹ thuật nén Audio Kỹ thuật mã hoá nguồn sử dựng nhằm làm giảm lượng thông tin dư thừa trong tín hiệu audio. Loại bỏ các thành phần tần số không nghe thấy. Các tín hiệu nén số liệu nén audio chính bao gồm: ã Mã hoá dự đoán trong miền thời gian: phương pháp này sử dụng mã hoá sai số giữa các mã liền nhau. Thông tin audio được biểu diễn và truyền đi bằng dòng bit với tốc độ giảm xuống. ã Mã hoá trong miền tần số: kỹ thuật này sử dụng các khối mẫu audio PCM tuyến tính từ miền thời gian sang các giải băng tần khác nhau trong miền tần số. 4.8.1 Phương pháp nén không mất thông tin Nén không mất thông tin cho phép phục hồi lại các tín hiệu nh ban đầu sau khi giải nén. Phương pháp này loại bỏ dư thừa thống kê bằng cách dự đoán trước giá trị tín hiệu từ các mẫu trước. Nén không mất thông tin chủ yếu dựa vào các kỹ thuật mã hoá dự đoán trong miền thời gian: các kỹ thuật DCPM hay ADPCM, mã hoá entropy... Ngoài ra nén audio còn sử dụng khối các hệ thống điển lu động. Trong hệ thống này các giá trị nhị phân từ quá trình A/D được nhóm thành từng khối số liệu trong cả miền thời gian và miền tần số. Mỗi giá trị được biểu diễn bằng một phần định trị chính là các giá trị mẫu và một hệ số mũ thích hợp với biên độ mẫu. Đây là quá trình lượng tử hoá không đều trong đó bước lượng tử được xác định bằng số bil trong một khối. Số liệu được giảm bằng cách gửi đi giá trị mũ trên mỗi khối số liệu. A/D 16 bít Bộ đệm Cân bằng số Tính toán cân bằng Cảm nhận âm thanh Ghép kênh Tín hiệu vào tương tự 16 bit 16 bit 12 bit phần định vị Dòng bit được mã hóa 3 bit số mũ Hình 4.16 Hệ thống mã hoá điểm động khối số liệu audio 4.8.2 Phương pháp nén có mất thông tin Nén có mất thông tin dựa trên tính chất cảm thụ âm thanh của tai người. Loại bỏ thành phần không nghe thấy trong tin hiệu âm thanh. Các kỹ thuật được sử dụng bao gồm: kỹ thuật Marking (che) các thành phần tín hiệu trong miền thời gian và không gian. Mã hóa phối hợp ứng dụng cho hệ thống audio nhiều kênh. Thông tin trùng hợp giữa các kênh được loại bỏ, chúng chỉ được mã hoá một lần và khi được mã hoá chỉ rõ sẽ lặp lại ở kênh xác định náo. 4.8.3. Tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 Thông tin đầu CRC Vị trí bit Hệ số cân bằng Các mẫu Số liệu phụ Lớp I Thông tin đầu CRC Vị trí bit SCIF Các mẫu Số liệu phụ Lớp II Thông tin đầu CRD Thông tin phụ Các bit dự trữ Lớp III Hệ số cân bằng Hình 4.17 Dạng dòng số liệu của các lớp audio MPEG Ba lớp tiêu chuẩn MPEG audio đáp ứng cho các chế độ khác nhau gồm: ã Chế độ mono: Chỉ có một kênh. ã Chế độ dua mono: Có hai kênh độc lập. ã Chế độ stereo: Các âm thanh nổi. ã Chế độ joint stereo: Phối hợp quan hệ giữa các kênh âm thanh nổi. Lớp I: Tốc độ 32 . 448 Kbit/s sử dụng trong các lớp audio MPEG. Lớp P: Tốc độ 32 : 384 Kbit/s sử dụng trong đĩa CD. Lớp Ш: Tốc độ 32á320 Kbit/s sử dụng trong các ứng dụng nén intemel. 