`

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO
TÍ HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH

DƢƠNG TRỌNG LÂM

HÀ NỘI - 2016


`

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO
TÍ HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH

DƢƠNG TRỌNG LÂM

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ: 60.48.02.018

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Nguyễn Văn Tam. Thầy đã định hƣớng, cung cấp tài
liệu, hƣớng dẫn chi tiết và sửa chữa các sai sót em mắc phải trong quá trình thực
hiện.
Em cảm ơn các thầy cô giáo ở Khoa sau Đại học và khoa Công nghệ thông
tin Viện đại học Mở Hà nội đã tận tình dạy dỗ trong thời gian em học tập tại trƣờng.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu luận văn, do kinh nghiệm và khả
năng còn hạn chế nên bản luận văn khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, em rất mong
đƣợc sự thông cảm, đóng góp của thầy cô và các bạn để bản luận văn này có thể
hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!


`

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................... II
MỤC LỤC ......................................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................................... V
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... VII
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................. VIII
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ ..................................................... 3
MẶT ĐẤT DVB-T ............................................................................................................... 3
1.1.GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT ..................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm ............................................................................................................. 3
1.1.2. Sơ đồ tổng thể của hệ thống ................................................................................. 3
1.2. CÁC THÀNH PHẦN TÍN HIỆU CƠ BẢN ............................................................................. 4
1.2.1. Định nghĩa tín hiệu .............................................................................................. 4
1.2.2. Phân loại tín hiệu ................................................................................................. 5

3.2. LỰA CHỌN CÔNG CỤ VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH ........................................................... 48
3.2.1. Lựa chọn cụng cụ ............................................................................................... 48
3.2.2. Lựa chọn ngôn ngữ lập trình ............................................................................. 53
3.3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN ............................................................ 53
3.3.1. Thiết kế giao diện ............................................................................................... 53
3.3.2. Lưu đồ thuật toán ............................................................................................... 55
3.4. MỘT SỐ KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................. 58
3.4.1. Giới thiệu chung về tín hiệu chuẩn và tín hiệu bị lỗi để kiểm tra ...................... 58
3.4.2. Phát hiện và cảnh báo tín hiệu lỗi video bị dừng hình hoặc bị mất .................. 59
3.4.3. Phát hiện và cảnh báo lỗi audio có âm lượng quá to hoặc quá nhỏ. ................ 59
3.4.4. Phát hiện và cảnh báo băng thông. ................................................................... 60
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 62
PHỤ LỤC............................................................................................................................ 63


`

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
ASI
BNC
B-frame
DCT
DEMUX
DVB
DVD
ES
GOP
I-frame

Commission
International Standards
Organization
International Telecommunication
Union
Macroblock
Multiplexers

MPEG

Moving Picture Experts Group

IDCT
IEC
ISO
ITU

P-frame
PAL
PAT
PCR
PES

National televison System
Committee
Forward prediction frame
Phase Alternation Line
Program Association Table
Presentation Clock Refference
Packetized Elementary Stream

Biến đổi cosine rời rạc ngƣợc
Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế
Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
Liên minh viễn thông quốc tế
Macroblock
Ghép kênh
Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh
động
Hội đồng hệ thống TV quốc gia
Mỹ
Frame dự đoán thuận
Hệ PAL
Bảng liên kết chƣơng trình
Tham chiếu thời gian đồng bộ
Dòng dữ liệu đóng gói
Giao thức hoạt động độc lập với
các giao thức định tuyến IP
Điểm ảnh
Định danh gói
Bảng đặc tả chƣơng trình


`

RLC
SDI
SDTV
SNR
TS
TSP

Bảng 2.1: Các bƣớc của quá trình mã hóa biến đổi DCT đối với 1 khối ..................30
Bảng 2.2: Quét zigzag ...............................................................................................31
Bảng 2.3: Quét Zigzag và mã hóa Huffman .............................................................32


