Đồ án tốt nghiệp xử lý tín hiệu video bao gồm số hoá và thực hiện nén tín hiệu video

Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa 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 Thông- K3 UNESCO i Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO Trờng Đại Học Bách Khoa ii Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa MC LC Lời nói đầu Chương 1:Tổng Quan Về Công Nghệ Truyền Hình Số .3 Ch¬ng 2:Xư lý tÝn hiÖu video .10 2.1 / Sè ho¸ tÝn hiƯu video .10 2.1.1 / LÊy mÉu 11 2.1.2 / Lợng tử hoá 17 2.1.3 / TÝn hiÖu chuÈn thêi gian TRS (Time Reference Signal) 20 2.1.4 / D÷ liƯu phơ ANC (Ancillary Data) .21 2.1.5 / Quan hệ mành số mành tơng tự .21 2.2 / Nén tÝn hiÖu video 22 2:2:1 / M· ho¸ dù b¸o DPCM 26 2:2:2 / M· chun vÞ (Transform Coding) 28 2.2.3 / NÐn ¶nh (Intra-frame Compression) .32 2.2.4 / NÐn liªn ¶nh (Inter-frame Compression) 37 2.2.5 / ChuÈn nÐn video MPEG 39 Ch¬ng 3:Trun dÉn tÝn hiƯu trun h×nh sè 43 3.1 / Trun hình số mặt đất DTTB(Digital Terrestrial Television Broadcasting) 43 3.2 / Trun h×nh c¸p .45 3.3 / Trun h×nh vƯ tinh 47 3.4 / Trun h×nh MDS (Multipoint Distribution System) 48 SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO iii Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp 3.4.1 / Truyền Trờng Đại Học Bách Khoa hình MMDS (Multichanel Multipoint Distribution System) 49 3.4.2 / Trun h×nh LMDS (Local Multipoint Distribution System) 52 KÕt LuËn 56 SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO iv Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Các từ viết tắt A/D Analog to Digital AC-3 5.1 Channel Digital Audio Compression System ACATS Advisory Committee on Advanced Television Systems (USA) ACI Adjacent Channel Interference AFC Automatic Frequency Control AGC Automatic Gain Control ATSC Advanced Television Systems Committee (USA) ATV Advanced Television AWGN Additive White Gaussian Noise B- Bidirectionally predictive pictures (motion) pictures compensation BAT Bouquet Association Table (part of SI) BER Bit Error Rate BRR Bit Reduction Rate BST- Band Segmented Transmission - OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex C/I Carrier to Interference C/N Carrier to Noise CA Conditional Access CAT Conditional-Access Table (part of SI) CCI Co Channel Interference SV:TrÇn Do·n Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO v Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa CD Compact Disk CIF Common Image Format COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing CPE Common Phase Error CRO Cathode Ray Oscilloscope CW Continuous Wave D/A Digital to Analog D/U Desired to Undesired DAB Digital Audio Broadcasting dB Decibel DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying DBS Direct Broadcast Satellite DCA Department of Communications and the Arts DCT Discrete Cosine Transform DMV Digital Media Vision (company now called NDS broadcast) DPCM Differential Pulse Code Modulation DSP Digital Signal Processor DTB Digital Television Broadcasting DTT Digital Terrestrial Television DTTB Digital Terrestrial Television Broadcasting DTV Digital Television SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO vi Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp DVB Trờng Đại Học Bách Khoa Digital Video Broadcasting, suffixed S for satellite, C for cable, T for terrestrial, CS for SMATV, TXT for fixed-format teletext and MS for MMDS DVC Digital Video