ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Thu Trang TRUYỀN HÌNH SỐ CĨ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO HDTV VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Ngô Thái Trị Hà Nội – 2009 MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV 1.1.Khái niệm HDTV 1.1.1 Khái niệm ƣu điểm HDTV [5] .3 1.1.2.Tỷ lệ khn hình [3] 1.1.3.Đặc tính quét ảnh 1.1.4.Độ phân giải hình băng thơng tín hiệu 1.2.Lịch sử xu hƣớng phát triển [5] 1.2.1 HDTV Nhật Bản 1.2.2 HDTV Mỹ .8 1.2.3 HDTV châu Âu 1.3.Mơ hình tổng quan hệ thống HD 11 1.3.1.Hệ thống thiết bị trung tâm (Master Headend) 11 1.3.2.Hệ thống mạng phân phối tín hiệu 12 1.3.3.Thiết bị đầu cuối thuê bao 12 CHƢƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG HDTV 13 2.1.Tần số lấy mẫu cấu trúc lấy mẫu 13 2.2.Lƣợng tử hoá 14 2.3.Nén video số MPEG [3] 16 2.3.1.Tổng quan nén MPEG .16 2.3.2.Nguyên lý nén Video 17 2.3.3.Nén ảnh 18 2.3.4.Nén liên ảnh 19 2.4.Nén MPEG [3] 21 2.4.1.Tổng quan MPEG 21 2.4.2 MPEG Profile 26 2.4.3 MPEG Visual (Part 2) 30 2.4.4 MPEG AVC (Part 10)/ H264 34 2.5.Nén HDTV 41 2.6.Chuyển đổi âm tiêu chuẩn SD sang âm tiêu chuẩn HD .44 CHƢƠNG 3: TRUYỀN DẪN HDTV 46 3.1.Phát HDTV qua vệ tinh 46 3.1.1 Phát sóng theo chuẩn DVB-S 47 3.1.2 Chuẩn DVB-S2 [4] 48 3.1.3 Phát HDTV qua vệ tinh sử dụng DVB-S2 .50 3.2.Phát HDTV qua sóng mặt đất 51 3.2.1 Chuẩn DVB-T 52 3.2.2 Chuẩn DVB-T2 [4] 53 3.3.Phát HDTV qua mạng cáp .64 3.3.1 Phát HDTV qua chuẩn DVB-C 64 3.3.2 Giới thiệu DVB-C2[4] 69 3.3.3 Kiến trúc hệ thống DVB-C2 70 3.4.Phát HDTV qua IP 80 CHƢƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 82 4.1.Mơ hình mơ 82 4.1.1.Mơ hình hệ thống DVB-T 82 4.1.2.Mơ hình hệ thống DVB-T2 .83 4.1.3.Mơ hình hệ thống DVB-S2 84 4.2.Đánh giá số kết mô 84 4.2.1.Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T .84 4.2.2.Hệ thống DVB-S2 .85 4.2.3.Hệ thống DVB-T2 .85 CHƢƠNG 5: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI HDTV TẠI VIỆT NAM .87 5.1.Cơ sở lý thuyết việc chuyển đổi 88 5.1.1.Chuyển đổi khn hình .88 5.1.2.Kỹ thuật De-interlacing [6] .89 5.1.3.Kỹ thuật upconvesion [6] 91 5.2.Tiêu chuẩn công nghệ lựa chọn thiết bị cho hệ thống 93 5.2.1.Các yếu tố phải đáp ứng hệ thống truyền hình cáp .95 5.2.2.Dây truyền công nghệ lựa chọn thiết bị 95 KẾT LUẬN: 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .102 MỞ ĐẦU HDTV (High-definition television) hệ thống truyền hình số quảng bá có độ phân giải cao cho hình ảnh đẹp, sắc nét, màu sắc đa dạng phong phú kết hợp với hệ thống âm số trung thực, đa kênh tạo dịch vụ có chất lƣợng trội so với hệ thống truyền hình truyền thống (PAL, NTSC, SECAM) Chuẩn truyền hình đƣa đến cho ngƣời xem khơng cảm nhận chất lƣợng hình ảnh tốt với độ phân giải cao mà mang lại cảm giác ấn tƣợng vẻ đẹp, độ chân thực, độ sâu kích thƣớc tồn hình ảnh Hơn nữa, với việc cung cấp tín hiệu âm vòng (surround sound) 