4.8.4. Tiêu chuẩn nén audio MPEG-2 Nén MPEG-2 là mở rộng của MPEG-L. Nén MPEG-2 áp dụng cho nhiều tốc độ khác nhau. Từ 32 : l066kbit/s. Chất lượng âm thanh biến đổi tuỳ theo từng ứng dụng. Khung MPEG-2 audio được chia làm hai phần, một cho dòng bít cơ bản tương thích với.chuẩn MPEG-L (384 Khịt cho lớp P) và một dòng bit mở rộng. Với lớp Ш tại tốc độ 64kbit/s cho một kênh audio, quá trình mã hóa có thể phối hợp 5 kênh audio tạo thành dòng bit cỏ tốc độ 320 Kbit/s. Mỗi lớp tương ứng sẽ được mở rộng với các tính chất khác nhau, tần số lấy mẫu có thể được giảm một nửa mức tần số lấy mẫu của mức tiêu chuẩn MPEG- 1. Nén MPEG-2 audio cho khả năng sử dụng nhiều kênh tốc độ bit mở rộng của các kênh có thể lên tới 1 Mbit/s. Phục vụ cho các ứng dụng tốc độ cao. Các số liệu được chèn vào khoảng chứa số liệu phụ của cấu trúc khung audio MPEG-2. Chương 5 TRUYềN DẫN TRUYềN HìNH Số Trong kĩ thuật truyền hình tương tự, người ta sử dụng phương pháp điều biên (AM) hoặc điều tần (FM). Tại đâu thu sẽ được giải điều chế để tái tạo lại thông tin về hình ảnh, âm thanh ban đầu. Với truyền hình số trên mỗi kênh thông tin có thể truyền được nhiều chương trình truyền hình sau khi qua hệ thống ghép kênh dòng truyền tải. Để truyền dẫn được tín hiệu số, phải sử dụng.phương pháp mã hoá và điều chế tín hiệu số, đảm bảo tín hiệu số được truyền đến đâu thu được trung thực. 5.1. Hệ thống ghép kênh và truyền tải MPEG - 2 5.1.1. Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG-2 a. Mã hoá Để có thể truyền với độ tin cậy cao, các dòng cơ sở video, audio được đóng lại thành dòng cơ sở đóng gói PES (Packetized ES) tương ứng với các gói có độ dài thay đổi. Mỗi gói PES bao gồm một header và số liệu các dòng cơ sở. Các gói PES này được ghép kênh với nhau tạo ra dòng truyền tải TS (Transport Stream) hoặc dòng chương trình. Hình 5.1. Hệ thống ghép kênh, phân kênh MPEG - 2 b. Giải mã Gồm các quy trình ngược lại, dòng truyền tải được phân kênh để trả lại các dòng cơ sở video và dòng sơ cấp andio. Sau đó được giải mã video, audio để tạo lại tín hiệu. c Đồng bộ Đồng bộ là một vấn đề quan trọng. Đối với các bộ ghép kênh phân chia thời gian, thời gian trễ giữa bộ mã hoá và bộ giải mã thường có giá trị không đổi. Đối với các bộ ghép kênh gói nh MPEG - 2, thời gian trễ phải thay đổi theo sự thay đổi độ dài gói (nếu có) và tần số ghép kênh. Đồng bộ trong hệ thống ghép kênh MPEG - 2 được thực hiện thông qua các nhãn thời gian (Time Stamps) và các chuẩn đồng hồ (Clock Reference). 5.1.2 Cấu trúc cơ sở dòng ES Dòng cơ sở là tín hiệu gốc tại đầu ra của bộ mã hoá, chứa những thông tin cần thiết giúp giúp bộ giải mã tạo lại tín hiệu hình ảnh hoặc âm thanh ban đầu. Đơn vị cơ sở của một hình ảnh là khối 8 x 8 phần tử ảnh. Hệ sô ứng với thành phần một chiều được gửi đi trước với độ chính xác cao hơn các hệ sô khác. Mã End of Block gửi sau cùng. Các Block hợp thành các Macroblock (MB), mỗi MB có một véctơ chuyển động hai chiều. Các MB hợp lại tạo thành các Slice. Slice có thể bắt đầu từ bất kì điểm nào và có kính thước tuỳ ý. Tuy nhiên, đối với tiêu chuẩn ATSC quy định Slice phải bắt đầu từ mép phía trái của hình ảnh. Nhiều Slice hợp lại tạo thành một ảnh hoặc một mành tích cực, vài ảnh tập hợp thành một nhóm ảnh (GOP). Nhóm ảnh bắt đần bằng một ảnh I. Nhiều nhóm ảnh GOP hợp lại thành chuỗi dữ liệu video. 5.1.3 Dòng cơ sở đóng gói PES Dòng cơ cơ đóng gói PES có thể tạo ra từ một trong hai bộ mã hoá là: mã hoá ứng dụng và mã hoá truyền tải. Dòng cơ sở đóng gói (PES) và dòng dữ liệu cơ sở (ES) có chiều dài vô tận được chia thành các gói có kích thước phù hợp cho từng ứng dụng. Chiều dài của gói có thể tới vài trăm Kbytes. Chiều dài cực đại của gói PES là 216 bytes. 