Chuyên đề Truyền hình số có độ phân giải cao HDTV (High-definition television) và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

ó độ phân giải không gian thấp (chất lượng CIF) và tốc độ khung thấp (15Hz). Các chức năng của cá ứng dụng cơ bản được hỗ trợ bởi VBVL Core là: Mã hoá chuỗi hình ảnh kích thước chữ nhật với hiệu quả mã hoá cao. Các thao tác truy cập ngẫu nhiên, tua đi, tua ngược cho lưu trữ dữ liệu đa phương tiện VLB và cho các ứng dụng truy cập. 2.4.3.5. Cấu trúc mã hoá hình ảnh video MPEG 4 Hình sau đây mô tả tổng quan về thuật toán của MPEG 4 để mã hoá các chuỗi hình ảnh có dạng chữ nhật và dạng tuỳ ý. Hình 2.9: Thuật toán của MPEG 4 để mã hoá các chuỗi hình ảnh Cấu trúc mã hoá cơ bản bao hàm mã hoá hình dạng (cho các VO có hình dạng tuỳ ý) và bù chuyển động cũng như mã hoá bề mặt DCT ( sử dụng DCT tiêu chuẩn 8x8 hoặc DCT tương thích hình dạng). Một cải tiến quan trọng của phương pháp mã hoá theo nội dung MPEG 4 là hiệu quả nén có thể cải thiện được đáng kể với một số chuỗi video bằng cách sử dụng các công cụ dự đoán chuyển động đối tượng cho mỗi đối tượng trong 1 cảnh. MPEG 4 đưa ra một số kỹ thuật dự đoán chuyển động để tăng hiệu quả mã hoá và sự trình diễn mềm dẻo các đối tượng. Dự đoán và bù chuyển động dựa trên các block 8x8 hoặc 16x16 với độ chính xác lên đến ¼ pel Bù chuyển động toàn thể cho các đối tượng video (Global Motion Compensation-GMC): mã hoá chuyển động toán thể cho một đối tượng sử dụng một số ít thông số. GMC dựa trên dự đoán chuyển động toàn thể, sự méo hình, mã hoá đuờng cong chuyển động và mã hoá bề mặt cho các lỗi dự đoán. Bù chuyển động toàn thể cho các “sprite” tĩnh. Một “sprite” tĩnh có thể là một ảnh tĩnh rộng, mô tả nền bao quát. Với mỗi ảnh tiếp theo trong chuỗi ảnh, chỉ có 8 thông số mô tả chuyển động được mã hoá để khôi phục lại đối tượng. Bù chuyển động ở mức ¼ pel làm cải thiện lược đồ bù cho dự đoán chuyển động Biến đổi DCT hình dạng tương thích: tại các vùng bề mặt mã hoá, biến đổi DCT tương thích (Shape adaptive DCT : SA-DCT) sẽ cải thiện hiệu quả mã hoá các đối tượng hình dáng tuỳ ý. Sprite panorama image Foreground object Reconstructed image Hình sau mô tả ý tưởng mã hoá cơ bản cho chuỗi video MPEG 4, sử dụng 1 hình ảnh bao quát sprite (Sprite panorama image). Trong đó có thể thấy rằng, các đối tượng tiền cảnh (Foreground object) - trong trường hợp này là người chơi tennis, có thể tách ra khỏi hình nền và do đó hình ảnh bao quát sprite cũng có thể tách ra khỏi chuỗi để mã hoá độc lập (một hình bao quát sprite là một hình tĩnh mô tả nội dung của hình nền trong tất cả các khung của chuỗi video). Hình 2.10: Ý tưởng mã hoá cơ bản cho chuỗi video MPEG 4 Hình ảnh bao quát sprite được mã hoá và truyền đi 1 lần duy nhất trong khung đầu tiên của chuỗi để mô tả cảnh nền, sau đó ảnh này được lưu lại trong bộ nhớ đệm sprite tại phía đầu thu. Trong các khung hình tiếp theo, chỉ có các thông số camera liên quan đến hình nền, như hình ảnh người chơi chuyển động, là được truyền đi. Điều này cho phép phía thu khôi phục lại hình nền cho tất cả các khung hình tiếp theo bằng cách lấy hình nền từ bộ nhớ đệm. Đối tượng tiền cảnh chuyển động (người chơi) sẽ được truyền đi độc lập như là 1 đối tượng video (VO) hìnhdạng tuỳ ý. Hình