5.1 mang lại cho ngƣời xem cảm giác nhƣ ngồi rạp chiếu phim Việc ngƣời dùng chuyển lên HDTV thay SDTV đƣợc coi bƣớc tiến đáng nhớ cho ngành công nghiệp điện tử gia dụng, tƣơng tự nhƣ việc nhân loại chuyển từ tivi đen trắng sang tivi màu trƣớc Việc truyền dẫn dịch vụ HDTV công công nghệ khác đặc biệt sử dụng chuẩn DVB (T,S,C) gặp khó khăn yêu cầu cân băng thơng tín hiệu chất lƣợng kênh truyền Sự đời chuẩn nén MPEG-4/AV cải thiện đƣợc hiệu suất nén dịng tín hiệu hiệu sử dụng kênh truyền Đầu năm 2009 đánh dấu công nhận hệ tiêu chuẩn thứ DVB gồm DVB- T2, DVB-S2, DVB-C2 với việc làm giảm nhiều dung lƣợng kênh, tăng độ tin cậy khả chống nhiễu thúc đẩy phát triển mạnh dịch vụ HDTV Hiện Việt Nam truyền hình độ phân giải cao khái niệm ngƣời sử dụng Trên thị trƣờng xuất hình Plasma LCD xem truyền hình với độ phân giải cao, việc sản xuất chƣơng trình nhƣ cung cấp loại hình dịch vụ giai đoạn xây dựng phƣơng án đầu tƣ, nghiên cứu phát thử nghiệm Luận văn “Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV khả ứng dụng Việt Nam” vào nghiên cứu công nghệ, chuẩn sử dụng HDTV đánh giá so sánh đƣợc hiệu việc sử dụng tiêu chuẩn DVB thứ truyền dẫn phát sóng HDTV Đồng thời đánh giá đƣợc trạng việc áp dụng công nghệ tiên tiến vào nƣớc ta ngƣời sử dụng có cách sâu sắc dịch vụ HDTV Việt Nam Nội dung luận văn đƣợc chia thành chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan HDTV Chƣơng 2: Các công nghệ kỹ thuật sử dụng HDTV: Lấy mẫu, lƣợng tử hoá, nén video số, chuẩn nén MPEG4, MPEG-4/AVC, kỹ thuật âm vịng sử dụng HDTV Chƣơng 3: Các cơng nghệ truyền dẫn HDTV, giới thiệu chuẩn DVB hệ thứ (DVB-T2,DVB-S2,DVB-C2) so sánh đánh giá hiệu kênh truyền Chƣơng 4: Một số kết mô sử dụng phần mềm mô MATLAB 2009a mô hệ HDTV, so sánh đánh giá hiệu suất việc dùng chuẩn DVB hệ thứ qua mã hoá LDPC Chƣơng 5: Ứng dụng triển khai HDTV Việt Nam Qua việc giới thiệu đề án xây dựng hệ thống HDTV Truyền hình cáp Việt Nam giúp hiểu kỹ việc triển khai HDTV Qua lời nói đầu tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Ngô Thái Trị, ngƣời tận tình hƣớng dẫn tơi q trình hoàn thiện luận văn này; xin đƣợc cảm ơn thầy cô giáo, bạn học lớp, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ động viên suốt thời gian thực luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2009 Học viên Nguyễn Thị Thu Trang CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV 1.1.Khái niệm HDTV 1.1.1 Khái niệm ƣu điểm HDTV [5] HDTV sử dụng kỹ thuật tiên tiến để tăng thêm chi tiết ảnh cải tiến chất lƣợng âm cung cấp tới tivi Chất lƣợng hình ảnh tƣơng đƣơng với 35 mm phim camera, chất lƣợng âm tƣơng đƣơng với máy nghe nhạc compact Để đạt đƣợc điều HDTV tạo thêm dịng điện tử quét ngang hình thêm electron để tạo thêm chi tiết ảnh Các hệ thống truyền hình truyền thống cung cấp loại tivi với 525 dòng quét (NTSC) với 300 điểm ảnh trên/dòng HDTV sử dùng 1000 