Truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T và ứng dụng tại Việt Nam

1.1.1. Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống truyền hình số

Biến đổi tín

hiệu

Mã hóa tín hiệu

Mã hóa kênh

Tín hiệu TH tương tự vào

Kênh truyền hình

Biến đổi tín

hiệu

Giải mã tín hiệu

Giải mã kênh

Tín hiệu TH tương tự ra

Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống truyền hình số

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ được tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biến đổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số. Các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình lựa chọn.

Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hoá nguồn, tại đây tín hiệu truyền hình có tốc độ dòng bít cao sẽ được nén thành dòng bít có tốc độ thấp hơn, phù hợp cho từng ứng dụng. Dòng bít tại đầu ra bộ mã hoá nguồn được đưa tới thiết bị phát (mã hoá kênh thông tin và điều chế tín hiệu) truyền tới bên thu qua kênh thông tin.

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót trong tín hiệu, trong kênh thông tin khi tín hiệu truyền hình số được truyền theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế.

Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hóa kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin. Khi tín hiệu số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và giải điều chế. Khái niệm mã hóa trong kênh được phổ biến không những trong đường thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số.

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lý tại phiá phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình.

1.1.2. Đặc điểm của truyền hình số

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.

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.

- Chất lượng phục vụ giảm nhanh khi máy thu không nằm trong vùng phục

vụ.

1.2. Các hệ thống truyền hình số quảng bá

Truyền hình quảng bá là truyền hình số kết hợp với công nghệ nén số cho ưu điểm nổi bật là tiết kiệm được bộ nhớ và tiết kiệm kênh truyền. Một kênh truyền hình quảng bá truyền thống khi truyền tín hiệu truyền hình số có thể truyền trên 6 chương trình và mỗi chương trình có thể kèm theo 2 đến 4 đường tiếng. Ứng dụng kỹ thuật

truyền hình số có nén có thể truyền một chương trình truyền hình độ phân giải cao HDTV trên một kênh thông thường có băng thông (6-8)MHz, điều mà kỹ thuật tương tự không thể giải quyết được.

Truyền hình số có nén được sử dụng rộng rãi cho nhiều cấp chất lượng khác nhau. Từ SDTV có chất lượng tiêu chuẩn đến HDTV có chất lượng cao với tốc độ bít từ 5-24Mb/s, được truyền dẫn và phát sóng qua cáp, qua vệ tinh và trên mặt đất. Có rất nhiều tiêu chuẩn nén dùng cho truyền hình số: MPEG-1, 2, 3, 4, 7…(Moving Picture Experts Group).

Việc phát chương trình quảng bá truyền hình số (digital video broadcasting - DVB) chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG - 2, nó có phương thức sửa mã sai; căn cứ vào các chương trình multimedia, sẽ chọn lựa các phương thức điều chế tương ứng và biên mã của các đường thông tin.

Hiện nay có ba tiêu chuẩn truyền hình số có nén dùng trong truyền dẫn và phát sóng là DVB (châu Âu), ATSC (Mỹ), ISDB - T (Nhật), trong đó DVB tỏ ra có nhiều ưu điểm và có khoảng 84% số nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam lựa chọn sử dụng.

1.2.1 Hệ thống truyền hình số hữu tuyến (truyền hình cáp) DVB-C

Hệ thống cung cấp tín hiệu truyền hình số qua mạng cáp, sử dụng các kênh cáp có dung lượng 7 Mhz đến 8 Mhz và phương pháp điều chế 64 QAM. DVB - C có mức SNR cao và điều biến kí sinh thấp.

Tốc độ bit lớp truyền tải MPEG – 2 tối đa là 38,1 Mbps.

1.2.2 Hệ thống truyền hình số mặt đất

Hệ thống phát sóng số trên mặt đất DVB-T sử dụng độ rộng kênh 7-8MHz, tốc độ dữ liệu cực đại từ lớp truyền MPEG-2 là 24Mb/s. Người ta sử dụng phương pháp điều chế số mã hoá 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.

Tín hiệu truyền dẫn được tổ chức thành các khung. Mỗi khung gồm 68 symbol OFDM. Các symbol này có thể chứa dữ liệu và thông tin tham chiếu.

1.2.3. Hệ thống truyền hình số vệ tinh

Truyền hình qua vệ tinh là một phương pháp phủ sóng có hiệu quả hơn so với các phương pháp khác. Truyền hình qua vệ tinh có những ưu điểm mà các hệ thống phát sóng truyền hình khác không thể có được:

- Một đường truyền vệ tinh có thể truyền đi các tín hiệu với khoảng cách rất xa như vậy có thể đạt hiệu quả cao cho các đường truyền dài cũng như cho dịch vụ điểm - điểm.

- Đường truyền vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình vì môi trường truyền dẫn ở rất cao so với bề mặt của quả đất.

- Việc thiết lập một đường truyền qua vệ tinh được thực hiện trong thời gian ngắn, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thu thập tin tức.

