Truyền hình số và multimedia

TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ MULTIMEDIA (Digital Compressed Television and Multimedia) PGS.TS.,TSKH. Nguyễn Kim Sách Tháng 2.2005 Mục Lục I. Truyền hình tương tự 1.1. Hệ truyền hình màu 1.2. Tiêu chuẩn 1.3. Ống thu / Phát hình 1.4. Tín hiệu 1.5. NTSC 1.6. PAL 1.7. SECAM 1.8. So sánh 3 hệ màu 1.9. Các loại nhiễu, méo 1.10. Máy thu/ phát 1.11. Đo – Kiểm tra 1.12. Máy ghi hình II. Truyền hình số 2.1. Lịch sử 2.2. Video số 2.3. Audio số 2.3.1. Quá trình ADC 2.3.2. Tiêu chuẩn 2.4. Phân phối tín hiệu video bit - nối tiếp (bit-serial) III. Nén tín hiệu video/ audio 3.1. Độ dư thừa và entropy 3.2. Kỹ thuật giảm (nén) dữ liệu video 3.2.1. JPEG 3.2.2. MPEG 1(2) 3.3. Đặc điểm của các tiêu chuẩn nén 3.4. Nén audio 3.4.1.Nén không tổn thất 3.4.2. Nén có tổn thất 3.4.3. Tiêu chuẩn nén audio 3.5. Phân phối A/V có nén 3.6. Các tiêu chuẩn nén khác IV. Điều chế/ giải điều chế số 4.1. QAM 4.2. QPSK 4.3. COFDM 4.3.1. OFDM 4.3.2. Nguyên lý COFDM 4.5. ATSC (Mỹ) V. HDTV 5.1. Các thông số HDTV số 5.2. Các hệ thống HDTV số VI. Truyền hình multimedia 6.1. Nguyên lý/ công nghệ multimedia 6.2. Phần cứng multimedia 6.3. Phần mềm multimedia 6.4. Kết nối multimedia 6.5. Ứng dụng Tài liệu 1. M. Rolin, M. Poulin Digital Television Fundamentals Mc Graw-Hill, 1997 2. Charles A. Poynton A Technical introduction to Digital Video John Wiley & Sons, NY, 1996 3. Nguyễn Kim Sách Truyền Hình Số và multimedia NXB KHKT. Hà Nội, 2000 4. Đỗ Hoàng Tiến, Vũ Đức Lý Truyền Hình Số NXB KHKT. Hà Nội, 2001 5. Nguyễn Kim Sách Thu Hình Số, Set-Top-Box, Multimedia NXB KHKT. Hà Nội, 2005 6. Nguyễn Kim Sách Truyền Hình Số và HDTV NXB KHKT. Hà Nội, 1995 7. Nguyễn Kim Sách Đo Kiểm Tra Truyền Hình Tương Tự & Số NXB KHKT. Hà Nội, 2003 I. TRUYỀN HÌNH TƯƠNG TỰ 1.1. Hệ truyền hình màu ● NTSC, (1953), 525 dòng/ 60 Hz ● SECAM, (1956), 625 dòng/ 50Hz ● PAL, (1962), 625 dòng/ 50Hz 1.2. Tiêu chuẩn: Các thông số: 1. B/G (7MHz) 1. Độ rộng kênh 2. D/K (8MHz) 2. Khoảng cách tải hình/ tải tiếng 3. I 3. Loại điều chế hình/ tiếng 4. K1 4. Đặc trưng biên tần cụt 5. L 5. Tỉ lệ công suất hình/ tiếng 6. M 7. N 8. H 9. L1 ● ADC: Bảng 1.1 ● Loại tín hiệu: + Composite: VBS – chung 1 tín hiệu (hoàn chỉnh). > 1Mb/s  9Mb/s > 1Mb/s  9Mb/s 20  24Mb/s 70  180 Mb/s 216  270 Mb/s  1Gb/s Đen trắng Màu HDTV Nén MPEG 2 ADC Tương tự Số Hình 1.1 Trắng Đen Đồng bộ + Component: y, u, v G, B, R Hình 1.2 0 x y 780 nm 380 nm 520 nm D6500 R G B Tam giác màu SMPTE Quỹ tích Planck về chất phát