dòng quét với khoảng 1000 điểm ảnh dòng Với việc tăng thơng tin cho hình ảnh nên HDTV yêu cầu băng thông cao hẳn so với hệ thống truyền hình truyền thống tăng hiệu suất sử dụng băng thông Các ƣu điểm HDTV so với SDTV Khn hình rộng hơn, hình ảnh có độ sắc nét rõ ràng Âm với chất lƣợng cao Băng thông sử dụng hẹp Khả chống xuyên nhiễu tốt, số tƣợng nhƣ bóng hình (ghosting), muỗi (snow) khơng tìm thấy với hệ thống HDTV 1.1.2.Tỷ lệ khn hình [3] Tỷ lệ khn hình tỷ lệ chiều ngang chiều cao hình ảnh, chất tỷ lệ số điểm ảnh tích cực dịng số dịng tích cực Tỷ lệ truyền thống 4:3, tỷ lệ khn hình rộng 16:9 Một số ƣu điểm khn hình rộng là: Góc nhìn thấy ngƣời khoảng xung quanh 120 o, nhƣng nhìn hình nhỏ tỷ lệ 4:3 từ khoảng cách vài mét, phải làm hẹp góc nhìn cách đáng kể chí lên đến 10o Điều làm giảm khả cảm thụ hình ảnh + Tỷ lệ khn hình 16:9 (1.78:1) gần với tỷ lệ khn hình sử dụng điện ảnh (thƣờng 1.85:1 2.35:1) + Phần lớn chuyển động hình đƣợc thực theo chiều ngang (ví dụ bóng đá, đua xe), hình rộng đáp ứng tốt + Màn hình rộng có nghĩa giảm bớt số lƣợng hình cận cảnh chuyển cảnh Mặt khác chuyển động hình rộng liền mạch liên tục với chƣơng trình có tính phim ảnh Nói cách đơn giản giảm bớt + đƣợc chuyển cảnh nhanh ta nhìn đƣợc nhiều hình rộng Hình sau cho ta thấy hiệu tỷ lệ khn hình 16 Khoảng cách nhìn: 3H Khoảng cách nhìn: 7H Góc nhìn: 300 Góc nhìn: 100 Hình 1.1: So sánh HDTV SDTV tỷ lệ khn hình HDTV sử dụng tỷ lệ khn hình rộng 16:9 1.1.3.Đặc tính qt ảnh Với định dạng 720p, tần số mành tần số khung, khung hình truyền bao gồm mành qt với 750 dịng tín hiệu Với định dạng 1080i, khung hình gồm 1125 dịng tín hiệu, đƣợc truyền mành Mành gồm dòng lẻ, gồm có 563 dịng Mành gồm dịng chẵn, gồm có 562 dịng Tần số khung tƣơng ứng với hệ tần số 25Hz 30Hz Tần số dòng với định dạng 1080/30i: fH = 30 x 1125 = 33750Hz Tƣơng tự nhƣ vậy, tần số dòng với định dạng 1080/25i 28125Hz, với định dạng 720/60p 45000Hz, với định dạng 720/50p 37500Hz Bảng sau thể thông số quét ảnh HDTV tƣơng tự STT Thông số Tần số khung (Hz) Tần số mành (Hz) Dạng quét Tổng số dịng Dịng tích cực Dịng trống Tần số dịng (fH, Hz) Bảng 1.1: Thơng số quét ảnh HDTV 1.1.4.Độ phân giải hình băng thơng tín hiệu Độ phân giải đứng tƣơng đƣơng với số lần chuyển đổi dịng tín hiệu mức trắng mức đen toàn ảnh Từ năm 1930, xác định độ phân giải chiều đứng đƣợc tính 70% số dịng tích cực Hệ số 0.7 đƣợc gọi hệ số K (Kell Factor) Độ phân giải chiều đứng thƣờng đƣợc thể dạng số dòng chiều cao ảnh (LPH – Lines per piture height), giá trị đƣợc dùng để xác định mức phân giải đứng tối đa hiển thị đƣợc Nếu ảnh yêu cầu độ phân giải cao giá trị phân giải đứng mành ảnh bị mờ Độ phân giải ngang mành định bề rộng băng thông cần thiết để truyền tín hiệu Ta tính tốn ví dụ hệ 1080/25i nhƣ sau: Số dịng tích cực: 1080 Độ phân giải đứng: 1080 x 0.7 = 756 LPH Với tỷ lệ khn hình 16:9, chiều ngang mành phải