BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG KHẮC VĨNH Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV khả ứng dụng Việt Nam LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.Phạm Ngọc Nam HÀ NỘI – 2010 LỜI CAM ĐOAN ********** Tôi xin cam đoan luận văn thân thực dựa kiến thức học, kinh nghiệm thi công thực tế công trường, hướng dẫn TS.Phạm Ngọc Nam Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2010 Học viên Đặng Khắc Vĩnh DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AVO ATSC DCT DVB HDTV HFC ISBD LCD LDPC NTSC MPEG MUSE OFDM PAL QPSK SDTV VLC VOD : : : : : : : : : : : : : : : : : : Audiovisual Object Advanced Television Systems Committee Discrete Cosin Transform Digital Video Broadcasting High- Definition Television Hybrid fibre - coaxial Integrated Services Digiatal Broadcasting Liquid Crystal Display Low- Density Parity - Check National Television System Committee Moving Picture Experts Group Multiple Sub Nyquist Sampling Encoding Orthogonal Frequency – Division Multiplexing Phase Alternate Line Quadrature Phase – Shift Keying Standard –Definition Television Variable Length Coding Video On Demad DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 : : : : : : : : Thông số quét ảnh HDTV Tổng hợp thông số với hệ khác 16 So sánh tốc độ bit chuẩn MPEG2, MPEG4 MPEG4/AVC 47 Dung lượng kênh truyền hình số mặt đất 58 DVB-T2 sử dụng UK so với DVB-T 60 Dung lượng liệu mạng SFN 60 So sánh đặc trưng DVB-C DVB-C2 77 Các thông số OFDM 86 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 : So sánh HDTV SDTV tỷ lệ khuôn hình Hình 1.2 : Tương quan độ phân giải Hình 1.3 : Mô hình tổng quan hệ thống HDTV 12 Hình 2.1 : Đặc tuyến biên tần tín hiệu Y, C’B, C’R 15 Hình 2.2 : Tổng quan chu trình nén MPEG 19 Hình 2.3 : Biến đổi DCT 19 Hình 2.4 : Lượng tử hoá hệ số biến đổi DCT 20 Hình 2.5 : Thứ tự trình chiếu loại ảnh 22 Hình 2.6 : Dự đoán bù chuyển động 23 Hình 2.7 : Âm hình ảnh kết hợp lại từ AVO 26 Hình 2.8 : Phân phối dòng liệu từ phía phát đến phía thu 27 Hình 2.9 : Thuật toán MPEG để mã hoá chuỗi hình ảnh 35 Hình 2.10 : Ý tưởng mã hoá cho chuỗi video MPEG 37 Hình 2.11 : Phân chia Slice nhóm Slice 42 Hình 2.12 : Sơ đồ mã hoá MacroBlock 43 Hình 2.13 : Kích thước dự đoán MB 44 Hình 2.14 : Dự đoán bù chuyển động 44 Hình 2.15 : Mối tương quan nén MPEG2, MPEG4 MPEG4/AVC 46 Hình 2.16 : So sánh chuẩn nén sử dụng SDTV HDTV 48 Hình 2.17 : Kỹ thuật chuyển đổi từ âm stereo sang âm suround 49 Hình 2.18 : Hệ thống âm đa kênh dùng HDTV 49 Hình 2.19 : Sơ đồ mã hóa âm HDTV 50 Hình 3.1 : Ghép kênh chương trình HDTV 51 Hình 3.2 : Sơ đồ hệ thống truyền hình số vệ tinh DVB-S 52 Hình 3.3 : Mã hoá sửa lỗi FEC 55 Hình 3.4 : Giản đồ chòm điều chế sử dụng DVB-S2 55 Hình 3.5 : So sánh khả truyền chương trình truyền hình kênh vệ tinh số 56 Hình 3.6 : So sánh chuẩn nén sử dụng DVB-S DVB-S2 56 Hình 3.7 : Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 57 Hình 3.8 : Mô