5.1.4 Ghép kênh dòng chương trình (Program Stream MUX) Một dòng chương trình là kết quả ghép kênh một vài dòng cơ sở đóng gói sử dụng cùng một hệ thống xung nhịp thời gian (Time Clock). Dòng chương trình có thể là một dòng video có kèm audio hoặc một chương trình nhiều kênh audio. Dòng video cơ sở chia thành các đơn vị truy cập (AU - Access Unit). Mỗi AU chứa dữ kiệu đã được nén của một ảnh. Mỗi video Au là một gói chương trình (Program Stream Packet). Dòng chương trình bao gồm các gói PES có độ dài thay đổi được thiết kế để truyền trong môi trường không có tạp nhiễu. Program Stream MUX Video PES Audio PES Program Stream (PS) Audio Video Audio Program Stream MUX = Ghép kênh dòng chương trình Dòng chương trình Gói PES Hình 5.2 Ghép kênh dòng chương trình và dòng chương trình 5.1.5 Ghép kênh dòng truyền tải (Transport Stream MUX) Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi và truyền các gói này đi sau khi đã cộng với dòng bit điều khiển dùng để mô tả chương trình, ta sẽ có dòng truyền tải TS. Transport Stream MUX Transport Stream (TS) PID1 PID2 PID(n-3) PID(n-2) PID(n-1) PID(n) ã ã ã Video PES Audio PES Video PES Audio PES Data Elementary Stream map (Program - map - table) Elementary Stream map = ánh xạ dòng cơ sở; Transport Stream LUX = Ghép kênh dòng truyền tải PLD = Packet ldentifcation Hình 5.3 Ghép kênh dòng truyền tải a. Cấu trúc gói truyền tải Kích thước gói truyền tải cố định và bằng 188 bytes, chia thành dữ liệu bắt đầu (header) và dữ liệu có ích (Payload). Dữ liệu bắt đầu có độ dài tối thiểu bằng 4bytes và có câu trúc sau: ã Sync byte: Byte đồng bộ được phân biệt bời bộ giải mã. ã Transport Enor Indication (1 bit). Bit này dùng để báo hiệu có lỗi gói xảy ra trên đường truyền khi tỉ lệ sai nhầm bit (BER) vợt quá giới hạn cho phép. ã Backet Identification (PID): Mã 13 bit này được sử dụng để phân biệt các loại gói khác nhau. Các dòng bit cơ sở đóng gói DES và dòng bit điều khiển được nhận biết bởi PIDs duy nhất của chúng trong giá trị đầu của mành. ã Continuity counter: Mã 4 bit này được gia tăng trị số tại mạch mã hoá mỗi khi có một gói được truyền đi. Sử dụng mã này để xác định khi có dữ liệu nào đó bị mất hoặc lặp lại. b. Hệ thống ghép các dòng truyền tải Đây là một quá trình ghép các dòng truyền tải khác nhau. Trong quá trình cộng, các dòng bit truyền tải sẽ tương ứng với việc cộng các chương trình riêng biệt và dòng bit điều khiển cấp hệ thống, được định nghĩa với PID - 0. Dòng bit này mang thông tin trong một bản tổ chức chương trình, sắp xếp các tỉ số nhận biết chương trình. Tại bên thu, các dòng bit cơ sở chỉ cần một bộ tách kênh để trích cả hai bảng tổ chức chương trình và bảng ánh xạ chương trình. c. Đặc điểm của dòng truyền tải MPEG-2 Dòng truyền tải MPEG - 2 với độ dài TS cố định, có một số những ưu điểm nôi bật sau: ã Cấp phát dung lượng động: Các gói TS với độ dài cố định tạo khả năng linh hoạt trong việc cấp phát dung lượng kênh giữa các số liệu video, audio cũng như các số liệu phụ. Mỗi gói TS