`

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ khối truyền hình số mặt đất ..............................................................4
Hình 1.2: Minh họa các loại tín hiệu ...........................................................................5
Hình 1.3: Cấu trúc lớp dòng bit MPEG-2 .................................................................10
Hình 1.4: Sơ đồ khối bộ má hóa audio MPEG .........................................................14
Hình 1.5: Cấu trúc gói dữ liệu ...................................................................................14
Hình 1.6: Cấu trúc gói PES .......................................................................................15
Hình 1.7: Định dạng dòng chƣơng trình và dòng truyền tải từ dòng đóng gói PES .16
Hình 1.8: Cấu trúc gói truyền tải ( Transport stream packet TS ) trong MPEG .......17
Hình 1.9: Định dạng dòng truyền tải MPEG-2 .........................................................18
Hình 2.1: Biểu diễn điểm ảnh ...................................................................................23
Hình 2.2: Nội suy bù chuyển động ...........................................................................26
Hình 2.3: Thứ tự truyền dẫn và hiển thị ảnh .............................................................27
Hình 2.4: Các bƣớc xử lý MPEG ..............................................................................27
Hình 2.5: Băng thông của độ sáng và tín hiệu màu ..................................................28
Hình 2.6: Ngƣỡng nghe thấy tuyệt đối và ngƣỡng nghe phủ tần số .........................36
Hình 2.7: Sự che lấp về thời gian ..............................................................................37
Hình 2.8: Đƣờng cong che lấp và sự phân phối bit...................................................39
Hình 2.9: Mối quan hệ không gian của các macroblock đƣợc che phủ và các
macroblock bên cạnh.................................................................................................43
Hình 2.10: Bảo vệ MPEG-2 dùng mã FEC ...............................................................43
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống giám sát tín hiệu .............................................................45
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống giám sát tín hiệu đơn giản ..............................................46

kênh truyền hình chuyên biệt về Văn hóa Việt VTC10, kênh truyền hình chuyên biệt
về môi trƣờng VTC14SD, VTC14HD, kênh truyền hình Nông nghiệp và Nông thôn
VTC16 ...
Để vận hành và sản xuất đƣợc số lƣợng kênh nhƣ trên và phát sóng liên tục
24/ 7 thì đòi hỏi số lƣợng con ngƣời và thiết bị phục vụ làm việc là rất lớn. Với
mong muốn tiết kiệm sức lao động của con ngƣời để trực hệ thống và phát hiện và
xử lý lỗi tín hiệu hệ thống thì hiện nay trên thế giới có rất nhiều giải pháp giám sát
và cảnh báo tín hiệu trong truyền hình của các hãng trên thế giới nhƣ Evertz,
Ericsson, Harris... các sản phẩm của quốc tế thì mang tính đóng gói không thể phát
triển đƣợc và có chi phí rất cao so với mặt bằng thu nhập chung của Việt Nam.
Từ những yêu cầu đặt ra gắn với nhu cầu thực tế của Đài truyền hình là vừa
đảm bảo tín hiệu của Đài đƣợc giám sát và cảnh báo kịp thời và tiết kiệm đƣợc tối
đa chi phí em đã nghiên cứu và đƣa ra giải pháp “ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
CẢNH BÁO TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH ”
Luận văn bao gồm ba chƣơng với những nội dung sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về truyền hình số mặt đất DVB-T
Chƣơng 1 Giới thiệu về khái niệm và đƣa ra đƣợc sơ đồ tổng quát của hệ
thống truyền hình số, các thành phần tín hiệu cơ bản, các chuẩn nén và truyền thông
trong truyền hình số mặt đất. Đƣa ra đƣợc các vấn đề liên quan đến việc nâng cao
chất lƣợng dịch vụ truyền hình số mặt đất.


`

Chƣơng 2: Xử lý tín hiệu và đảm bảo chất lƣợng tín hiệu trong truyền hình
Chƣơng 2 Giới thiệu về các bƣớc xử lý tín hiệu trong truyền hình. Vấn đề
liên quan đến đảm bảo chất lƣợng tín hiệu trong truyền hình, các lỗi tín hiệu video,
audio làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng dịch vụ và các giải pháp để khắc phục. Giới
thiệu tổng quan về mô hình giám sát và cảnh báo tín hiệu.
Chƣơng 3: Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo tín hiệu trong truyền hình

kết thúc quá trình số hóa truyền hình, một phần của băng tần UHF đang sử dụng bởi
truyền hình mặt đất sẽ đƣợc giải phóng. Đây là nguồn tài nguyên tần số quan trọng
để triển khai các dịch vụ thông tin vô tuyến băng rộng mới. Góp phần vào thức đẩy
phát triển kinh tế - xã hội.

1.1.2. Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Tín hiệu số có tốc độ bít rất lớn nên cần phải qua bộ nén để giảm tốc độ bit
của chúng. Các luồng tín hiệu này đƣợc đƣa tới bộ ghép kênh ( MUX) rồi đƣa tới
bộ điều chế và phát đi.


