Nghiên cứu kỹ thuật điều chế và mã hoá trong truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn châu âu dvb t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

NGUYỄN THÀNH VINH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HỐ
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THEO TIÊU
CHUẨN CHÂU ÂU DVB-T

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Đỗ Hồng Tiến

Hà Nội – 2005


1

Lời giới thiệu
Trong nhiều năm trở lại đây, truyền hình số đà trở thành đối tượng nghiên
cứu của nhiều nhà khoa học và nhiều tổ chức trên thế giới. Cùng với sự tiến bộ
vượt bậc của công nghệ chế tạo các vi mạch tổ hợp cao, tốc độ lớn, đáp ứng
yêu cầu làm việc với thời gian thực, công nghệ truyền hình số đà có những
tiến bộ vượt bậc. Truyền hình số mặt đất có những ưu điểm vượt trội so với
truyền hình tương tự như sử dụng một máy phát có khả năng truyền tải được 4
đến 6 chương trình đồng thời; với cùng một vùng phủ sóng thì công suất phát
yêu cầu của máy phát số sẽ nhỏ hơn từ 5 đến 10 lần so với máy phát tương tự,
điều này giúp cho việc tiết kiệm đầu tư và chi phí vận hành; một điều rất đáng

được quan tâm nữa là chất lượng chương trình trung thực, ít bị ảnh hưởng bởi
nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng ma thường gặp ở truyền hình
tương tự. . .
Tại Việt nam, nhận thức được những ưu điểm của truyền hình số và tính
tất yếu của việc truyền hình tương tự sẽ nhường chỗ cho truyền hình số, từ
năm 1999 đài truyền hình Việt nam đà có một số đề tài nghiên cứu về truyền
hình số và khả năng ứng dụng của nó, năm 2000 đà triển khai nghiên cứu dự
án về lộ trình phát triển truyền hình số tại Việt nam. Một điểm đáng quan tâm
trong dự án là đà định thời gian cho việc bắt đầu phát thử nghiệm truyền hình
số tại Việt nam vào năm 2001.
Trên thế giới hiện đang tồn tại song song ba tiêu chuẩn truyền hình số
mặt đất của Mỹ, Nhật và Châu Âu. Nhiều nước trên thế giới đà tiến hành thử
nghiệm để chän chn cho Qc gia. Do ®iỊu kiƯn kinh tÕ đất nước còn nhiều
khó khăn, chúng ta không có điều kiện để thử nghiệm cả ba chuẩn trên trong
thực tế, trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và kết quả thử nghiệm của nhiều nước
khác, nhiều nhà khoa học Việt nam đà đưa ra những ý kiến về việc khuyến
cáo chän chn trun h×nh sè cho ViƯt nam, mäi ý kiến đều cho rằng nên


2

chọn chuẩn Châu Âu (DVB-T). Dựa vào đó, Đài truyền hình Việt nam đà đầu
tư thử nghiệm hệ thống thu phát truyền hình số theo tiêu chuẩn Châu Âu và
đà đạt được một số kết quả khả quan.
Nội dung của luận văn là nghiên cứu về "Kỹ thuật điều chế và mà hoá
trong truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T" là một nội
dung rất thiết thực, phù hợp với yêu cầu trong quá trình đổi mới công nghệ
truyền hình ở Việt nam. Để giải quyết vấn đề trên, nội dung của luận văn gồm
3 phần:
Phần I: Trình bày một cách tổng quan về truyền hình số, giới thiệu sơ

lược về ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hiện có trên thế giới, trình bày về
nén tín hiệu MPEG, kỹ thuật nén tín hiệu video được sử dụng trong cả ba tiêu
chuẩn truyền hình số.
Phần II: Trình bày tiêu chuẩn Châu âu về truyền hình số mặt đất, các
phương pháp điều chế số cơ sở M-PSK và M-QAM và kỹ thuật ghép đa tần
trực giao có m· COFDM - mét kü tht ®iỊu chÕ míi, cã rất nhiều ưu điểm.
Phần III: Trình bày về thử nghiệm truyền hình số tại Việt Nam theo tiêu
chuẩn Châu âu DVB-T. Hướng phát triển của truyền hình kỹ thuật số mặt đất
theo tiêu chuẩn Châu Âu DVB-T trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của
Thầy giáo,TS. Đỗ Hoàng Tiến, nội dung nghiên cứu của luận văn đà được
hoàn thành. Tuy nhiên, do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế,
thêm vào đó đây là vấn đề tương đối mới nên không thể tránh khỏi những sai
sót. Kính mong được sự đóng góp của các Thầy, cô cùng các bạn.