sáng (D65-trắng chuẩn) Không gian màu: màu biểu diễn trong toạ độ 3-D (X,Y,Z). Vùng chứa các màu gọi là quỹ tích Planck + Tiêu chuẩn phosphors: (SMPTE) Bảng 1.2 NTSC 0,32900,3127D 6500 (Trắng chuẩn) PAL/NTSC 0,596 0,070 0,340 0,310 0,155 0,630 G B R yx ● Định luật Grassman: 1. Mắt người phân biệt được 3 màu khác nhau. 2. Khi trộn ánh sáng có 2 thành phần: 1 thành phần thay đổi liên tục, còn thành phần thứ 2 không đổi 3. Các nguồn cùng màu sẽ tạo ra hiệu ứng giống nhau. 4. Độ chói tổng hợp màu bằng tổng các độ chói thành phần ● Không gian màu 3D: saùng aùnh soùng Böôùc - (1931) chieàu 3 theosaùt quan tröngÑaëc - z,y,x maøu phoå tröngÑaëc - )(C taênggia ñoä - )( saùng aùnh Phoå - )(L )()(L)(C)(zKZ )()(L)(C)(yKY )()(L)(C)(x.KX                700 300 )()(y)(L 1K chuaån soá Heä K (1.1) Thực tế: không gian 3-D thay bằng phép chiếu lên mặt phẳng XOY (quỹ tích Planck): 1.3. Ống thu/ phát hình a. Ống thu hình (điện – quang) )ZYX( Xy )ZYX( Xx     (1.2) )0182,0V(0 ; 5,4 VL )1V(0,0812 ; 099,1 099,0VL r r r r r r           Vr – mức tín hiệu video Lr – mức sáng ra  = 2,2 (CRT) (1.3) b. Ống phát (quang – điện) 1.4. Tín hiệu: camera vaøo soùng möùc L camera cuûa ra video hieäu tínV )018,0L(0 ; L .5,4V )1L(0,018 ;099,0L .099,1V C C CCC C /1 CC      (1.4) camera töø söûa ñaõ - " ' " :)EE ;E(E maøuvaø )(E choùi hieäu Tín 'y'R'y'B'y   ' R ' B ' G ' y ' R ' R ' B ' G ' y ' B ' R ' B ' G ' y E070,0E114,0E587,0EE E229,0E889,0E587,0EE E229,0E114,0E587,0E    (1.5) + Sửa : )EE(877,0EE )EE(493,0EE ' Y ' RNTSC ' YRPAL ' V ' Y ' BNTSC ' YBPAL ' u     (1.6) Ura CRT Uvào CRT CRT Sửa  camera Hình 1.3 + Tín hiệu 8 sọc màu B 100% 0% 88,6 70,1 68,9 41,3 29,9 11,4 100% 0%B RRRR B BB G G GG Y B R G C Hình 1.4 1.5. NTSC ● Mã/ giải mã NTSC: +  = 2,2 Ve cto r m àu + 900 00 R -Y B-YBurst  Hình 1.5. Biên độ vector – bão hoà màu  - hue (màu sắc) Composite Matrix Ma trận + Trễ LPF X X Bộ Sync 1800 Burst 900 LPF E’G E’B E’R Ey ER-y EB-y Điều chế R-y Điều chế B-y Khoá burst Tải màu 3,58 MHz Đồng bộ tổng hợp VBS Hình 1.6. Mã hoá màu (điều chế 2 tải màu 900) Hình 1.7. Giải mã màu NTSC Matrix E’G E’B E’R X X TrễLọc bỏ màu Lọc màu Tách burst Tách đồng bộ Key VBS Composite 3,58 3,58 900PLL Oscilator 3,58 MHz E’y E’B-y E’R-y B-Y R-Y hue ●  = 2,2 ● Điều biên 2 tải màu vuông góc, nén tải ● ● Pha màu: =0 cho B-Y =900 cho R-Y =1800 cho burst xuyên kênh do chênh lệch ½ fH giữa Y và C )Hz15750f( Hz10579545,3f 2 455f H HNTSC   + Component: E’Y=0,587E’G + 0,114E’B + 0,299E’R E’B-Y=0,877 (E’B-E’Y) E’R-Y=0,493 (E’R-E’Y) (1.7) Hoặc: E’Q=E’B-Ycos330 + E’R-Ysin330 E’I = -E’B-Ysin330 + E’R-Ycos330 + Composite: EM= 0,925E’Y +7,5 +0,925E’Qsin(2fSC+ 330) +0,925E’Icos (2fSC+330) (1.8) ● Độ rộng băng tần: ● Biên độ tải màu: 620 1300SCSC f620f   2' Q 2' I 2' YR 2' YB EEEEG   (1.9) 1.6. PAL ● Mã hoá: Matrix Ma trận+ Trễ LPF X X Bộ Sync 450 Burst 900 LPF E’G E’B E’R Ey EV EU Điều chế V Điều chế U Khoá burst Tải màu 3,58 MHz Đồng bộ S VBS Hình 1.8 1,2MHz 1,2MHz 1800 7,8 KHz + - ●  =2,8 ● Điều biên AM, nén tải màu của 2 tải vuông góc ● fPAL =4,43361875  5 = (1135/4 + 1/625).fH ● Luân phiên pha tải màu theo dòng (E’V) chênh lệch giữa E’V và Y: ¼ fH, không xuyên kênh chói – màu (đảo pha tải màu 450) E’G E’B E’R 4.43MHz Hình 1.9. Ma Trận X X DELAYNOTCH Tách burst Tách đồng bộ P.L.L VBS Composite 900 4,43 MHz XTL OSC E’Y E’V E’U Giải điều chế V Trễ Trễ 1H Giải điều chế U Thông dải 4.43MHz Khoá burst 7,8KHz ● Giải mã: + Toạ độ màu: Bảng 1.3 +  =2,8 + Component: EY=0,58E’G+0,144E’B+0,299E’R E’U=0,877(E’B-E’Y) E’V=0,493(E’R-E’Y) PB =0,564(E’B-E’Y) E’R=0,713(E’R-E’Y) 0,32900,3127D65 0,330,64R 0,060,15B 0,600,29G yx NTSC/P AL PAL (1.10) (1.11) + Composite: EM=E’Y+E’Usin(2fSCt)  E’Vcos(2fSCt) + Điều chế AB (2 tải màu vuông góc, nén tải) ● fSC= 4.433.618,75  5 = (1135/4 +1/625)fH ● Biên độ tải màu: (1.12) )EE(G 2'v2'u  Hình 1.10 mV 700mV Mức chói/ mV 620 491 411 289 209 80 0 1Vp W Y C G M R B BLK 0 -300 Tín hiệu màu tải màu cộng với chói/ mV 1,2335Vp -300 0 0 0 -150 150 700 933,5 824,5 702,5 651,5 393,5 306,5 48,5 -2,5 -124,5 -233,5 1.7. SECAM ● Mã hoá Ma Trận + Trễ LPF Đồng bộ E’G E’B E’R E’Y D’R Sync VBS Hình 1.11. Sơ đồ khối mã hoá SECAM 1,5MHz 7,8KHz Lọc Bell 4,864MHz Sw itc h FM FMTiền nhấn Tiền nhấnLPF D’B1,5MHz foR=4,406MHz foB=4,25MHz 4,286 ● Giải mã Ma Trận TrễLPF E’G E’B E’R E’Y D’R Hình 1.12. Sơ đồ khối giải mã SECAM 3MHz Lọc Bell Chuyển Mạch CTL Giải nhấn D’BGiải nhấn DISCR DISCR Hạn chế Hạn chế 1H Trễ 7,8 KHz VBS 4,286 MHz + Toạ độ màu: Bảng 1.4 +  =2,8 + Component: EY=0,587E’G+0,144E’B+0,299E’R D’B =1,505(E’B-E’Y) D’R=-1,902(E’R-E’Y) 0,32900,3127D65 0,330,64R 0,060,15B 0,600,29G yx (1.13) + Tín hiệu Composite: EM = E’Y+Gcos2(foR+foRfoDRdt) Luân phiên theo dòng f0R/foB foB=4,25MHz  2KHz =272fH foB=4,406MHz  2KHz =282fH G =Mo[(1+j16F)/(1+j1,26F)] F=(f/fo-f0/f) fo=4,286MHz 2Mo – biên độ đỉnh  Điều chế FM Y f0R f0R f0B f0B f Phổ Hình 1.13 fSC(OR/OB) Hình 1.14 HVS = Bảo hoà màu, hue (pha) 1.8. So sánh 3 hệ màu: 1. PAL (NTSC): Sửa sai pha màu tốt (400 600 )- PAL 2. SECAM : chống nhiễu tốt (FM), truyền phát tốt. 1.9. Các loại nhiễu, méo a. Méo tuyến tính: + Miền tần số:  Trễ  Khuếch đại + Miền thời gian:  dạng sóng Y  dạng sóng C  Trễ Y,C b. Méo phi tuyến: a) Chói Y: ● Biên độ ● Điều chế chéo Y/C b) Màu: ● Biên độ ● Pha c. Nhiễu: a) Rời rạc (đo SNR đỉnh, RMS) b) Liên kết (đo SNR, có chu kỳ, không chu kỳ, xuyên kênh, Hum) 1.10. Máy phát/ thu a. Phát: b. Thu: Exciter Trung tần hình RF RFTrung tần tiếng > > + Video Audio IF IF RF RF Oscillator deplexer Anten Anten Trung tần chungTuner Video FM Tách sóng Tách sóngRF Lọc Lọc > > Video Audio Hình 1.15 Hình 1.16 1.11. Đo – Kiểm tra: a. Bảng chuẩn (riêng, tổng hợp) b. Tín hiệu ● Khuếch đại vi sai ● Pha vi sai ● Méo tần thấp, trung ● Méo hài (Audio) ● Tỉ số sóng đứng SWR ● Độ sâu điều chế ● Băng tần Video/ Audio Sin2 2T Sin2 20T Hình 1.17 ● Các nhóm tần số c. Các loại tín hiệu Component: PAL NTSC 0,5 0,5 1 1 2 3 3,58 4,2 (4,43) 4,86 5,8 MHz Hình 1.18 (R-Y)= 0,660(E’R-E’Y) (R-Y)= 0,95(E’R-E’Y) PR=0,713* (E’R-E’Y) E’R-Y=0,877* (E’R-E’Y) 3 (B-Y)= 0,75(E’B-E’Y) (B-Y)= 0,75(E’B-E’Y) PB= 0,564* (E’B-E’Y) E’B-Y= 0,493* (E’B-E’Y) 2 E’Y=0,587E’G + 0,114E’B +0,299E’R1 VTR (MII) VTR (Betacam) PALNTSCST T d. Các loại méo: 1. Biên độ/ tần số 2. Trễ nhóm 3. Chênh lệch khuếch đại 4. Chênh lệch Y/C 5. Khuếch đại vi sai 6. Pha vi sai Méo tuyến tính Méo phi tuyến 1.12. Máy ghi hình (VTR) a. Ghi Composite (điều chế FM) b. Ghi Component (3 giải pháp) 1. Color-under recording (Umetic): băng ¾’ (sony) + Luminance: 2,5MHz; FM (di tần f=1,6MHz) + Chrominance: biến đổi xuống 3,58  688 KHz; điều chế FM (color-under) với độ rộng băng tần 300KHz Sau này cải tiến thành Betamax ED,S-VHS: tải FM cao 2. Ghép kênh tần số CFDM (Chrominance frequency domain multiplex) của RCA: ● 1 cặp rãnh ghi riêng luminance và chrominance (I,Q), băng ½’ (VHS) + Luminance điều chế 3,5MHz, (điều chế FM (trung tâm 5,4 MHz), di tần 2,0MHz + Màu: ● I điều chế FM (tại trung tâm 5,5MHz), di tần 1MHz ● Q điều chế FM (di tần 500KHz) ● I và Q tổng hợp lại trước khi đến đầu từ ghi lên rãnh chrominance 3. Ghép kênh thời gian CTDM của Sony (Betacam), băng ½’. 1 cặp rãnh ghi riêng luminance và chrominance. + luminance: hẹn chế 3,5MHz (4MHz- BetaSP), điều chế FM (tần số trung tâm 5,4MHz (6,7M: Beta SP), di tần 2MHz. + Màu: hạn chế (B-Y, R-Y) đến 1,5MHz, lấy mẫu, lưu trữ (đọc ra với f gấp 2 lần f lấy mẫu), 2 tín hiệu nén thời gian được ghép kênh, rồi FM (trung tần 4,2MHz (5,3MHz cho BetaSP), di tần 1,4 MHz, sau đó ghi vào rãnh chrominance.