hình cấu trúc DVB-T2 57 Hình 3.9 : Lớp vật lý 62 Hình 3.10 : Các PLP khác với lát thời gian khác 63 Hình 3.11 : T-2 Frame với kênh RF đơn nhiều PLP mode 64 Hình 3.12 : Mật độ phổ công suất 2K 32K 65 Hình 3.13 : Mô hình MISO 65 Hình 3.14 : Mẫu hình Pilot phân tán DVB-T (trái) DVB-T2 (phải) 66 Hình 3.15 : Đồ thị chòm 256-QAM 67 Hình 3.16 : Chòm 16-QAM "xoay" 68 Hình 3.17 : Thành tích chòm xoay so với không xoay 68 Hình 3.18 : Khoảng bảo vệ đối (GI) với 8K 1/32 32K 1/128 69 Hình 3.19 : So sánh mã sửa sai sử dụng DVB-T DVB-T2 69 Hình 3.20 : Sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số qua mạng 71 Hình 3.21 : Cấu trúc khung dòng truyền tải 73 Hình 3.22 : Định vị Bytes lên Symbols cho kiểu điều chế 64-QAM 75 Hình 3.23 : Phối hợp định tuyến Byte với mã hoá Visai hai bit MSB 76 Hình 3.24 : So sánh điều chế sử dụng DVB-C DVB-C2 76 Hình 3.25 : Cấu trúc hệ thống DVB-C2 78 Hình 3.26 : a Quá trình xử lý tín hiệu hệ thống DVB-C2 79 b Cấu trúc xử lý tín hiệu đầu vào 79 c Chèn bít mã nén modul 80 d Quá trình xây dựng khung tín hiệu e Bộ phát tín hiệu ghép kênh trực giao OFDM 80 81 Hình 3.27 : Sơ đồ xoá gói dư thừa 82 Hình 3.28 : Định dạng BBHeader 82 Hình 3.29 : Cấu trúc modul xử lý tín hiệu đầu vào 83 Hình 3.30 : Định dạng cho chế độ High Efficiency Mode 83 Hình 3.31 : Định dạng cho chế độ Normail Mode 84 Hình 3.32 : Cấu trúc BBFrame 84 Hình 3.33 : Xáo trộn liệu 85 Hình 3.34 : Cấu trúc hệ thống OFDM 85 Hình 3.35 : Phổ tín hiệu phát DVB-C2 87 Hình 3.36 : Quá trình thu phát phát HDTV qua IP 88 Hình 3.37 : Cấu trúc gói liệu IP 89 Hình 4.1 : Mô hình DVB-T, mode 2k 90 Hình 4.2 : Khối cộng nhiễu Gauss trắng 90 Hình 4.3 : Bộ mã hoá Convolutional Code 91 Hình 4.4 : Sơ đồ mô hình hệ thống DVB-T2 mode 32k 92 Hình 4.5 : Mô hình DVB-S2 92 Hình 4.6 : Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T 93 Hình 4.7 : So sánh phụ thuộc BER vào Eb/No kênh Gaussian sau sửa lỗi LDPC sử dụng QPSK 8QPSK Hình 4.8 : Sự phụ thuộc BER vào Eb/No kênh Gaussian sau sửa lỗi Viterbi sử dụng QAM Hình 5.1 : 93 94 a Mô tả chuyển đổi khuôn hình b,c,d Màn hình tivi chuyển đổi khuôn hình SD sang HD 97 Hình 5.2 : Minh họa trình De-Interlacing 97 Hình 5.3 : Nội suy điểm ảnh 98 Hình 5.4 : Kỹ thuật upconversion 100 Hình 5.5 : Kỹ thuật liên khung bù chuyển động 101 Hình 5.6 : Hệ thống thu tín hiệu 104 Hình 5.7 : Sơ đồ khối chức Upconverter 106 MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV 1.1.Khái niệm HDTV Error! Bookmark not defined 1.1.1.Ưu điểm HDTV Error! Bookmark not defined 1.1.2.Tỷ lệ khuôn hình 1.1.3.Đặc tính quét ảnh 1.1.4.