3

Phần I: Tổng quan về truyền hình số
1.1 Ba tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới
1.1.1 Sự cần thiết và ưu điểm của truyền hình số

Nếu tính đến phạm vi ứng dụng kỹ thuật số thì lĩnh vực truyền hình mới
trong giai đoạn đang triển khai. Còn rất nhiều lợi ích đầy tiềm năng tuy chưa
được sử dụng nhưng có thể thấy được một tương lai đầy hứa hẹn. Truyền hình
nói chung ra đời không phải là sớm nhưng cũng không thể nói là muộn. Và
trong thời gian đó thành tựu đạt được là vô cùng to lớn. Khởi điểm chỉ là
truyền hình đen trắng, kỹ thuật còn thô sơ, rồi xuất hiện truyền hình màu. Lúc
đó người xem đà cảm thấy rạng rỡ hơn nhiều rồi. Nhưng công nghệ thì không
bao giờ dừng lại vì nhu cầu của người xem cũng không bao giờ dừng lại. Các

chương trình sinh động hơn, linh hoạt hơn, thêm rất nhiều dịch vụ mới ra đời.
Nếu trước kia việc mong ước được chứng kiến trực tiếp một sự kiện nào đó
xảy ra ở bên kia bán cầu chỉ có ở trong mơ thì ngày nay nhu cầu của người
xem đà vượt xa hơn nhiều. Các chương trình phải có độ nét cực cao, xem đồng
thời rất nhiều chương trình dù ở bất cứ nơi nào, bất cứ thời điểm nào. Rồi thì
không chỉ đơn thuần là xem, họ còn muốn can thiệp trực tiếp vào các chương
trình, nghĩa là truyền hình không còn đơn thuần chỉ là thông tin một chiều.
Còn rất nhiều các nhu cầu của người xem, những nhu cầu mà trước kia tưởng
chừng không bao giờ thực hiện nổi thì ngày nay hoàn toàn có thể, đó là nhờ
một công nghệ mới - truyền hình số.
Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4 đến 5 chương trình
truyền hình trong khi một máy phát analog như ở ta đang sử dụng chỉ phát
được một chương trình duy nhất theo hệ PAL. Xét về mặt phổ ta thÊy ë tÝn
hiƯu t­¬ng tù phỉ chØ tËp trung năng lượng vào các sóng mang hình, tiếng và
burst màu. Trong khi tÝn hiƯu sè bao gåm hµng ngµn sãng mang tập trung dày
đặc vào trong một dải phổ có ®é réng t­¬ng ®­¬ng. Sù tËn dơng tèi ®a hiƯu


4

quả phổ cho phép truyền hình số có thể truyền phát được nhiều chương trình
đồng thời. Đây là ưu điểm đáng kể so với truyền hình tương tự (xem hình 1.1).

Hình

Hình
Tiếng

Tiếng

Hình

Hình

Tiếng

Tiếng

Phổ tín
hiệu
tương
tự

Phổ tín hiệu số

Hình 1.1: Phổ của tín hiệu tương tự và tín hiệu số
- Công suất phát không cần qúa lớn vì cường độ điện trường cho thu số
thấp hơn cho thu analog (độ nhậy máy thu số thấp hơn -30dB đến 20dB so với máy thu analog).
- Thu số không còn hiện tượng "bóng ma" do các tia sóng phản xạ từ
nhiều hướng đến máy thu. Đây là vấn đề mà hệ phát analog đang
không khắc phục nổi.
- Thu bằng anten cố định trong nhà hay anten di chuyển (của máy thu
xách tay) đều thực hiện được.
-

Thu di động tốt, người xem dù đi trên ôtô, tàu hoả vẫn xem được các
chương trình truyền hình. Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt được hiện
tượng Doppler.

5

Distant
transmitter

Nearest transmitter

Hình 1.2: Phát hình DVB-T
- Cho khả năng thiết lập mạng đơn kênh (đơn tần - Single Frequency
Network), nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng. Điều
này cho hiệu quả lớn xét về mặt công suất và tần số.
- Phát hình số đem lại cho ta cơ hội xem các chương trình với độ nét
cao. Vốn dĩ thì tín hiệu số đà có tính chống nhiễu cao cao.
- Tín hiệu số dễ xử lý, môi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thân
thiện với máy tính.
1.1.2 Ba tiêu chuẩn truyền hình số hiện nay trên thế giới

Chuẩn truyền dẫn truyền hình số sử dụng quá trình nén và xử lý số để có
khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều chương trình truyền hình trong một dòng
dữ liệu, cung cấp chất lượng ảnh khôi phục tuỳ theo mức độ phức tạp của máy
thu.
Truyền hình số là một sự thay đổi đáng kể trong nền công nghiệp sản
suất và quảng bá các sản phẩm truyền hình. Nó mang lại tính mềm dẻo tuyệt
vời trong sử dụng do có nhiều dạng thức ảnh khác nhau trong nén số.


6

Đầu năm 1999, các hệ thống ATSC và DVB đà được ITU chấp nhận làm
các tiêu chuẩn quốc tế về phát sóng truyền hình số trên mặt đất (DTTB) và

phát hành các khuyến cáo ITU-R.Rec của nhóm nghiên cứu SG10&11.
Châu Âu, Australia, New Zealand... đà chấp nhận DVB-T, còn Nam triều
tiên, Đài loan, Canada và Mỹ... chọn ATSC, Nhật bản và một số nước khác
chọn tiêu chuẩn ISDB.
Có thể tham khảo sự lựa chọn các tiêu chuẩn truyền hình số trên thế giới.
Đó cũng là yếu tố giúp ta định hướng việc nghiên cứu, việc lựa chọn tiêu
chuẩn phù hợp cho riêng mình.