ảnh khôi phục sẽ bao gồm cả hình nền và các hình tiền cảnh. 2.4.4. MPEG 4 AVC (Part 10)/ H264 2.4.4.1. Giới thiệu Sự gia tăng của các loại dịch vụ và số lượng TV độ phân giải cao đã thúc đẩy nhu cầu có một công cụ nén hiệu quả hơn. Vào năm 2001, VCEG và MPEG cộng tác với nhau thành nhóm JVT (Join Video Team) để phát triển một chuẩn mã hoá video mới. Kết quả ra đời chuẩn nén ITU-T H.264/AVC, tương đương với tiêu chuẩn MPEG 4 Part 10/AVC về mã hoá video tiên tiến (Advance Video Coding), được cả ITU và ISO phát hành năm 2003. Nhằm không ngừng nâng cao hiệu quả mã hoá, rất nhiều kỹ thuật được áp dụng vào trong MPEG 4/AVC nhằm khai thác tối đa sự tương quan giữa các khung hình video và xử lý linh hoạt các tham số theo nội dung của cảnh video cần nén. MPEG 4/AVC cũng đã áp dụng rất nhiều công cụ đã được giới thiệu trong MPEG 4 Visual. Trong các phần sau đây, ta sẽ gọi chuẩn này dưới tên MPEG 4/H.264. 2.4.4.2. Phạm vi ứng dụng và các điểm tiêu biểu của MPEG 4/H.264 Chuẩn này được thiết kế cho các giải pháp kỹ thuật của các lĩnh vực ứng dụng sau đây: Quảng bá trên các kênh vệ tinh, cáp, sóng mặt đất, DSL (Digital Subscriber Line)… Lưu trữ nối tiếp hoặc tương tác trên các thiết bị quang và từ, trên DVD… Các dịch vụ hội nghị trên ISDL, Ethernet, LAN, DSL, không dây và mạng di động… Các dịch vụ đã phương tiện hoặc video theo yêu cầu trên ISDL, cáp, DSL, LAN, mạng không dây… Các dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (Multimedia Messaging Service-MMS) trên ISDL, DSL, Ethernet, LAN, mạng di động và mạng không dây. Hơn nữa, các dịch vụ mới cũng có thể được thực hiện trên các mạng hiện tại hoặc tương lai. Điều này dẫn đến yêu cầu về việc làm thế nào để quản lý sự đa dạng trong ứng dụng và khai thác mạng. Để thực hiện việc này, MPEG 4/H.264 đưa ra lớp mã hoá video (Video Coding Layer-VCL), được thiết kế để trình diễn hiệu quả các nội dung video, và đưa ra lớp mạng trừu tượng (Network Abstraction Layer-NAL) để định dạng sự trình diễn video của lớp VCL và cung cấp các thông tin mào đầu (Header) theo cách thích hợp cho việc truyền dữ liệu tại lớp truyền tải hoặc cho việc lưu trữ dữ liệu. Tương quan với các giải pháp mã hoá trước đây, ví dụ như MPEG 2, một số điểm tiêu biểu của MPEG 4/H.264 cho phép tăng hiệu quả nén, bao gồm cả khả năng dự đoán giá trị nội dung ảnh được trình bầy sau đây: 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 ¼ mẫu: các chuẩn trước cho phép độ chính xác bù chuyển động đến tối đa là ½ mẫu. Chuẩn mới cho phép điều này đạt đến mức ¼ mẫu, như có thế thấy ở MPEG 4 Visual. Tuy nhiên độ phức tạp trong xử lý việc này đã giảm đi với MPEG 4/H.264. Vector chuyển động tại đường bao ảnh: trong khi vector chuyển động tại MPEG 2 cần phải chỉ đúng vào vùng ảnh đã được giải mã trước đó thì MPEG 4/H.264 cho phép chỉ tới đường bao của ảnh. 