BÀI CÁO CÁO THỰC TẬP-nén tín hiệu số - chuẩn nén MPEG4 trong truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 DVB-T2

Họ và tên : Lê Quang Minh
Báo cáo thực tập.
Đề tài : nén tín hiệu số - chuẩn nén MPEG4 trong truyền
hình số mặt đất thế hệ thứ 2 DVB-T2.
Chương I : Giới thiệu về nơi thực tập
a. Chức năng :
Trung tâm tin học đo lường là đơn vị sự nghiệp có thu trực thuộc đài
truyền hình Việt Nam, có chức năng quản lý và thống nhất áp dụng lĩnh vực
phát triển công nghệ của Đài, giám định chất lượng kỹ thuật thiết bị của thiết bị
chuyên ngành thuộc lĩnh vực truyền hình theo chức năng và quy định của pháp
luật.
b. Nhiệm vụ và quyền hạn :
1. Tham mưu giúp tổng giám đốc trong lĩnh vực ứng dụng và phát triển công
nghệ thông tin, lập kế hoạch ngắn hạn và dài hạn về nghiên cứu và ứng dụng của
lĩnh vực công nghệ thông tin trong ĐTHVN, tham gia tư vấn thẩm định các dự
án công nghệ thông tin theo các quy định của tổng giám đốc. Tổ chức triển khai
chương trình và kế hoạch ứng dụng công nghệ thông tin đã được tổng giám đốc
phê duyệt.
2. Quản lý, duy trì và đảm bảo hoạt động của mạng máy tính ĐTHVN. Tổ chức
triển khai các ứng dụng chung và phối hợp với các đơn vị trực thuộc Đài triển
khai các ứng dụng riêng.
3. Nghiên cứu triển khai truyền hình trên mạng và truyền hình tương tác.
4. Đảm bảo về kỹ thuật của mạng Internet dùng riêng cho ĐTHVN.
5. Tổ chức tư vấn, thẩm định, đo lường về khoa học kỹ thuật truyền hình, tin học
với các đơn vị trong và ngoài Đài.
6. Quản lý các mặt công tác tiêu chuẩn đo lường chất lượng chuyên ngành
truyền hình.
7. Thực hiện nhiệm vụ đo lường, thử nghiệm kỹ thuật truyền hình gồm :
+) giám định chất lượng kỹ thuật ban đầu, định kỳ và sau sửa chữa, lắp
ráp các thiết bị chuyên ngành truyền hình.
+) xây dựng các chỉ tiêu chất lượng kỹ thuật của các thiết bị chuyên dùng

thuộc lĩnh vực truyền hình.
8. Soạn thảo nhiệm vụ cụ thể, quy chế hoạt động, lề lối làm việc và mối quan hệ
công tác của trung tâm trình tổng giám đốc phê duyệt.
9. Cùng với ban tổ chức cán bộ xây dựng kế hoạch đào tạo, đào tạo lại và bồi
dưỡng nghiệp vụ cho cán bộ nhân viên của trung tâm theo quy định chung của
Đài.
c. Tổ chức bộ máy trung tâm tin học và đo lường :
Trung tâm gồm 4 phòng :
Chương II: Tóm tắt lý thuyết
1.Giới thiệu chung về truyền hính số mặt đất:
Gi¸m ®èc Trung t©m
Phßng
Tæng hîp
Phßng
Kü thuËt
Phßng
§o l êng &
Thö nghiÖm
Phßng
C«ng nghÖ
th«ng tin
Ra đời vào cuối thập kỷ 90, truyền hình số mặt đất đang ngày càng được
chấp nhận, phát triển rộng rãi và trở thành xu thế không thể thay đổi của truyền
hình thế giới trong tương lai.
Theo đánh giá của các chuyên gia, truyền hình số có nhiều ưu điểm hơn
hẳn so với công nghệ truyền hình thông thường mà nổi bật trước hết là khả năng
chống nhiễu cao, ít nhạy cảm với nhiễu, có khả năng phát hiện sửa lỗi và thu tốt
trong truyền sóng đa đường. Ngoài ra, truyền hình số còn cho phép tiết kiệm phổ
tần, truyền được nhiều chương trình trên cùng một kênh sóng trong khi truyền
hình tương tự phải dùng một kênh cho mỗi chương trình. Hơn thế nữa, truyền

hình số còn có khả năng khoá mã, quản lý chương trình theo yêu cầu đồng thời
còn cho phép truyền hình đa phương tiện.