Hình 1.3: Bản đồ phân bố các nước trªn thÕ giíi lùa chän tiªu chn DVB-T.


7

1.1.2.1 Chuẩn ATSC
Đặc điểm chung
Hệ thống ATSC có cấu trúc dạng lớp, tương thích với mô hình OSI 7 lớp
của các mạng dữ liệu. Mỗi lớp ATSC có thể tương thÝch víi c¸c øng dơng kh¸c
cïng líp. ATSC sư dơng dạng thức gói MPEG-2 cho cả Video, Audio và dữ
liệu phụ. Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với sửa lỗi, ghép dòng
chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích
với dạng thức ATM.
Tốc độ bít truyền tải 20 Mbps cấp cho một kênh đơn HDTV hoặc một
kênh truyền hình chuẩn đa chương trình.
Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức: truyền hình phân giải cao
(HDTV) và truyền hình tiêu chuẩn (SDTV). Đặc tính truyền tải và nén dữ liệu
của ATSC là theo MPEG-2.
ATSC có một số đặc điểm như sau:
Tham số

Đặc tính

Video

Nhiều dạng thức ảnh (nhiều độ phân giải khác nhau).
Nén ảnh theo MPEG-2, từ MP @ ML tới MP @ HL.

Audio

Âm thanh Surround của hệ thống Dolby AC-3.

Dữ liệu phụ

Cho các dịch vụ mở rộng (ví dụ hướng dẫn chương trình,
thông tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới computer)

Truyền tải

Dạng đóng gói truyền tải đa chương trình. Thủ tục
truyền tải MPEG-2

Truyền dẫn RF Điều chế 8-VSB cho truyền dẫn truyền hình số mặt đất
Bảng 1.1: Đặc điểm cơ bản của ATSC


8

Phương pháp điều chế VSB của tiêu chuẩn ATSC
Phương pháp ®iỊu chÕ VSB bao gåm hai lo¹i chÝnh: Mét lo¹i dành cho
phát sóng mặt đất (8-VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cáp tốc độ
cao (16-VSB). Cả hai ®Ịu sư dơng m· Reed - Solomon, tÝn hiƯu pilot và đồng

bộ từng đoạn dữ liệu. Tốc độ biểu trưng (Symbol Rate) cho cả hai đều bằng
10,76Mb/s. Nó có giới hạn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là 14,9dB và tốc độ
dữ liệu bằng 19,3 Mb/s.
Dữ liệu được truyền theo từng khung dữ liệu. Khung dữ liệu bắt đầu bằng
đoạn dữ liệu đồng bộ mành đầu tiên và nối tiếp bởi 312 đoạn dữ liệu khác. Sau
đó đến đoạn dữ liệu đồng bộ mành thứ 2 và 312 đoạn dữ liệu của mành sau.
Mỗi đoạn dữ liệu bao gồm 4 biểu trưng dành cho đồng bộ đoạn dữ liệu
và 828 biểu trưng dữ liệu.
Một gói truyền tải MPEG-2 chứa 188 byte dữ liệu và 20 byte tương suy
cho 208 byte. Với tỷ lệ mà hoá 2/3, ở đầu ra cđa m· sưa sai ta cã:
208 x 3/2 = 312 bytes
312 bytes x 8 bit = 2496 bit
Tãm l¹i một đoạn dữ liệu chứa 2496 bit.
Các biểu trưng đó sẽ được điều chế theo phương thức nén sóng mang với
hầu hết dải biên dưới. Tín hiệu pilot được sử dụng để phục hồi sóng mang tại
đầu thu, được cộng thêm tại vị trí 350 KHz phía trên giới hạn dưới dải tần.


9

828 biểu trưng
Đồng bộ mành số 1
312 đoạn dữ liệu

Dữ liệu
46,8às
Đồng bộ mành số 2
Dữ liệu

77,7às

Hình 1.4: Khung dữ liệu VSB
1.1.2.2

Chuẩn ISDB-T

Hệ thống chuyên dụng cho phát thanh truyền hình số mặt đất đà được
hiệp hội ARIB đưa ra và được hội đồng công nghệ viễn thông của Bộ thông tin
bưu điện (MPT) thông qua như một bản dự thảo tiêu chuẩn cuối cùng ở Nhật
Bản.
Bản thông số kỹ thuật ở dưới mô tả chi tiết hệ thống truyền hình số mặt
đất sử dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T). Hệ thống này có thể truyền dẫn các
chương trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp.
ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn mà hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép
kênh. Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép
truyền đa chương trình phức tạp với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn
phân cấp, thu di động v.v... các sóng mang thành phần được điều chÕ QPSK,
DQPSK, 16QAM hc 64QAM. Chn ISDB-T cã thĨ sư dụng cho các kênh
truyền có độ rộng 6, 7 hay 8Mhz.


