Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất DVB có độ phân giải cao thông qua kết quả mô phỏng

Nhằm góp phần đánh giá hiệu quả truyền dẫn các dịch vụ HDTV trên nền công nghệ kỹ thuật số mặt đất, tác giả của luận văn đã chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đ

TRịNH QUYếT THắNG

Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất dvb có độ phân giải cao thông qua kết quả mô phỏng

Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông

luận văn thạc sĩ khoa học

người hướng dẫn khoa học

Pgs TS NGUYễN QuốC TRUNG

hà nội - 2009

Mục lục

Danh mục chữ viết tắt v

Danh mục các bảng viii

Danh mục hình vẽ viii

Lời nói đầu 1

Chương 1 tổng quan truyền hình độ phân giải cao 3

1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.1 HDTV tại Nhật Bản 3

1.1.2 HDTV tại Mỹ 3

1.1.3 HDTV tại Châu Âu 4

1.2 Các khái niệm cơ bản về HDTV 4

1.2.1 Định dạng ảnh 4

1.2.2 Phương pháp quét 5

1.2.3 Tỉ lệ khung hình 6

Chương 2 số hóa và kỹ thuật nén tín hiệu hdtv 8

2.1 Số hóa tín hiệu HDTV 8

2.1.1 Mành HDTV tương tự 8

2.1.2 Số hóa tín hiệu HDTV 8

2.1.2.1 Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu 8

2.1.2.2 Tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu 9

2.1.2.3 Lượng tử hóa và dung lượng video số HDTV 10

2.2 Nén tín hiệu video số HDTV 11

2.2.1 Giới thiệu 11

2.2.2 Kỹ thuật nén MPEG-2 12

2.2.2.1 Nguyên lý nén video 12

2.2.2.2 Nén trong ảnh (Intra Frame Compression) 12

2.2.2.3 Nén liên ảnh (Inter Frame Compression) 14

2.2.2.4 Dự đoán chuyển động 15

2.2.2.5 Profiles & Levels của MPEG-2 16

2.2.2.6 Dự đoán bù chuyển động với ảnh quét xen kẽ 17

2.2.3 Kỹ thuật nén MPEG-4 (Part 10) hay MPEG-4/AVC 18

2.2.3.1 NAL (Network Abstraction layer) 18

2.2.3.2 VCL (Video Coding Layer) 19

2.2.3.3 ảnh, khung và mành 19

2.2.3.4 Phân chia ảnh vào các Macroblock 19

2.2.3.5 Slice và nhóm slice 19

2.2.3.6 Chu trình mã hóa và giải mã Macroblock 20

2.2.3.7 Dự đoán trong ảnh (Intra) 20

2.2.3.8 Dự đoán liên khung 21

2.2.3.9 Biến đổi Cosin 23

2.2.3.10 Mã hóa Entropy 23

2.2.3.11 Bộ lọc Deblocking 23

2.2.3.12 Các công cụ mã hóa quét xen kẽ 23

2.2.3.13 Các profiles và Levels 24

2.2.3.14 Những kỹ thuật làm tăng hiệu quả nén MPEG-4/AVC so với MPEG-2 24

2.2.3 Phương pháp nén tín hiệu HDTV để phát sóng quảng bá 26

Chương 3 Hệ THốNG TRUYềN HìNH Số Độ PHÂN GIảI CAO HDTV TRÊN nềN CÔNG NGHệ TRUYềN HìNH Số MặT ĐấT DVB 28

3.1 Phương thức truyền dẫn truyền hình số mặt đất DVB-T 28

3.1.1 Giới thiệu 28

3.1.2 Kỹ thuật điều chế OFDM 29

3.1.2.1 Nguyên lý OFDM 29

3.1.2.3 Chuỗi bảo vệ và tiếp đầu tuần hoàn (CP-Cyclic Prefix) 30

3.1.2.2 Mô hình hệ thống OFDM 33

3.1.3 Tổng quan mã hóa và điều chế tiêu chuẩn DVB-T 34

3.1.3.1 Ngẫu nhiên hoá dữ liệu, phân tán năng lượng 34

3.1.3.2 Mã hóa ngoài và tráo ngoài 34

3.1.3.3 Mã trong 36

3.1.3.4 Tráo trong 37

3.1.3.5 ánh xạ dữ liệu và đồ thị chòm sao 40

3.1.3.6 Cấu trúc khung OFDM 42

3.1.3.7 Tín hiệu Pilot 44

3.1.3.8 Đặc tính phổ và mặt nạ phổ 47

3.2 Phân tích tác nhân ảnh hưởng chất lượng hệ thống truyền dẫn DVB-T 47

3.2.1 ảnh hưởng của các tham số M-QAM, FEC, Tg 48

3.2.2 ảnh hưởng của phương thức truyền dẫn 2K, 8K 51

3.2.3.1 Khả năng thu di động 51

3.2.3.2 Khả năng chống nhiễu đột biến 52

3.2.3.3 Khả năng thực hiện mạng đơn tần (SFN) 52

3.2.3 ảnh hưởng tạp nhiễu pha 52

3.2.3.1 Tín hiệu không có tạp nhiễu pha 52

3.2.3.2 Tín hiệu có tạp nhiễu pha 53

3.2.3.3 Sai pha chung (CPE) 54

3.2.4 ảnh hưởng offset cửa sổ FFT 55

3.2.5 ảnh hưởng offset đồng bộ sóng mang 57

3.3 Phân tích hiệu suất truyền dẫn HDTV trên nền công nghệ DVB-T 58

3.4 Công nghệ truyền dẫn kỹ thuất số mặt đất thế hệ thứ hai DVB-T2 65

3.4.1 quan hệ thống DVB-T2 65

3.4.1.1 Giới thiệu 65

3.4.1.2 Những tiêu chí cơ bản để xây dựng DVB-T2 65

3.4.1.3 So sánh DVB-T và DVB-T2 66

3.4.1.4 Mô hình cấu trúc DVB-T2 67

3.4.1.5 Cấu trúc lớp vật lý DVB-T2 68

3.4.2 Phân tích một số giải pháp sử dụng trong DVB-T 69

3.4.2.1 ống dẫn vật lý PLPs (Physical Layer Pipes) 69

3.4.2.2 Băng tần phụ 71

3.4.2.3 Các mode sóng mang mở rộng 71

3.4.2.4 256-QAM 71

3.4.2.5 Các mẫu pilot 72

3.4.2.6 Symbol khởi đầu P1 và P2 (Preamble) 72

3.4.2.7 Kích thước FFT 16K, 32K và phân số khoảng bảo vệ 1/128 73

3.4.2.8 Kỹ thuật mã hóa LDPC 74

3.4.2.9 Kỹ thuật quay chòm sao để cải thiện BICM cho DVB-T2 79

3.4.2.10 Các kỹ thuật làm giảm tỉ số công suất đỉnh trên trung bình 83

3.4.2.11 Kỹ thuật MISO dựa trên Alamouti code (trục tần số) 90

3.4.3 Kết luận 93

Chương 4 một số kết quả mô phỏng 94

4.1 Mô hình mô phỏng 94

4.1.1 Mô hình hệ thống DVB-T 94

4.1.2 Mô hình mô phỏng hiệu suất LDPC trong DVB-S2 95

4.2 Đánh giá một số kết quả mô phỏng 96

4.2.1 Hệ thống DVB-T, 2K 96

4.2.2 Đánh giá hiệu suất mã hóa LDPC trong DVB-S2 98

Lời kết 100

Tài liệu tham khảo 102

Lời nói đầu Những công trình nghiên cứu khoa học, các chuyên đề phân tích, lựa chọn tiêu chuẩn truyền hình của nhiều nhà khoa học trong nước cho thấy: DVB- T là công nghệ truyền dẫn truyền hình số mặt đất phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế của Việt Nam Ngày nay, truyền hình độ phân giải cao (HDTV) đang phát triển mạnh mẽ và là một xu thế tất yếu, sẽ dần thay thế SDTV giống như truyền hình màu bây giờ đã thay thế truyền hình trắng đen Việc truyền dẫn dịch vụ HDTV trên công nghệ kỹ thuật số mặt đất DVB-T đang gặp khó khăn về yêu cầu cân bằng giữa hiệu quả sử dung lượng kênh truyền và chất lượng dịch vụ Tuy nhiện, với sự ra đời và phát triển kỹ thuật nén tiên tiến MPEG-4/AVC, hiệu suất nén dòng tín hiệu HDTV