Hiện nay, đang thịnh hành 3 tiêu chuẩn cho truyền dẫn truyền hình số mặt
đất là DVB-T của châu Âu, ATSC của Mỹ và ISDB-T của Nhật Bản. Trong các
hệ phát hình số mặt đất, tiêu chuẩn châu Âu DVB-T tỏ ra có nhiều ưu điểm và
được hầu hết các nước trên thế giới chấp nhận.
Hiện nay ,chuẩn DVB-T2 đã ra đời là thế hệ thứ 2 của chuẩn DVB-T với
những cải tiến về chất lượng và kỹ thuật.
2.Tổng quát về chuẩn DVB-T:
Năm 1997, khối các nước châu Âu đã giới thiệu tiêu chuẩn truyền hình số
phát song quảng bá mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial).
DVB-T dựa trên kỹ thuật mã hóa kênh, kỹ thuật điều chế ghép kênh phân hia
theo tần số trực giao OFDM và được gọi chung là điều chế mã COFDM.
Chuẩn DVB được sử dụng ở châu Âu, truyền tải tín hiệu video số nén
theo chuẩn MPEG-2 qua cáp, vệ tịnhvà phát truyền hình mặt đất.
Chuẩn DVB-T có một số đặc điểm như sau:
-Mã hóa Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II
-Mã hóa Video chuẩn MP@ML
-Độ phân giải tối đa 720x576 điểm ảnh
3.Tổng quát về chuẩn DVB-T2 :
a. Sơ đồ cấu trúc DVB-T2
b.Các tiêu chí của chuẩn DVB-T2:
- DVB-T2 phải tuân thủ tiêu chí đầu tiên có tính nguyên tắc là tính tương
quan giữa các chuẩn trong họ DVB. Điều đó có nghĩa là sự chuyển đổi giữa các
tiêu chuẩn DVB phải thuận tiện cao nhất đến mức có thể, ví dụ giữa DVB-S2
(tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2 vẫn lấy) và DVB-T2.
- DVB-T2 phải kế thừa những giải pháp đã tồn tại trong các tiêu chuẩn
DVB khác. DVB-T2 phải chấp nhận 2 giải pháp kỹ thuật có tính then chốt của
DVB-S2, cụ thể:
+ Cấu trúc phân cấp trong DVB-S2, đóng gói dữ liệu trong khung BB (Base

Band Frame).
+ Sử dụng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check).
- Mục tiêu chủ yếu của DVB-T2 là dành cho các đầu thu cố định và di
chuyển được, do vậy, DVB-T2 phải cho phép sử dụng được các anten thu hiện
đang tồn tại ở mỗi gia đình và sử dụng lại các cơ sở anten phát hiện có.
- Trong cùng một điều kiện truyền sóng, DVB-T2 phải đạt được dung
lượng cao hơn thế hệ đầu (DVB-T) ít nhất 30%.
- DVB-T2 phải đạt được hiệu quả cao hơn DVB-T trong mạng đơn tần
SFN (Single Frequency Network)
- DVB-T2 phải có cơ chế nâng cao độ tin cậy đối với từng loại hình dịch
vụ cụ thể. Điều đó có nghĩa là DVB-T2 phải có khả năng đạt được độ tin cậy
cao hơn đối với một vài dịch vụ so với các dịch vụ khác.
- DVB-T2 phải có tính linh hoạt đối với băng thông và tần số.
- Nếu có thể, phải giảm tỷ số công suất đỉnh/ công suất trung bình của tín
hiệu để giảm thiểu giá thành truyền sóng.
Với những công nghệ sử dụng trong DVB-T2, dung lượng dữ liệu đạt
được tại UK lớn hơn khoảng 50% so với DVB-T, ngoài ra DVB-T2 còn có khả
năng chống lại phản xạ nhiều đường (Multipaths) và can nhiễu đột biến tốt hơn
nhiều so với DVB-T.