Trong truyền hình vệ tinh điều quan trọng nhất được chú ý là số kênh vệ tinh được thiết lập dành cho chương trình truyền hình. Các chương trình này có thể phục vụ cho hệ thống CATV hay truyền hình quảng bá. Trong truyền hình vệ tinh quảng bá, một số kênh vệ tinh được dùng cho các chương trình cố định.

Hệ thống truyền tải qua vệ tinh. Bề rộng băng thông mỗi bộ phát đáp từ 11 đến 12G hz.

Hệ thống DVB-S sử dụng phương pháp điếu chế QPSK mỗi sóng mang cho một bộ phát đáp. Tốc độ bit truyền tải tối đa khoảng 38,1Mbps.

Ghép kênh chương trình và dòng truyền tải

Chương trình 1

Chương trình 2

Chương trình 3

Truyền tải đa chương trình

Mã hóa đầu cuối cáp

Mã hóa kênh

Điều chế QAM

Ghép kênh chương trình

Mạng cáp

Điều chế QPSK

Vệ tinh

Điều chế COFDM

Truyền hình mặt đất

Truy nhập có điều kiện

Hình 1.2. Các dạng thức truyền dẫn DVB điển hình

1.3. Các tiêu chuẩn nén trong truyền hình số

Bản chất của nén video là quá trình trong đó lượng dữ liệu (data) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những tín hiệu dư thừa trong tín hiệu video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần tử giống nhau. Vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin hình ảnh đó. Đó là quá trình xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau hoặc khác nhau rất ít. Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể dự báo, do đó chỉ cần truyền các thông tin chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh giống nhau do đó chỉ cần truyền các thông tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng sử dụng

đặc tính này của tín hiệu video và các đặc trưng của mắt người. Quá trình sau nén là giãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc một ảnh xấp xỉ ảnh gốc.

Biến đổi

Mã hóa

Dữ liệu Dữ liệu đã

nén

Quá trình nén

Giải mã

Dữ liệu đã nén

Biến đổi ngược

Dữ liệu

Quá trình giải nén

Hình 1.3. Sơ đồ khối quá trình nén và giải nén

Biến đổi: Một số phép biến đổi và kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu ban đầu, tạo ra một nguồn dữ liệu mới tương đương chứa lượng thông tin ít hơn.

Mã hóa: Các dạng mã hóa được lựa chọn sao cho có thể tận dụng được xác suất xuất hiện của mẫu. Thông thường sử dụng mã RLC ( mã hóa loạt dài ) và mã VLC. Gắn cho mẫu xác suất xuất hiện cao từ mã có độ dài ngắn sao cho chứa một khối lượng thông tin nhiều nhất với số bit truyền tải ít nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng yêu cầu.

1.3.1. Nén video theo tiêu chuẩn MPEG

1.3.1.1. Khái niệm và phân loại

Nén tín hiệu video theo chuẩn MPEG ( Moving Picture Experts Group ) là phương pháp nén ảnh động không những làm giảm dư thừa không gian mà còn làm giảm dư thừa thời gian giữa các khung ảnh.

Chuẩn MPEG định nghĩa một khái niệm mới là nhóm các khung ảnh (GOP) để giải quyết dư thừa thời gian và cho phép truy xuất ngẫu nhiên khi mã hóa MPEG dùng để lưu trữ. Trong chuẩn MPEG, người ta quy định ba loại khung ảnh phụ thuộc vào phương pháp nén: nén trong khung ảnh, nén ước đoán và nội suy hai chiều theo thời gian.

Chuẩn nén MPEG bao gồm các tiêu chuẩn nén video có tốc độ luồng bit khác nhau.

MPEG - 1

MPEG - 2

MPEG - 3

MPEG - 4

MPEG - 7

MPEG

Hình 1.4. Hệ thống các chuẩn MPEG

 MPEG – 1: Còn được gọi là tiêu chuẩn ISO/IEC 11172 là chuẩn nén audio và video với tốc độ khoảng 1,5 Mb/s.

 MPEG – 2: Nén tín hiệu audio và video với một dải tốc độ từ 1,5 tới 60 Mb/s. Tiêu chuẩn này còn gọi là tiêu chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818, là chuẩn nén ảnh động và âm thanh. Nó cung cấp một dải các ứng dụng như: lưu trữ số liệu, truyền hình quảng bá và truyền thông.

 MPEG – 3: Tiêu chuẩn nén tín hiệu số xuống còn 50 Mbps để truyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao (HDTV). Sau đó nhập chung vào MPEG – 2 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế MPEG – 2 vào tháng 11 – 1994 (ISO/IEC 1381).

 MPEG – 4: Là sự hợp nhất cung cấp cho rất nhiều ứng dụng truyền thông, truy cập, điều khiển dữ liệu âm thanh số như: Điện thoại hình, thiết bị đầu cuối đa phương tiện (Multimedia), thư điện tử và cảm nhận từ xa. MPEG- 4 cho khả năng truy cập rộng rãi và hiệu suất nén cao.