đã được cải thiện rất nhiều, kèm theo đó là hiệu quả sử dụng kênh truyền cũng được cải thiện Đầu năm 2009, tiêu chuẩn kỹ thuật số mặt đất thế hệ thứ 2 (DVB-T2) chính thức được tổ chức DVB giới thiệu và đã được BBC phát sóng thử nghiệm Dung lượng kênh truyền của hệ thống DVB-T2 được cải thiện rất nhiều so với DVB-

T (tăng khoảng 50%), bên cạnh đó độ tin cậy và khả năng chống nhiễu cũng tốt hơn nhờ sử dụng những kỹ thuật tiên tiến Do đó, các dịch vụ HDTV hứa hẹn sẽ phát triển mạnh trên nền kỹ thuật truyền dẫn số mặt đất, đặc biệt khi các dịch vụ truyền hình tương tự kết thúc Nhằm góp phần đánh giá hiệu quả truyền dẫn các dịch vụ HDTV trên nền công nghệ kỹ thuật số mặt đất, tác giả của luận văn đã chọn đề tài nghiên cứu “Khảo sát hệ thống truyền hình số mặt đất có độ phân giải cao HDTV thông qua kết quả mô phỏng”

Nội dung Luận văn bao gồm bao gồm 4 chương:

Chương I : Trình bày tổng quan truyền hình số độ phân giải cao HDTV Chương II : Trình bày quá trình số hóa tín hiệu HDTV và kỹ thuật nén dòng tín hiệu video bằng tiêu chuẩn MPEG-2 và MPEG-4/AVC Phân tích và lựa chọn phương thức nén cho dòng tín hiệu video HDTV

Chương III : Tổng quan tiêu chuẩn kỹ thuật số mặt đất DVB-T, phân tích một số nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn hệ thống Đánh giá hiệu quả truyền dẫn tín hiệu truyền hình độ phân giải cao HDTV trên nền kỹ thuật số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T Phân tích, đánh giá một số giải

pháp kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ kỹ thuật số mặt đất thế hệ thứ 2 (DVB-T2)

Chương IV: Trình bày một số kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất về tiêu chuẩn DVB-T và mã hóa LDPC

Qua lời nói đầu, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn khoa học nhiệt tình của PGS.TS Nguyễn Quốc Trung - Khoa Điện Tử Viên Thông; sự giúp đỡ, góp

ý quý báu của TS Ngô Thái Trị cũng đã giúp tôi định hướng rõ ràng hơn trong nghiên cứu và xin cám ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành bản luận văn này!

Hà nội, tháng 10/2009 Học viên

Trịnh Quyết Thắng

Chương 1 Tổng QUAN Truyền Hình Độ PHÂN Giải CAO

Năm 1968, hãng NHK của Nhật Bản đã cho ra đời chuẩn kỹ thuật HDTV

đầu tiên dành cho studio : số dòng quét/ảnh – 1125, tỉ lệ khuôn hình - 5/3, phương pháp quét - xen kẽ, tần số mành - 60Hz, độ rộng băng tần - 20MHz Và cho đến tháng 2 năm 1984 đã công bố chính thức hệ thống phát sóng và thu tín hiệu truyền hình tương tự có độ phân giải cao, là hệ MUSE (Multiple SubNyquist Sampling Encoding) Đến tháng 10/1984, hệ MUSE đã được nhiều nước công nhận là hệ truyền hình có độ phân giải cao đầu tiên trên thế giới Cho đến đầu những năm 2000 thì Nhật Bản đã chính thức chuyển sang phát sóng HDTV số mặt đất theo tiêu chuẩn ISDB-T, và phát sóng số HDTV qua vệ tinh theo tiêu chuẩn ISDB-S

1.1.2 HDTV tại Mỹ

Chính phủ Mỹ đã quyết định nghiên cứu một định dạng HDTV mới so với của NHK để có thể phù hợp với các hệ thống phát sóng số hiện tại Các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất đã tập hợp lại thành 4 nhóm riêng biệt để thực hiện công việc này Bản thân 4 nhóm đã xây dựng nên 4 hệ truyền hình HDTV riêng là: DigiCipher HDTV System, DSC HDTV System, Advance Digital (AD) HDTV, và CCDC HDTV System Đó là tiền thân của tổ chức The Grand Alliance với hệ GA HDTV, được thành lập vào ngày 24/5/1993 từ việc thống nhất 4 nhóm nói trên

Trong quá trình xây dựng hệ thống HDTV, Grand Alliance đã nhận thấy rằng, công nghệ mới này phải được chuyển sang số hoá để có thể tương thích với các hệ thống truyền hình số hiện tại Đến năm 1996 thì FCC chính thức lập tiêu chuẩn cho HDTV, được phát số mặt đất theo tiêu chuẩn ATSC

1.1.3 HDTV tại châu Âu

Vào năm 1986, 19 nước ở châu Âu đã tổ chức hội nghị bàn thảo về chương trình nghiên cứu HDTV mang tên “Eureka 95”, nhằm phát triển hệ thống HDTV tại châu Âu Giống như Nhật Bản, châu Âu cũng bắt đầu với hệ truyền hình HDTV tương tự phát sóng qua vệ tinh Vào tháng 5/1992, EU đưa ra tiêu chuẩn D2-MAC,

được phát triển bởi SGS-Thomson của Pháp và Philips của Hà Lan, để phát sóng truyền hình màn rộng và các dịch vụ vệ tinh Hệ HDTV của châu Âu khi đó có số dòng quét là 1250 với 1152 dòng tích cực, tỉ lệ khuôn hình là 16:9, và tần số mành

là 50Hz Thời điểm đó, EU có kế hoạch chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương

tự hiện tại sang hệ thống D2-MAC thậm chí sang cả HD-MAC là hệ thống HDTV tương tự đầy đủ Đến năm 1993 thì hệ truyền hình HDTV tương tự HD-MAC chính thức dừng lại, EU và EBU khi đó tập trung vào phát triển truyền hình số với hệ DVB

Cho đến năm 2003, HDTV mới lại được bắt đầu được phát số thử nghiệm tại châu Âu theo tiêu chuẩn DVB trên cả vệ tinh, cáp và sóng mặt đất

đồng bộ, tín hiệu đo là 49 dòng Chuẩn SDTV có 720 điểm ảnh trên một dòng và

576 dòng (tích cực)

Truyền hình có độ phân giải cao HDTV có sự khác biệt với SDTV ở số dòng quét và hình thức quét ảnh Hiện nay có 3 định dạng cơ bản cho HDTV đó là: 720 dòng và quét liên tục (720p); 1080 dòng và quét xen kẽ (1080i) và 1080 dòng và quét liên tục (1080p) Với 1080p sẽ cho chất lượng ảnh vượt trội, tuy nhiên chuẩn này chỉ có thể ứng dụng để phát quảng bá thực tế trong tương lai

Định dạng ảnh 1920x1080 đ−ợc chọn là định dạng ảnh chuẩn cho HDTV,

đ−ợc ITU thừa nhận và lần đầu tiên đ−ợc chấp nhận cả đối với truyền hình và film Vậy 1920x1080 xuất phát từ đâu?

