Tổng quan về truyền hình số
Giới thiệu chung
Nhiều hoạt động của con người sẽ không tồn tại nếu không có kỹ thuật số và sự phát triển vượt bậc của nó như hiện nay. Chúng ta đã được biết những ứng dụng của nó từ điện thoại cho đến các thiết bị tự động. Ðĩa CD đã thay thế hoàn toàn đĩa nhựa trong một thời gian rất ngắn. Máy tính bấm tay đã thay thế thước tính, . . .
Truyền hình số là tên gọi một hệ thống truyền hình mà tất cả các thiết bị kỹ thuật từ Studio cho đến máy thu đều làm việc theo nguyên lý kỹ thuật số. Trong đó, một hình ảnh quang học do camera thu được qua hệ thống ống kính, thay vì được biến đổi thành tín hiệu điện biến thiên tương tự như hình ảnh quang học nói trên (cả về độ chói và màu sắc) sẽ được biến đổi thành một dãy tín hiệu nhị phân (dãy các số 0 và 1) nhờ quá trình biến đổi tương tự số.
Hệ thống phát thanh truyền hình, tuy nhiên, vẫn còn đang sử dụng kỹ thuật tương tự bởi nhiều thuật toán nén và phương pháp thực hiện mới được khám phá ra trong thời gian gần đây. Nén là một phương pháp làm giảm tốc độ dòng truyền tải tới giá trị phù hợp với độ rộng kênh truyền. Một đĩa CD có tốc độ đọc khoảng 1.5 Mbit/s, một chương trình truyền hình không nén có tốc độ dòng truyền tải lên tới 200 Mbit/s.
Việc nghiên cứu nhằm làm giảm băng thông yêu cầu đã được bắt đầu từ sau thế chiến II, một vài giải pháp kỹ thuật đã được đưa ra vào năm 1960. Mặc dầu vậy, việc thực hiện các giải pháp này vẫn còn phải đợi cho đến khi có sự tiến bộ vượt bậc trong việc chế tạo các vi mạch với mức độ tích hợp cao, có khả năng thực hiện các thuật toán trong thời gian thực. Hầu hết các nước lớn đã công bố kế hoạch thực hiện truyền hình số và phát thanh số vào năm 2000. Ðể thực hiện, họ dựa vào các tiêu chuẩn truyền hình số mới nghiên cứu ra gần đây. Các tiêu chuẩn này có lịch sử phát triển tuy ngắn song thực sự mãnh liệt.
Truyền hình số qua vệ tinh, cáp, và mặt đất hiện nay đang là lĩnh vực được nghiên cứu mạnh mẽ, nhất là tại Bắc mỹ và Châu âu. Trong đó, khó khăn nhất về kỹ thuật là truyền hình số mặt đất do ảnh hưởng của sóng phản xạ, pha đing và nhiễu xung. Nó càng trở nên khó khăn hơn đối với mục tiêu của Châu âu đặt ra là phát triển mạng đơn tần nhằm mục tiêu tăng số lượng kênh truyền hình trong băng tần hiện có. Trong mạng đơn tần, tất cả các máy phát làm việc trên cùng một tần số, được đồng bộ bằng một nguồn tần số chung có độ ổn định cao và cùng phát một chương trình. Máy thu thu được tín hiệu tổng hợp từ các máy phát khác nhau với thời gian trễ khác nhau.
Hiện nay có ba tiêu chuẩn về truyền hình số mặt đất:
– ATSC của Mỹ;
– DVB-T của Châu Âu;
– ISDB-T của Nhật.
Ðiểm giống nhau của ba tiêu chuẩn trên là sử dụng chuẩn nén MPEG-2 cho tín hiệu video. Ðiểm khác nhau cơ bản là phương pháp điều chế.
Tiêu chuẩn Châu âu và của Nhật sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao có mã (COFDM) cho truyền hình số mặt đất, nó đã trở thành phổ biến trong phát thanh truyền hình trong khoảng 10 năm trở lại đây. Kỹ thuật này đầu tiên được sử dụng cho phát thanh số, sau đó khoảng 5 năm được sử dụng cho truyền hình số mặt đất. Ðây là kỹ thuật duy nhất có thể tạo ra khả năng thực hiện mạng đơn tần.
