Công nghệ truyền hình số

Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa ĐIệN Tử VIễN THÔNG Báo cáo thực tập tốt nghiệp Đề tài: Công Nghệ Truyền Hình Số Giáo viên hớng dẫn : PGS TS Nguyễn Văn Khang Sinh viên thực : Trần DoÃn Bộ Lớp : Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội - 12/2012 SV:Trần DoÃn Bộ - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa ii Lời Cảm Ơn Trong trình làm đồ án tốt nghiệp em đà vận dụng đợc kiến thức mà thầy, cô đà truyền đạt năm vừa qua đồng thời em hiểu thêm đợc nhiều kiến thức mới, đặc biệt kỹ thuật nén tín hiệu audio, video cách xử lý tín hiệu truyền dẫn phát sóng chơng trình truyền hình số Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Khang đà trực tiếp hớng dẫn em làm đồ án Đồng thời em xin chân thành cảm ơn thầy cô trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đà truyền đạt cho em kiến thức năm qua để em hoàn thành đề tài đợc giao Sinh viên Trần DoÃn Bộ SV:Trần DoÃn Bộ - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO ii Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Häc B¸ch Khoaiii MỤC LỤC Lời nói đầu .1 Chương 1:Tổng Quan Về Cơng Nghệ Truyền Hình Số .3 Chương 2:Xử lý tín hiệu video 10 2.1 Số hố tín hiệu video 10 2.1.1 Lấy mẫu 11 2.1.2 Lượng tử hoá 17 2.1.3 Tín hiệu chuẩn thời gian TRS (Time Reference Signal) 20 2.1.4 Dữ liệu phụ ANC (Ancillary Data) 21 2.1.5 Quan hệ mành số mành tương tự .21 2.2 Nén tín hiệu video .23 2:2:1 Mã hoá dự báo DPCM 26 2:2:2 Mã chuyển vị (Transform Coding) 28 2.2.3 Nén ảnh (Intra-frame Compression) .32 2.2.5 Chuẩn nén video MPEG 40 Kết Luận .44 SV:Trần DoÃn Bộ - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO iii Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoaiv DANH MC HèNH, BNG HèNH Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số .8 Hình 2.1: Biến đổi A/D tín hiệu video màu tổng hợp 10 Hình 2.2: Biến đổi A/D tín hiệu video màu thành phần 10 H×nh 2.3: CÊu tróc trùc giao 12 Hình 2.4: Cấu trúc quincunx mành 12 H×nh 2.5: CÊu tróc “ quincunx “ dßng .12 H×nh 2.6: Quan hƯ dòng video số dòng video tơng tự hệ 525 dòng / 60 mành 14 Hình 2.7: Quan hệ dòng video số dòng video tơng tự hệ 625 dòng / 50 mành 14 Hình 2.8 : Tiêu chuÈn 4:4:4 15 Hình 2.9 : Tiêu chuẩn 4::2:2 16 Hình 2.10 : Tiêu chuẩn 4:2:0 16 H×nh 2.11 : Tiªu chuÈn 4:1:1 16 Hình 2.12 : Quan hệ mành số mành tơng tự hệ 525 dòng / 60 mành 22 Hình 2.13 : Quan hệ mành số mành tơng tự hệ 625 dòng / 50 mành 22 Hình 2.14 : Sự phối hợp kĩ thuËt nÐn 24 Hình 2.15 : Mà hoá DPCM 27 H×nh 2.17 : Sơ đồ khối DPCM liên mành 28 Hình 2.18 : Quá trình mà hoá DCT chiều 31Hình 2.19 : Biến đổi DCT hai chiều 32 Hình 2.20 : Nén theo ảnh (Frame) .33 H×nh 2.21 : NÐn theo mµnh (Field) 33 H×nh 2.22 : NÐn ¶nh (Intra-frame Compression) .33 H×nh 2.23 : Cấu tạo MB theo chuẩn lấy mẫu 34 H×nh 2.24 : QuÐt zig-zag hệ số lợng tử hoá DCT 35 Hình 2.25 : Quá trình nén ¶nh 36 Hình 2.27 : Sự bù chuyển động 38 H×nh 2.28 : Các khung hình I, B P 39 SV:TrÇn Do·n Bé - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO iv Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa v Hình 2.29 : Nén liên ảnh 39 Hình 2.30 : Bộ mà hoá Video MPEG .42 Hình 2.31 : CÊu tróc nhãm ¶nh 43 Hình 2.32 : Giải nén MPEG 43 SV:TrÇn Do·n Bé - UN07 - 6066 Líp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO v Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoavi BNG Bảng 2.1: Giá trị từ mà ứng với mức điện áp tín hiệu Y 18 Bảng 2.2 : Giá trị từ mà ứng với mức điện áp tín hiệu Y Số hoá 10 bit; 0,799 mV / møc .18 B¶ng 2.3 : Giá trị từ mà ứng với mức ®iƯn ¸p tÝn hiƯu CB, CR Sè ho¸ bit, 3,125 mV / møc 19 Bảng 2.4 : Giá trị từ mà ứng với mức điện ¸p tÝn hiÖu C B, CR Sè ho¸ 10 bit; 0,781 mV / møc 19 SV:TrÇn Do·n Bé - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO vi Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Lời nói đầu Trong năm gần đây, với sách mở cửa đắn Đảng nhà nớc kinh tế nớc nhà đà phát triển với tốc độ cao Các thành tựu khoa học kỹ thuật giới đà nhanh chóng thâm nhập vào nớc ta Đặc biệt lĩnh vực điện tử-viễn thông, xuất công nghệ đại, dây chuyền sản xuất cã møc ®é tù ®éng hãa cao víi hƯ thèng điều khiển tự động tiên tiến đà tạo điều kiện thúc đẩy thành phần kinh tế nớc phát triển vợt bậc số lợng lẫn chất lợng Sự phát triển không ngừng kỹ thuật số đà xâm nhập vào hầu hết tất lĩnh vực khoa học kĩ thuật, kĩ thuật truyền hình không nằm trình Công nghệ số diễn truyền hình ngày không yêu cầu ngày cao chất lợng dịch vụ truyền hình mà sức ép tăng lên nguồn tài nguyên phổ tần số Đối với nớc có công nghiệp truyền hìnhviễn thông phát triển mạnh, vấn đề trở nên gay gắt hết Bên cạnh đó, nhu cầu cạnh tranh kinh tế thị trờng đà thúc ép nớc phải nhanh chóng xác lập lựa chọn chuẩn số thích hợp, để sớm tung thiết bị hay dịch vụ số để chiếm thợng phong thị trờng Hầu hết nớc đà đặt lộ trình chuyển đổi sang số chấm dứt truyền hình tơng tự khoảng thời gian từ 10 đến 15 năm tới Đối với Việt Nam, nớc nghèo với đặc thù riêng mình, vấn đề số hoá lại có ý nghĩa khác Về tài nguyên phổ tần, có lẽ vòng 10 đến 15 năm tới, cha bị thúc ép gay gắt nh nớc có ngành truyền hình-viễn thông phát triển Bên cạnh mục đích nâng cao chất lợng phục vụ ngời xem, truyền hình Việt Nam 10 đến 15 năm buộc phải chuyển sang số thiết bị tơng tự không đợc sản suất Nh vậy, số hoá truyền hình đờng tất yếu mà truyền hình Việt Nam cần phải nhiều khó khăn trớc mắt nh điều kiện kinh tế eo hẹp, công nghiệp trình độ khoa học kỹ thuật non trẻ Trong khuôn khổ ®å ¸n, em ®Ị cËp tíi c¸c vÊn ®Ị cđa trình thực số hoá tín hiệu truyền hình tơng tự, đồng thời trình bày khái quát phơng thức truyền dẫn, tiêu chuẩn truyền hình số Bố cục đồ án bao gồm chơng: Chơng1:Tổng quan công nghệ truyền hình số SV:Trần Do·n Bé - UN07 - 6066 Líp §iƯn Tư ViƠn Thông- K3 UNESCO Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Chơng2: Xử lý tín hiệu video : bao gồm số hoá thực nén tín hiệu video Mặc dù thân đà có nhiều cố gắng song trình độ chuyên