720 x 3/4 x 16/9 x 2 = 1920 điểm/dòng

Chuẩn SDTV có tỉ lệ khuôn hình là 4:3 và độ phân giải là 720 điểm/dòng Tỉ

lệ khuôn hình của HDTV là 16:9, và tăng số điểm lên gấp đôi, nên HDTV tỉ lệ khuôn hình 16:9 phải có 1920 điểm/dòng Cách lấy số điểm nh− thế, có thể sẽ thuận lợi cho việc chuyển định dạng ảnh từ HDTV về SDTV Sau khi đã tìm ra số

tin hơn, có chất lượng ảnh tĩnh cao hơn Định dạng 720p có số hình trong 1s nhiều

hơn do vậy sẽ thích hợp với các chương trình có nhiều chuyển động

Truyền hình truyền thống tỉ lệ là 4:3, còn với HDTV tỉ lệ là 16:9 Tỉ lệ này

sẽ cho phép khả năng xem hình ảnh toàn cảnh hơn

Một số ưu điểm của khuôn hình rộng là:

hình nhỏ tỉ lệ 4:3 từ khoảng cách vài mét, chúng ta sẽ phải làm hẹp góc nhìn một

• Tỉ lệ khuôn hình 16:9 (1.78:1) gần hơn với tỉ lệ khuôn hình sử dụng trong

điện ảnh (thường là 1.85:1 hoặc 2.35:1) Phần lớn các chuyển động trên màn hình

được thực hiện theo chiều ngang (ví dụ bóng đá, đua xe), do đó màn hình rộng sẽ có

thể đáp ứng tốt hơn

• Màn hình rộng cũng có nghĩa giảm bớt số lượng các hình cận cảnh và

chuyển cảnh Mặt khác các chuyển động trên màn hình rộng là liền mạch và liên tục

với chương trình mang tính phim ảnh Nói một cách đơn giản là có thể giảm bớt

được các chuyển cảnh nhanh do ta có thể nhìn được nhiều hơn trên màn hình rộng

Chương 2 Số Hoá Và Kỹ Thuật Nén Tín Hiệu VIDEO HDTV

2.1 Số hóa tín hiệu HDTV

Hiện nay có 2 định dạng phát sóng được sử dụng chủ yếu với 2 loại tần số

60Hz và 50Hz là 720/50(60) p (720p) và 1080/25(30)i (1080i):

• Định dạng 720p, tần số mành cũng là tần số khung, mỗi khung hình truyền

đi bao gồm 1 mành quét với 750 dòng tín hiệu

• Định dạng 1080i, một khung hình gồm 1125 dòng tín hiệu, được truyền đi

30 (1-25, 746-750)

45 (1-20,

561-563, 1125)

1124-30 (1-25, 746-750)

45 (1-20,

561-563, 1125)

Bảng 2.1 Thông số quét ảnh của HDTV tương tự

2.1.2 Số hóa tín hiệu HDTV

2.1.2.1 Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu

Độ phân giải đứng tương đương với số lần chuyển đổi giữa dòng tín hiệu mức trắng và mức đen trong toàn ảnh Từ những năm 1930, đã xác định độ phân giải chiều đứng được tính bằng 70% của số dòng tích cực Hệ số 0.7 được gọi là hệ số K (Kell Factor)

Độ phân giải chiều đứng được thể hiện ở dạng số dòng của chiều cao 1 ảnh (LPH - Lines per piture height), giá trị này được dùng để xác định mức phân giải

đứng tối đa có thể hiển thị được Nếu 1 ảnh yêu cầu độ phân giải cao hơn giá trị phân giải đứng của mành thì ảnh sẽ bị mờ

Độ phân giải ngang của mành sẽ quyết định bề rộng băng thông cần thiết để truyền tín hiệu Hệ 1080/25i có: số dòng tích cực 1080, độ phân giải đứng 1080x0.7

= 756 LPH, với tỉ lệ khuôn hình 16:9, chiều ngang của mành phải đảm bảo hiển thị

Đây cũng chính là độ rộng băng thông tối thiểu cần thiết để truyền tín hiệu

đảm bảo độ phân giải đứng và ngang nói trên

Tính toán trên là với tín hiệu chói, với tín hiệu hiệu màu, độ rộng băng thông tương ứng sẽ là 13MHz

2.1.2.2 Tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu

Việc lấy mẫu tín hiệu có thể thực hiện với tín hiệu chói (Y’) và 2 tín hiệu

B’) Đồng thời tần số lấy mẫu cũng phải lớn hơn 2 lần độ rộng dải phổ tín hiệu

• Với HDTV, tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 74.25MHz cho tất cả các định dạng tương tự Tần số này là bội số của tần số dòng với cả 4 định dạng nói trên

Hình 2.1 Đặc tuyến biên tần của tín hiệu Y, C’B, C’R

2.1.2.3 Lượng tử hoá và dung lượng video số HDTV

Tuỳ theo mục đích lưu trữ hay truyền dẫn, số bít lượng tử có thể là 10 hoặc

8 bít Thành phần được lượng tử hoá sẽ bao gồm tín hiệu chói, tín hiệu hiệu màu và

các tín hiệu về chuẩn thời gian (Time Reference Signal - TRS) bao gồm tín hiệu kết thúc dòng video tích cực (EAV - End of Active Line) và bắt đầu một dòng video tích cực (SAV - Start of Active Line)

Tốc độ bít video với chuẩn 1080/25i được tính toán như sau:

Thời gian của 1 dòng tích cực: 1/28125 = 35.55às

Tổng số mẫu tín hiệu chói được lấy tại mỗi dòng :

Số mẫu trong 1s là: 5702400 x 25 = 142.56 M mẫu

Với một mẫu được mã hóa 10bit thì tốc độ video HDTV là 1425.6Mbps, còn nếu mã hoá bằng 8bít, tốc độ video HDTV là 1140.48Mbps

Nhóm các chuyên gia về ảnh động (Motion Pictures Expert Group - MPEG) làm việc cho tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ISO (ISO/IEC) có nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển các tiêu chuẩn nén, giải nén tín hiệu video động, audio, dữ liệu Hiện nay các chuẩn nén MPEG đang được sử dụng phổ biến và được các tổ chức ISO/IEC, ITU (International Telecommunication Union) công nhận là chuẩn nén quốc tế, áp dụng cho các hệ truyền hình tại Mỹ, Nhật Bản, châu Âu Hiện nay, phương thức nén MPEG-2 (MP@HL) đang được sử dụng phổ biến, dòng tín hiệu HDTV sẽ được nén xuống còn khoảng 16 - 20 Mbps

2.2.2 Kỹ thuật nén MPEG-2

2.2.2.1 Nguyên lý nén video

Nguyên lý của nén video là loại bỏ các thành phần dư thừa trong chuỗi hình

ảnh trước khi truyền đi hay lưu trữ Đó chính là dư thừa có tính thông kê và dư thừa thuộc về cảm nhận của mắt người

MPEG sử dụng 3 phương pháp để loại trừ các dư thừa nói trên

• Nén trong ảnh: các dư thừa không gian là các thành phần giống nhau trong

ảnh hoặc các thành phần nằm ngoài khả năng cảm nhận của mắt người Nén trong

ảnh sử dụng cả hai quá trình nén có tổn hao và không tổn hao

• Nén liên ảnh: với một chuỗi ảnh liên tục, lượng thông tin chứa đựng trong

các ảnh thay đổi không nhiều Do đó thay vì truyền đi cả chuỗi ảnh thì chỉ cần truyền đi một ảnh và vector dự đoán hướng chuyển động – thành phần có dung lượng nhỏ hơn nhiều so với ảnh Kỹ thuật dự đoán và bù chuyển động là phần rất quan trọng trong nén MPEG

• Sử dụng các phương pháp thống kê (Huffman Coding): Thông qua việc xác

định lượng thông tin của ảnh để lựa chọn số bít mã hoá thích hợp

2.2.2.2 Nén trong ảnh (Intra Frame Compression)

Hình 2.2 Biến đổi DCT DCT là phép biến đổi toán học không tổn hao và có tính thuận nghịch DCT biến đổi dữ liệu dưới dạng biên độ thành dữ liệu dưới dạng tần số Các phép tính