Chương III : Tổng quan về nén tín hiệu số :
1. Khái niệm chung :
Nén tín hiệu số (digital signal compression) hay “nén dữ liệu” (data
compression) nghĩa là biểu diễn tín hiệu số đó bằng 1 số lượng lớn bit ít hơn.
Với ý nghĩa như vậy, nén tín hiệu số còn được gọi là “giảm dữ liệu” (data
reduction). Nén tín hiệu số còn được gọi là “mã hóa nguồn” (source coding) tức
là biểu diễn nguồn tín hiệu dưới dạng thích hợp với từng loại nguồn tín hiệu
khác nhau.
Như vậy quy trình nén tín hiệu số được thực hiện ở phía nguồn, tức là
phía phát, trước khi cung cấp tín hiệu cho kênh (cung cấp cho truyền dẫn để
truyền đi hay cung cấp cho kênh lưu trữ để ghi lại tín hiệu trên băng, đĩa …). Ở

phía thu tồn tại 1 quá trình ngược lại là giải nén (decompression) hay giải mã
nguồn (source decoding).
2. Tại sao phải nén, nén có tác dụng gì ?
Hai mục đích chính của nén tín hiệu số là giảm dung lượng lưu trữ và
giảm dải thông (bandwith) truyền dẫn. Giảm bớt dung lượng lưu trữ dẫn đến thu
gọn phương tiện lưu trữ, tiết kiệm chi phí lưu trữ, mở rộng khả năng ứng dụng
của các phương tiện lưu trữ đắt tiền như RAM. Giảm dải thông truyền dẫn cho
phép tiết kiệm chi phí truyền dẫn, có thể truyền được nhiều kênh truyền dải rộng
không đổi, giảm được thời gian truyền trên kênh dải hẹp, cho phép truyền dẫn
trong thời gian thực (real time) hoặc thậm chí nhanh hơn thời gian thực. Thí dụ
tín hiệu truyền hình số chưa nén cần dải thông khoảng 100MHz trong khi kênh
truyền hình tương tự hiện nay chỉ rộng khoảng 6 – 8MHz, tuy nhiên nếu sử dụng
biện pháp nén tín hiệu thích hợp, hoàn toàn có thể sử dụng kênh 8MHz để
truyền vài chương trình truyền hình số.
3. Nén trong các thiết bị truyền hình.
Tín hiệu truyền hình, dù là tương tự hay số đều mang một lượng thông tin
rất lớn, vì vậy kỹ thuật làm giảm băng tần luôn được sử dụng trong mọi phạm vi
hoạt động. Có thể kỹ thuật quét cách dòng là ví dụ đầu tiên thực hiện việc làm
giảm độ rộng băng tần của tín hiệu truyền hình. Với một số lượng dòng quét và
tỷ lệ khuôn hình xác định, quét cách dòng đã giảm độ rộng băng tần yêu cầu
xuống còn một nửa. Qúa trình này không làm mất thông tin, quét cách dòng đã
tạo ra một cảm giác giả do sự tác động giữa thông tin về mặt (vertical) và thông
tin về thời gian, vì vậy đã giảm được độ phân giải về mặt (vertical) của hình
ảnh.
Tuy nhiên, do đã bỏ đi số lượng lớn các thành phần không liên quan nên
quét cách dòng chỉ là cách biểu diễn đơn giản và có giá trị trong thời điểm ra đời
mà thôi. Thật không may khi quét cách dòng và hiệu ứng giả mà nó tạo ra lại
làm rối loạn và gây phức tạp cho sơ đồ nén số. Cấu trúc MPEG-2 trở nên phức
tạp hơn rất nhiều khi phải cố gắng duy trì tín hiệu quét cách dòng, đồng thời đây
còn là nguyên nhân gây mất mát thông tin trong mã hoá hiệu quả so với tín hiệu

quét liên tục.
Ví dụ đáng kể tiếp theo là việc giảm băng tần đối với tín hiệu màu.
Camera màu tạo ra tín hiệu RGB, bình thường thì ba tín hiệu này tạo ra lượng
thông tin lớn gấp ba lần tín hiệu chói - nhưng trong truyền dẫn, ba tín hiệu màu
được truyền đi với băng thông chỉ bằng tín hiệu đen trắng.