`

Ở phía thu thực hiện quá trình ngƣợc lại, tín hiệu thu sẽ đƣợc giải điều chế và
đƣa tới bộ phân kênh ( DEMUX). Tín hiệu từ bộ phân kênh đƣợc giải nén thành tín
hiệu số.
Sơ đồ khối của một hệ thống phát thanh, truyền hình số nhƣ sau :

Hình 1.1: Sơ đồ khối truyền hình số mặt đất

(Nguồn: Kỹ thuật truyền hình - Nxb khoa học kỹ thuật)

1.2. Các thành phần tín hiệu cơ bản
Các thành phần tín hiệu cơ bản và hình minh họa đƣợc trích dẫn trong tài liệu tài
liệu [1]

1.2.1. Định nghĩa tín hiệu
Tín hiệu là một đại lƣợng vật lý chứa thông tin (information). Về mặt toán
học, tín hiệu đƣợc biểu diễn bằng một hàm của một hay nhiều biến độc lập. Tín hiệu
là một dạng vật chất có một đại lƣợng vật lý đƣợc biến đổi theo qui luật của tin tức.


1.3. Một số chuẩn nén và truyền thông trong truyền hình số mặt đất
1.3.1. Vấn đề nén trong truyền hình số mặt đất
Các vấn đề về nén và hình minh họa đƣợc trích dẫn trong tài liệu tài liệu
[7],[8],[9],[12],[13].

 Mục đích của nén
Với công nghệ hiện nay, các thiết bị đều có dải thông nhất định. Các dòng số
tốc độ cao yêu cầu dải thông rất rộng vƣợt quá khả năng cho phép của thiết bị. Một
cách sơ bộ, nén là quá trình làm giảm tốc độ bit của các dòng dữ liệu tốc độ cao mà
vẫn đảm bảo chất lƣợng hình ảnh hoặc âm thanh cần truyền tải.

 Bản chất của nén


`

Khác với nguồn dữ liệu một chiều nhƣ nguồn âm, đặc tuyến đa chiều của
nguồn hình ảnh cho thấy: nguồn ảnh chứa nhiều sự dƣ thừa hơn các nguồn thông tin
khác. Đó là:
 Sự dƣ thừa về mặt không gian (spatial redundancy):
Các điểm ảnh kề nhau trong một mành có nội dung gần giống nhau.
 Sự dƣ thừa về mặt thời gian (temporal redundancy):
Các điểm ảnh có cùng vị trí ở các mành kề nhau rất giống nhau.
 Sự dƣ thừa về mặt cảm nhận của con ngƣời:
Mắt ngƣời nhạy cảm hơn với các thành phần tần số thấp và ít nhạy cảm với
sự thay đổi nhanh, tần số cao. Do vậy, có thể coi nguồn hình ảnh là nguồn có nhớ
(memory source).
Nén ảnh thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các sự
dƣ thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn dữ liệu mới có lƣợng

Chuẩn

Phạm vi ứng dụng

CCITT T.4

Fax, ảnh dữ liệu

CCITT T.6
JPEG
JBIG
CCITT H.261
MPEG - 1
MPEG - 2
MPEG - 4

Fax, ảnh dữ liệu
Ảnh.
Fax, ảnh dữ liệu
Điện thoại hình
Ảnh, lƣu trữ dữ liệu số (DSM)
Ảnh, SDTV, DSM
HDTV, ứng dụng tƣơng tác 2 chiều ( Games,
videoconferencing)…

(Nguồn: Mpeg-1 and Mpeg-2 Digital Video Coding Standards)
Trong số đó, đƣợc sử dụng phổ biến và có phạm vi ứng dụng rộng rãi là
MPEG (Moving Pictures Experts Group).

 Chuẩn nén MPEG:


-

Phần 3: Audio (ISO/IEC 13818-3): mã hóa và giải mã dữ liệu âm thanh.

-

Phần 4: Biểu diễn (ISO/IEC 13818-3): định nghĩa quá trình kiểm tra các yêu cầu
của MPEG-2 .
So với MPEG-1, MPEG-2 có nhiều cải thiện, ví dụ về kích thƣớc 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 mã một phần dòng bit
mã hóa để nhận đƣợc ảnh khôi phục có chất lƣợng 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 tƣơng hợp với nén video MPEG-1. Đƣợc thể hiện qua 4
hình thức tƣơng hợp.
∗ Tƣơng hợp thuận: bộ giải mã MPEG-2 có khả năng giải mã dòng bit (hoặc


chế về độ phân giải không gian, tốc độ bit.