0 -16 -11 14 -1 -3 15 2 -17 11 26 -3 -1 4 -3 7

được thực hiện trong phạm vi các khối block 8x8 tín hiệu chói và các khối tương ứng của tín hiệu màu Hệ số góc trái phía trên là thể hiện thành phần 1 chiều trong block, các hệ số còn lại thể hiện các thành phần tần số cao trong block ảnh theo chiều ngang và chiều đứng

Lượng tử hoá là quá trình làm giảm bớt số lượng bit cần thiết để biểu diễn các hệ số của ma trận DCT Hệ số 1 chiều là thông số quan trọng nhất, biểu thị độ chói trung bình của từng block ảnh, do đó nó cần biểu thị bằng số lượng bít đủ lớn

Do đặc trưng của mắt người, các hệ số biểu thị thành phần tần cao cần số lượng bít ít hơn hoặc loại bỏ Quá trình lượng tử hoá sử dụng một bảng các hệ số lượng tử, trong

đó các hệ số ứng với thành phần tần thấp có giá trị nhỏ và các hệ số ứng với thành phần tần cao có giá trị lớn Các hệ số tương ứng trong bảng DCT sẽ được chia cho các hệ số trong bảng lượng tử, kết quả thu được sẽ được loại bỏ phần thập phân Do vậy, sau quá trình lượng tử hoá, bảng ma trận thu được sẽ có các hệ số ứng với thành phần tần cao là rất nhỏ và phần lớn là bằng 0

Hình 2.3 Lượng tử hóa các hệ số biến đổi DCT Quá trình lượng tử hoá gây tổn hao, tuỳ theo giá trị của bảng trọng số lượng

tử mà mức độ tổn hao sẽ khác nhau, đồng thời cũng đạt hiệu quả nén khác nhau

1 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 Quantization

Các phương pháp mã hoá được sử dụng cho nén trong ảnh là mã hoá với độ dài từ mã thay đổi (Variable Length Coding - VLC) và mã hoá theo chiều dài (Run Length Coding)

VLC (được biết đến với tên Huffma Coding) là phương pháp mã hoá dựa trên xác suất xuất hiện giá trị biểu thị Những giá trị biểu thị có xác suất xuất hiện cao sẽ được mã hoá bằng một từ mã có số lượng bít ít, các giá trị biểu thị có xác suất xuất hiện thấp sẽ được biểu thị bằng từ mã có số lượng bít nhiều hơn Nhờ đó mà tăng hiệu quả nén mà không gây tổn hao dữ liệu

RLC là phương pháp mã hoá áp dụng trong trường hợp có một chuỗi các giá trị giống nhau liên tiếp Khi đó thay vì phải truyền đi cả chuỗi thì chỉ cần truyền đi 1 giá trị và 1 từ mã cho biết số lượng giá trị đó

2.2.2.3 Nén liên ảnh (Inter Frame Compression)

Nén liên ảnh về cơ bản là dựa trên ảnh nguyên bản chưa qua các quá trình nén, nên bản chất không gây tổn hao Tuy nhiên do có yếu tố dự đoán chuyển động nên có thể ảnh khôi phục phía đầu thu không hoàn toàn đúng như ảnh nguyên bản ban đầu Nén liên ảnh được thực hiện với các Macroblock (MB) gồm 16x16 phần tử

ảnh, tương đương với 4 Block Với một chuỗi các ảnh của chuyển động, ảnh đầu tiên

sẽ được truyền đi với đầy đủ thông tin Các ảnh tiếp theo sẽ chỉ phải truyền giá trị biểu thị sự khác biệt với ảnh trước đó và vector dự đoán hướng chuyển động

MPEG định nghĩa 3 loại ảnh là I, P, B:

• ảnh I (Intra): chứa các thông tin cần thiết cho việc khôi phục lại ảnh tại

phía đầu thu Là điểm truy cập vào chuỗi ảnh nén, ảnh I chỉ được nén theo phương pháp nén trong ảnh Hiệu quả nén đạt không cao

• ảnh P (Predicted): Có thể được nén trên cơ sở dự đoán chuyển động của

ảnh I và P trước đó, thông qua kỹ thuật dự đoán bù chuyển động Các ảnh P có thể làm phần tử cơ bản để dự đoán ảnh tiếp theo, tuy nhiên việc bù chuyển động trong trường hợp này là không đảm bảo Vì vậy không thể tăng nhiều ảnh P giữa 2 ảnh I Nén ảnh P đạt hiệu quả cao hơn ảnh I

• ảnh B (Bidirectional Predicted): Có thể nhận được từ việc nội suy 2 hướng

giữa 2 ảnh I hoặc 2 ảnh P ở ngay trước và sau nó ảnh B đạt hiệu suất nén cao nhất

Để có thể khôi phục lại chuỗi ảnh tại đầu thu, thứ tự truyền các ảnh và nhận các ảnh tại phía phát và phía thu sẽ không đúng nh− trình tự xuất hiện ảnh

Hình 2.4 Thứ tự trình chiếu các loại ảnh Thứ tự trên là thứ tự mà các ảnh đ−ợc trình chiếu, ta có thể đánh số nh− sau: I1, B2, B3, P4, B5, B6, P7, B8, B9, P10, B11, B12, I13 ảnh I1 là ảnh gốc, các ảnh từ B2 đến B12 đ−ợc dự đoán từ ảnh I1 Thứ tự mã hoá và giải mã: I1, P4, B2, B3, P7, B5, B6, P10, B8, B9, I13, B11, B12

2.2.2.4 Dự đoán chuyển động

Dự đoán chuyển động trong nén liên ảnh đ−ợc thực hiện trên đơn vị MB của mỗi ảnh I, B, P

Hình 2.5 Dự đoán bù chuyển động Phần MB trong ảnh I đ−ợc dự đoán tới vị trí mới trong ảnh P, khi đó thay vì truyền đi cả 4 ảnh (đã đ−ợc mã hoá thành chuỗi dữ liệu), chỉ cần truyền đi ảnh I đầu tiên, vector chuyển động, và phần sai lệch giữa ảnh P nguyên bản và ảnh P đ−ợc dự

2.2.2.5 Profile & Level của MPEG-2

Chuẩn MPEG 2 có 4 level, định nghĩa các độ phân giải ảnh khác nhau từ SIF đến HDTV Có 5 Profile để đưa ra các bộ công cụ, nhờ đó đạt được sự thống nhất giữa hiệu suất nén và giá thành của bộ giải mã

Các level của MPEG 2 có thể được mô tả như sau:

• Low level: Tương ứng với độ phân giải SIF, đạt 360x288

• Main level: tương ứng với chế độ 4:2:0, độ phân giải đạt 720x576

• High 1440 level: hổ trợ chuẩn HDTV, độ phân giải lên đến 1440x1152

• High level: Dành cho HDTV màn hình rộng, độ phân giải đạt 1920x1152

• Simple profile: được định nghĩa để đơn giản hoá bộ mã hoá và giải mã trong trường hợp tốc độ bit gia tăng do không có dự đoán 2 chiều (ảnh B)

• Main profile: là sự phối hợp tốt nhất giữa 2 yếu tố là tốc độ nén và giá thành Sử dụng cả 3 loại ảnh I, B, P

• Scalable profile (mã hoá phân cấp): được dự định để cho tương lai Profile này sẽ cho phép truyền ảnh chất lượng cơ bản dưới dạng phân giải không gian (Spatial Scalable profile) hoặc giá trị lượng tử (SNR Scalable profile) hoặc các dữ liệu thêm vào và cho phép các đặc tính của ảnh được nâng cao Nó có thể sử dụng để truyền đi cùng một chương trình theo phương thức thích hợp, với các chất lượng khác nhau như độ phân giải cơ bản để cho các đầu thu tiêu chuẩn, độ phân giải cao hơn cho các bộ giải mã HD, hoặc có thể sử dụng để cho phép các chất lượng thu khác nhau như thu chất lượng cơ bản trong trường hợp điều kiện thu khó khăn hoặc thu chất lượng cao nếu điều kiện thu tốt