10

Kiểu

Kiểu 1

Số đoạn dữ liệu

Kiểu 2

Kiểu 3

13

Ns
Độ rộng băng tần

7.433

7.431

7.426

5.291

2.645

1.322

1405

2809

5617

(Mhz)
Khoảng cách sóng
mang (Khz)
Số sóng mang

Kiểu điều chế

QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSK

sóng mang
Sè biĨu tr­ng

204

trong mét khung
Kho¶ng thêi gian

189

378

765

tÝch cùc trong mét
biĨu trưng (àS)
Khoảng

1/4

47.25

94.5

189

bảo vệ

1/8

23.625

47.25

94.5

(àS)

1/16

11.8125

23.625

47.25

1/32

5.90625

11.8125

23.625

MÃ hoá trong

MÃ hóa cuộn (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)

MÃ hoá ngoài

MÃ Reed Solomon (204, 188)

Bảng 1.2: Các thông số truyền dẫn ISDB-T cho kênh truyền 8 Mhz


11

1.1.2.3

Chn DVB

DVB (Digital Video Broadcasting) lµ mét tỉ chøc gåm trên 200 thành
viên của hơn 30 nước nhằm phát triển kỹ thuật phát số trong toàn Châu Âu và
cho các khu vực khác. Tổ chức DVB phân ra nhiều phân ban, trong đó có các
phân ban chính:
- DVB-S - Phát triĨn kü tht trun sè qua vƯ tinh: HƯ thèng DVB -S
sử dụng phương pháp điếu chế QPSK (Quadratue Phase - Shift
Keying), mỗi sóng mang cho một bộ phát đáp. Tốc độ bit truyền tải
tối đa khoảng 38,1Mbps. Bề rộng băng thông mỗi bộ phát đáp từ 36
đến 54 Mhz.
- DVB-C - Ph¸t triĨn ph¸t sè qua c¸p: Sư dơng các kênh cáp có độ rộng
băng thông từ 7 đến 8 MHz và phương pháp điều chế 64QAM (64
Quadratue Amplitude Modulation). DVB-C có mức SNR (tỉ số
Signal/Noise) cao và điều biến kí sinh (Intermodulation) thấp. Tốc độ
bit lớp truyền tải MPEG-2 tối đa là 38,1 Mbps.
- DVB-T - Phát triển mạng phát hình số mặt đất: Với việc phát minh ra

điều chế ghép đa tần trực giao (COFDM) sử dụng cho phát thanh số
(DAB) và phát hình số mặt đất (DVB), rất nhiều nước đà sử dụng
phương thức này. Tốc độ bit tối đa 27,14 Mbps (ứng với dải thông cao
tần 8Mhz).
Một số vấn đề chung về DVB
Từ nhiều năm nay kỹ thuật số đà được sử dụng trong sản xuất, truyền dẫn,
lưu trữ chương trình và phát sóng quảng bá số (qua vệ tinh, qua mạng phát
mặt đất) cũng như các máy thu hình.


12

Chuẩn DVB-T có một số đặc điểm như sau:
- Khi phát các chương trình số chuẩn (không phải là các chương trình
có độ nét cao), tín hiệu nén video số được lựa chọn là MPEG-2 Main
Profile @ Main Level (4 : 2 : 0) với tốc độ một chương trình từ 2 đến
4 Mbit/s. Mỗi chương trình cần một bộ MPEG-2 encoder riêng, phát
bao nhiêu chương trình cần bấy nhiêu bộ.
- Nhiều chương trình sau khi nén ghép lại thành một dòng truyền tải
MPEG-2 với tốc độ có thể lên đến 27,14 Mbps. Dữ liệu của dòng
truyền tải này được phân phát cho nhiều sóng mang trực giao nhau.
Vận tốc của dòng truyền tải cao hay thấp, yếu tố thứ nhất quyết định
là dải thông cao tần của máy phát. Và tất nhiên nó còn phụ thuộc vào
các tham số lựa chọn khác nữa (phương thức điều chế, mà bảo vệ ..).
- Độ phân giải ảnh tối đa 720 x 576 điểm ảnh.
- Dự án DVB không tiêu chuẩn hoá dạng thức HDTV nhưng hệ thống
truyền tải chương trình có khả năng vận dụng với dữ liệu HDTV.
- Hệ thống truyền hình có thể cung cấp các cỡ ảnh 4:3 ; 16: 9 và 20: 9
tại tốc độ khung 50 MHz.
- Về cơ bản, hệ thống DVB-T giống với các hƯ thèng DVB-S vµ DVB-C

- Sư dơng kü tht COFDM dựa trên kỹ thuật điều chế QPSK và QAM,
có khả năng chống lại hiện tượng fading nhiều đường.
- DVB-T có hai sù lùa chän 2K (1705 sãng mang) vµ 8K (6817 sóng
mang).
- Có thể dùng phương thức điều chế, mà hóa phân cấp.
- Có khả năng với các mạng tần sè vïng vµ quèc gia.