Về mặt sinh học, hệ thống mắt người rất nhạy cảm đối với độ sáng, và có
thể nhìn hình ảnh với độ phân giải rất cao. Nhưng mắt người lại không nhạy cảm
với thành phần màu và nó cảm nhận màu sắc với độ phân giải tương đối thấp.
Kết quả là với một giới hạn băng tần, tín hiệu đen trắng thu nhận được là không
rõ ràng thì các thông tin về màu sắc vẫn sắc nét. Rõ ràng là không thể tận dụng
được đặc điểm này khi ta làm việc với tín hiệu RGB khi mỗi tín hiệu đều bao
gồm cả thành phần độ sáng và màu sắc.
Một số kỹ thuật trong thế giới số là hoàn toàn khác nhau nhưng lại có
chung một nguyên lý. Ví dụ MPEG chuyển đổi tín hiệu sang dạng hiệu để đơn
lập thông tin không liên quan.
Trong hệ thống truyền hình truyền thống, tín hiệu RGB của Camera được
chuyển đổi thành tín hiệu Y, Pb, Pr thành phần dùng cho quá trình sản xuất và
mã hóa thành tín hiệu Video composite để truyền dẫn. Trong các thiết bị hiện
đại ngày nay, tín hiệu này được chuyển đổi thành Y, Cr, Cb dưới dạng tín hiệu
số nối tiếp (SDI) cho quá trình sản xuất hay mã hoá MPEG cho truyền dẫn. Rõ
ràng MPEG là giải pháp để các nhà quảng bá lựa chọn để thay thế hiệu quả cho
tín hiệu Video composite. Nhìn chung, MPEG có khả năng linh hoạt hơn rất
nhiều so với mã hoá Video composite vì tốc độ bit có thể điều chỉnh một cách
tuỳ ý để phù hợp với lĩnh vực ứng dụng. Với tốc độ bit và độ phân giải thấp,
MPEG có thể dùng cho các hội thảo Video hay ứng dụng Video phone.
DVB và ATSC (tiêu chuẩn truyền hình số quảng bá của Châu Âu và Mỹ) sẽ
không thể tồn tại được nếu không áp dụng nén tín hiệu vì giải thông yêu cầu là
quá lớn.
Nén tín hiệu còn cho phép kéo dài thời gian phát của các DVD (Digital
Versatile Disk), cho phép ghi chọn một phim dài lên một đĩa, không gây cảm

giác khó chịu cho người xem khi phải dừng lại để thay đĩa.
Chương IV : Chuẩn nén MPEG4 :
1. Tổng quan về nén ảnh trong MPEG:
_ Mô hình nén ảnh :
Nguyên lý của nén video là loại bỏ các thành phần dư thừa trong chuỗi
hình ảnh trước khi truyền đi hay lưu trữ.
Hệ thống nén video gồm 3 thành phần cơ bản:
- Đầu tiên của bộ mã hóa video, tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuận
tiện để nén có hiệu quả nhất. Điểm cốt yếu là phải xác định cái gì được mã hóa.
- Hoạt động thứ hai của bộ mã hóa là lượng tử hóa, giúp rời rạc hóa thông tin
được biểu diễn.
- Hoạt động thứ ba là gán các từ mã. Các từ mã là một chuỗi bit dùng để biểu
diễn các mức lượng tử hóa.
2. Sự phát triển của H.264
_ H.264 cung cấp khả năng nén tuyệt vời mà không làm suy hao chất lượng có
thể cảm nhận được. Nó đạt được gần 50% giảm tốc độ bit khi so sánh với các
chuẩn trước đây. Điều đó có nghĩa là bằng cách sử dụng H.264, có thể phát
nhiều kênh hơn qua các đường truyền dẫn đang tồn tại, các nhà cung cấp dịch vụ
di động có thể truyền dẫn Video chất lượng tốt hơn với cùng tốc độ bit và các
nhà xuất bản có thể lưu trữ nhiều hơn các phim trên DVD. Tất cả các vấn đề này
được thực hiện bằng cách kết nối các kỹ thuật tốt nhất trong lĩnh vực nén nén
Video.