• High profile: dự định dành cho quảng bá HDTV với các định dạng 4:2:0, 4:2:2

2.2.2.6 Dự đoán bù chuyển động với ảnh quét xen kẽ

Với nén trong ảnh, MPEG-2 cho phép lựa chọn 1 trong 2 cấu trúc cắt các Block từ MB là cấu trúc khung và cấu trúc mành

• Cấu trúc khung: là lựa chọn thích hợp khi không có nhiều sự thay đổi giữa 2 mành của khung Phép biến đổi DCT được thực hiện với từng Block gồm các phần tử

chiều đứng liên tiếp từ 2 mành mà không có vấn đề gì, do ít có sự thay đổi giữa 2 mành

Hình 2.6 Cấu trúc khung

• Cấu trúc mành: Thích hợp với các ảnh có các sự chuyển động quan trọng giữa 2 mành quét Trong trường hợp này, để tránh việc tạo ra những nội dung có tần

số theo chiều đứng cao, do có sự thay đổi quan trọng giữa 2 mành, các Block sẽ

được cắt ra từ MB thành các mành hoàn chỉnh gồm thông số liên tiếp từ một mành chẵn hay lẻ

Hình 2.7 Cấu trúc mành Với nén liên ảnh, MB cũng có thể được dự đoán theo các chế độ khung, mành hoặc chế độ phối hợp

• Với chế độ khung, 1 MB từ mành lẻ sẽ được dùng để dự đoán MB tương ứng

ở mành lẻ tiếp theo Vector chuyển động tương ứng với thời gian của 2 mành là 40ms (thời gian trong các hệ 50Hz)

• Với chế độ mành, việc dự đoán MB được thực hiện trong mành đó, vector chuyển động tương ứng với thời gian 1 mành là 20ms

• Với chế độ phối hợp, MB được dự đoán từ MB thuộc cả 2 mành chẵn và lẻ

2.2.3 Kỹ thuật nén MPEG-4 (Part 10) hay MPEG-4/AVC

Năm 2001, với mục đích phát triển một hệ thống nén có hiệu suất cao hơn, các cơ quan tiêu chuẩn ISO / IEC (MPEG) và ITU cùng nhau phát triển một hệ thống mã gọi là Mã hóa Video nâng cao ( Advanced Video Coding – AVC) Năm

2003, hệ thống AVC được tích hợp vào hệ thống chuẩn nén 4 gọi là

4 ISO/IEC-14496 part 10, ITU gọi nó là H.264 (dưới đây sử dụng tên 4/AVC) Hệ thống nén MPEG-4/AVC có tốc độ bit giảm một nửa so với MPEG-2 nhưng chất lượng tương đương Chuẩn MPEG-4/AVC hổ trợ nhiều ứng dụng khác

MPEG-nhau như truyền hình quảng bá, video stream, hội nghị truyền hình,

Các dịch vụ mới có thể được thực hiện trên các kiến trúc mạng hiện tại hoặc tương lai Điều này dẫn đến yêu cầu làm thế nào để quản lý sự đa dạng trong các ứng dụng và khai thác mạng Để giải quyết vấn đề này, MPEG-4/AVC đưa ra hai khái niệm mới đó là lớp mã hoá video (Video Coding Layer-VCL) và lớp mạng trừu tượng (Network Abstraction Layer-NAL)

2.2.3.1 NAL (Network Abstraction layer)

NAL định dạng dữ liệu mà VCL trình diễn nội dung dữ liệu video và cung cấp các thông tin mở đầu (Header) theo cách thức thích hợp để truyền dữ liệu bởi lớp truyền tải hoặc lưu trữ dữ liệu Tất cả dữ liệu chứa trong các đơn vị NAL, mỗi

đơn vị chứa một số nguyên byte Một đơn vị NAL chỉ rõ một định dạng chung và giống nhau để sử dụng trong cả các hệ thống gói định hướng và dòng bit, ngoại trừ mỗi đơn vị có thể đặt một mã khởi đầu ở phía trước trong một lớp dòng bit truyền tải

có định hướng

2.2.3.2 VCL (Video Coding Layer)

Trong các chuẩn mã hóa trước của ITU-T và ISO/IEC (kể từ H.261), VCL dựa trên việc mã hóa video lai ghép các khối Thuật toán mã hóa là sự lai ghép của

dự đoán liên ảnh để loại trừ dư thừa thời gian và phép biến đổi DCT để loại trừ dư thừa không gian Đối với VCL trong MPEG-4/AVC, không có sự cải tiến nào mang tính đột phá nhưng có một số điểm bổ sung được kết hợp lại để cải tiến hiệu quả nén

2.2.4.3 ảnh, khung và mành

Một chuỗi video được mã hoá trong MPEG-4/AVC bao gồm chuỗi các ảnh

được mã hoá Một bức ảnh được mã hoá có thể trình diễn dưới 1 trong 2 dạng là khung hình hoặc mành đơn Một khung hình quét liên tục bao gồm 2 mành quét xen

kẽ Mã hoá tại VCL không dựa trên thời gian mà dựa trên cơ sở về hình học

2.2.4.4 Phân chia ảnh vào các Macroblock

Một bức ảnh video (có thể là mọt khung hoặc mành) được phân chia vào các Macroblock(MB) có kích thước cố định là một khu vực gồm 16x16 mẫu chói và 8x8 mẫu cho mỗi 2 thành phần màu

2.2.4.5 Slice và nhóm Slice

Một slice là nột chuỗi các MB được xử lý theo thứ tự quét Trong mỗi slice

có chứa các thông tin cần thiết để giải mã ra vùng ảnh chứa trong slice đó

Hình 2.8 Phân chia slice và nhóm slice Nếu có sử dụng kỹ thuật FMO (Flexible Macroblock Ordering), việc chia nội dung ảnh vào các MB và các slice sẽ mềm dẻo hơn với cơ sở nhóm slice Nhóm slice là một tập hợp các MB được xác định từ bản đồ xắp xếp MB vào nhóm slice (macroblock to slice group map) Bản đồ này cũng chứa con số nhận dạng nhóm slice mà chứa các MB đó

MPEG-4/AVC hổ trợ 5 loại mã hóa Slice khác nhau :

• I slice: slice đơn giản nhất, tất cả các MB của nó đều được mã hoá theo phương pháp dự đoán trong ảnh

• P slice: một số MB trong slice mã hoá theo phương pháp dự đoán liên ảnh

• B slice: một số MB được mã hoá từ các MB khác theo dự đoán 2 chiều

• SP, SI slice: là kỹ thuật cho phép đầu thu có thể truy cập ngẫu nhiên vào dòng bit để thay đổi tốc độ, khôi phục lỗi hay các mục đích khác

2.2.4.6 Chu trình mã hóa và giải mã Macroblock

Tất cả các mẫu màu và chói của các MB được dự đoán không gian và thời gian, kết quả dự đoán sẽ được mã hoá biến đổi Để thực hiện mã hoá biến đổi, các tín hiệu dự đoán được chia thành các block 4x4 Sau đó được biến đổi bằng phép biến đổi thứ nguyên; kết quả được lượng tử hoá và mã hoá entropy

Hình 2.9 Sơ đồ mã hóa Macroblock

2.2.4.7 Dự đoán trong ảnh (Intra)

Có 2 kích thước để dự đoán là 4x4 và 16x16 Chế độ dự đoán với kích thước 4x4 phù hợp với các phần ảnh có độ chi tiết cao còn chế độ dự đoán với kích thước 16x16 phù hợp với các phần ảnh mịn

MPEG-4/AVC còn có thêm chế độ mã hoá trong ảnh I_PCM, chế độ này không thực hiện mã hoá theo các giá trị đã được biến đổi I_PCM cho phép truyền trực tiếp các giá trị được mã hoá