Cassette DVD Digital Video Disk EBU European Broadcasting Union EDTV Enhanced Definition Television EIT Event Information Table (part of SI) ELG European Launching Group EPG Electronic Programme Guide EPROM Erasable Programmable Read Only Memory ETS European Telecommunication Standard ETSI European Telecommunication Standards Institute FACTS Federation of Australian Commercial Television Stations FCC Federal Communications Commission FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform GA Grand Alliance GOP Group Of Pictures (motion compensation) GPS Global Positioning System HD High Definition HDTV High Definition Television Broadcasting HFC Hybrid Fibre Coax SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO vii Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học B¸ch Khoa HP Hewlett Packard I- Intra pictures (motion compensation) pictures IBC International Broadcasting Conference ICI Inter-Carrier Interference IDCT Inverse Discrete Cosine Transform IEC International Electrotechnical Commission IF Intermediate Frequency IFFT Inverse fast Fourier transform IMD Inter-Modulation Distortion IR Infra Red IRD Integrated Receiver Decoder ISDB Integrated Services Digital Broadcasting ISO International Standardisation Organisation ITU International Telecommunication Union LDTV Low Definition Television LOP Limit of Perceptibility MAC Multiplexed Analog Components MATV Master Antenna Television MCC Multiplex Control Computer MMDS Multichannel, Multipoint Distribution System, or, multipoint microwave distribution system MPEG Video bit-rate reduction systems determined by the Moving Picture Experts Group NDS News Data Systems (company previously called SV:TrÇn Do·n Bé - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO viii Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa DMV) NIT Network Information Table (part of SI) NTA National Transmission Authority OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P- Predictive pictures pictures PA Power Amplifier PAL Phase Alternate Line Television System PAT Programme Association Table (part of SI) PMT Programme Map Table (part of SI) PPV Pay Per View PRBS Pseudo Random Binary Sequence PROM Programmable Read Only Memory PSI Programme Specific Information (part of SI) PSP Programme Service Provider QAM Quadrature Amplitude Modulation QEF Quasi Error Free QPSK Quadrature Phase-Shift Keying R&S Rhode and Schwarz RF Radio Frequency RLC Run Length Coding RS Reed Solomon error protection RST Running Status Table (part of SI) Rx Receiver S/N Signal to Noise SV:TrÇn DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO ix Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa SCM Subjective Comparison Method SCPC Single Carrier Per Channel SDH Synchronous Digital Hierarchy SDT Service Description Table (part of SI) SFN Single Frequency Network SI Service Information, or housekeeping details added on to the video, audio and/or multi-media data stream SIF Simple Image Format SMATV Satellite Master Antenna Television SMS Subscriber Management System ST Stuffing Table (part of SI) TDT Time and Date Table (part of SI) TOT Time Offset Table (part of SI) TPS Transmission Parameter Signalling TREC Timing Recovery TS Transport Stream TSG Test Signal Generator TTL Transistor Transistor Logic Tx Transmitter UHF Ultra High Frequency 300-1000 MHz VHF Very High Frequency 50-300 MHz VLC Variable