Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Thu Trang TRUYỀN HÌNH SỐ CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO HDTV VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Thu Trang

TRUYỀN HÌNH SỐ CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI CAO HDTV VÀ

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Ngô Thái Trị

Hà Nội – 2009

Header Page 1 of 237.

Footer Page 1 of 237.

Trang 2

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV 6

1.1.Khái niệm HDTV 6

1.1.1 Khái niệm và ưu điểm của HDTV [5] 6

1.1.2.Tỷ lệ khuôn hình [3] 6

1.1.3.Đặc tính quét ảnh 7

1.1.4.Độ phân giải hình và băng thông tín hiệu 8

1.2.Lịch sử và xu hướng phát triển [5] 10

1.2.1 HDTV tại Nhật Bản 10

1.2.2 HDTV tại Mỹ 11

1.2.3 HDTV tại châu Âu 12

1.3.Mô hình tổng quan của hệ thống HD 14

1.3.1.Hệ thống thiết bị trung tâm (Master Headend) 14

1.3.2.Hệ thống mạng phân phối tín hiệu 15

1.3.3.Thiết bị đầu cuối thuê bao 15

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KỸ THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HDTV 16

2.1.Tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu 16

2.2.Lượng tử hoá 17

2.3.Nén video số bằng MPEG [3] 18

2.3.1.Tổng quan nén MPEG 18

2.3.2.Nguyên lý nén Video Error! Bookmark not defined 2.3.3.Nén trong ảnh Error! Bookmark not defined 2.3.4.Nén liên ảnh Error! Bookmark not defined 2.4.Nén MPEG 4 [3] Error! Bookmark not defined 2.4.1.Tổng quan về MPEG 4 Error! Bookmark not defined 2.4.2 MPEG 4 Profile Error! Bookmark not defined 2.4.3 MPEG 4 Visual (Part 2) Error! Bookmark not defined 2.4.4 MPEG 4 AVC (Part 10)/ H264 Error! Bookmark not defined 2.5.Nén HDTV Error! Bookmark not defined 2.6.Chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn SD sang âm thanh tiêu chuẩn HD Error!

Bookmark not defined

CHƯƠNG 3: TRUYỀN DẪN HDTV Error! Bookmark not defined 3.1.Phát HDTV qua vệ tinh Error! Bookmark not defined 3.1.1 Phát sóng theo chuẩn DVB-S Error! Bookmark not defined 3.1.2 Chuẩn DVB-S2 [4] Error! Bookmark not defined 3.1.3 Phát HDTV qua vệ tinh sử dụng DVB-S2 Error! Bookmark not

defined

3.2.Phát HDTV qua sóng mặt đất Error! Bookmark not defined

Trang 3

3.2.1 Chuẩn DVB-T Error! Bookmark not defined 3.2.2 Chuẩn DVB-T2 [4] Error! Bookmark not defined 3.3.Phát HDTV qua mạng cáp Error! Bookmark not defined 3.3.1 Phát HDTV qua chuẩn DVB-C Error! Bookmark not defined 3.3.2 Giới thiệu DVB-C2[4] Error! Bookmark not defined 3.3.3 Kiến trúc hệ thống DVB-C2 Error! Bookmark not defined 3.4.Phát HDTV qua IP Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Error! Bookmark not

defined

4.1.Mô hình mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.1.1.Mô hình hệ thống DVB-T Error! Bookmark not defined 4.1.2.Mô hình hệ thống DVB-T2 Error! Bookmark not defined 4.1.3.Mô hình hệ thống DVB-S2 Error! Bookmark not defined 4.2.Đánh giá một số kết quả mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.2.1.Hệ HDTV sử dụng chuẩn DVB-T Error! Bookmark not defined 4.2.2.Hệ thống DVB-S2 Error! Bookmark not defined 4.2.3.Hệ thống DVB-T2 Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI HDTV TẠI VIỆT NAM Error!

5.1.Cơ sở lý thuyết của việc chuyển đổi Error! Bookmark not defined 5.1.1.Chuyển đổi khuôn hình Error! Bookmark not defined 5.1.2.Kỹ thuật De-interlacing [6] Error! Bookmark not defined 5.1.3.Kỹ thuật upconvesion [6] Error! Bookmark not defined 5.2.Tiêu chuẩn công nghệ và lựa chọn thiết bị cho hệ thống Error! Bookmark

not defined

5.2.1.Các yếu tố phải đáp ứng của hệ thống truyền hình cáp Error!