Chế độ mã hoá cho phép đạt được các mục đích sau:

• Cho phép bộ mã hoá có thể biểu thị một cách chính xác giá trị của các mẫu

• Đưa ra phương thức để biểu thị một cách chính xác nội dung bất thường của

2.2.4.8 Dự đoán liên khung (Inter)

MPEG-4/AVC hỗ trợ nhiều kích thước dự đoán nhỏ hơn, từ 16x16 đến 4x4 Mỗi MB có thể chia thành 4 phân đoạn 8x8, mỗi phân đoạn 8x8 lại có thể chia thành 4 phân đoạn 4x4 Mỗi phân đoạn đều yêu cầu phải có vector chuyển động riêng Như vậy 1 MB có thể có tối đa là 16 vector chuyển động

Hình 2.10 Kích thước dự đoán MB Việc bù chuyển động để khôi phục lại ảnh yêu cầu cả phía phát và phía thu phải lưu trữ các ảnh chuẩn để dự đoán

Khi giải mã bù chuyển động, đầu thu sẽ đọc các thông số ảnh tham chiếu trong bộ nhớ đệm Trên cơ sở đó sẽ khôi phục lại ảnh gốc

Hình 2.11 Dự đoán bù chuyển động ảnh P cũng có thể được mã hoá theo chế độ P_skip Với chế độ mã hoá này, không phải bảng các giá trị lượng tử sai số, hay vector bù chuyển động, hay các thông số trình diễn được truyền đi, mà tín hiệu khôi phục ảnh tại đầu thu chính là tín hiệu dự đoán chuyển động của microblock P_16x16 lưu tại vị trí đầu tiên của chuỗi trong bộ nhớ đêm của đầu thu Chế độ P_skip phù hợp với các trường hợp có một vùng ảnh rộng không có thay đổi

Dự đoán khung ảnh B sử dụng 2 danh sách:

Dự đoán khung ảnh B có thể theo 1 trong 4 phương thức: dự đoán từ các ảnh trong danh sách 0, từ các ảnh trong danh sách 1, dự đoán 2 chiều và dự đoán trực tiếp Với chế độ dự đoán 2 chiều, tín hiệu dự đoán được tạo nên từ giá trị trung bình của các tín hiệu bù chuyển động theo danh sách 0 và danh sách 1, có bổ sung trọng

số Chế độ dự đoán trực tiếp, ảnh được suy ra từ các cú pháp dự đoán ảnh truyền trước đó, có thể là theo danh sách 0 hoặc 1 hoặc theo chế độ 2 chiều

Các slice B cũng sử dụng phân chia MB như slice P Dự đoán liên khung với

ảnh B cũng có chế độ B_skip tương tự như với ảnh P

2.2.4.9 Biến đối Cosin

MPEG-4/AVC cũng sử dụng biến đổi cosin để loại trừ các dư thừa trong

ảnh Tuy nhiên khác với MPEG 2, phép biến đổi DCT được thực hiện với các block

4x4 Thay vì sử dụng DCT cho khối 4x4, một phép biến đổi thứ nguyên với các đặc tính tương tự như phép DCT cho block 4x4 được sử dụng

Việc sử dụng DCT với block có kích thước nhỏ đem lại một số lợi ích sau:

• Giảm tương quan về không gian trong khối

• Giảm nhiễu đường biên của phần ảnh mà block đó mang thông tin

• Giảm sự phức tạp trong tính toán và sai lệch giữ mã hoá và giải mã

Do đó, chất lượng nén được cải thiện và bộ lọc cũng sẽ làm giảm tốc độ bit khonảg 5-10 % nhưng chất lượng hình ảnh vẫn không giảm so với khi không dùng bộ lọc

2.2.4.12 Các công cụ mã hóa quét xen kẽ

Khung có thể được mã hóa như một đơn vị hoặc có thể được phân chia thành hai mành để má hóa riêng biệt Mã hóa mành đặc biệt có hiệu quả nếu mành

đầu tiên mã hóa sử dụng các slice I và mành thứ hai thực hiện một dự đoán từ việc

sử dụng bù chuyển động MPEG-4/AVC hổ trợ chuyển mạch MB thích nghi giữa mã hóa khung và mành

2.2.4.13 Các profiles và levels

MPEG-4/AVC định nghĩa 4 profile đó là Baseline, Main, X và High:

• Baseline profile: được sử dụng cho các ứng dụng đầu cuối có trể thấp, hổ trợ tất cả các tính năng trong MPEG-4/AVC, ngoại trừ 2 tập tính năng sau :

Tập tính năng 1: các slice B, khả năng dự đoán, CABAC, mã hóa mành và

bộ chuyển mạch MB thích nghi giữa mã hóa khung và mã hóa mành

Tập tính năng 2 : các slice SP và SI

• Main profile: hổ trợ tập tính năng 1, tuy nhiên không hổ trợ tính năng FMO

mà được hổ trợ bởi Baseline profile Main profile được sử dụng cho các ứng dụng quảng bá chất lượng SD

• eXtended Profile: hổ trợ tất cả các tính năng của MPEG-4/AVC, ngoại trừ CABAC, bộ chuyển mạch MB thích nghi giữa mã hóa khung và mã hóa mành X profile được ứng dụng cho mobile và e-streaming

• High profile: MPEG-4/AVC hổ trợ tập 4 profile khác nhau

High profile (HP) : hổ trợ video 8 bit/mẫu, lấy mẫu 4:2:0, các ứng dụng HD High 10 profile (Hi10P) : hổ trợ lên đến 10 bit/mẫu, lấy mẫu 4:2:0

High 4:2:2 profile (H422P) : hổ trợ 10 bit/mẫu, định dạng lấy mẫu 4:2:2 High 4:4:4 profile (H444P) : hổ trợ 12 bit/mẫu, định dạng lấy mẫu 4:4:4

2.2.4.14 Những kỹ thuật làm tăng hiệu quả nén MPEG-4/AVC so với MPEG-2

Hiện nay, MPEG-4/AVC là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các chuẩn nén video So với các chuẩn nén trước đây, đặc biệt so với chuẩn nén MPEG-2, MPEG-4/AVC đạt được hiệu suất nén cao gấp 2 lần Một số kỹ thuật sau

được cải tiến nhằm tăng hiệu quả nén :

• Kích thước Block bù chuyển động nhỏ hơn: Chuẩn này cho phép lựa chọn

kích thước block bù chuyển động và hình dạng một cách mềm dẻo hơn tất cả các chuẩn trước đó, với kích thước block bù chuyển động tối thiểu đạt tới 4x4

• Bù chuyển động chính xác đến 1/4 pixel: các chuẩn trước cho phép độ chính

xác bù chuyển động đến tối đa là 1/2 pixel, với MPEG-4/AVC là 1/4 pixel

• Vector chuyển động tại đường bao ảnh: trong khi vector chuyển động tại

2 cần phải chỉ đúng vào vùng ảnh đã được giải mã trước đó thì 4/AVC cho phép chỉ tới đường bao của ảnh

MPEG-• Bù chuyển động đa ảnh: các ảnh P trong MPEG-2 chỉ sử dụng 1 ảnh I hoặc P

trước đó để dự đoán ảnh tiếp theo Với MPEG-4/AVC, dự đoán bù chuyển động từ nhiều ảnh trước đó được lưu trong bộ nhớ, tương tự với ảnh B

• Tách riêng thứ tự mã hoá khỏi thứ tự trình diễn: trong MPEG-2, có một sự

phụ thuộc chặt chẽ giữa thứ tự mã hoá và thứ tự trình diễn MPEG-4/AVC cho phép

bộ mã hoá có thể lựa chọn thứ tự mã hoá hoàn toàn độc lập với thứ tự trình diễn, miễn là dung lượng bộ nhớ của bộ giải mã đủ lớn Điều này sẽ giảm được thời gian trễ khi mã hoá các ảnh dự đoán 2 chiều