 MPEG – 7: Chuẩn này được đề nghị vào tháng 7 – 1998 và thành chuẩn quốc tế vào 9 – 2001. Là chuẩn mô tả thông tin của rất nhiều loại đa phương tiện. Mô tả này sẽ kết hợp với chính nội dung của nó cho phép khả năng tìm kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng. Chính vì vậy MPEG – 7 được gọi là giao thức mô tả nội dung đa phương tiện.

1.3.1.2. Bộ mã hóa MPEG

Quá trình nén theo chuẩn MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. Tín hiệu đầu vào có dạng 4:2:2 hoặc 4:2:0 được nén liên ảnh nhằm tạo ra ảnh khác biệt ở đầu ra bộ cộng. Ảnh khác biệt này sau đó được nén trong ảnh qua các bước: biến đổi DTC, lượng tử hóa, mã hóa. Cuối cùng ảnh này được trộn với véc tơ chuyển động đưa đến bộ khuếch đại đệm sẽ thu được ảnh đã nén.

Tốc độ bit của tín hiệu video không được nén cố định, phụ thuộc nội dung ảnh đang xét. Ngược lại, tại đầu ra bộ mã hóa, dòng bit phải cố định để xác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền. Do đó, tại đầu ra bộ mã hóa phải có bộ nhớ đệm đủ lớn. Bộ mã hóa phải kiểm tra trạng thái đầy của bộ nhớ đệm. Khi số liệu trong bộ nhớ đệm gần đạt cực đại, thì các hệ số biến đổi DCT ngược được lượng tử hóa ít chính xác hơn. Ngược lại thì việc lượng tử hóa các hệ số sẽ tăng lên.

1.3.1.3. Quá trình giải mã

Quá trình giải mã theo lí thuyết, là quá trình ngược với quá trình mã hóa và được minh họa như hình sau:

Các véc tơ chuyển động

Tái lập trật tự khung ảnh

Lưu trữ khung ảnh tham khảo

VLD

Giải lượng tử

Hệ số DCT

IDCT

Bộ mã hóa ước đoán

Ước đoán chuyển động

Vào Ra

Hình 1.5. Bộ giải mã MPEG tiêu biểu

Chuỗi tín hiệu vào được giải mã entropy tại VLD. Sau đó tách số liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT) ra khỏi các véc tơ chuyển động. Số liệu sẽ được giải lượng tử hóa và biến đổi DCT ngược. Nó được lưu trong bộ nhớ ảnh và được sử dụng để giải mã các ảnh tiếp theo.

1.3.2. Nén video theo MPEG – 1

1.3.2.1. Tiêu chuẩn nén video MPEG-1

MPEG-1 gồm 4 phần:

Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 11172-1)

Phần 2: Nén video (ISO/IEC 11172-2)

Phần 3: Nén Audio (ISO/IEC 11172-3)

Phần 4: Kiểm tra (ISO/IEC 11172- 4)

MPEG-1 coi ảnh chuyển động như dạng thức dữ liệu máy tính (gồm các điểm ảnh). Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản), ảnh video chuyển động có khả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyền thông. Chúng có thể được lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu số như đĩa CD và ổ quang.

MPEG-1 cung cấp cả ứng dụng đối xứng và không đối xứng:

- Trong ứng dụng không đối xứng, ảnh động được nén một lần, sau đó giải nén nhiều lần để truy cập thông tin. Ví dụ: trò chơi điện tử.

- Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén phải công bằng với nhau. Ví dụ như: Điện thoại hình, thư điện tử.

Do MPEG-1 được phát triển cho dữ liệu số nên đòi hỏi có sự truy cập ngẫu nhiên (Random Access). Cách thức mã hoá tốt nhất cho truy cập ngẫu nhiên là mã hoá Intraframe đơn thuần. Song do sự dư thừa thông tin về thời gian chưa được loại bỏ nên hiệu suất nén rất thấp.

1.3.2.2. Tham số theo chuẩn nén MPEG – 1

Tham số

Đặc điểm
Tín hiệu mã hóa	Y và Cr, Cb
Cấu trúc lấy mẫu	4:2:0
Kích thước ảnh tối đa (điểm ảnh X điểm ảnh)	4095 X 4095
Biểu diễn mẫu	8 bit
Độ chính xác của lượng tử hóa và DTC	9 bit
Phương pháp lượng tử hóa hệ số DC	DPCM tuyến tính
Cấu trúc khối trong quá trình lượng tử hóa thích nghi	16 X 16 bit
Độ chính xác cực đại của hệ số DC	8 bit
Biến đổi VLC	Mã Huffman
Bảng VLC	Không thể truyền tải
Hệ số cân bằng các khối	Có thể biến đổi
Bù chuyển động	Trong khung hình và giữa các khung hình
Quét	Tuần tự
Độ chính xác dự đoán chuyển động	½ điểm ảnh
Tốc độ khi nén	1,85 Mbps cho nén tham số 100 Mbps cho dòng đầy đủ tham số