Độ phân giải hình băng thông tín hiệu 1.2.Lịch sử xu hướng phát triển 1.2.1 HDTV Nhật Bản 1.2.2 HDTV Mỹ 1.2.3 HDTV châu Âu 10 1.3.Mô hình tổng quan hệ thống HD 12 1.3.1.Hệ thống thiết bị trung tâm (Master Headend) .12 1.3.2.Hệ thống mạng phân phối tín hiệu 13 1.3.3.Thiết bị đầu cuối thuê bao 13 CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HDTV 14 2.1.Tần số lấy mẫu cấu trúc lấy mẫu 14 2.2.Lượng tử hoá 15 2.3.Nén video số MPEG 17 2.3.1.Tổng quan nén MPEG 17 2.3.2.Nguyên lý nén Video 18 2.3.3.Nén ảnh 19 2.3.4.Nén liên ảnh 21 2.4.Nén MPEG 23 2.4.1.Tổng quan MPEG .23 2.4.2 MPEG Profile 28 2.4.3 MPEG Visual (Part 2) .32 2.4.4 MPEG AVC (Part 10)/ H264 37 2.5.Nén HDTV 46 2.6.Chuyển đổi âm tiêu chuẩn SD sang âm tiêu chuẩn HD 48 CHƯƠNG 3: TRUYỀN DẪN HDTV 51 3.1.Phát HDTV qua vệ tinh 51 3.1.1 Phát sóng theo chuẩn DVB-S 52 3.1.2 Chuẩn DVB-S2 53 3.1.3 Phát HDTV qua vệ tinh sử dụng DVB-S2 .55 3.2.Phát HDTV qua sóng mặt đất 57 3.2.1 Chuẩn DVB-T 57 3.2.2 Chuẩn DVB-T2 .58 3.3.Phát HDTV qua mạng cáp .70 3.3.1 Phát HDTV qua chuẩn DVB-C .70 3.3.2 Giới thiệu DVB-C2 75 3.3.3 Kiến trúc hệ thống DVB-C2 .76 3.4.Phát HDTV qua IP 87 CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN HDTV .89 4.1.Mô hình mô 89 4.1.1.Mô hình hệ thống DVB-T .89 4.1.2.Mô hình hệ thống DVB-T2 .91 4.1.3.Mô hình hệ thống DVB-S2 .91 4.2.Đánh giá số kết mô .92 4.2.1.Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T 92 4.2.2.Hệ thống DVB-S2 92 4.2.3.Hệ thống DVB-T2 93 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI HDTV TẠI VIỆT NAM .95 5.1.Cơ sở lý thuyết việc chuyển đổi 96 5.1.1.Chuyển đổi khuôn hình 96 5.1.2.Kỹ thuật De-interlacing 97 5.1.3.Kỹ thuật upconvesion 100 5.2.Tiêu chuẩn công nghệ lựa chọn thiết bị cho hệ thống 101 5.2.1.Các yếu tố phải đáp ứng hệ thống truyền hình cáp 103 5.2.2.Dây chuyền công nghệ lựa chọn thiết bị 103 KẾT LUẬN .110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .112 Hình 5.3: Nội suy điểm ảnh Điểm ảnh nội suy tổng hợp điểm ảnh lân cận trường ảnh (field) Có thể mô tả thuật toán sau: Định nghĩa: Chuỗi tín hiệu video số quét liên tục mảng liệu chiều bao gồm trục ngang, dọc trục thời gian Ta coi hàm Fp [x; y; n] với x : trục ngang, y: trục đứng n số trường Một điểm ảnh biểu diễn công thức sau: Thuật toán cho thấy có dòng chẵn quét mành chẵn dòng lẻ quét dòng lẻ Để tìm phần thiếu trường ảnh người ta áp dụng công thức : Là điểm ảnh thiếu trường ảnh ( chẵn, lẻ) mà cần phải tìm Có hai phương pháp áp dụng để tìm phần bù thiếu kĩ thuật interframe Intraframe - Interframe hay Lọc không gian: kỹ thuật khôi phục lai chế độ quét liên ục phương pháp nội suy điểm ảnh từ điểm ảnh khung.Công thức biểu diễn chế kỹ thuật Interframe : Hình ảnh biểu diễn kỹ thuật Interframe Hoặc nội suy điểm ảnh từ điểm ảnh kế cận Hình ảnh biểu diễn - Intraframe kỹ thuật lọc miền thời gian cho phép nội suy điểm ảnh từ nhiều trường liên tiếp Hình ảnh biểu diễn : Như với giải pháp cho phép khôi phục lai số dòng quét trường ảnh hình ảnh quét với chế độ liên tục Đồng thời cho phép tăng số dòng quét khung ảnh 5.1.3.Kỹ thuật upconvesion Đây kỹ thuật cho phép nội suy khung ảnh loại bỏ số hiệu ứng xấu để tăng chất lượng hình ảnh Hình biểu diễn kỹ thuật upconversion Hình 5.4: Kỹ thuật upconversion Để đảm bảo chất lượng hinh ảnh tăng tốc độ truyền khung, loại bỏ tượng ảnh nhấp nháy