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/H.264, dự đoán bù chuyển động từ nhiều ảnh trước đó được lưu trong bộ nhớ. Tương tự như vậy 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/H.264 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/H.264 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 suy luận vùng bị bỏ qua, MPEG 4/H.264 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/H.264 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/H.264 dựa trên kích thước 4x4. Do có kích thước block nhỏ hơn nên sẽ 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/H.264 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/H.264 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 chon 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/H.264 là mã hoá độ dài thay đổi theo nội dung (CAVLC-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. Một số cải tiến nhằm nâng cao việc truyền dữ liệu trên các mạng cũng được thêm vào MPEG 4/H.264 Cấu trúc bộ thông số: được thiết kế để truyền các bit có tính chìa khoá trong dòng dữ liệu như thông tin header, một cách độc lập và mềm dẻo hơn, nhằm đảm bảo có thể khôi phục chính xác dữ liệu tại đầu thu. Cấu trúc cú pháp đơn vị NAL: mỗi cấu trúc cú pháp trong MPEG 4/H.264 được đặt trong một gói dữ liệu logic, được gọi là đơn vị NAL. Điều này cho phép sự tuỳ biến lớn hơn trong các giải pháp truyền nội dung video. Kích thước Slice mềm dẻo: khắc phục nhược điểm trong MPEG 2, khi có nhiều header trong slice làm giảm hiệu quả mã hoá. Thứ tự macroblock mềm dẻo (FMO) và thứ tự macroblock tuỳ ý (AMO): là kỹ thuật cho phép khôi phục lại thứ tự trình diễn của các MB khi không đúng như thứ tự trình diễn.. 2.4.4.3. VCL (Video Coding Layer) Trong các chuẩn mã hóa video trước của ITU-T và ISO/IEC, VCL dựa trên đơn vị mã hoá là các block, tại đó các ảnh được mã hoá sẽ được thể hiện dưới dạng các macroblock. Thuật toán mã hoá là sự kết hợp của nén liên ảnh để loại trừ dư thừa thời gian và phép biến đổi DCT để loại trừ dư thừa không gian. Với VCL của MPEG 4/H.264, không có cải tiến nào mang tính đột phá, nhưng có một số điểm bổ sung nhỏ được kết hợp lại để nâng hiệu quả nén. a. Ảnh, khung và mành Một chuỗi video được mã hoá trong MPEG 4/H.264 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. b. Chia ảnh vào các Macroblock Một bức ảnh có thể được chia vào các MB có kích thước cố định là một khu vực gồm 16x16 mẫu chói và 8x8 mẫu mầu. MPEG 4/H.264 cũng định nghĩa các MB như các chuẩn trước đây. c. 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. Nếu có sử dụng kỹ thuật FMO, 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 . Bản đồ này cũng chứa con số nhận dạng nhóm slice mà các MB đó thuộc về Hình 2.11: Phân chia Slice và nhóm slice Tuỳ theo việc có sử dụng kỹ thuật FMO hay không, mỗi slice có thể được mã hoá với kỹ thuật khác nhau sau đây: I slice: là slice mà tất cả các MB của nó đều được mã hoá theo phương pháp dự đoán trong ảnh. P slice: một số MB trong slice được mã hoá theo phương pháp dự đoán liên ảnh. B slice: một số MB được mã hoá từ các MB khác theo 2 chiều Một số kỹ thuật mới được thêm vào như sau: 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. d. Chu trình mã hoá và giải mã MB Tất cả các mẫu mầu 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 cái nguyên. Kết quả được lượng tử hoá và mã hoá entropy. Hình 2.12: Sơ đồ mã hoá MacroBlock e. Dự đoán trong ảnh 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/H.264 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 ảnh mà không làm tăng đáng kể dữ liệu. Nó cho phép giới hạn tuyệt đối số lượng bit trong MB mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Các