môn giới hạn, tài liệu tham khảo hạn chế cộng với thời gian thực không dài nên trình thực không tránh đợc sai lầm, thiếu sót Vì điều kiện thực tế không cho phép nên đồ án em dừng lại mức độ lý thuyết Rất mong đợc thông cảm hớng dẫn, bảo thêm thầy cô bè bạn để em hiểu rõ lĩnh vực Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô, bạn bè đà giúp đỡ em trình thực Đặc biệt hớng dẫn tận tình thầy PGS.TS Nguyễn Văn Khang, thầy đà trực tiếp dẫn, định hớng, tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án SV:Trần DoÃn Bộ - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO Báo Cáo Thực Tập Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Chơng Tổng Quan Về Công Nghệ Truyền Hình Số Trong năm gần kĩ thuật số đà có bớc phát triển nhảy vọt với sản phẩm công nghệ cao, giá thành hạ đợc ứng dụng mạnh mẽ vào ngành kĩ thuật khác Trớc kĩ thuật số đợc áp dụng vào kĩ thuật truyền hình, công nghệ kĩ thuật số đà phát triển mức độ cao hệ thống xử lý liệu hệ thống truyền tin Kết truyền hình số đà phát triển nhanh, thể nhiều u điểm so với truyền hình tơng tự dần chiếm lĩnh u tạo nên cách mạng thực công nghiệp truyền hình Sự dịch chuyển từ dịch vụ truyền hình dựa ứng dụng kỹ thuật tơng tự sang dịch vụ truyền hình dựa ứng dụng kỹ thuật số phát triển cách nhanh chóng Sự dịch chuyển dịch vụ truyền hình phần nhờ kết hội tụ lĩnh vực: truyền hình, viễn thông, ngành khoa học đồ hoạ máy tính thông qua việc sử dụng kỹ thuật số Tín hiệu đầu vào đầu hệ thống truyền hình, camera đầu thu tơng ứng vốn là tín hiệu tơng tự Nh vậy, có câu hỏi tự nhiên đợc đặt phải số hoá Trong suy giảm tín hiệu tín hiệu tơng tự đợc tích luỹ khả để tái tạo lại chuỗi xung số cách xác dễ dàng Luồng bit số đợc xen kẽ kênh, trình xen kẽ cho phép phát xạ, truyền dẫn, lu trữ , xư lý tÝn hiƯu phơ cïng víi tÝn hiƯu video audio Hơn nữa, kỹ thuật nén số dựa cắt giảm độ d thừa đợc ứng dụng để số hoá dịch vụ video audio cho phép truyền dịch vụ HDTV nhiều dịch vụ truyền hình bình thờng kênh có độ rộng kênh phát hình tơng tự quảng bá Sử dụng phơng pháp số để tạo,lu trữ truyền tín hiệu chơng trình truyền hình kênh thông tin mở khả đặc biệt rộng rÃi cho thiết bị truyền hình Trong số ứng dụng tín hiệu số đợc thay hoàn toàn cho tín hiệu tơng có khả thực đợc chức mà tín hiệu tơng tự hầu nh làm đợc khã thùc hiƯn, nhÊt lµ viƯc xư lý tÝn hiệu lu trữ SV:Trần DoÃn Bộ - UN07 - 6066 Lớp Điện Tử Viễn Thông- K3 UNESCO ... chấp thuận số vùng lÃnh thổ theo khuyến nghị ITU chuẩn theo vùng địa lý Những ứng dụng kỹ thuật số truyền hình đà đem lại công nghệ truyền hình số với nhiều u điểm Công nghệ truyền hình số đà bộc... sai Số hoá toàn hệ thống truyền hình có nghĩa chuyển tín hiệu tơng tự sang dạng số từ camera truyền hình, máy phát hình, kênh truyền đến máy thu hình Việc số hoá hệ thống truyền hình (các hệ truyền. .. mà tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tơng tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mà hoá giải mà tín hiệu truyền hình Mà hoá