Nghiên cứu truyền hình video h 264 trên đường truyền vệ tinh

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI TRN TH HNH TI: NGHIấN CU TRUYN HèNH VIDEO H.264 TRấN NG TRUYN V TINH LUN VN THC S NGNH: IN T VIN THễNG NGI HNG DN KHOA HC: NGUYN CHN HNG H NI 2009 i Lời nói đầu Kể từ vệ tinh nhân tạo đợc phóng đến nay, kỹ thuật thông tin vệ tinh vào lĩnh vực đời sống xã hội nh lĩnh vực thăm dò vũ trụ, thông tin khí tợng, Những ngời sử dụng công nghệ thông tin vệ tinh nhận thấy thuận tiện lớn vùng mà hệ thống thông tin truyền thống không hoàn thiện Một thực cách mạng thông tin vệ tinh phát triển quốc gia trình độ kinh tế Điều gây ngạc nhiên vệ tinh công nghệ mới, hiệu cao bắt đầu thách thức mạng cáp quang chí môi trờng đô thị Điều đợc chứng minh qua vệ tinh Vinasat Công ty viễn thông quốc tế (VTI) Một số dịch vụ mà VTI cung cấp cho khách hàng qua vệ tinh Vinasat-1 truyền hình dịch vụ quan trọng nhu cầu đợc trao đổi thông tin, nội dung ngày đa dạng phong phú, Không giới hạn liệu text đơn mà chuyển sang liệu multimedia Mặt khác nhu cầu chia sẻ liệu thời gian thực cho ứng dụng truyền hình, ứng dụng trờng nh camera theo dõi từ xa, Để làm đợc điều cần chuẩn nén hình ảnh tiên tiến hiệu Chỉ H.264, chuẩn nén đợc công bố thức vào năm 2003, chuẩn hỗ trợ công nghệ nén tiên tiến hiệu H.264( đợc gọi chuẩn MPEG-4 Part 10/AVC for Advanced video Coding hay MPEG-4AVC) kế thừa u điểm trội chuẩn nén trớc đồng thời sử dụng thuật toán nén phơng thức truyền hình ảnh phức tạp, phơng pháp nén truyền hình ảnh mà chuẩn H.264 sử dụng làm giảm đáng kể liệu băng thông truyền video Việc giảm đợc băng thông chuẩn nén H.264 thúc đẩy cho dòng camera độ nét cao có hội phát triển mạnh mẽ Với hệ thống giám sát quan trọng cần hình ảnh rõ nét lựa ii chọn camera độ nét cao đầu ghi hỗ trợ chuẩn nén H.264 hoàn toàn hợp lý Do thời gian có hạn, xin trình bày cách tổng quan thông tin vệ tinh, kỹ thuật mã hoá, giải mã H.264 kiến trúc ứng dụng triển khai chuẩn nén vào điều kiện Việt Nam ( cụ thể Công ty VTI) Tôi xin đợc gứi lời cảm ơn chân trọng đến TS Nguyễn Chấn Hùng, khoa Điện Tử Viễn Thông Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội , tạo điều kiện giúp đỡ thời gian học tập hoàn thành luận văn Ngời thực Trần Thị Hạnh iii Mục lục Lời nói đầu i Danh mục thuật ngữ viết tắt vi Chơng I : Tổng quan thông tin vệ tinh công nghệ VSAT -1 1.1 Giới thiệu chung thông tin vệ tinh. 1.2 Cấu trúc tuyến liên lạc hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Các thiết bị tham gia tuyến liên lạc thông tin vệ tinh -1 1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh: 1.3 Các vấn đề truyền sóng thông tin vệ tinh. 1.3.1 Tần số công tác thông tin vệ tinh -3 1.3.2 Phân cực sóng: 1.4 Đa truy nhập thông tin vệ tinh (Multi Access) 1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) -5 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA- Time Division Multiple Access ) Chơng II Nghiên cứu truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.3 Giới thiệu Phát quảng bá 10 Chất lợng dịch vụ - 10 Thiết lập nhanh chóng - 10 Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh 11 Yu t ng truyn v tinh nh hng n TCP/IP 12 iv 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 Lỗi bit đờng truyền - 12 Tác động trễ đờng truyền 13 Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh - 17 Truyền không đối xứng theo hớng - 19 M rng TCP - 22 Kt ni TCP - 24 Giao thức ứng dụng 28 Kt lun - 28 Giới thiệu qua h264 29 Giới thiệu chung - 29 Tính k tha ca chun nén H.264 31 C ch nén nh ca H.264 (MPEG-4 AVC) 32 Các u điểm bật chuẩn nén H.264 - 35 Kt lun - 40 Chơng iii: Giao thức truyền tải cho H264 42 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.1.7 3.1.8 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 Khái quát sơ đồ mã hoá theo chuẩn H.264 42 Một số thuật ngữ - 42 Khái quát sơ đồ mã hoá theo chuẩn H.264 - 44 Profile v level - 46 Định dạng video 47 Địnhdạng liệu đợc mã hóa - 48 Các