chuẩn mã hoá trước đây đều thực hiện trên một miền đã biến đổi, còn MPEG 4/H.264 với chế độ mã hoá I_PCM vẫn thực hiện hoàn toàn trên miền không gian. f.Dự đoán liên khung IV.3.6.1 Dự đoán liên khung với slice P MPEG 4/H.264 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 2.13: 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. Hình 2.14: Dự đoán bù chuyển động 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 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. IV.3.6.2 Dự đoán liên khung với ảnh B Dự đoán khung ảnh B sử dụng 2 danh sách: Danh sách 0 chứa các ảnh gần nhất trước đó Danh sách 1 chứa các ảnh gần nhất sau đó 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. g.Biến đổi Cosin MPEG 4/H.264 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 sủ dụng. Việc sử dụng DCT với block có kích thước nhỏ sẽ 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. h. Mã hoá Entropy. MPEG 4/H.264 sử dụng 2 loại mã hoá có cấu trúc phức tạp hơn nhưng hiệu quả hơn là: Mã hoá độ dài thay đổi theo nội dung (Context Adaptive Variable Length Coding – CAVLC) Mã hoá nhị phân tương thích nội dung (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding – CABAC). 2.5.Nén HDTV Về bản chất HDTV không khác biệt so với SDTV cả về mặt tương tự và số hoá. Vấn đề duy nhất gặp phải khi triển khai HDTV chính là độ rộng băng thông yêu cầu để đảm bảo chất lượng. Ngoài một số hệ HDTV tương tự của Nhật và châu Âu, chỉ có số hoá mới có thể phát triển được HDTV. MPEG 2 đã có lịch sử phát triển hơn 10 năm, song bây giờ sẽ là thời điểm của MPEG 4/H.264 với hiệu quả nén vượt trội. Phần này không đi sâu vào tìm hiểu nén HDTV bằng MPEG 2 và MPEG 4/H.264 như thế nào, mà chỉ giới thiệu kết quả nén HDTV, với những phương thức khác nhau, thì khác nhau như thế nào. Sơ đồ sau đây thể hiện tương quan giữa nén MPEG 2, MPEG 4, và MPEG 4/H.264. Hình 2.15: Mối tương quan giữa nén MPEG2, MPEG4 và MPEG4/AVC Như trên có thể thấy, nén bằng MPEG 4/H.264 có thể đạt được hiệu quả hơn 50 % so với MPEG 2. Bảng 2.2: So sánh tốc độ bít của chuẩn MPEG2 và MPEG4/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. Bản thân MPEG 4/H.264 cũng được chia thành các Profile khác nhau Basline Profile:cho các ứng dụng có trễ đầu cuối thấp eXtended Profile: dùng cho các ứng dụng di động. Mạin Profile: dùng cho các ứng dụng SD High Profile: được chia thành các Profile khác nhau về cấu trúc lấy mẫu (4:2:0 – 4:4:4), số bít mã hoá (8-12bít), dùng cho các ứng dụng yêu cầu chất lượng cao như HDTV. Hiện nay, ngoại trừ một số kênh truyền hình đang sử dụng nén MPEG 2, đa phần các nước đều đã sử dụng nén MPEG 4 cho HDTV, và các nhà cung cấp dịch vụ đều đã lên kế hoạch chuyển sang MPEG 4. Như đã trình bầy ở trên, nén MPEG 4 Visual có cấu trúc tương thích với MPEG 2, tuy nhiên MPEG 4/H.264 có một số điểm khác biệt không tương thích với 2 chuẩn trên, vì vậy khi triển khai MPEG 4, sẽ phải thiết lập bộ mã hoá và giải mã mới. Các hình sau đây sẽ cho cái nhìn cụ thể về sự phát triển của phương pháp nén: Hình 2.15: So sánh chuẩn nén sử dụng trong SDTV và HDTV Kết luận: Từ so sánh trên thì nén HDTV hiện tại được sử dụng là chuẩn nén MPEG4 để giảm băng thông và tăng số lượng kênh truyền. 