được nhận dạng bởi số PID có trong TS Header. ã Khả năng co dãn: Một kênh có dải thông rộng hơn được khai thác tối đa bằng cách sử dụng nhiều dòng sơ cấp ES tại đầu vào bộ ghép kênh, hoặc ghép kênh thêm các dòng cơ bản ES này vào dòng bit ban đầu tại một bộ kênh ghép thứ hai. Tính chất nầy có giá trị khi phân phối trên mạng cũng như cung cấp khả năng liên vận hành. Khả năng liên vận hành thể hiện ở hai điểm. - Dòng truyền tải MPEG-2 có thể được truyền trên tất cả hệ thống thông tin. - Hệ thống MPEG-2 có thể truyền các dòng bit đã được tạo ra bởi các hệ thống thông tin khác. ã Khả năng mở rộng: Cấu trúc dòng truyền tải cho phép mở rộng được khả năng phục vụ tương lai. Có thể ghép thêm các dòng bit cơ sở mới mà không cần sửa đôi phần cứng phía phát, chỉ cần ghép các PID mới. ã Khả năng chống lỗi và đồng bộ: Các gói TS có độ dài không đổi tạo nền tảng cho việc kiểm soát lỗi gây ra bởi đường truyền và việc khôi phục lại đồng bộ. ã Thiết bị thu rẻ tiền: Chế tạo bộ giải mã hệ thống đơn giản. 5.2 Kĩ thuật điều chế và giải điều chế 5.2.1 Giới thiệu Khi phát một luồng số trên kênh vô tuyến, các tín hiệu băng gốc số phải được biến đổi thành các tín hiệu băng tần vô tuyến, quá trình này gọi là điều chế. Quá trình tái tạo lại tín hiệu số từ các tín hiệu trong băng tần vô tuyến gọi là dải điều chế. Quá trình điều chế bao gồm việc khoá chuyển biên độ, tần số hai pha của sóng mang tần, tại ba phương pháp điều chế để truyền dẫn số là điều biên, điều tẩn và điều pha. ã Nếu cần truyền dòng số bằng điều chế biên độ cao thấp, theo dòng tín hiệu cao thấp, theo dòng tín hiệu xung có - không thì khi đó ta sẽ chứng kiến có sự dịch chuyển biên độ sóng cao tần lúc cao, lúc thấp theo tín hiệu số cần truyền gọi là ook. ã Nếu dòng xung có - không bằng phương pháp diều tần thì lúc này ta thấy tần số sóng cao tần lúc cao lúc thấp tuỳ thuộc vào biên độ dòng xung. ã Nếu truyền xung có, không bằng phương pháp điều chế pha thì pha của sóng cao tân cũng có sự dịch chuyển. ã Mỗi phương pháp điều chế có ưu điểm riêng. Việc lựa chọn phụ thuộc vào tiềm năng thông tin, công suất phát và độ rộng kênh. Việc lựa chọn phải đảm bảo: - Tốc độ số liệu cực đại. - Xác suất lỗi cực tiểu. - Công suất phát cực tiểu. - Độ rộng kênh cực tiểu. - Khả năng chống nhiễu cực đại. - Mức độ phức tạp cực tiểu. Trong kỹ thuật truyền hình số, việc sử dụng điều chế khoá chuyển pha và khoá chuyển biên kết dụng được gọi là điều chế cầu phương hay biên độ vuông góc (QAM). 5.2.2 Phương pháp điều chế M - PSK M-PSK là phương pháp điều chế tín hiệu số. Thông tin sẽ được truyền tải đi dưới dạng các biểu trưng (Symbol). Mỗi symbol mang một thông tin của 2, 3 hoặc nhiều bit và được truyền lệch pha nhau. Số lượng bit, độ lệch pha phụ thuộc vào giá trị M. Nếu truyền dẫn M tín hiệu số riêng biệt qua một kênh hạn chế đơn biên, khi đó phương pháp điều chế là thay đổi pha sóng mang theo M bậc gián.