5.2.2.Dây truyền công nghệ và lựa chọn thiết bị Error! Bookmark not

defined

KẾT LUẬN: Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

Trang 4

MỞ ĐẦU

HDTV (High-definition television) là hệ thống truyền hình số quảng bá có

độ phân giải cao cho hình ảnh đẹp, sắc nét, màu sắc đa dạng phong phú kết hợp với hệ thống âm thanh số trung thực, đa kênh tạo ra một dịch vụ có chất lượng nổi trội so với các hệ thống truyền hình truyền thống (PAL, NTSC, SECAM)

Chuẩn truyền hình này đưa đến cho người xem không chỉ cảm nhận về chất lượng hình ảnh tốt với độ phân giải cao mà còn mang lại một cảm giác ấn tượng về vẻ đẹp, độ chân thực, độ sâu và kích thước của toàn bộ hình ảnh Hơn thế nữa, với việc cung cấp tín hiệu âm thanh vòng (surround sound) 5.1 đã mang lại cho người xem một cảm giác như đang ngồi trong rạp chiếu phim

Việc người dùng chuyển lên HDTV thay thế SDTV được coi là một bước tiến đáng nhớ cho ngành công nghiệp điện tử gia dụng, tương tự như việc nhân loại chuyển từ tivi đen trắng sang tivi màu trước đây

Việc truyền dẫn dịch vụ HDTV trên công các công nghệ khác nhau đặc biệt là sử dụng chuẩn DVB (T,S,C) đang gặp khó khăn về yêu cầu cân bằng giữa băng thông tín hiệu và chất lượng kênh truyền Sự ra đời của chuẩn nén mới MPEG-4/AV đã cải thiện được hiệu suất nén dòng tín hiệu và hiệu quả sử dụng kênh truyền Đầu năm 2009 đánh dấu sự công nhận hệ tiêu chuẩn thứ 2 của DVB gồm DVB- T2, DVB-S2, DVB-C2 với việc làm giảm rất nhiều dung lượng của kênh, tăng độ tin cậy và khả năng chống nhiễu do vậy càng thúc đẩy sự phát triển mạnh của dịch vụ HDTV

Hiện nay tại Việt Nam truyền hình độ phân giải cao vẫn là một khái niệm rất mới đối với người sử dụng Trên thị trường chỉ xuất hiện màn hình Plasma và LCD có thể xem truyền hình với độ phân giải cao, việc sản xuất chương trình cũng như cung cấp loại hình dịch vụ này mới đang trong giai đoạn xây dựng phương án đầu tư, nghiên cứu và phát thử nghiệm

Luận văn “Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV và khả năng ứng

dụng tại Việt Nam” đi vào nghiên cứu các công nghệ, chuẩn sử dụng trên

HDTV và đánh giá so sánh được hiệu quả của việc sử dụng tiêu chuẩn DVB thứ

2 trong truyền dẫn phát sóng HDTV Đồng thời cũng đánh giá được hiện trạng việc áp dụng công nghệ tiên tiến này vào nước ta để cho người sử dụng có một cách sâu sắc hơn về dịch vụ mới HDTV tại Việt Nam

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan HDTV Chương 2: Các công nghệ và kỹ thuật sử dụng trong HDTV: Lấy mẫu, lượng tử hoá, nén video số, chuẩn nén MPEG4, MPEG-4/AVC, kỹ thuật âm thanh vòng sử dụng trong HDTV

Trang 5

Chương 3: Các công nghệ truyền dẫn HDTV, giới thiệu chuẩn DVB thế hệ thứ 2 (DVB-T2,DVB-S2,DVB-C2) và so sánh đánh giá hiệu quả kênh truyền

Chương 4: Một số kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB 2009a về mô phỏng hệ HDTV, so sánh đánh giá hiệu suất về việc dùng chuẩn DVB đầu tiên và thế hệ thứ 2 qua mã hoá LDPC

Chương 5: Ứng dụng triển khai HDTV tại Việt Nam Qua việc giới thiệu

đề án xây dựng hệ thống HDTV tại Truyền hình cáp Việt Nam giúp chúng ta hiểu kỹ hơn về việc triển khai HDTV

Qua lời nói đầu tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Ngô Thái Trị, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình hoàn thiện bản luận văn này; cũng xin được cảm ơn các thầy cô giáo, bạn học cùng lớp, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Hà Nội, tháng 12 năm 2009