• Tách riêng các giải pháp trình diễn ảnh khỏi khả năng làm ảnh chuẩn: trong

các chuẩn trước, các ảnh B là các ảnh được mã hoá từ việc dự đoán 2 chiều các ảnh khác, không thể được sử dụng như một ảnh chuẩn để dự đoán các ảnh khác trong chuỗi video Chuẩn mới loại trừ việc này, do đó làm tăng tính mềm dẻo cho việc dự

đoán chuyển động

• Dự đoán có trọng số: bước đột phá mới trong MPEG-4/AVC là cho phép tín

hiệu dự đoán bù chuyển động được kết hợp với một giá trị trọng số được mô tả bởi

bộ mã hoá Chế độ dự đoán này là hỗ trợ cần thiết khi nén các cảnh có sự mờ đi (khi

1 cảnh được mờ đi vào cảnh khác), nhờ vậy mà tăng được hiệu quả nén

• Suy đoán chuyển động trực tiếp: với các chuẩn trước, một khu vực bị bỏ qua

sẽ không chuyển động trong nội dung cảnh Điều này sẽ có ảnh hưởng không tốt khi mã hoá video có chứa chuyển động toàn thể Thay vì nội suy vùng bị bỏ qua, MPEG-4/AVC đưa ra giải pháp suy đoán chuyển động mới, gọi là bù chuyển động trực tiếp (Direct)

• Switching slices (còn được gọi là SP và SI): là chức năng cho phép bộ mã hoá

có thể chỉ thị cho bộ giải mã xâm nhập vào dòng bít để chuyển tốc độ bit hay có thể giải mã được ảnh tại đúng vị trí xâm nhập đó mà không cần sử dụng các ảnh khác

• ảnh dự phòng (Redundant Picture): MPEG-4/AVC có khả năng cho phép bộ

mã hoá gửi đi hình ảnh dự phòng của vùng ảnh được truyền, nhằm khôi phục lại vùng ảnh bị mất ở trên đường truyền

Nhằm cải tiến các giải pháp dự đoán, một số phần khác của chuẩn cũng được nâng cao để tăng hiệu quả nén:

• Biến đổi với kích thước block nhỏ: tất cả các chuẩn trước đều sử dụng kích

thước block biến đổi là 8x8, trong khi MPEG-4/AVC dựa trên kích thước 4x4 Do

có kích thước block nhỏ hơn nên độ sai khác giữa ảnh thật và ảnh dự đoán giảm đi, nhờ vậy tăng hiệu quả nén

• Thực hiện các biến đổi với kích thước block phân cấp: cho phép kích thước

block có thể tăng lên trong một số trường hợp

• Phép biến đổi ngược chính xác: trong các chuẩn mã hoá video trước đây, các

phép biến đổi được sử dụng cho trình diễn video thường có ngưỡng chấp nhận lỗi cho phía thu, do không thể đạt được phép biến đổi ngược lý tưởng trên lý thuyết Vì thế, mỗi bộ giải mã sẽ có tín hiệu video khác một chút so với bộ mã hoá, điều này làm ảnh hưởng đến chất lượng video MPEG-4/AVC là tiêu chuẩn đầu tiên đạt được

sự chính xác về chất lượng của tín hiệu video giải mã từ tất cả các bộ giải mã

• Mã hoá entropy số học: một phép mã hoá entropy tiên tiến được áp dụng

trong MPEG-4/AVC là mã hoá số học nhị phân theo nội dung CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding) Phương pháp mã hoá này dựa trên khả năng chọn lựa các chế độ cho mỗi cú pháp dựa vào nội dung

• Mã hoá entropy theo nội dung: phương pháp mã hoá entropy thứ 2 được áp

dụng trong MPEG-4/AVC là mã hoá độ dài thay đổi theo nội dung Context Adaptive Variable Length Coding) Phương pháp này được thiết kế để mã hoá độ dư thừa các hệ số chuyển đổi của các khối 4x4 và 2x2

Nén video theo chuẩn MPEG-4/AVC mang lại hiệu quả cao và giảm được tốc độ bit của dòng chương trình sau nén so với nén MPEG-2 khoảng 2 lần Cụ thể một chương trình độ phân SD nén MPEG-2, thì tốc độ bit còn khoảng 4-8Mbit/s; nhưng nếu sử dụng nén MPEG-4/AVC thì tốc độ bit chỉ còn khoảng 2-4Mbit/s đều cho chất lượng ảnh ngang nhau Một chương trình HDTV nén MPEG-2 tốc độ bit còn 18-19Mbit/s; nếu nén MPEG-4/AVC, thì tốc độ bit còn khoảng 7-8Mbit/s, chất lượng ảnh đến người xem tương đương nhau

Hình 2.12 Mối tương quan giữa nén MPEG-2, MPEG-4, và MPEG-4/AVC

Hình 2.13 So sánh tốc độ bits của 2 chuẩn nén MPEG-2 và MPEG-4/AVC Dòng tín hiệu số HDTV được nén theo nguyên lý áp dụng cho SDTV, tuy nhiên với MPEG-2 thì SDTV được nén ở MP@ML, còn với HDTV thì nén ở MP@HL

Hiện nay, ngoại trừ một số kênh truyền hình đang sử dụng nén MPEG-2, đa phần các nước đã và sẽ sử dụng tiêu chuẩn MPEG-4/AVC thay thế cho MPEG-2 để nén dòng tín hiệu HDTV, và các nhà cung cấp dịch vụ đều đã lên kế hoạch chuyển sang MPEG-4/AVC MPEG-4/AVC có một số điểm khác biệt không tương thích với MPEG-2, vì vậy khi triển khai MPEG-4/AVC, sẽ phải thiết lập bộ mã hoá và giải mã mới

Chương 3 Hệ THốNG TRUYềN HìNH Số Độ PHÂN GIảI CAO HDTV

D/A Phách lên tần cao Khuếch đại

Khối công suất

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T

Mã hoá Audio Mã hoá Video

Mã hoá dữ liệu

Ghép kênh chương trình Ghép kênh truyền tải

MPEG-2 Mã nguồn và ghép kênh

2 1

n

Bộ chia tín hiệu

Tráo trong

Định

vị

Tương thích khung

Chèn Pilot

& TPS

bảo vệ

Hệ thống phát truyền hình số mặt đất DVB-T bao gồm các khối chức năng làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu truyền hình băng cơ sở từ đầu ra của bộ ghép kênh truyền tải dòng MPEG-2 hoặc MPEG-4/AVC đến các đặc tính của kênh mặt đất Tiến trình xử lý dòng dữ liệu bao gồm các khối giai đoạn (hình 3.1): chuyển đổi và ngẫu nhiên hoá ghép kênh truyền tải và trải phổ năng lượng; mã hoá ngoài (mã R-S); tráo ngoài (tráo xoắn); mã hoá trong (mã xoắn xen kẽ); tráo trong; ánh xạ và điều biến; truyền dẫn OFDM, ánh xạ

Hệ thống này hoàn toàn tương thích với dòng tín hiệu truyền hình được mã hoá MPEG-2 hoặc MPEG-4/AVC theo chuẩn ISO/ IEC-13818

3.1.2.1 Nguyên lý OFDM

OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao Về cơ bản, nguyên lý OFDM tách luồng tín hiệu băng rộng truyền nối tiếp tốc độ cao thành nhiều luồng song song tốc độ thấp hơn, sau đó từng luồng dữ liệu này sẽ được ánh xạ vào các sóng mang phụ để truyền đồng thời Điều chế đa sóng mang trực giao là một dạng đặc biệt của điều chế đa sóng mang (FDM), trong đó mỗi song mang phụ trực giao với các sóng mang còn lại Nhờ sự trực giao này phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lênh nhau, hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống sẽ tăng lên rõ rệt