đoạn. Với M tín hiệu số khác biệt đến từ M nguồn khác biệt, ta có lốc độ bit thấp hơn mà độ rộng băng vẫn giữ nguyên. Si(t) Acos(wSCt + 2pi/M + l) M = 2n trong đó: A là biên độ tín hiệu. wSC = 2pfCS với fSC là tần số sóng mang. M là số symbol được truyền trong một chu kỳ bit. N là một số nguyên dương bất kỳ và bằng sổ bit ímg với mỗi biểu trưng. i = 0, 1 2... M-l S(t) là tín hiệu số sau điều chế. 5.2.3 Điều chế QPSK (4 - PSK) Điều chế khoá dịch pha cầu phương QPSK - Quadrature Phase Shift Keying ứng với trường hợp M - 4. Ta có phương trình: Si(t) = Acos(wSC+ 2pi/4 + l) Bộ điều chế QPSK có sóng mang dịch pha 900. Đối với trường hợp l = 0, dạng sóng có 4 khả năng, mỗi dạng sóng được truyền đi trong khoảng TS và được biểu diễn nh sau: S0(t) = Acosw0t S1(t) = Asinw0t S2(t) = Acosw0t S3(t) = Asinw0t với 0 < t < TS 5.2.4 Điều chế M - QAM ở hệ thống M-PSK, các thành phần đồng pha và vuông góc được kết hợp với nhau được một tín hiệu tông hợp có đường bao không đổi. Nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và pha vuông góc có thể độc lập với nhau, ta được sơ đồ điều chế mới gọi là điều chế biên độ vuông góc (cầu phương) M trạng thái (M - QAM). Trong phương thức điều chế M-QAM, sóng mang bị điều chế cả pha và biên độ. Chùm tín hiệu của M - QAM bao gồm một mạng các điểm tin hình chữ nhật. Với trường hợp M - 16 (16-QAM), dạng cơ sở của chùm tín hiệu là dạng của 1 tín hiệu ASK có L trạng thái với L = 4. Tổng quát một tín hiệu điều chế 16-QAM cho phép truyền M - L2 ký hiệu độc lập nh nhau trên cùng một độ rộng băng tần của kênh cần thiết cho sơ đồ điều chế ASK M trạng thái. Dạng tổng quát của QAM - M được xác định bằng tín hiệu phát. di(t) = - trong đó: E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất. ai, bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ ý theo vị trí của điểm bản tin. T - 2Tb là thời gian của một ký hiệu. Tín hiệu Si(t) gồm hai thành phần sóng mang có pha vuông góc được điều chế bởi một tập hợp tín hiệu rời rạc có tên là "điều chế có biên độ vuông góc". Phân tích Si thành hai hàm cơ sở: Với 0 Ê t Ê T Với 0 Ê t Ê T Khi tín hiệu nhị phân số đến bộ điều chế, như với QPSK, được rẽ thành hai luồng bit riêng biệt có nửa tốc độ bit rb /2 của tốc độ luồng bit số liệu đến rb nhờ bộ biến đổi nối tiếp song song. Bộ biến đổi nối tiếp - song song làm biến đổi tín hiệu nhị phân (trong hệ thống thực tế là mã AMI hay HDB3) từ mã AMI hay HDB3 thành các digit hai cực "không trở về không" NRZ, thực hiện giả ngẫu nhiên luồng bit vào cũng nh thêm các bit mào đầu để mang thông tin của khung, bit kiểm tra chẵn lẻ. Hình 5.4 So đồ khối điều chế M - QAM Việc giải mã các kênh cơ sở được thực hiện ở đầu ra mạch quyết định, mạch này được thiết kế để so sánh tín hiệu L mức với L - 1 ngưỡng quyết định. Sau đó hai chuỗi số cơ số hai được tách ra sẽ kết hợp với nhau ở bộ biến đổi song song vào bộ nối tiếp để khôi phục lại chuỗi tín hiệu ban đầu. Khi M tăng, sự khác nhau giữa PSK và QAM M trạng thái là đáng kể. Vấn đê thiết kế tín hiệu tính toán bao hàm nhiều yếu tố nh giảm độ rộng băng tần, tăng công suất, độ phức tạp và thích ứng đối với kênh sử dụng. 5.3. Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số Có ba phương pháp để truyền dẫn tín hiệu truyền hình số là: ã Truyền qua cáp quang ã Truyền qua vệ tinh ã Truyền qua mặt đất 5.3.1 Truyền hình cáp Hệ thống truyền hình cáp (CATV - Community Antenna Television) xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 40. Thuật ngữ CATV được dùng để chỉ chung cho các hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến. Truyền hình cáp sử dụng các kênh truyền nằm trong phạm vi dải thông ở cận dưới của băng VHF. Các kênh được chia thành các băng VHP thấp, VHF giữa, VHF cao và siêu băng (Super banh). Truyền hình cáp vô tuyến MMDS (Multiprogram Multipoint Distribution Syslem) sử dụng môi trường truyền sóng là sóng viba tại dải tần 900 MHz. Việc triển khai mạng MMDS rất đơn giản do chỉ dùng anten nhưng có cũng nhược điểm sau: ã Hạn chế vùng phú sóng: MMDS đòi hỏi anten thu và anten phát phải nhìn thấy nhau và không có vật cản trên đường truyền. ã Chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu công nghiệp. ã Chịu ảnh hưởng bởi thời tiết: suy hao rất lớn trong không gian khi thời tiết xấu, dẫn đến giảm mạnh chất lượng tín hiệu hình ảnh tại nơi thu. ã Yêu cầu dải tần số vô tuyến quá lớn: Mỗi kênh truyền hình cần một dải tần là 8 MHz. Nếu muốn cung cấp 13 kênh truyền hình thì cần một dải thông là 104 MHz. Đây là một dải tần vô tuyến rất lớn. ã Gây can nhiễu cho các đài vô tuyến khác. ã Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số. ã Không thể cung cấp các dịch vụ hai chiều. Truyền hình cáp hữu tuyến là hệ thống mà tín hiệu truyền hình được dẫn thẳng từ trung tâm chương trình đến hộ dân bằng một sợi cáp (đồng trục, cáp quang, hoặc cáp xoắn). Về góc độ kỹ thuật, truyền hình cáp hữu tuyến có những ưu điểm vợt trội hơn so với các hệ thống truyền hình khác như: ã ít chịu ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp:. Các sợi cáp có khả năng chống nhiễu cao hơn nhiều lần so với tín hiệu vô tuyến, đảm bảo chất lượng cho tín hiệu. ã Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến: Do là một mạng thông tin hữu tuyến riêng biệt. ã Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác. ã Có khả năng cung cấp tốt dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác. ã Ưu điểm của truyền hình cáp là có thể sử dụng các kênh kề nhau để truyền tín hiệu trong tất cả các phạm vi mà không xuất hiện hiện tượng nhiễu đồng kênh. Tuy nhiên các tín hiệu phải được điều khiển ở độ tuyến tính cao để tránh hiện tượng điều chế lơng hỗ. Cáp quang được ứng đụng rộng rãi trong công nghiệp truyền thông. Môi trường truyền của cáp quang là bức xạ hồng ngoại với các thành phần điện từ có tần số cực cao ưu điểm của hệ thống cáp quang là độ rộng dải thông rất lớn. Tín hiệu số rất phù hợp với đường truyền dẫn quang có thể truyền trong khoảng cách xa với các trạm bù, dùng phương pháp điều xung mã PCM để điều chế nguồn tín hiệu có tốc độ bít cao. Độ suy hao thấp, thời gian trễ thấp. Để truyền tín hiệu video số bằng cáp quang phải sử dụng mã kênh truyền. Tín hiệu video sau khi được biến đổi sang dạng số được mã hoá bằng mã sơ cấp. Việc sử dụng mã kênh truyền khắc phục được các nhược điểm. ã Hạn chế thành phần một chiều và thành phần tần số thấp để có thể đấu nốii tín hiệu từ mạch này sang mạch khác bằng biến áp hoặc qua tụ. ã Thuận lợi cho việc tái tạo xung nhịp ở đầu thu. ã Phát hiện lỗi. 5.3.2 Truyền hình số mặt đất Nhược điểm của phương thức truyền hình số mặt đất là: ã Kênh bị giảm chất lượng do hiện tượng phản xạ nhiều đường. ã Giá trị tạp