loại ảnh tham chiếu 48 Slice 50 Khi macro - 51 Giao thức truyền tải cho H.264 - 52 Giao thc truyn d liu RTP 52 Các chế độ đóng gói in (Packetization Modes) - 59 Giao thức điều khiển RTCP - 60 RTCP Sender 63 RTCP Receiver Report - 64 v Chơng IV: Truyền video H264 qua đờng truyền vệ tinh 65 Đặc trng đờng qua vệ tinh - 65 Băng tần băng thông - 65 Jitter - 68 Lỗi bit đờng truyền - 70 Phụ thuộc thời tiết - 71 Một số kỹ thuật mã hoá nén video - 72 Kỹ thuật mã hoá video - 73 Các nh v bù chuyn động dùng H264/MPEG Part 10 75 4.2.3 Xác định Vector chuyển động (Motion Estimation) 87 4.2.4 Nén video - 89 4.2.5 Bộ lọc tách khối 95 4.3 Kỹ thuật giải mã video 97 4.4 Kết luận 100 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 Chơng V - Kết luận 101 TI LIU THAM KHO 121 Tóm tắt luận văn 123 vi Danh mục thuật ngữ viết tắt Thut ng Ting anh ACK Acknowledgment number ARTS Advanced Realtime simple profile AVC Advanced Video Coding B-VOP Bidirectionally predicted Inter-coded CAE Contextbased binary Arithmetic Encoding DCT Discrete Cosine Transform DRC Dynamic Resolution Conversion ES Earth Station GMC Global motion compensation GMC Global motion vector GOB Group of blocks I-VOP Intra-coded Video Object Plane JPEG Joint Photographic Experts Group MB Macro block MPEG Moving Picture Experts Group MV Motion Vector NAL Network Abstraction Layer vii P-VOP Predicted Inter-Coded Video Object Plane QP Quantization parameter RTCP Real-time transport control protocol RTT Real time Transport Protocol RVLC Reversible Variable Length Codes TDM Time Division Multiple VCL Video Coding Layer VLBV Very low bit rate video core VLC Variable length codes VO Video Object VOL Video Object Layer VOP Video Object Plane VP Video Packet Chơng I : Tổng quan thông tin vệ tinh công nghệ VSAT 1.1 Giới thiệu chung thông tin vệ tinh Vùng phủ sóng lớn: Từ quĩ đạo địa tĩnh cách trái đất khoảng 37000km vệ tinh nhìn thấy 1/3 trái đất, nh cần vệ tinh quĩ đạo phủ sóng toàn cầu Dung lợng thông tin lớn: Với băng tần công tác rộng sử dụng kỹ thuật tái sử dụng băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt đợc dung lợng thông tin cao Độ tin cậy cao: Do tuyến thông tin vệ tinh có trạm (2 trạm mặt đất đầu cuối thông tin trạm lặp vệ tinh) nên xác suất h hỏng tuyến nhỏ Tính linh hoạt cao Đa dạng loại hình dịch vụ 1.2 Cấu trúc tuyến liên lạc hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Các thiết bị tham gia tuyến liên lạc thông tin vệ tinh: Không giống nh hệ thống thông tin khác thông tin phần tử mặt đất, mà tuyến thông tin thông tin vệ tinh tuyến liên lạc phần tử mặt đất phần tử không gian vũ trụ vệ tinh nên tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần phần không gian phần mặt đất Các phần không gian mặt đất đợc xem xét kỹ thuật dới đây: Phần không gian bao gồm vệ tinh, thiết bị vệ tinh, thiết bị điều khiển đo xa, thiết bị cung cấp nguồn Phần mặt đất gọi trạm mặt đất bao gồm anten thu phát thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng chia cao tần ghép công suất, máy thu tạp âm thấp giải điều chế, đổi tần lên xuống, khuyếch đại công suất lớn điều chế 1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh: Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần (tín hiệu thoại, video, telex) đợc điều chế thành trung tần, sau đợc đổi lên cao tần nhờ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) đợc khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ khuyếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) đợc phát lên vệ tinh qua anten phát Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh đợc thu anten thu qua khuyếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) đợc đổi xuống trung tần nhờ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau qua giải điều chế để khôi phục lại băng tần giống bên phát MOD U/C HPA LNA D/C Hình 1.1 Đờng liên lạc thông tin vệ tinh DEM 110 a Kết tính toán tuyến Uplink Uplink Điều chế Clear-sky Rain Worst Case (