đảm bảo hiển thị số điểm ảnh là: 756 x 16/9 = 1344 điểm ảnh Tần số mành hệ 1080/25i là: 28125Hz, thời gian tích cực dịng là: (1/28125) x (1920/2640) = 25.858µs Do chiều ngang có số điểm ảnh 1344, nên số lần chuyển đổi điểm ảnh đen trắng dòng 1344/2 = 672 lần Thời gian lần chuyển đổi là: 25.858/672 = 0.0384µs Tần số cực đại là: 1/0.0384 = 26.04 MHz 91 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 trƣờng liên tiếp - Hình ảnh biểu diễn : Nhƣ với giải pháp cho phép khôi phục lai số dòng quét trƣờng ảnh nhƣ hình ảnh đƣợc quét với chế độ liên tục Đồng thời cho phép tăng số dòng quét khung ảnh 5.1.3.Kỹ thuật upconvesion [6] Đây kỹ thuật cho phép nội suy khung ảnh loại bỏ số hiệu ứng xấu để tăng chất lƣợng hình ảnh Hình dƣới biểu diễn kỹ thuật upconversion 92 Hình 5.4: Kỹ thuật upconversion Để đảm bảo chất lƣợng hinh ảnh tăng tốc độ truyền khung, loại bỏ tƣợng ảnh nhấp nháy nhoè ảnh ngƣời ta áp dụng kỹ thuật liên khung bù chuyển động Dƣới hình ảnh biểu diễn kỹ thuật liên khung bù chuyển động a, b, 93 c, Hình 5.5: Kỹ thuật liên khung bù chuyển động Kết kỹ thuật cho phép thu đƣợc hình ảnh sắc nét 5.2.Tiêu chuẩn công nghệ lựa chọn thiết bị cho hệ thống Hình sau mơ tả sơ đồ đấu nối thiết bị đề án phát hệ thống HDTV Truyền hình Cáp Việt Nam 94 Chuyển mạch phát sóng HỆ THỐNG HD TRÊN MẠNG TH CÁP Upconverter SDI HD ADC Component VTR Upconverter HD SDI ADC Component Upconverter HD Upconverter HD 16X16 HD As Require MPEG4(ASI) SDI ROUT ER HD - Receiver HD Source CA DVB -S MPEG4(ASI) ` HD CG Monitor Controller system HD Monitor 95 5.2.1.Các yếu tố phải đáp ứng hệ thống truyền hình cáp Để đảm bảo chất lƣợng kỹ thuật nguồn tín hiệu truyền dẫn mạng cáp nhƣ 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 tƣơng tự từ trung tâm tới thuê bao 550 ÷ 862 MHz: Truyền dẫn tín hiệu số từ trung tâm tới thuê bao Tiêu chuẩn TH tƣơng 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 dịng bít chƣơng 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 chƣơng trình HDTV (phim truyện, thể thao ) đƣợc thu trực tiếp từ tín hiệu vệ tinh bao gồm chảo thu Parabol đầu thu HDTV Trong yêu cầu hệ thống có kênh chƣơng trình thu từ vệ tinh, số tiêu chí để lựa chọn đầu thu nhƣ 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 96 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 thƣớc 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 trƣớc đƣa 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 trƣớc đƣợc ingest vào server phát sóng, thiết bị làm tăng chất lƣợng kênh Một số tiêu chuẩn để lựa chọn chuyển đổi nhƣ sau : Tiêu chuẩn cho tín hiệu video tƣơng tự đầu vào : Analogue input - Standards Composite, YC & YUV component 525 or 625 - Chấp nhận tín hiệu tƣơng tự theo tiêu chuẩn NTSC , PAL and SECAM - Trở kháng (Impedance) : 75Ω 97 - Loại Connector BNC Return loss >36dB 5.5MHz Performance Sai lệch Gain (Differential gain)