do con người tạo ra cao. ã Do phân bố tần số khá dày trong phổ tần đối với truyền hình, giao thoa giữa truyền hình số và truyền hình tương tự là vấn đề cần phải xem xét. Sự ra đời của các chuẩn truyền hình số mặt đất nh DVB - T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) của Châu âu và ASTC (Advanced Television Systems Committee) của Mỹ đã khắc phục phần lớn các điểm bất lợi của truyền hình số mặt đất so với truyền hình vệ tinh và cáp. Truyền hình số mặt đất có hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn và chất lượng tốt hơn so với phát sóng tương tự hiện tại ã Trên dải lần của một kênh truyền số có thể phát một chương trình truyền hình độ phân tích cao HDTV hoặc nhiều chương trình có độ phân tích truyền hình thấp. ã Phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng ổn định, khắc phục được các vấn đề như hình có bóng, tạp nhiễu tạp âm. ã Dung lượng chứa âm thanh lớn. ã Có thể chuyên đổi từ phát chương trình có hình ảnh và âm thanh chất lượng cao DHVT sang nhiều chương trình chất lượng thấp hơn và ngược lại. ã Cấu trúc của hệ thống phát sóng truyền hình số trên mặt đất DTTB gồm: ã Biến đổi tín hiệu audio, video thành các dữ liệu số. ã Mã hoá nguồn dữ liệu số, thực hiện nén số ở các tỉ số nén khác nhau. ã Gói và đa hợp video, audio và các dữ liệu phụ vào một dòng dữ liệu, ở đây là dòng truyền tải MPEG - 2. ã Điều chế tín hiệu phát bằng dòng dữ liệu.Quá trình này bao gồm cả mã hoá truyền dẫn, mã hoá kênh và các kỹ thuật hạ thấp xác suất lỗi, chống lại suy giảm chất lượng do fading, tạp nhiễu. ã Thu: mở gói, giải mã, hiển thị và đa tiếng ra máy thu. 5.3.3. Truyền hình số qua vệ tinh Ưu điểm của hệ thống truyền hình qua vệ tinh: ã Một đường truyền vệ tinh có thể truyền các tín hiệu với khoảng cách rất Đường truyền vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình, địa vật. ã Thiết lập một đường truyền qua vệ tinh được thực hiện trong thời gian ngắn. ã Với một vệ tinh có thể đặt vô số trạm thu trên mặt đất. Ngoài ra truyền hình vệ tinh còn có khả năng phân phối chương trình với các hệ thống liên kết khác. Trong truyền hình vệ tinh, số kênh vệ tinh được thiết lập dành cho các chương trình truyền hình rất được chú ý. Các kênh sẽ được lựa chọn để phát các chương trình cố định trong ngày hay các chương trình dịch vụ. Thông tin vệ tinh được chia làm bốn loại: thông lin toàn cầu, thông tin trung khu vực, thông tin trong phạm vi quốc gia và thông tin địa phương. Trong thông tin vệ tinh toàn cầu, hệ thống thường dùng băng C để truyền tải với ba vệ tinh ở 3 vị trí khác nhau. Cũng chỉ có băng C mới có thể đáp ứng được yêu cầu phủ sóng trên diện rộng. Trong phạm vi khu vực lớn cũng sử dụng vệ tinh băng tần C. Vệ tinh băng tần K được sử dụng trong phạm vi quốc gia và cho truyền hình DBS. Hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai bộ phận chính: vệ tinh nhân tạo và hệ thống thông tin. Vệ tinh chứa các hệ thống cung cấp năng lượng cũng như bộ duy trì vệ tinh trên quỹ đạo của nó. Hệ thống thông tin có các thành phần như antenna, bộ thu, bộ chuyển đổi. Những từ viết tắt ATSC Advanced Television System Committee Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của Mỹ) C/N