2.6.Chuyển đổi âm thanh tiêu chuẩn SD sang âm thanh tiêu chuẩn HD Trong hệ thống SD sử dụng âm thanh stereo với hai loa trái và phải còn đối với HD sử dụng âm thanh lập thể dolby AC-3 5.1 với hệ thống gồm 6 loa khác nhau được miêu tả ở dưới đây. Sơ đô dưới đây biểu diễn kỹ thuật chuyển đổi từ âm thanh stereo sang âm thanh suround. Đây cũng là cơ sở chuyển đổi từ âm thanh từ SD sang HD. Lọc + - ÷ Stereo left Stereo Right Left front Center front Right front LPF Left surround Right surround Hình 2.16: Kỹ thuật chuyển đổi từ âm thanh stereo sang âm thanh suround Hình 2.17: Hệ thống âm thanh đa kênh dùng trong HDTV - Hệ thống âm thanh đa kênh có thể chuyển đổi từ âm thanh mono sang âm thanh lập thể 5.1 gồm sáu kênh âm thanh khác nhau. • 5 main channels : L, C, R, LS, RS. • 1 LFE (low-frequency effects) channel. - Băng thông Audio : 48 KHz *16 bits * 6 Channels= 46.08 Mbit/s. - Sử dụng tiêu chuẩn mã hóa Dolby AC-3 Audio Encoding. - Tốc độ lấy mấu: 32 KHz, 44.1KHz, 48KHz. - Tốc độ dữ liệu: 32 Kbps to 640 Kbps. Hình 2.18: Sơ đồ mã hoá âm thanh HDTV CHƯƠNG 3: TRUYỀN DẪN HDTV Về bản chất, dòng tín hiệu HDTV sau mã hoá sẽ được chia vào các gói truyền tải và thực hiện ghép kênh, khi đó dòng dữ liệu sẽ là các gói truyền tải TS. Hệ thống phát sóng sẽ thực hiện với các gói TS. MPEG 4 không định nghĩa dòng truyền tải riêng mà chỉ định nghĩa phương thức truyền dòng bít mã hoá MPEG 4 trên dòng truyền tải MPEG 2 và IP. Trong phần này, ta hiểu rằng dòng tín hiệu số được phát lên là dòng truyền tải TS của MPEG 2. Sự khác nhau giữa SDTV và HDTV lúc này chỉ là dung lượng của 1 chương trình. Chúng ta sẽ chỉ quan tâm tới việc: với 1 kênh phát sóng mặt đất, vệ tinh hay cáp thì có thể phát được bao nhiêu kênh HDTV số. Hình vẽ sau là một ví dụ về ghép kênh thống kê 2 chương trình HDTV cùng các dữ liệu khác của chúng để thành 1 dòng truyền tải. Vấn đề chỉ là dung lượng tối đa kênh sóng cho phép và năng lực của bộ ghép kênh tương ứng. Hình 3.1: Ghép kênh 2 chương trình HDTV 3.1.Phát HDTV qua vệ tinh HDTV sử dụng điều chế QPSK với hệ thống HDTV vệ tinh. Phát sóng theo chuẩn DVB-S Phát sóng theo chuẩn DVB-S2 3.1.1. Phát sóng theo chuẩn DVB-S HDTV MPEG 2 or MPEG 4/H.264 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống truyền hình số vệ tinh DVB-S Như hình vẽ trên, phần mã hoá nguồn tín hiệu và ghép kênh sẽ thực hiện mã hoá HDTV theo chuẩn MPEG 2 hoặc MPEG 4/H.264. Sau ghép kênh truyền tải, dòng bít được thực hiện các công đoạn thích ứng kênh vệ tinh theo chuẩn DVB-S. Mã hoá kênh theo DVB-S gồm có mã hoá ngoài là RS (204,188) và mã hoá trong là mã xoắn với các tỷ lệ ½, 2/3, ¾, 5/6, 7/8. Phương thức điều chế là QPSK. Tính toán dung lượng kênh: Dung lượng kênh tối đa phụ thuộc vào hệ số roll off của bộ lọc Nyquist là a. Quan hệ giữa độ rộng băng tần, hệ số roll off, và chu kỳ symbol được mô tả theo công thức sau: BW = (1+a)/T Trong truyền hình số vệ tinh thì = 0.35. Kênh truyền là 33 MHz thì tốc độ symbol lớn nhất là: FS = 1/T = BW/(1+) = 33/1.35 = 24.4MHz. Với điều chế QPSK, mỗi symbol mang 2 bít thông tin, ta có tốc độ bít là: Rb = 2 . 