Chương 2: Cơ sở truyền hình số độ phân giải cao HDTV
2.1 Tổng quan về truyền hình số
2.1.2 Nguyên lý quét ảnh
a. Quét liên tục.
Chúng ta nhìn thấy và phân biệt được mọi vật là nhờ tính chất phản xạ ánh sáng khác nhau của vật và của từng chi tiết của vật. Khi rọi lên vật một chùm tia sáng trắng, từ mỗi phần tử (điểm) của vật phản xạ lại phía người quan sát. Cường độ và thành phần phổ của tia phản xạ thể hiện tính chất phản xạ của phần tử. Chính đó là tin tức thấy được về vật.
Ở một thời điểm nào đó, người quan sát chỉ có thể nhìn thấy một phần nào đó của không gian, phần không gian đó được xác định bằng góc khối có đỉnh ở mắt người quan sát, được gọi là góc nhìn. Đối với hệ thống truyền hình, thì đỉnh của góc nhìn đặt tại tâm của ống kính.
Trong truyền hình, ảnh của các vật cần truyền đi trong không gian được chiếu lên một mặt phẳng (mặt catốt quang điện của phần tử biến đổi quang - điện) nhờ một hệ thống quang học. Như vậy trước tiên các vật trong không gian được chuyển thành ảnh của chúng trên mặt phẳng, rồi mới biến đổi thành tín hiệu hình, hay nói cách khác, ảnh truyền hình là ảnh phẳng (hai chiều).
Nếu chia một tấm ảnh thành nhiều phần nhỏ, thí dụ chia thành các ô vuông theo kiểu bàn cờ chẳng hạn, mỗi phần nhỏ (mỗi ô vuông) gọi là một điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh có độ chói trung bình và màu của nó. Số điểm ảnh càng lớn, tức là ảnh được chia ra càng nhỏ, thì độ chói và màu trên toàn tiết diện của mỗi điểm ảnh càng đồng nhất.
Ngược lại, nếu dùng nhiều điểm ảnh có độ chói và màu tương ứng, có thể ghép thành ảnh. Nếu kích thước của các điểm ảnh nhỏ đến mức độ nào đó và dưới một góc nhìn nào đó, thì ta không còn phân biệt được các phần tử riêng rẽ nữa, mà có cảm giác như tấm ảnh là một khối liên tục chứ không phải được ghép bởi các điểm ảnh.
26
Đ iểm ảnh
1 2 3
§ iÓm
b ắt đầu A
B
Z
Trong truyền hình, ảnh được chia thành nhiều phần tử nhỏ, rồi biến đổi độ chói và màu của các phần tử nhỏ thành tín hiệu điện (U). Như vậy tín hiệu hình phải là hàm của nhiều biến số :
U= f(L,λ,ρ’,x,y);
Trong đó:
L - độ chói của phần tử ảnh.
λ và ρ’ - bước sóng và độ thuần khiết, xác định màu của phần tử ảnh.
x và y - tọa độ xác định vị trí của phần tử ảnh.
t - Thời gian xác định thời điểm lấy ảnh.
Hình ảnh quang học được hình thành bằng một lượt quét gồm các dòng quét theo chiều ngang từ trái qua phải và từ trên xuống dưới. Thông tin về độ chói của các điểm ảnh trên một dòng quét sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng của dòng quét đó. Quá trình này sẽ được lặp lại cho ảnh tiếp theo, và như vậy, thông tin về các ảnh liên tiếp được biến đổi thành tín hiệu điện theo thời gian trong khoảng thời gian quét hết một ảnh. Dòng tín hiệu có thể chứa từ các thành phần tần số rất cao, ứng với các chi tiết rất nhỏ của hình ảnh cho đến thành phần một chiều (DC) hoặc tần số thấp, ứng với ánh sáng có độ sáng đồng đều và không đổi.
Hình 2.1 Phương pháp quét liên tục
Theo hình 2.1 dòng điện tử bắt đầu quét từ mép trái dòng 1, sang mép phải A, và lập tức quay về phía trái theo đường nét rời và lại bắt đầu từ mép trái dòng 2 quét về mép phải B, sau đó lập tức quay về mép trái và bắt đầu dòng 3, v.v...Cứ
27
như vậy, dòng điện tử quét từ trên xuống dưới cho đến Z. Như vậy đã kết thúc việc phân tích hoặc tổng hợp một ảnh. Sau đó tia điện tử quay nhanh về mép trái dòng thứ 1 của ảnh thứ 2. Quá trình trên xảy ra liên tiếp với ảnh thứ 3, thứ 4, v.v...với một tốc độ rất lớn.
Thời gian dòng điện tử quét từ đầu dòng 1 đến điểm A và quay về đầu dòng 2 là thời gian một dòng tín hiệu hoàn chỉnh, còn gọi là thời gian quét dòng. Trong thời gian quét ngược (từ mép phải trở về mép trái) trên màn hình không nhìn thấy tín hiệu nhờ có xung xoá dòng. Xung này có độ rộng bằng thời gian quét ngược. Thời gian dòng điện tử quét từ dòng 1 đến điểm Z là thời gian quét thuận của ảnh (một mặt).
Mỗi giây truyền được ƒa ảnh ƒa= Ta
1 , được gọi là tần số quét ảnh. Dòng điện tử quét ngược từ điểm Z trở về dòng 1 của ảnh tiếp theo là thời gian quét ngược của ảnh. Trong thời gian này, tín hiệu hình được xoá nhờ xung xoá mặt (thời gian xoá bằng thời gian quét ngược của mặt).