Carrier - to - Noiseratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm CCIR Consultative Committee on Intemational Telegraph and Telephon Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao có mã D/A Digital - to - Analogue converter Chuyển đổi số - tương tự DCT Discrete Cosine Tranform Chuyên đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Tranform Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Modulation Chuyển đổi xung mã vi sai DQPSK Differential Quadratue Phase Shift Keying Khoá dịch vi sai bốn mức DTTB Digital Terestnal Television Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số mặt đất DTV Digital Television Truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số DVB-C DVB - Cable Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB - Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB - Ten estrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất EBU The European Broadcasting Union Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu âu FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia tần số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao HL High Level Mức cao (dùng trong MPEG - 2) HP Hig Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dùng trong điều chế phân cấp) I In - phase Đồng pha (dùng trong QAM) LCI Inter Camer Interference LDFT Inverse DFT DFT ngược IFT Inverse FFT FFT ngược ISI Inner Symbol Interference Nhiễu cùng Symbol ISDB Intergeted Services Digital Broadcasting - ten estrial Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (của Nhật) ISO Intemational Standard Organisation Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU Intemational Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế JPEG Joint Photographic Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu chuẩn ảnh MB Macro Block Khối macro (dùng trong MPEG - 2) ML Main Level (dùng trong MPEG - 2) MP Main Profile (dùng trong MPEG - 2) - MPEG Moving Pictures Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu chuẩn hình ảnh động MUX Multiplex Ghép kênh OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao PAL Phase Altemating Linh Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét) PRBS Pseudo - Ram don Binary Sequee Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân Q Quadrature phase Vuông pha (dùng trong QAM) QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc RF Radio Frequency Cao tần RS Reed - Solomon SDTV Standard Definition Television Truyền hình phân giải chuẩn SFN Single Frequency Network Mạng đơn tân số SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín nạp TDM Time Division Multiplex Ghép kênh chia thời gian TMCC Transmission and Multiplexing Configuration Control Điều khiển cấu hình ghép và truyền dẫn T Transport Stream Luồng truyền tải UHF Ultra - High Frequency VHF Very - High Frequency VSB Vertigial Side Band Biên tần cụt Tài liệu tham khảo 1 Truyền hình số Đỗ Hoàng Tiến - Vũ Đức Lý 2. Truyền hình số Ngô Thái Trị 3. Truyền hình số và HDTV Nguyễn Kim Sách 4. Các hệ màu cơ bản Nguyễn Tiến 5 . Kỹ thuật truyền hình Nguyễn Truyền Hình 6. Đo lờng truyền hình số Ngô Thái Trị 7. Thông tin khoa học truyền hình Đài truyền hình Việt Nam