nhoè ảnh người ta áp dụng kỹ thuật liên khung bù chuyển động Dưới hình ảnh biểu diễn kỹ thuật liên khung bù chuyển động a, b, c, Hình 5.5: Kỹ thuật liên khung bù chuyển động Kết kỹ thuật cho phép thu hình ảnh sắc nét 5.2.Tiêu chuẩn công nghệ lựa chọn thiết bị cho hệ thống Hình sau mô tả sơ đồ đấu nối thiết bị đề án phát hệ thống HDTV Truyền hình Cáp Việt Nam 5.2.1.Các yếu tố phải đáp ứng hệ thống truyền hình cáp Để đảm bảo chất lượng kỹ thuật nguồn tín hiệu truyền dẫn mạng cáp để thống tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống HFC, tiêu chuẩn kỹ thuật cần đáp ứng là: - Dải tần ÷ 862MHz: + ÷ 65 MHz: Truyền từ thuê bao trung tâm (Return Path) + 87 ÷ 550 MHz: Truyền dẫn tín hiệu tương tự từ trung tâm tới thuê bao + 550 ÷ 862 MHz: Truyền dẫn tín hiệu số từ trung tâm tới thuê bao - Tiêu chuẩn TH tương tự: + Hệ truyền hình màu PAL-B/G, băng tần 7/8MHz, hệ tiếng 5,5MHz +Mức tín hiệu đầu cuối: dBmV ÷ 20 dBmV + Tỷ số tín hiệu/ tạp nhiễu C/N ≥ 45 dB - Tiêu chuẩn TH số DVB: + Tốc độ dòng bít chương trình ÷ Mbps + Điều chế tín hiệu: 64QAM +Mức tín hiệu đầu cuối: -15 dBmV ÷ dBmV + Tỷ số tín hiệu/ tạp nhiễu C/N ≥ 35 dB 5.2.2.Dây truyền công nghệ lựa chọn thiết bị 5.2.2.1.Hệ thống thu tín hiệu từ vệ tinh kênh chương trình HDTV (phim truyện, thể thao ) thu trực tiếp từ tín hiệu vệ tinh bao gồm chảo thu Parabol đầu thu HDTV Trong yêu cầu hệ thống có hai kênh chương trình thu từ vệ tinh, số tiêu chí để lựa chọn đầu thu sau : - Bộ thu tín hiệu vệ tinh hỗ trợ chuẩn DVB –S DVB – S2 - Bộ nhớ kênh (Channel memory) : > 4500 - Tốc độ thu liệu cho phép (Symbol rate ) : 1- 50 Ms/sec - Các định dạng hỗ trợ : 1080i, 720p, 576p - Dải tần L-Band (L-Band Frequency Range.) : 0.9400 to 1.7500 GHz - Nguồn điện nuôi (Power supply) : 90-250 VAC, 50/60 Hz - Tốc độ liệu : 108 Mb/s - Hỗ trợ tiêu chuẩn nén MPEG-4 AVC/H.264 HP@L4 , MPEG-2 MP@HL - Hỗ trợ Video Output : High Definition Serial Digital Interface (HD-SDI) Standard - HDMI output - Audio/video outputs x RCA - YUV output 3x RCA - S-Video - Điều chế UHF (UHF modulator) - Tín hiệu âm số đầu : Dolby Digital™ AC-3™ 2.0 - EPG - C/Ku band compatible - Giao diện thân thiện, dễ sử dụng - Kích thước nhỏ gọn Hình 5.6: Hệ thống thu tín hiệu 5.2.2.2.Bộ chuyển đổi ADC Trong hệ thống có kênh VTV1, VTV3 sử dụng tín hiệu Analog nên thiết bị chuyển đổi ADC dùng để chuyển tín hiệu analog sang digital trước đưa tín hiệu kênh vào Upconverter Thiết bị chuyển đổi ADC làm nhiệm vụ chuyển đổi từ tín hiệu component analog từ VTR sang tín hiệu SDI trước ingest vào server phát sóng, thiết bị làm tăng chất lượng kênh Một số tiêu chuẩn để lựa chọn chuyển đổi sau : Tiêu chuẩn cho tín hiệu video tương tự đầu vào : Analogue input - Standards Composite, YC & YUV component 525 or 625 - Chấp nhận tín hiệu tương tự theo tiêu chuẩn NTSC , PAL and SECAM - Trở kháng (Impedance) : 75Ω - Loại Connector BNC - Return loss >36dB 5.5MHz Performance - Sai lệch Gain (Differential gain)