BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ HẠNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TRUYỀN HÌNH VIDEO H.264 TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN CHẤN HÙNG H NI 2009 i Lời nói đầu Kể từ vệ tinh nhân tạo đợc phóng đến nay, kỹ thuật thông tin vệ tinh đà vào mäi lÜnh vùc ®êi sèng cđa x· héi nh− lÜnh vực thăm dò vũ trụ, thông tin khí tợng, Những ng−êi sư dơng c«ng nghƯ th«ng tin b»ng vƯ tinh míi nhËn thÊy mét sù thn tiƯn lín ë nh÷ng 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 đà ®−ỵc chøng minh qua vƯ tinh Vinasat – cđa C«ng ty viƠn th«ng qc tÕ (VTI) Mét sè 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 đà 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 đà làm giảm đáng kể liệu băng thông truyền video Việc giảm đợc băng thông chuẩn nén H.264 ®· thóc ®Èy cho dßng camera ®é nÐt cao cã 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 mà hoá, giải mà H.264 kiÕn tróc øng dơng triĨn khai chn nÐn nµy vµo ®iỊu kiƯn ViƯt Nam ( thĨ C«ng 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 , đà 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 Giíi thiƯu chung vỊ th«ng tin vƯ tinh. 1.2 CÊu tróc cđa tun 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 C¸c vấn đề truyền sóng thông tin vệ tinh. 1.3.1 TÇn sè công tác thông tin vệ tinh -3 1.3.2 Ph©n cùc sãng: 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 thêi gian (TDMA- Time Division Multiple Access ) Ch−¬ng 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 Giíi thiÖu Phát quảng bá 10 Chất lợng dịch vụ - 10 ThiÕt lËp nhanh chãng - 10 KÕt nèi TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh 11 Yếu tố đường truyền vệ tinh ảnh hưởng đến 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 T¸c ®éng cđa trƠ ®−êng trun 13 Các giải pháp cải tiến đảm bảo trun IP qua vƯ tinh - 17 Truyền không đối xứng theo hớng - 19 Mở rộng TCP - 22 Kết nối TCP - 24 Giao thøc øng dông 28 Kết luận - 28 Giíi thiƯu qua vỊ h264 29 Giíi thiƯu chung - 29 TÝnh kế thừa chuẩn nÐn H.264 31 Cơ chế nÐn ảnh H.264 (MPEG-4 AVC) 32 Các u điểm bật chuẩn nén H.264 - 35 Kết luận - 40 Ch−¬ng iii: Giao thøc trun t¶i 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 mà hoá theo chuÈn H.264 42 Mét sè thuËt ng÷ - 42 Khái quát sơ đồ mà hoá theo chuÈn H.264 - 44 Profile level - 46 Định dạng video 47 Địnhdạng liệu đợc mà hóa - 48 Các loại ảnh tham chiếu 48 Slice 50 Khối macro - 51 Giao thøc trun t¶i cho H.264 - 52 Giao thức truyền liệu RTP 52 Các chế độ đóng gãi b¶n in (Packetization Modes) - 59 Giao thøc ®iỊu khiĨn RTCP - 60 RTCP Sender 63 RTCP Receiver Report - 64 v Chơng IV: Truyền video H264 qua đờng truyền vệ tinh 65 Đặc tr−ng cđa ®−êng qua vƯ tinh - 65 Băng tần băng thông - 65 Jitter - 68 Lỗi bit đờng truyền - 70 Phô thuéc thêi tiÕt - 71 Một số kỹ thuật mà hoá nén video - 72 Kü thuËt m· ho¸ 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 NÐn video - 89 4.2.5 Bé läc t¸ch khèi 95 4.3 Kü thuËt gi¶i m· video 97 4.4 KÕt luËn 100 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 Ch−¬ng V - KÕt luËn 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 Tóm tắt luận văn 123 vi Danh mục thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng 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 ã 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 ã 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 ã 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 ã Tính linh hoạt cao ã 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: ã Phần không gian bao gồm vệ tinh, thiết bị vệ tinh, thiết bị điều khiển đo xa, thiết bị cung cấp nguồn ã 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: ã 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 ã 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 (