13

Vấn đề chuyển đổi sang phát hình số ở nước ta
ứng dụng phát hình số ở Việt Nam là nhằm các mục đích:
- Tiến kịp các nước tiên tiến và các nước xung quanh trên lĩnh vực
thông tin đại chúng nói chung và truyền hình nói riêng.
- Phát đồng thời nhiều chương trình truyền hình: Truyền hình Việt Nam
lấy nhu cầu xem nhiều chương trình với chất lượng đồng đều là mục
tiêu số một để tiến tới phát số. Có lẽ truyền hình số với độ nét cao
vượt qua khả năng kinh tế của người dân chúng ta hiện nay.
- Khắc phục được tình trạng can nhiễu.
- Vùng tần số VHF (174-230Mhz) hiện nay giành cho phát PAL analog
đà thực sự chiếm hết. Nhiều tỉnh và khu vực phát chương trình Quốc
gia phải phát PAL analog trên kênh UHF. Nhưng công suất máy phát
PAL analog trên kênh UHF phải lớn hơn trên kênh VHF hàng 20 lần,
khi phủ sóng cùng một vùng. Hơn nữa sự chèn kênh, nhiễu kênh PAL
analog đang xảy ra ở một số vùng. Đồng thời nhu cầu phát nhiều
chương trình đang đặt ra khá gay gắt. Nên vấn đề phát số là mục tiêu
cấp thiết để giải quyết những yêu cầu trên.
- Sớm lựa chọn vùng tần số cho các mạng phát hình số trên cơ sở cân
đối nhu cầu phát triển của nhiều ngành. Ví dụ xét về tổng thể lợi ích
của toàn xà hội, phát hình số mặt đất có thể lên băng UHF để sau này

dành băng tần VHF cho các dịch vụ khác.
- Tiết kiệm năng lượng điện cho toàn bộ máy phát hình, kích thích thị
trường tiêu dùng của người dân có thu nhập khá (mua TV số, SETTOP
box)...


14

Khả năng thực tế để ứng dụng DVB-T:
Một điều dễ thấy là nước ta đang hoàn thiện hệ thống phát hình analog
trên toàn quốc. Rất nhiều các cơ sở hạ tầng đà được tạo ra và rất nhiều trong
số đó có thể sử dụng lại được cho hệ thống mạng phát hình số:
- Các vị trí đặt đài phát cũng như cơ sở vật chất đà hình thành tại tất cả
các tỉnh, thành phố trong cả nước.
- Tận dụng hệ thống anten UHF dải rộng đang phát PAL analog.
- Sẽ có dòng tín hiệu số MPEG-2 TS cấp cho các máy phát hình số.
- Việc triển khai trạm phát lên vệ tinh băng tần Ku tại Vĩnh Yên cũng
có nghĩa là chuẩn DVB-S hoàn toàn được công nhận ở Việt Nam.
- Chu kỳ sử dụng của các máy phát trên toàn nước ta sẽ hết vào khoảng
các năm từ 2005 đến 2012. Đây là điều thuận lợi cho quá trình chuyển
lên phát hình số vốn được xem là sẽ lâu dài.
- Tuy chậm hơn về mặt triển khai truyền hình cáp so với nhiều nước
nhưng đây lại là một yếu tố thuận lợi để ta triển khai truyền hình số
mặt đất vì khi đó ta không phải băn khoăn về hệ thống thiết bị tương
tự được xây dựng công phu đồ sộ.
- Nhu cầu cung cấp các chương trình TV trên các phương tiện giao
thông cũng rất cần thiết ở n­íc ta.
- Ỹu tè con ng­êi: nhiỊu chuyªn gia kü thuật của ngành Truyền hình
Việt Nam đà và đang tiếp cận với các trang thiết bị cũng như công
nghệ của truyền hình số.

- Khả năng mua sắm trang thiết bị số của các hộ gia đình : tuy chưa thể
nói rằng truyền hình số sẽ có thể đến với mọi hộ gia đình nhưng cho
đến thời điểm hiện nay thì giá các thiết bị thu số (TV số,
SETTOPBOX...) không còn quá cao như trước nữa.


15

1.2 Một số vấn đề về tiêu chuẩn nén MPEG
Một số tiêu chuẩn nén với ứng dụng của chúng được khái quát trong
bảng sau đây:
Chuẩn

Phạm vi ứng dụng

CCITT T.4

Fax, ảnh dữ liệu

CCITT T.6

Fax, ảnh dữ liệu

JPEG

ảnh.

JBIG

Fax, ảnh dữ liệu

CCITT H.261

Điện thoại hình

MPEG - 1

ảnh, lưu trữ dữ liệu số (DSM)

MPEG - 2

ảnh, HDTV, DSM

MPEG - 4

Truyền thanh thông thường, quảng bá,
cảm nhận từ xa
Bảng 1.3: Khái quát một số tiêu chuẩn nén

Trong số đó, được sử dụng phổ biến và có phạm vi ứng dụng rộng rÃi là
tiêu chuẩn MPEG với MPEG-1, MPEG-2 và MPEG- 4. Trong đó MPEG-1 là
cơ bản, MPEG-2 và MPEG- 4 là sự phát triển và mở rộng từ MPEG-1.
- MPEG-1 còn được gọi là tiêu chn ISO/IEC 11172 lµ chn nÐn
audio vµ video víi tèc độ khoảng 1,5 Mb/s.
- MPEG-2 nén tín hiệu video và audio với một dải tốc độ bít từ 1,5 tới
60Mb/s.
Tiêu chuẩn này còn được gọi là chuẩn quốc tế ISO/IEC 13818, là chuẩn
nén ảnh động và âm thanh. Nó cung cấp một dải các ứng dụng như: lưu trữ dữ
liệu số, truyền hình quảng bá và truyền thông.