Length Coding VSB Vestigial Side Band modulation system, prefixed by, for level terrestrial or 16 for 16 level cable SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO x Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Ngoài nhiễu hệ thống phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Ưu điểm truyền hình vệ tinh Một đờng truyền vệ tinh truyền tín hiệu có khoảng cách xa đạt hiệu cao cho đờng truyền dài nh cho dịch vụ điểm- điểm Không bị ảnh hởng điều kiện địa hình, địa vật có môi trờng truyền dẫn cao so với mặt đất Việc thiết lập đờng truyền qua vệ tinh đợc thực thời gian ngắn  Cã thĨ sư dơng cho hƯ thèng ®iĨm-®a ®iĨm, đặt vô số điểm thu mặt đất, có khả phân phối chơng trình với hệ thống liên kết khác Khả phủ sóng cao nhất, dễ dàng phủ sóng diện rộng, toàn cầu Nhợc điểm truyền hình vệ tinh Giá thành hệ thống thu vệ tinh cao so với hệ thống thu truyền hình cáp truyền hình số mặt đất Chi phí đầu t cho việc phóng vệ tinh riêng lớn, nhiên thuê kênh vệ tinh nớc đà có vệ tinh để phát Phải xây dựng trạm để theo dõi điều khiển vệ tinh liên tục để chỉnh vệ tinh vào vị trí 3.4 / Truyền hình MDS (Multipoint Distribution System) SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 78 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Hệ thống phân phối đa điểm MDS đợc FCC (Federal Communications Commission) phát minh năm 1970 Mục đích ban đầu sử dụng kênh MDS để truyền tải liệu số hay chơng trình truyền hình nh dịch vụ kinh doanh mét khu vùc nhá tËp trung b¸n kính không 30 dặm Hệ thống sử dụng sóng viba dải tần từ 2,1 GHz đến 2,7 GHz để cung cấp dịch vụ mạng đa điểm (ngày gọi công nghệ Push) Những cố gắng để triển khai hệ thống đà trở nên vô vọng giá thành hệ thống cao, công nghệ không thùc tÕ céng víi sù lÊn lít cđa trun h×nh cáp đà chôn vùi ý tởng MDS thập kỉ Tuy nhiên vào đầu năm thập kỉ 80, với phát triển dịch vụ truyền hình ngời ta đà nhận giá trị khác biệt trạm thu mặt đất hệ thống truyền dẫn MDS, chơng trình truyền hình có trả tiền bắt đầu sử dụng hệ thống MDS để truyền tải đến đầu cuối cáp tín hiệu, đến khách sạn khu chung c 3.4.1 / Truyền hình MMDS (Multichanel Multipoint Distribution System) HƯ thèng MMDS hiƯn lµ kết nhiều thay đổi quy ớc viễn thông năm 1996 FCC đà chuyển đổi kênh cung cấp dịch vụ truyền hình cố định ITFS (Instructional Television Fixed Service) thành kênh full-time MMDS nhằm thúc đẩy cạnh tranh MMDS với dịch vụ truyền hình cáp vùng Sự SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 79 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa kết hợp kênh full-time part-time đà tạo 31 kênh hệ thống MMDS nh ngày Hình 3.3 : Sự phân bố kênh theo tần số hệ thống MMDS MMDS sử dụng tần số viba để truyền dẫn, yêu cầu hệ thống truyền dẫn phải thiết lập anten thu anten phát tầm nhìn thẳng không bị chắn Cây cối tán rậm rạp tuyến truyền thẳng làm nhiễu hay mÊt khèi tÝn hiƯu Bé ®iỊu chÕ sư dơng trun dÉn cđa hƯ thèng MMDS gièng nh bé điều chế hệ thống truyền hình cáp Theo thiết kế ban đầu, hệ thống MMDS đợc sử dụng kết hợp với hệ thống truyền hình cáp (CATV) công nghệ phát quảng bá khác SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 80 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Thiết lập điển hình hệ thống MMDS thờng đợc thực nh hình dới Hình 3.4 : Hệ thống MMDS điển hình Hệ thống không dây bao gồm thiết bị đầu cuối (bộ thu tín hiệu từ vệ tinh, truyền dẫn sóng, thiết bị quảng bá khác, anten