22.4 = 44.8 Mbps Tốc độ bít hữu ích phụ thuộc vào tỷ lệ mã trong (rC) và mã RS (hệ số rRS = 188/204) Trong trường hợp mức tín hiệu là thấp nhất (Eb/N0 thấp nhất), tỷ lệ mã trong ½ sẽ đảm bảo đạt BER < 10-10. Tốc độ bít hữu ích sẽ là: RU = Rb ´ rC ´ rRS = 48.8 ´ 1/2 ´ 188/204 = 22.48 Mbps. Trong trường hợp Eb/N0 lớn nhất, chất lượng tương đương có thể đạt được với tỷ lệ mã rC = 7/8. Khi đó tốc độ hữu ích là: RU = Rb ´ rC ´ rRS = 48.8 ´ 7/8 ´ 188/204 = 39.35 Mbps. Trong thực tế thì hệ số a thường được lấy là 0.2, tốc độ hữu ích với tỷ lệ mã trong ½ là: 25.3Mbps, với tỷ lệ mã trong 7/8 là: 44.3 Mbps. Hệ số mã trong thông thường được lựa chọn cho phát sóng vệ tinh số tối thiểu là 2/3 3.1.2. Chuẩn DVB-S2 [4] 3.1.2.1. Đặc điểm chuẩn DVB-S2 Chuẩn mới DVB-S2 đã tạo ra bước đột biến trong hiệu quả sử dụng băng thông khi so sánh với các chuẩn DVB-S và DVB-DSNG. Bước tiến mạnh mẽ này không chỉ là do sử dụng mã sửa sai mới được gọi là “Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp” (Low Density Parity Check - LDPC), mà còn do một cấu trúc điều chế mới và các chế độ hoạt động mới gọi là “Điều chế, mã hoá thay đổi” (Variable Coding and Modulation – VCM) và “Điều chế, mã hoá tương thích” (Adaptive Coding and Modulation – ACM). Việc sử dụng những công nghệ mới này có thể làm tăng lưu lượng qua một kênh vệ tinh lên tới 29% với LDPC và tăng 66% với VCM, 131% với ACM. Cấu trúc điều chế đơn giản nhất của DVB-S2 là “Điều chế, mã hoá không đổi” (Constant Coding Modulation-CCM). CCM tương tư nhự DVB-S ở điểm, tất cả các khung dữ liệu đều được điều chế và mã hoá với cùng thông số cố định. Tuy nhiên ở DVB-S2, mã trong là LDPC kết hợp với mã ngoài là BCH có khả năng sửa lỗi cao hơn so với mã Convolutional và Reed Solomon ở DVB-S. Cộng thêm với khả năng mềm dẻo trong lựa chọn hệ số roll-off, nên với cùng yêu cầu về C/N, DVB-S2 có thể đạt dung lượng lớn hơn. Cấu trúc VCM cho phép với 2 chương trình khác nhau có thể có 2 cấu trúc điều chế khác nhau. Cấu trúc điều chế của một chương trình có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu chất lượng tại thời điểm đó. Cấu trúc ACM cho phép cấu trúc mã hoá và tỷ lệ mã bảo vệ thay đổi tuỳ theo điều kiện thu tại điểm thu. Về bản chất, DVB-S2 không làm tăng dung lượng kênh vệ tinh số mà DVB-S2 tăng hiệu quả sử dụng băng thông lên tương đương 40-80Mbps. 3.1.2.2.Kỹ thuật trong DVB-S2 Hệ số Roll-off DVB-S sử dụng hệ số roll-off là α = 0.35, DVB-S2 có 3 giá trị hệ số roll-off là 0.35, 0.25 và 0.20. Quan hệ giữa độ rộng băng thông và hệ số roll-off được tính theo công thức sau: BW = R*(1+a) Trong đó BW được tính tại mức -3dB. Hệ số roll-off giảm làm tăng dung lượng dữ liệu truyền qua transponder. Ví dụ dữ liệu truyền qua transponder 36MHz có a = 0.35 tối đa là 26.67 Mbps, trong khi truyền qua cùng transponder với a = 0.2 thì tốc độ đạt được là 30Mbps. Chế độ tương thích ngược DVB-S2 có chế độ tương thích ngược, cho phép các đầu thu theo chuẩn DVB-S vẫn có thể thu được dữ liệu thông thường, còn các đầu thu mới theo chuẩn DVB-S2 thì có thể thu được các dịch vụ bổ sung. Quá trình chuyển đổi này sẽ được kéo dài cho đến khi người sử dụng có thể sẵn sàng cho DVB-S2. Khi đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ phát DVB-S2 hoàn toàn. Mã hoá sửa lỗi (FEC Encoding) Khối này thực hiện mã hoá ngoại (BCH), mã hoá nội (LDPC) và xáo trộn bit. Dòng dữ liệu đầu vào sẽ là BBFRAME, dữ liệu đầu ra sẽ l