16

MPEG- 4 là sự hợp nhất cung cấp cho rất nhiều ứng dụng truyền thông,
truy cập, điều khiển dữ liêụ âm thanh số như: Điện thoại hình, thiết bị đầu
cuối đa phương tiện (multimedia), thư điện tử và cảm nhận từ xa. MPEG- 4
cho khả năng truy cập rộng rÃi và hiệu suất nén rất cao.
1.2.1 Tiêu chuẩn MPEG-1

Tiêu chuẩn MPEG-1 gồm 4 phần:
ã Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 11172-1)
ã Phần 2: Nén video (ISO/IEC 11172-2)
ã Phần 3: Nén Audio (ISO/IEC 11172-3)
ã Phần 4: Kiểm tra (ISO/IEC 11172- 4)
MPEG-1 nghiên cứu cách thức ghép nối một hoặc vài dòng dữ liệu chứa
thông tin thời gian để hình thành nên một dòng dữ liệu. Nó cung cấp qui tắc
cú pháp đồng bộ hoá quá trình phát lại cho một dải ứng dụng Video rộng.
MPEG-1 coi ảnh chuyển động như dạng thức dữ liệu máy tính (gồm các
điểm ảnh). Cũng như các dữ liệu máy tính (ảnh và văn bản), ảnh video chuyển
động có khả năng truyền và nhận bằng máy tính và mạng truyền thông. Chúng
cũng có thể được lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu số như đĩa CD, đĩa
Winchester và ổ quang.
MPEG-1 cung cấp cả các ứng dụng đối xứng và không đối xứng:
- Trong ứng dụng không đối xứng, ảnh động được nén một lần, sau đó
giải nén nhiều lần để truy cập thông tin, ví dụ trò chơi games.
- Trong ứng dụng đối xứng, quá trình nén và giải nén phải cân bằng
nhau. VD: điện thoại hình, thư điện tử.


17

Để đạt được hiệu suất nén cao mà vẫn giữ tốt chất lượng ảnh phục hồi,
chuẩn MPEG-1 sử dụng cả công nghệ nén trong ảnh và liên ảnh để loại bỏ
được cả sự dư thừa không gian và thời gian.
Do MPEG-1 được phát triển cho lưu trữ dữ liệu số nên đòi hỏi có sự truy
cập ngẫu nhiên. Cách thức mà hoá tốt nhất cho truy cập ngẫu nhiên là mà hoá
Intraframe đơn thuần. Song do sự dư thừa thông tin về thời gian chưa được loại
bỏ nên hiệu suất nÐn rÊt thÊp. Do vËy trong tiªu chuÈn nÐn MPEG-1, có sự cân
bằng giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh bằng cách sử dụng các công nghệ sau
đây:
- Bù chuyển động
- Dự báo
- Nội suy
- Biến đổi cosine rời rạc
- Lượng tử hoá
- MÃ hoá độ dài thay đổi (VLC)
Tức là có sự kết kết hợp hai công nghệ nén DPCM và Trasform Coding.
Thuật toán nén MPEG-1 sử dụng bù chuyển động khối để giảm sự dư thừa
thời gian với vecto chuyển động cho mỗi khối kích thước 16 x16 điểm ảnh.
- Bù chuyển động được sử dụng cho cả dự báo nhân quả và không nhân
quả.
- Dự báo nhân quả tạo dự báo ảnh hiện hành từ ảnh trước đó.
Dự báo không nhân quả tạo dự báo cho ảnh hiện hành dựa trên ảnh trong
quá khứ và cả t­¬ng lai.


18

Vòng lặp DPCM được sử dụng để tạo khung sai số dự báo. Sau đó,công
nghệ mà hoá chuyển đổi chuyển khung sai số này sang miền tần số để nén các

hệ số nhờ lượng tử hoá và mà hoá Huffman trước khi truyền tải hay lưu trữ.
Sự phân loại ảnh MPEG
Tiêu chuẩn nén video MPEG định nghĩa 3 loại ¶nh: ¶nh I, ¶nh B vµ ¶nh P.
- ¶nh I: (Intra - Coded Picture)
Các ảnh I được mà hoá theo mode Intra để có thể giải mà mà không cần
sử dụng dữ liệu từ bất cứ một ảnh nào khác. Đặc điểm của phương pháp mÃ
hoá này như sau:
- Chỉ loại bỏ được sự dư thừa không gian.
- Dùng các điểm trong cùng một khung để tạo dự báo.
- Không có bù chuyển động.
- Các thông tin được mà hoá rõ ràng, minh bạch nên số lượng bít yêu
cầu lớn.
Do được mà hoá Intra, ảnh I bao giờ cũng là ảnh đầu tiên trong một
nhóm ảnh hay một chuỗi ảnh. Nó cung cấp thông tin khởi động các ảnh tiếp
theo trong nhóm.
- ảnh P (Predictive Code Picture)
ảnh P được mà hoá liên ảnh một chiều (Interframe một chiều):
- Dự báo Inter một chiều.
- ảnh dự báo được tạo ảnh tham chiếu trước đó (dự báo nhân quả).
- ảnh tham chiếu này có thể là ảnh I hoặc ảnh P gần nhÊt.