truyền dẫn) thiết bị thu thuê bao(anten, thiết bị đổi tần, set-top-box) Tín hiƯu vµo cho hƯ thèng MMDS cã thĨ lÊy tõ nhiều nguồn nh đầu cuối cáp, vệ tinh, truyền dẫn mặt đất Các trạm lặp đợc sử dụng để định hớng lại tín hiệu MMDS tới vùng cần phủ sóng Anten phát xạ phủ sóng tối đa vòng 35 dặm phụ thuộc công suất trạm phát Công suất SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 81 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa phát thờng từ 1W đến 100W thờng nhỏ công suất cần thiết cho trạm phát quảng bá mặt đất hoạt động băng tần UHF, VHF SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 82 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO Trờng Đại Học Bách Khoa 83 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Hình 3.5 : Sơ đồ khối hệ thống phát thu MMDS Ưu điểm truyền hình MMDS Thiết lập hệ thống nhanh chóng Giá thành hệ thèng thÊp (nhá h¬n 25 % so víi mét hƯ thống truyền hình cáp hiệu năng) Cung cấp nhiều loại dịch vụ kết hợp nh: internet, thoại, liệu, đa phơng tiện Thích hợp với dịch vụ truyền hình trả tiền, dịch vụ yêu cầu tốc ®é sè liƯu cao  Chi phÝ vËn hµnh thÊp Dễ dàng thay đổi vùng phủ sóng Nhợc điểm truyền hình MMDS Tầm nhìn thẳng anten thu anten phát phải không bị chắn tín hiệu thu đợc đảm bảo Chỉ thích hợp phđ sãng khu vùc b¸n kÝnh nhá  Truy cập từ khách hàng tới trạm phát bị hạn chế băng thông đờng phản hồi hay gọi đờng lên (Ustream) hẹp, không đủ khả truyền tải dòng bit tốc độ cao 3.4.2 / Truyền hình LMDS (Local Multipoint Distribution System) LMDS (còn gọi mạng cáp quang không dây) công nghệ truyền thống băng rộng cho video số liệu đợc FCC hỗ trợ phát SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 84 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa triển từ năm 1998 Hệ thống hoạt động công nghệ sử dụng sóng milimet dải tần 28 GHz (dòng xuống từ 27,5 GHz đến 28,35 GHz) Toàn dải thông tần rộng tới GHz công nghệ đà đợc thử nghiệm từ năm 1992 NewYork Hiện LMDS đà đợc nâng cấp thành dịch vụ tơng tác hai chiều (đờng lên có dải tần 29,1 GHz đến 29,35 GHz) cho truyền hình số liệu Modem số liệu không dây LMDS đợc thiết kế để đạt tới tốc độ truyền 30 Mbyte theo hai chiều, mở khả thực dịch vụ băng rộng LMDS cung cấp truy nhập vào mạng khác nh PSDN/ISDN (Public Switching Telephone Network / Intergrated Services Digital Network) vµ cã thĨ kÕt nèi tới mạng LAN (Local Area Network), có khả hoạt động nh mạng diện trung bình ATM (Asynchronous Transfer Mode) hay SONET (Synchronous Optical Network) SV:TrÇn Do·n Bé - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 85 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Hình 3.6 : Phân bố băng tần LMDS (US) Hệ thống truyền tải đợc 49 kênh TV vùng có bán kính đến dặm Cấu trúc hệ thống sử dụng phơng pháp điều tần công suất thấp (Low-Power), thu phát với độ lệch 20 MHz kênh Vùng phủ sóng trạm gốc BS (Base Station) hệ thống LMDS đợc chia thành ô (Cell) riêng biệt Các kênh LMDS đợc tái sử dụng cell Chế độ hoạt động hệ thống điểm-điểm hay điểm-đa điểm SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 86 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Hình 3.7 : Sơ đồ tái sử dụng tần sè víi chia sector anten 0 90 (a) vµ sector anten 60 (b) Mơc ®Ých thiÕt kÕ cđa hƯ thống sử dụng cách hiệu phổ tần số giá thành hệ thống thấp Giống nh công nghệ mạng điện thoại tế bào (Cellular Telephone-System), dựa tính phân cực trực giao tín