Hình 3.2 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM

a Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu

q p

q p k t d t

Ψ

∫2 ( ) * ( ) ( ) 0,

1

bằng một chuỗi các sóng mang phụ trực giao, giả sử chúng ta có N sóng mang phụ

n t X t e S

0

2

) ( )

Sau đó tín hiệu được lấy mẫu bởi tần số lấy mẫu 1/Ts Thời gian một

thay thế bằng X(k), và kết quả phương trình (3.2) được thay thế bằng:

n nT X k e s S

0

2 ) ( )

e k X N nT X

0

/ 2

) ( 1 )

Khi đó IDFT có thể được sử dụng để thực hiện bộ điều chế hệ thống OFDM

3.1.2.2 Chuỗi bảo vệ và tiếp đầu tuần hoàn (CP-Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng nhất của truyền thông vô tuyến là độ trải trễ đa đường, OFDM đối phó với vấn đề này rất hiệu quả

Giao thoa giữa các ký tự (ISI) hầu như được loại bỏ nhờ việc chèn thêm khoảng bảo vệ - Tg (guard interval) cho mỗi ký hiệu OFDM Khoảng bảo vệ này

được chọn lớn hơn độ trải trễ đa đường lớn nhất, các thành phần đa đường của mỗi

ký hiệu không thể gây nhiễu tới các ký hiệu tiếp theo Hình 3.4 mô tả chức năng khoảng bảo vệ chống lại ISI

ICI là sự xuyên âm giữa các sóng mang với nhau, nghĩa là sự trực giao giữa các sóng mang không còn tồn tại Khi máy thu thực hiện giải điều chế sóng mang

thứ nguyên lần chu kỳ giữa các sóng mang 1 và 2 Để chống lại ICI, các ký hiệu OFDM được mở rộng một cách đều đặn vào khoảng thời gian bảo vệ Tg gọi là tiền

tố tuần hoàn - CP Việc chèn CP được thực hiện bằng cách sao chép phần cuối của chính mỗi ký hiệu OFDM vào phần đầu của ký hiệu đó Điều này đảm bảo cho các phiên trễ đa đường của ký hiệu luôn có một số nguyên lần chu kỳ trong khoảng tính FFT, do vậy các tín hiệu trễ đa đường có độ trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây

Thời gian

Khoảng bảo vệ

Multipath gõy ra ISI

dẫn đến dịch pha khi

cú súng phản xạ tới

ra ICI Gọi trễ lớn nhất của kênh truyền τmax, độ dài của tiếp đầu tuần hoàn

max

cp

Nếu trễ đa đường vượt khoảng bảo vệ một phần nhỏ của thời khoảng tính FFT( khoảng 3% ) các sóng mang không còn trực giao nữa nhưng nhiễu vẫn còn đủ nhỏ để có giản đồ chòm sao chấp nhận được Nếu trễ đa đường vượt quá khoảng bảo

vệ 10% của thời khoảng tính FFT thì giản đồ chòm sao bị ảnh hưởng nghiêm trọng,

do vậy tỉ lệ lỗi là không chấp nhận được

Hình 3.5 Loại bỏ ICI khi thêm tiếp đầu tuần hoàn CP Trên hình 3.5(a) thể hiện nhiễu giữa 2 ký hiệu OFDM liên tiếp Do hiệu ứng phân tập đa đường một tín hiệu khi phát từ máy phát tới máy thu sẽ đi theo nhiều

đường khác nhau với những trễ truyền dẫn khác nhau Trên hình vẽ ta có hai tín hiệu nhận được từ hai đường, một đường không có trễ truyền dẫn, đường còn lại trễ so

truyền dẫn thì ta thấy ký hiệu 1 không lẫn sang làm nhiễu ký hiệu 2 Còn tín hiệu nhận được theo đường 2 có trễ một khoảng lên nên có sự lẫn từ ký hiệu 1 sang ký hiệu 2 gây ra nhiễu

Hình 3.6 Truyền OFDM trên kênh truyền fading đa đường với CP

Hình 3.7 Mô tả hệ thống OFDM ảnh hưởng ICI và ISI

3.1.2.3 Mô hình hệ thống OFDM

Hình 3.8 Mô hình hệ thống OFDM Hình 3.3 biểu diễn mô hình hệ thống OFDM, phần phát có bộ biến đổi nối tiếp song song S/P được dùng để chuyển đổi luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp Tín hiệu sau khi qua bộ chuyển đổi, được đưa vào bộ ánh xạ Khối IFFT dùng để tạo các luồng dữ liệu thành phần với các sóng mang thành phần và chuyển phổ tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, sau đó tín hiệu được biến đổi ngược lại sang nối tiếp, sau khi chèn khoảng bảo vệ tín hiệu đưa đến khối

phát có bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và chuyển lên tần cao để phát

3.1.3.1 Ngẫu nhiên hoá dữ liệu và phân tán năng lượng

Dòng số liệu đầu vào sẽ được tổ chức thành các gói có chiều dài cố định tuỳ theo bộ ghép kênh truyền tải dòng MPEG-2, tổng chiều dài các gói tin ghép kênh

chính của mạch ngẫu nhiên hoá là tạo ra chuỗi dữ liệu giả ngẫu nhiên trước khi đưa vào bộ mã hoá và điều chế, nhằm phân tán năng lượng của tín hiệu, tránh việc phân

bổ năng lượng không đều, có thể gây nhiễu đến hệ thống phát tương tự Các số liệu

đầu vào ghép kênh MPEG-2 sẽ được ngẫu nhiên hoá theo cấu hình được miêu tả trong hình 3.9

3.1.3.2 Mã hóa ngoài và tráo ngoài

Việc mã hoá và tráo ngoài sẽ được thực hiện với cấu trúc gói dữ liệu đầu vào như hình 3.10a Mã hoá rút ngắn Reed Solomon RS (204, 188, t = 8), có khả năng sửa đến 8byte lỗi, xuất phát từ mã hoá hệ thống gốc RS (255, 239, t = 8) và được áp dụng cho từng gói truyền tải ngẫu nhiên (188byte) như hình 3.10b để tạo ra gói truyền tải được bảo vệ lỗi như hình 3.10c Mã hóa Reed Solomon cũng được áp

Đa thức sinh mã: g (x) = (x + λ0) (x + λ1) (x + λ2) (x + λ15), với λ =02

Dữ liệu đầu vào (đầu tiên là MSB) : 1011 1000 xxxx xxxx

Đa thức sinh : p (x) = x8+ x4 + x3 + x2 + 1

Qua quá trình xử lý "tráo xoắn" với độ sâu I = 12 các byte dữ liệu sau tráo

sẽ được sắp xếp theo các gói chống lỗi và chống vượt giới hạn bằng các byte dữ liệu MPEG-2 đồng bộ đảo hay không đảo, như vậy nó luôn bảo toàn tính tuần hoàn 204 byte

Bộ tráo có thể được sắp xếp theo I=12 nhánh, các nhánh được kết nối tuần hoàn với dòng dữ liệu đầu vào bằng các chuyển mạch đầu vào Mỗi nhánh j sẽ là một thanh ghi đệm FIFO, với độ sâu j x M khối, tại đó M = 17 = N/ I, N = 204 Các khối tuân theo quy luật FIFO sẽ chứa một byte và các chuyển mạch đầu vào - ra sẽ

luôn luôn được định tuyến tới các nhánh "0" của bộ tráo (tương ứng với một độ trễ bằng 0)

SYNC (1byte) MPEG-2 transport MUX data 187 byte Hình 3.10a Gói ghép kênh truyền tải MPEG-2

Hình 3.10b Gói truyền tải đã được ngẫu nhiên hoá

Hình 3.10d Cấu trúc dữ liệu sau bộ tráo ngoài (với độ sâu I=12 byte)

204 byte SYNC or SYNC MPEG-2 transport MUX data 187 byte 16 byte Parity

Hình 3.10b Gói truyền tải đã được ngẫu nhiên hóa