Không giống như Châu âu, mạng đơn tần dường như không được chú ý tại Châu Mỹ, tiêu chuẩn Mỹ về truyền hình số mặt đất hiện nay sử dụng kỹ thuật điều chế biên tần cụt 8 mức (8-VSB).
Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số:
Truyền qua cáp đồng trục:
Ðể truyền tín hiệu video số có thể sử dụng cáp đồng trục cao tần. Tín hiệu video được số hoá, nén sau đó được đưa vào điều chế. Sóng mang cao tần được điều chế 64-QAM (theo chuẩn Châu âu) hoặc 256-QAM (Nhật).
Ðộ rộng kênh truyền phụ thuộc vào tốc độ dòng truyền tải của tín hiệu, phương pháp mã hoá và phương pháp điều chế.
Truyền tín hiệu truyền hình số bằng cáp quang.
Cáp quang có nhiều ưu điểm trong việc truyền dẫn tín hiệu số:
– Băng tần rộng cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ cao;
– Ðộ suy hao thấp trên một đơn vị chiều dài;
– Xuyên tín hiệu giữa các sợi quang dẫn thấp (-80 dB);
– Thời gian trễ qua cáp quang thấp.
Truyền tín hiệu truyền hình số qua vệ tinh:
Truyền tin qua vệ tinh có thể xem như một bước phát triển nhảy vọt của thông tin vô tuyến chuyển tiếp. ý tưởng về các trạm chuyển tiếp vô tuyến đặt trên độ cao lớn để tăng tầm chuyển tiếp đã có từ trước khi các vệ tinh nhân tạo ra đời. Năm 1945, Athur C. Clark đã công bố các ý tưởng về một trạm chuyển tiếp vô tuyến nằm ngoài Trái đất, bay quanh Trái đất theo quỹ đạo đồng bộ với chuyển động quay của trái đất, tức là các vệ tinh điạ tĩnh. Năm 1955, J. R. Pierce đã đề xuất các ý tưởng cụ thể về thông tin vệ tinh và vệ tinh viễn thông. Các tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật không gian trong giai đoạn đó đã cho phép các ý tưởng này sớm trở thành hiện thực.
Thông tin vệ tinh đặc biệt có ưu thế trong các trường hợp:
– Cự ly liên lạc lớn;
– Liên lạc điểm đến đa điểm trên phạm vi rộng cũng như phạm vi toàn cầu;
– Liên lạc đến các trạm di động trên phạm vi rộng (tàu viễn dương, máy bay, các đoàn thám hiểm,…).
Kênh vệ tinh khác với kênh cáp và kênh phát sóng trên mặt đất là có băng tần rộng và sự hạn chế công suất phát. Khuếch đại công suất của các bộ phát đáp làm việc với lượng lùi công suất nhỏ trong các điều kiện phi tuyến, do đó sử dụng điều chế QPSK là tối ưu.
Các hệ thống truyền qua vệ tinh thường công tác ở dải tần số cỡ Ghz.
Phát sóng truyền hình số trên mặt đất:
Phát sóng truyền hình số mặt đất đã và đang được nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây. Những nước lớn trên thế giới đã bắt đầu phát sóng truyền hình số mặt đất.
Hiện nay, có ba tiêu chuẩn về truyền hình số mặt đất: ATSC, DVB-T và ISDB-T. Ba tiêu chuẩn trên có điểm giống nhau là sử dụng chuẩn nén MPEG-2 cho tín hiệu video. ATSC sử dụng điều chế 8-VSB còn DVB-T và ISDB-T sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao (OFDM), các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, DQPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM.
Mỗi tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất có những ưu, nhược điểm riêng. Nhiều nước đã tiến hành thử nghiệm và chính thức chọn tiêu chuẩn cho mình.