hiệu, LMDS sử dụng xen kẽ tần số « cã kh«ng gian tiÕp gi¸p HƯ thèng LMDS điển hình gồm ba thành phần chính: Thiết bị nút mạng NNE (Network Node Equipment): cung cấp cổng để kết nối mạng truyền dẫn dùng đờng SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 87 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa dâyvào hệ thống LMDS Thiết bị nút mạng tơng tự nh thiết bị số trạm gốc, cã nhiƯm vơ cung cÊp xư lý, nÐn tÝn hiƯu số, mà hoá, điều chế, ghép kênh, định tuyến, giao tiếp giao thức có dây không dây Thiết bị cao tần RFE (Radio Frequency Equipment): thiết bị có NNE lẫn thiết bị truyền thông dùng cho khách hàng CPE (Customer Premises Equipment) RFE bao gồm thu phát nh anten Thiết bị truyền thông dùng cho khách hàng CPE (Customer Premises Equipment): CPE bao gồm hai thành phần thiết bị phần ODU (Outdoor Unit) phần IDU (Indoor Unit) IDU đợc phân chia thành đơn vị giao diện mạng NIU (Network Interface Unit) STB (Set-Top-Box) NIU cổng giao tiếp thành phần RF thiết bị gắn bên STB có tác dụng kết nối với ODU NIU thực giải nén tín hiệu video ODU thu phát, đợc sử dụng cho ứng dụng mạng số liệu tơng tác hai chiều, cung cấp đờng thông tin trạm phát dịch vụ LMDS SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 88 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Hình 3.8 : Cấu hình hệ thống LMDS LMDS Đặc điểm MMDS 28GHz đến 31GHz Dải tần (US) 2GHz đến 42GHz 2,5GHz đến 2,7GHz (ROW) Bán kính phủ sóng dặm tối đa 35 dặm Thông thờng Tốc độ bit đạt tới 45Mbps Thông thờng từ Tốc độ cụm lên 0,5Mbps đến 3Mbps tới 311Mbps Phơng thức ghép kênh TDMA, FDMA, CDMA Giá thành thu SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO TDMA, FDMA, OFDM, CDMA, DOCSIS+ Cao ThÊp-Trung b×nh 89 Líp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa (CPE) Bảng 3.1 : Bảng tóm tắt đặc điểm kĩ thuật LMDS MMDS SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 90 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Kết Luận Thế giới đà bớc vào kỉ nguyên thời đại thông tin hội tụ phơng tiện truyền thông Các ứng dụng đợc giới thiệu, dịch vụ tổng hợp dần hình thành, hàng rào ngăn cách dịch vụ riêng bị xoá bỏ để dịch vụ hòa nhập với tạo thành thể thống Với dịch chuyển từ truyền hình tơng tự sang truyền hình số, truyền hình dần hội nhập với dịch vụ khác để tạo giới đa phơng tiện nhằm đáp ứng yêu cầu ngời cách hữu hiệu Truyền hình tơng lai không loại thông tin chiều theo kiểu truyền tin điểmđa điểm, mà loại thông tin hai chiều, dịch vụ tơng tác, kiểu thông tin giao dịch điểm-điểm Trong môi trờng đa phơng tiện, truyền hình từ phơng tiện thông tin đại chúng trở thành phơng tiện cá nhân Truyền hình đa kênh đợc điều khiển việc phân phối chơng trình trực tiếp đến tận hộ gia đình cung cấp lựa chọn rộng rÃi cho ngời xem thời điểm xem nh loại chơng trình, chất lợng chơng trình Khi lợng lớn chơng trình đợc cung cấp, lúc ®ã cã thĨ coi trun h×nh nh mét hƯ thèng th viện nhà Mặt khác truyền hình đợc sư dơng nh mét thiÕt bÞ cho phÐp thu nhËn thông tin khác nh số liệu, mua bán qua mạng SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 91 Lớp Điện Tử Viễn Đồ án Tốt nghiệp Trờng Đại Học Bách Khoa Truyền hình số tơng lai thực phơng tiện hữu ích cho đời sống ngời giải trí công việc Với phát triển khoa học công nghệ, hội nhập truyền hình số để tạo nên môi trờng đa phơng tiện trở thành thực tơng lai không xa SV:Trần DoÃn Bộ - UN07-6066 Thông- K3 UNESCO 92 Lớp Điện Tử Viễn