_ Những khuyến nghị của ITU được thiết kế dành cho các ứng dụng truyền
thông Video thời gian thực như : Video Conferencing hay điện thoại truyền
hình. Mặt khác, những tiêu chuẩn MPEG được thiết kế hướng tới mục tiêu lưu
trữ Video chẳng hạn như trên đĩa quang DVD, quảng bá Video số trên mạng
cáp, đường truyền số DSL, truyền hình vệ tinh hay những ứng dụng truyền dòng
Video trên mạng Internet hoặc thông qua mạng không dây (wireless). Với đối
tượng để truyền dẫn Video là mạng Internet thì ứng cử viên hàng đầu là chuẩn
nén MPEG-4 AVC, còn được gọi là H.264, MPEG-4 part 10, H.26L hoặc JVT.

• Tính kế thừa của chuẩn nén H.264 :
_ Mục tiêu chính của chuẩn nén H.264 đang phát triển nhằm cung cấp Video có
chất lượng tốt hơn nhiều so với những chuẩn nén Video trước đây. Điều này có
thể đạt được nhờ sự kế thừa các lợi điểm của các chuẩn nén Video trước đây.
Không chỉ thế, chuẩn nén H.264 còn kế thừa phần lớn lợi điểm của các tiêu
chuẩn trước đó là H.263 và MPEG-4 bao gồm 4 đặc điểm chính như sau:
_ Phân chia mỗi hình ảnh thành các Block, do vậy quá trình xử lý từng ảnh có
thể được tiếp cận tới mức Block.
_ Khai thác triệt để sự dư thừa về mặt không gian tồn tại giữa các hình ảnh liên
tiếp bởi một vài mã của những Block gốc thông qua dự đoán về không gian.
_ Khai thác sự phụ thuộc tạm thời của các Block của các hình ảnh liên tiếp bởi
vậy chỉ cần mã hoá những chi tiết thay đổi giữa các ảnh liên tiếp.
_ Khai thác tất cả sự dư thừa về không gian còn lại trong ảnh bằng việc mã các
block dư thừa.
• Tổng quan kỹ thuật mã hóa của H.264/AVC :
H.264 chấp nhận các kỹ thuật cơ bản của mã hoá Video. Tuy nhiên kỹ
thuật để đạt được các kết quả mã hoá này đã có nhiều thay đổi.
a. Cấu trúc H.264 :
 Nhóm các macroblock vào các Slice với thứ tự macroblock mềm dẻo.
 Các Slice I/ P/ SP/ SI/ B.
 Dự đoán chuyển động kích thước block thay đổi.
 Tham chiếu đa khung.
 Dự đoán chuyển động với độ chính xác 1/4 pixel.
 Các chế độ dự đoán Intra tăng cường.
 Chuyển đổi nguyên 4x4.
 Kỹ thuật mã hoá entropy VLC/ CABAC tiên tiến.
 Lọc tách khối theo vòng lặp.
b. Cơ chế nén ảnh của H.264 (MPEG-4 AVC)
Với chuẩn nén H264, mỗi hình ảnh được phân chia thành nhiều Block,
mỗi block tương ứng với một số lượng nhất định các MacroBlock. Thêm vào đó

mỗi hình ảnh có thể được phân thành số nguyên lần các lát mỏng (slice), việc
này rất có giá trị cho việc tái đồng bộ trong trường hợp lỗi dữ liệu.
Mỗi hình ảnh thu được được xem như một ảnh I. Ảnh I là ảnh được mã
hoá bởi việc áp dụng trực tiếp các phép biến đổi lên các MacroBlock khác nhau
trong ảnh. Các ảnh I được mã hoá sẽ có kích cỡ lớn bởi nó được xây dựng từ
một khối lượng lớn thông tin của bản thân ảnh hiện tại mà không sử dụng bất cứ
thông tin nào từ miền thời gian trong quá trình xử lý mã hoá để tăng hiệu quả xử
lý mã hoá bên trong H.264.
c. Giảm bớt độ dư thừa
Cũng giống như các bộ lập giải mã khác, H.264 nén video bằng cách giảm
bớt độ dư thừa cả về không gian và thời gian trong hình ảnh. Những dư thừa về
mặt thời gian là những hình ảnh giống nhau lặp đi lặp lại từ khung (frame) này
sang khung khác. Dư thừa về không gian là những chi tiết giống nhau xuất hiện
trong cùng một khung.