Học viên Nguyễn Thị Thu Trang

Trang 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HDTV

1.1.Khái niệm HDTV

1.1.1 Khái niệm và ưu điểm của HDTV [5]

HDTV sử dụng các kỹ thuật tiên tiến để tăng thêm các chi tiết ảnh và cải

tiến chất lượng âm thanh cung cấp tới tivi Chất lượng hình ảnh tương đương với

35 mm phim camera, chất lượng âm thanh tương đương với một máy nghe nhạc compact Để đạt được điều đó HDTV đã tạo thêm các dòng điện tử quét ngang màn hình và thêm các electron để tạo thêm chi tiết ảnh Các hệ thống truyền hình truyền thống cung cấp loại tivi với 525 dòng quét (NTSC) với 300 điểm ảnh trên/dòng HDTV sử dùng hơn 1000 dòng quét với khoảng 1000 điểm ảnh trong một dòng Với việc tăng thông tin cho hình ảnh nên HDTV yêu cầu một băng thông cao hơn hẳn so với hệ thống truyền hình truyền thống do đó tăng hiệu suất

sử dụng băng thông

Các ưu điểm của HDTV so với SDTV

- Khuôn hình rộng hơn, hình ảnh có độ sắc nét rõ ràng

- Âm thanh với chất lượng cao

- Băng thông sử dụng hẹp

Khả năng chống xuyên nhiễu tốt, một số hiện tượng như bóng hình (ghosting), hoặc muỗi (snow) không tìm thấy với hệ thống HDTV

1.1.2.Tỷ lệ khuôn hình [3]

Tỷ lệ khuôn hình là tỷ lệ giữa chiều ngang và chiều cao của hình ảnh, về bản chất là tỷ lệ giữa số điểm ảnh tích cực của 1 dòng trên số dòng tích cực Tỷ

lệ truyền thống là 4:3, còn tỷ lệ của một khuôn hình rộng là 16:9 Một số ưu điểm của khuôn hình rộng là:

+ Góc nhìn thấy của con người khoảng xung quanh 120o, nhưng khi nhìn màn hình nhỏ tỷ lệ 4:3 từ khoảng cách vài mét, chúng ta sẽ phải làm hẹp góc nhìn một cách đáng kể thậm chí lên đến 10o Điều này làm giảm khả năng cảm thụ hình ảnh

+ Tỷ lệ khuôn hình 16:9 (1.78:1) gần hơn với tỷ 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 có tính phim ảnh Nói một cách đơn giản là có thể giảm bớt

Trang 7

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

rộng

Hình sau đây sẽ cho ta thấy hiệu quả của tỷ lệ khuôn hình

Khoảng cách nhìn: 3H Khoảng cách nhìn: 7H Góc nhìn: 300 Góc nhìn: 100

Hình 1.1: So sánh giữa HDTV và SDTV về tỷ lệ khuôn hình HDTV sử dụng tỷ lệ khuôn hình rộng 16:9

1.1.3.Đặc tính quét ảnh

Với 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

Với định dạng 1080i, một khung hình gồm 1125 dòng tín hiệu, được truyền đi bằng 2 mành Mành 1 gồm các dòng lẻ, gồm có 563 dòng Mành 2 gồm

các dòng chẵn, gồm có 562 dòng Tần số khung tương ứng với 2 hệ tần số là

25Hz và 30Hz

Tần số dòng với định dạng 1080/30i: fH = 30 x 1125 = 33750Hz

Tương tự như vậy, tần số dòng với các định dạng 1080/25i là 28125Hz, với định dạng 720/60p là 45000Hz, với định dạng 720/50p là 37500Hz

Bảng sau đây thể hiện các thông số quét ảnh của HDTV tương tự

STT Thông số 50Hz 60Hz

720p 1080i 720p 1080i

1 Tần số khung 50 25 60 30

16

9

Trang 8

(Hz)

2 Tần số mành

3 Dạng quét 1:1 2:1 1:1 2:1

4 Tổng số dòng 750 1125 750 1125

5 Dòng tích cực 720 (26 đến

745)

1080 (21-560, 564-1123)

720 (26 đến 745)

1080

(21-560, 564-1123)

6 Dòng trống 30 (1-25,

746-750)

45 (1-20,

561-563, 1124-1125)

30 (1-25, 746-750)

45 (1-20, 561-563, 1124-1125)

7 Tần số dòng (fH,

Hz) 37500 28125 45000 33750 Bảng 1.1: Thông số quét ảnh của HDTV

1.1.4.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 thường 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 Ta sẽ tính toán trên ví dụ là hệ 1080/25i như sau:

Số dòng tích cực: 1080

Độ phân giải đứng: 1080 x 0.7 = 756 LPH Với tỷ lệ khuôn hình 16:9, chiều ngang của mành phải đảm bảo hiển thị số điểm ảnh là: 756 x 16/9 = 1344 điểm ảnh

Tần số mành của hệ 1080/25i là: 28125Hz, do đó thời gian tích cực 1 dòng là:

(1/28125) x (1920/2640) = 25.858s

Do chiều ngang có số điểm ảnh là 1344, nên số lần chuyển đổi điểm ảnh đen trắng trên 1 dòng là 1344/2 = 672 lần

Thời gian 1 lần chuyển đổi là: 25.858/672 = 0.0384s Tần số cực đại là: 1/0.0384 = 26.04 MHz

Trang 9

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 Nếu giảm độ rộng băng thông truyền tín hiệu, sẽ làm giảm độ phân giải hình

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

Độ phân giải của SDTV ở châu Âu là 720 điểm ảnh trên một dòng, 575 dòng tích cực trong một mành được quét xen kẽ, tương đương với 0.41Mpixels Tại Bắc Mỹ số dòng tích cực thậm chí còn ít hơn, chỉ có 480 dòng quét xen kẽ

Độ phân giải của định dạng HDTV 1080i là hơn 2Mpixels, tức là cao hơn 5 lần

so với SDTV

Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, một đĩa DVD hay một chương trình truyền hình số (truyền qua cáp, vệ tinh số, hay số mặt đất) cũng chỉ có 575 dòng tích cực mặc dù rất nhiều người nghĩ rằng DVD hay truyền hình số hiện nay là

có độ phân giải cao

Để có thể dán nhãn HD ready, thiết bị cần ít nhất 720 dòng vật lý, nhưng hiện nay phần lớn các TV màn hình phẳng có 768 dòng Các Projector độ phân giải cao thường được gọi là Projector 720p có độ phân giải là 1280x720 Một điều quan trọng cần nhấn mạnh là: Các yêu cầu để đạt HD ready không đề cập đến số điểm ảnh trên 1 dòng, nhưng ta cần hiểu rằng số điểm ảnh là càng nhiều càng tốt Độ phân giải đặc trưng của hiển thị HD là: 1280x720(0.92Mpix), 1280x768(0.98Mpix), 1024x768(0.78Mpix), 1024x1024(1.05Mpix), 1366x768(1.05Mpix), 1920x1080(2.07Mpix) Thiết bị hiển thị với độ phân giải gốc 1920x1080 được biết đến với tên HD đầy đủ (Full HD) hoặc bộ TV 1080p hoặc Projector

Hình 1.2: Tương quan về độ phân giải

Trang 10

1.2.Lịch sử và xu hướng phát triển [5]

1.2.1 HDTV tại Nhật Bản

Năm 1968, hãng NHK của Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu và phát triển HDTV, kết quả cho ra đời chuẩn kỹ thuật đầu tiên dành cho studio: Số dòng

quét/ảnh : 1125, tỷ lệ khuôn hình : 5/3, thương pháp quét: xen kẽ, tần số mành :

60Hz, độ rộng băng tần : 20MHz

Đến tháng 10/1984, hệ MUSE (Multiple SubNyquist Sampling Encoding) được NHK thiết kế để phát sóng truyền hình tương tự có độ phân giải cao qua vệ

tinh Theo yêu cầu phát sóng, hệ MUSE còn được phát triển với nhiều version

khác nhau nữa Trong đó, băng tần tín hiệu HDTV được nén từ 20MHz xuống

8.1MHz và có thể truyền, phát sóng qua vệ tinh Nhật Bản cũng được ghi nhận là

nước duy nhất phát thương mại HDTV tương tự và cũng đã có những thành công

nhất định

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

Hiện nay Nhật Bản sử dụng định dạng 1080i/60 với số mẫu trên 1 dòng là

1440 hoặc 1920

Phát sóng trên mạng vệ tinh và sóng mặt đất theo chuẩn T và

ISDB-S

-Mặt đất:

+ Có 17,9 triệu đầu thu HDTV số mặt đất được bán tính đến 1/2007 + Đã phủ sóng 84 % lãnh thổ, tính đến cuối năm 2006

+ Một số kênh HDTV tại khu vực nội đô Tokyo

-Vệ tinh:

+ Có khoảng 20,4 triệu đầu thu HDTV số vệ tinh được bán, tính đến 1/2007

+ Một số kênh HDTV qua vệ tinh tại Nhật Bản:

-Mạng cáp:

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	802,6 KB