 Cấu trúc dòng bit video MPEG-2
Dòng bit MPEG-2 về cơ bản tƣơng hợp với MPEG-1, tức là cũng gồm cấu
trúc 6 lớp [12]:
Bảng 1.2: Dạng lớp của cú pháp dòng bit MPEG-2

Lớp
Lớp chuỗi (Sequence Layer)
Lớp nhóm ảnh (GOP Layer)
Lớp ảnh (Picture Layer)
Lớp lát (Slice Layer)
Lớp Macro Block (MB Layer)
Lớp khối (Block Layer)

Chức năng
Đơn vị nội dung
Đơn vị truy nhập ngẫu nhiên dòng
video mã hóa.
Đơn vị mã hóa cơ bản
Đơn vị tái đồng bộ
Đơn vị bù chuyển động
Đơn vị chuyển đổi DCT

(Nguồn: Combined Forward Error Correction and Error Concealment for
Digital Video Transmission, Concordia University Montreal, Quebec, Canada)
-

Lớp chuỗi là đại diện mã hóa cho một chuỗi ảnh (Video Sequence).


 Khả năng co giãn của MPEG-2
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của MPEG-2 là sự phù hợp với
nhiều ứng dụng video. Có thể sử dụng MPEG-2 cho phân phối truyền hình tiêu
chuẩn (Standard Television), truyền hình phân giải cao (HDTV: High Definition
Television) hoặc cho truyền dẫn tín hiệu truyền hình thông qua các mạng truyền
thông. Tính co giãn của dòng bít MPEG-2 là khả năng giải mã đƣợc một phần dòng
bít MPEG-2 độc lập với phần còn lại của dòng bít đó nhằm khôi phục video với


`

chất lƣợng hạn chế ( hạn chế độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian hoặc
hạn chế về SNR...). Dựa theo tính co giãn, dòng bít đƣợc phân thành hai hay nhiều
lớp. Tập con nhỏ nhất của cú pháp dòng bít có thể giải mã một cách độc lập đƣợc
gọi là lớp cơ bản. Các lớp còn lại đƣợc gọi là các lớp nâng cao. Có nhiều loại co
giãn khác nhau nhƣ:
-

Co giãn không gian: Dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có độ phân giải
không gian khác nhau.

-

Co giãn SNR: dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có cùng độ phân giải không
gian nhƣng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR là khác nhau.

-

Co giãn thời gian: dòng bít gồm hai hay nhiều lớp video có cùng độ phân giải
không gian nhƣng có độ phân giải thời gian khác nhau.

352x288 (bằng 1/4 cỡ ảnh TV chuẩn)
720x576 (cỡ ảnh TV chuẩn)
1440 x1152
960x576 hoặc 1920x1152

(Nguồn: Mpeg-1 and Mpeg-2 Digital Video Coding Standards)


`

Có 5 profile là: Simple (đơn giản), Main (chính), SNR scalable (co giãn
SNR), Spatial scalable (có khả năng co giãn không gian) và High profile. Tổng
cộng có 12 tổ hợp profile, level. Trong đó:
-

MP @ ML (Main profile @ Main level):

Lấy mẫu 4:2:0
Độ phân giải: 720*576
Tốc độ bit: 15Mbps
Dạng ảnh: I, P, B
Ứng dụng vào việc số hóa truyền hình tiêu chuẩn (Standard television).
-

MP @ HL (Main profile @ High level):

Lấy mẫu 4:2:0
Độ phân giải: 1920x1152
Tốc độ bit: 80Mbps
Dạng ảnh sử dụng: I, P, B

trong hệ HDTV số Grand Alliance (ATSC) cũng là một biến thể từ Audio MPEG-2.
Đối với lĩnh vực truyền hình, tiêu chuẩn MPEG có lợi điểm nổi bật là đảm bảo khả
năng đồng bộ giữa video và audio khi phân kênh và giải nén.
Những đặc tính kỹ thuật cơ bản của tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 và MPEG2 đƣợc trình bày tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 1.4: Đặc điểm Audio Mpeg-1, Mpeg-2

MPEG-1
Độ phân giải đầu vào 16 bít
48 KHz - 44,132
Tần số lấy mẫu
KHz.
Tự do, có thể lên
Tốc độ bít
đến 448Kbps.
2 kênh với các
mode: mono,
Số lƣợng kênh
stereo, dual,
joint stereo.
Tính tƣơng hợp

MPEG-2
16 bít, có thể lên tới 24 bít.
48 KHz - 44,312 KHz - 24KHz 22,0516 KHz.
Tự do, có thể lên đến 256 Kbps.

6 kênh: left, Right, Center, Left
Surround, Right Surround và LFE (
Low Frequency Enhancement - kênh
tăng cƣờng tần số thấp).