19

- Có sử dụng bù chuyển động. Thông tin ước lượng chuyển động của
các khối nằm trong vecto chuyển động (motion vecto). Vecto này xác
định Macroblock nào được sử dụng từ ảnh trước.

Khung dự báo (P) =
Khung trước - Khung hiện hành

+ Vecto chuyển động
Vùng không bao phủ
Khung kề trước (n)

Khung hiện hành (n+1)

Dự báo bù chuyển động ảnh P
Đường di
chuyển
của vật thể

Vị trí nội suy

Khung dự báo (B) =
Khung tr­íc - Khung sau
+ Vecto chun ®éng hai chiỊu

Khung kỊ trước
(n-1)

Khung
hiện hành
(n)

Khung kề
sau
(n+1)

Dự báo bù chuyển động ảnh B

Hình 1.5 : Nội suy bù chuyển động
Do vậy ảnh P bao gồm cả những MB mà hoá Inter (I - MB) là những
macroblock chứa thông tin lấy từ ảnh tham chiếu và những MB mà hoá Intra
là những MB chưá thông tin không thể mượn từ ảnh trước.
ảnh P có thể được sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự báo cho ảnh sau.
- ảnh B (Bidirectionally Predicted Pictures)
ảnh B là ảnh mà hoá liên ảnh hai chiều. Tức là:


20

- Có sử dụng bù chuyển động.
- Dự báo không nhân quả, ảnh dự báo gồm các macroblock của cả
khung hình trước đó và sau đó.
Việc sử dụng thông tin lấy từ ảnh trong tương lai hoàn toàn có thể thực
hiện được vì tại thời điểm mà hoá thì bộ mà hoá đà sẵn sàng truy cập tới ảnh
phía sau. ảnh B không được sử dụng làm ảnh tham chiếu tạo dự báo cho các
ảnh sau.
Thứ tự truyền dẫn và thứ tự hiển thị ảnh.
Chuỗi ảnh MPEG thường có cÊu tróc IBBPBBPBBI nh­ng thø tù trun
dÉn vµ thø tù hiển thị ảnh là khác nhau do khi tạo ảnh B cần thông tin từ cả
khung quá khứ và tương lai. Như vậy có nghĩa, ảnh trong tương lai cần phải
được truyền dẫn trước. Trong khi đó, lúc hiển thị phải theo đúng thứ tự nguồn.
Để thực hiện điều này, lớp ảnh (Picture layer) của dòng dữ liệu MPEG có
thông tin về số thứ tự ảnh để trợ giúp hiển thị. Xem hình vẽ 1.6 sau đây:

Thứ tự khung gốc

Thứ tự hiển thị

F1

F2

I1

F3

F4

F5

F6

F7

F8

F9

F10

B3

P4

B5

B6

P7

B8

B9

I10

B3

P7

B5

B6

I10

B8

B9

B

Thứ tự truyền dẫn I1

P4

[[[[[

Hình1.6: Thứ tự truyền dẫn và thứ tự hiển thị ảnh


21

Tiêu chuẩn MPEG-1
MPEG-1 có phạm vi ứng dụng rộng rÃi cho dạng thức CSIF. CSIF là một
định dạng nguồn dữ liệu đầu vào của các bộ nén và giải nén do CCITT qui
định phù hợp với hai dạng quét TV 525/60 và 625/500. Dạng thức này gắn với
cấu trúc lấy mẫu 4:2:0.
Như vậy đối với MPEG-1, dòng dữ liệu truyền hình chuẩn theo CCIR601 phải được biến đổi sang dạng CSIF bằng một bộ chuyển đổi (converter).
Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc dòng (horizontal
decimation filter) cho tín hiêụ chói mành lẻ và bộ lọc dòng và mành cho tín
hiệu CR, CB mành lẻ. Quá trình giải mà tại bộ thu phải dự báo mành chẵn từ
mành lẻ nội suy.

CCIR - 601

CSIF- 525

CCIR - 601 CSIF - 625

525

4:2:0

625

4:2:0

+ Chãi Y

720

352

720

352

+ Mµu Cb, CR)

360

176

360

176

+ Chãi Y Chói Y

13,5

6,75

13,5

6,75

+ Màu (Cb, CR)

6,75

3,38

6,75

3,38

+ Chói Y

480

240

576

288

+ Màu (Cb,CR)

480

120

576

144

Tốc độ khung (Hz)

30

30

25

25

Tử số ảnh

4:3

4:3

4:3

4:3

Số điểm/dòng tích cực

Tần

số

lấy

mẫu

(MHz)

Số dòng tích cực

(Kích cỡ ảnh)
Bảng 1.4 : Dạng thức ảnh cơ bản của CSIF


22

Để giảm mức độ phức tạp và giá thành bộ giải mÃ, trong MPEG-1 một
số tham số được mặc định thành hằng số như sau:
Tham số