Mỗi phần tử ảnh được truyền đi ƒa lần trong một giây và một lần truyền đi cần khoảng thời gian là tpt. Xung đồng bộ cũng được truyền từ đầu phát đến đầu thu, để hệ thống quét tại đầu thu hoàn toàn đồng bộ với hệ thống quét tại đầu phát, nhằm đảm bảo tái tạo lại một cách chính xác hình ảnh ban đầu.
Hình 2.2 Dạng xung quét dòng và quét mành
X ung quÐt dòng
X ung quÐt m ành
28 b. Quét xen kẽ.
Giống hệt phương pháp quét liên tục, dòng điện tử cũng quét từ trên xuống dưới, từ trái sang phải và các dòng điển tử quét ngược cũng được xoá. Điểm khác nhau cơ bản là ở đây người ta chia mỗi ảnh thành hai nửa (mành). Mỗi ảnh được truyền làm hai lượt, lượt đầu truyền tất cả những mành lẻ, lợt hai truyền tất cả những mành chẵn. Mỗi ảnh có hai dòng thì mỗi mành có Z/2 dòng. Mỗi mành là một nửa ảnh mang một lượng tin tức nhất định của ảnh. Xem hình 2.3
Hướng Quét dòng
Cuối mành 1
Quét Ngược
dòng Hướng quét mành
Quét dòng thuậm
Cuối mành 2
Hình 2.3 Quét xen kẽ
c. Số dòng quét.
Chất lượng của hình ảnh sau khi tái tạo phụ thuộc vào độ phân giải. Số dòng quét càng nhiều, chất lượng hình ảnh càng đẹp. Số dòng quét tối thiểu là số dòng quét có khả năng tái tạo lại hình ảnh mà không gây khó chịu cho người xem. Bằng thực nghiệm với những người có thị giác bình thường, người ta chứng minh rằng:
29 T/hiệu
truyền hình tương tự
Góc quan sát màn ảnh máy thu hình tốt nhất bằng 100 và nếu có hai phần tử cạnh nhau, tạo với mắt một góc nhỏ hơn 1’, mắt người sẽ không có khả năng phân biệt.
Như vậy, số dòng quét thích hợp đối với mỗi ảnh sẽ bằng:
(100 *60’):1’ = 600 dòng
Từ đó ta có khoảng cách tốt nhất từ vị trí người xem đến màn ảnh máy thu hình bằng:
H 5 6
tg 2 /
D= H 0 ≈ ; Trong đó:
D - khoảng cách từ người xem đến máy thu hình.
H - chiều cao của màn ảnh.
2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số
Một hệ thống truyền hình số theo tiêu chuẩn gồm ba thành phần chính sau:
• Khối mã hoá và nén.
• Khối ghép kênh và mã hoá đường truyền.
• Khối điều chế RF phát sóng.
a. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số
Biến đổi
A/D Mã hoá
nguồn
Mã hoá kênh
Điều chế số T/h
truyền hình số
Thiết bị phát
Biến đổi D/A
Giải mã hoá nguồn
Giải mã hoá kênh
Giải điều chế số T/h
truyền hình số
Thiết bị thu
30 Máy thu
tương tự
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số
b. Nguyên tắc làm việc của hệ thống truyền hình số
Hệ thống phát: Các tín hiệu tương tự sau khi được chuyển đến bộ chuyển đổi A/D và đưa qua các phân hệ tương ứng để thực hiện mã hoá và nén tín hiệu.
Dòng tín hiệu số sau đó được ghép kênh với tín hiệu điều khiển phụ tại bộ ghép kênh thành một dòng truyền. Dòng tín hiệu này được ghép mã truyền dẫn, mã kênh và điều chế trước khi đưa ra Anten phát.
Hệ thống thu: Quá trình xử lý của hệ thống thu ngược lại với quá trình xử lý của hệ thống phát. Tín hiệu cao tần thu qua bộ tunenr được giải điều chế cao tần. Tín hiệu tần số thấp được giải mã hoá kênh, giải mã truyền dẫn rồi đưa đến bộ giải mã ghép kênh. Tín hiệu được đưa đến bộ giải mã ghép kênh được đến bộ chuyển đổi số sang tương tự D/A của Audio và Video và đưa đến máy thu phát tương tự.
2.1.4 Yêu cầu của truyền hình số a. Yêu cầu về băng tần
Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa truyền hình số và truyền hình tương tự. Truyền hình số yêu cầu băng tần rộng hơn.
b. Tỷ lệ công suất/ Công suất tạp âm (Signal/Noise ) - (S/N)
31
Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi. Với truyền hình số, nhiễu là các bít lỗi. (Ví dụ: Xung “on” chuyển thành “of”).
Nhiễu trong truyền hình số được khắc phục nhờ các mạch và các mã sửa lỗi. Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bít như ban đầu. Khi có quá nhiều bít lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi.
Tuy nhiên, trong truyền hình quảng bá, truyền hình số gặp phải vấn đề khó khăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm trên kênh truyền. Tại đây cần phải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số. Đây là công việc lớn có khối lượng lớn và phức tạp.
c. Méo phi tuyến
Truyền hình kỹ thuật số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền.
d. Chồng phổ (Aliasing)
Truyền hình kỹ thuật số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng. Theo chiều thẳng đứng chồng phổ trong hai hệ thống tương tự là như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ, theo chiều ngang phụ thuộc vào méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự.
e. Giá thành và độ phức tạp
Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn mạch tương tự, nên giá thành của thiết bị sô cao hơn nhiều so với thiết bị tương tự. Nhưng với sự phát triển của các ngành công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máy tính đã ra đời các mạch tích hợp cỡ lớn LSL (Large Scale Integration) và rất lớn VLS đã làm giảm giá thành của trang thiết bị số.
f. Xử lý tín hiệu