d. Chọn chế độ, phân chia và chế ngự
Bộ lập giải mã bắt đầu bằng việc quyết định loại khung cần nén tại một
thời điểm nhất định và chọn chế độ mã hoá phù hợp. Chế độ "trong khối" tạo ra
ảnh "I", trong khi chế độ "giữa khối" tạo ra khung "P" hoặc "B". Sau đó, bộ mã
hoá sẽ chia ảnh thành hàng trăm hàng và cột các điểm ảnh của ảnh video số chưa
nén thành các khối nhỏ hơn, mỗi khối có chứa một vài hàng và cột điểm ảnh.
e. Nén theo miền thời gian
Khi bộ mã hoá đang hoạt động ở chế độ "giữa khối" (inter), khối này sẽ
phải qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động. Quá trình này sẽ phát hiện ra bất
kỳ chuyển động nào diễn ra giữa khối đó và một khối tương ứng ở một hoặc hơn
một ảnh tham chiếu đã được lưu trữ từ trước, sau đó tạo ra một khối "chênh
lệch" hoặc "lỗi". Tiếp đến là công đoạn biến đổi côsin rời rạc (DCT) để bắt đầu
nén theo miền không gian. Khi bộ mã hoá hoạt động ở chế độ "trong khối"
(intra), khối này sẽ bỏ qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động và tới thẳng công
đoạn DCT.
Sơ đồ khối mã hoá MPEG, đường đứt nét đặc trưng cho phần bổ sung của MPEG-4

AVC trong việc nén theo miền không gian.
f. Nén theo miền không gian
_ Các khối thường có chứa các điểm ảnh tương tự hoặc thậm chí giống hệt
nhau. Trong nhiều trường hợp, các điểm ảnh thường không thay đổi mấy (nếu
có). Như vậy có nghĩa là tần số thay đổi giá trị điểm ảnh trong khối này là rất
thấp. Những khối như thế được gọi là khối có tần số không gian thấp. Bộ lập mã
lợi dụng đặc điểm này bằng cách chuyển đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành
các thông tin tần số trong công đoạn biến đổi côsin rời rạc.
• Biến đổi cosin rời rạc:
_ Công đoạn DCT biến đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành một ma trận
gồm các hệ số tần số ngang, dọc đặt trong không gian tần số. Khi khối ban đầu
có tần số không gian thấp, DCT sẽ tập hợp phần lớn năng lượng tần số vào góc
tần số thấp của mạng. Nhờ vậy, những hệ số tần số thấp ở góc đó sẽ có giá trị
cao hơn.
_ Một số lượng lớn các hệ số khác còn lại trên ma trận đều là các hệ số có tần
số cao, năng lượng thấp và có giá trị thấp. Hệ số DC và một vài hệ số tần số thấp
sẽ hàm chứa phần lớn thông tin được mô tả trong khối ban đầu. Điều này có
nghĩa là bộ lập mã có thể loại bỏ phần lớn hệ số tần số cao còn lại mà không làm
giảm đáng kể chất lượng hình ảnh của khối.
_ Bộ lập mã chuẩn bị các hệ số cho công đoạn này bằng cách quét chéo mạng
lưới theo đường zig-zag, bắt đầu từ hệ số DC và qua vị trí của các hệ số ngang
dọc tăng dần. Do vậy nó tạo ra được một chuỗi hệ số được sắp xếp theo tần số.
• Lượng tử hoá và mã hoá entropy:
_ Tại đây thao tác nén không gian mới thực sự diễn ra. Dựa trên một hệ số tỷ
lệ (có thể điều chỉnh bởi bộ mã hoá), bộ lượng tử hoá sẽ cân đối tất cả các giá trị
hệ số. Do phần lớn hệ số đi ra từ DCT đều mang năng lượng cao nhưng giá trị
thấp nên bộ lượng tử hoá sẽ làm tròn chúng thành 0. Kết quả là một chuỗi các
giá trị hệ số đã được lượng tử hoá bắt đầu bằng một số giá trị cao ở đầu chuỗi,
theo sau là một hàng dài các hệ số đã được lượng tử hoá về 0. Bộ lập mã entropy