Giá trị cực đại

Độ rộng ảnh

768 điểm

Chiều cao ảnh

576 dòng

Tốc độ ảnh

30 ảnh/s

Số lượng MB (Macroblock)

396

Giải vevto chuyển động

64 điểm

Kích thước bộ đệm đầu vào

327.680 bit

Tốc độ bit

1,8 Mbps
Bảng 1.5 : Các tham số mặc định trong chuẩn MPEG-1

Sử dụng cả hai dạng thức nén:
- Nén Intra: biến đổi DCT, lượng tử hoá, mà hoá VLC cho ảnh I.
- Nén Inter: ước lượng chuyển động, tạo dự báo có bù chuyển động cho
ảnh B và ảnh P.
MPEG 1 có một số tiêu chuẩn cơ b¶n nh­ sau:
- ChØ cã mét cÊu tróc lÊy mÉu 4:2:0.
- Kích cỡ ảnh tối đa 720 pixel với 576 dòng sử dụng các tham số mặc
định và cỡ 4095ì4095 dùng tham số đầy đủ.
- Độ chính xác mẫu đầu vào 8 bit.
- Độ chính xác lượng tử hoá và DCT: 9 bit.
- Sử dụng lượng tử hoá DPCM tuyến tÝnh cho hƯ sè DC.
- L­ỵng tư thÝch nghi cho lớp macroblock (16ì16 điểm).


23

- Độ chính xác cực đại của hệ số DC là 8 bit.
- Ma trận lượng tử chỉ có thể thay đổi ở lớp chuỗi.
- Sử dụng khung P và B.
- Độ chính xác dự báo chuyển động là nửa ®iĨm.
- Tèc ®é bit tèi ®a lµ 1,85 Mbps khi dùng tham số mặc định cho ảnh
720x576 và 100 Mbps khi dùng tham số đầy đủ cho ảnh 4095ì4095.
MPEG-1 cho phép có sự truy cập ngẫu nhiên các khung video, tìm kiếm
nhanh thuận ngược theo dòng bit đà nén, phát lại ngược dòng video và khả
năng dời bỏ dòng bit nén.
1.2.2 Tiêu chuẩn MPEG-2

ã Tiêu chuẩn nén video MPEG-2
Tiêu chuẩn MPEG-2 còn được gọi là ISO/IEC 13818 là sự phát triển tiếp
theo của MPEG-1 ứng dụng cho độ phân giải tiêu chuẩn của truyền hình do
CCIR- 601 qui định.
MPEG 2 gồm 4 phần:
- Phần 1: Hệ thống (ISO/IEC 13818-1) xác định cấu trúc ghép kênh
audio, video và cung cấp đồng bộ thời gian thực.
- Phần 2: Video (ISO/IEC 13828-2) xác định những thành phần mà hóa
đại diện cho dữ liệu video và phân loại xử lý giải mà để khôi phục lại
khung hình ảnh.
- Phần 3: Audio (ISO/IEC 13818-3) mà hóa và giải mà dữ liệu âm
thanh.
- Phần 4: Biểu diễn (ISO/IEC 13818-3) định nghĩa quá trình kiểm tra
các yêu cÇu cđa MPEG-2.


24

So víi MPEG-1, MPEG-2 cã nhiỊu c¶i thiƯn, vÝ dơ về kích thước ảnh và
độ phân giải ảnh, tốc độ bit tối đa, tính phục hồi lỗi, khả năng co giÃn dòng
bit. Khả năng co giÃn dòng bit của MPEG-2 cho phép khả năng giải mà một
phần dòng bit mà hóa để nhận được ảnh khôi phục có chất lượng tuỳ thuộc
mức độ yêu cầu.
Sau đây là một số đặc điểm chủ yếu của tiêu chuẩn này:
- Hỗ trợ nhiều dạng thức video, đặc biệt là các dạng thức video độ phân
giải không gian cao, dạng thức video xen kẽ của truyền hình.
- Cú pháp dòng bit MPEG-2 là sự mở rộng của dòng bit MPEG-1.
- Nén video MPEG-2 tương hợp với nén video MPEG-1. Được thể hiện
qua 4 hình thức tương hợp.


Tương hợp thuận: bộ giải mà MPEG-2 có khả năng giải mà dòng
bit (hoặc một phần dòng bit MPEG-1).



Tương hợp ngược: bộ giải mà MPEG-1 có khả năng giải mà được
một phần dòng bit MPEG-2.



Tương hợp lên: bộ giải mà độ phân giải cao có khả năng giải mÃ
được dòng bit của bộ mà hoá có độ phân giải thấp.



Tương hợp xuống: bộ giải mà độ phân giải thấp có thể giải mÃ
được một phần dòng bit của bộ mà hóa độ phân giải cao.

- MPEG-2 hỗ trợ khả năng co giÃn (scalability): co giÃn không gian, co
giÃn SNR, co giÃn phân chia số liệu...
- Ngoài ra còn có nhiều cải tiến khác trong MPEG-2 bao gồm:


Cho phép nhiỊu cÊu tróc lÊy mÉu: 4:4:4, 4:2:2 vµ 4:2:0.



HƯ sè DC được mà hóa với độ chính xác đặc biệt.