La Télévision Numérique. DUT R&T 2ème année Hervé BOEGLEN

La Télévision Numérique DUT R&T 2ème année Hervé BOEGLEN

Plan 1. Introduction 2. La compression Vidéo MPEG2 3. La compression Audio MPEG1-L2 4. Le Transport Stream (TS) MPEG2 5. Le codage de canal de la TNT 6. Exemple de décodeur TNT 7. Evolutions 2/61

1. Introduction Les standards mondiaux de TV numérique 3/61

1. Introduction Capture image et son SDTV : 270 MBit/s 2 20 Mbits/s MPEG2 1,5 MBit/s 192 kbit/s MPEG1-L2 4/61

1. Introduction Espaces couleur : La représentation YCbCr exploite le mieux les défauts de l œil humain (plus sensible au variations de luminosité que de couleurs) RGB vers YCbCr (8bits) : YCbCr vers RGB (8 bits) : 5/61

1. Introduction Résolutions SDTV et HDTV : 625 or 525 lines SDTV 4:3/16:9 576 or 480 active lines 1250 or 1125 lines HDTV 16:9 1080 (610) active lines 610 pixel 1920 (1280) pixel 6/61

2. La compression vidéo MPEG2 Elimination de la redondance : Redondance visuelle Exploiter la sensibilité de l oeil humain à la couleur et aux détails Redondance spatiale H & V retour de balayage Couleurs ou motifs communs localement ( Bloc ) Redondance Temporelle Mouvement dans les séquences d images Redondance Statistique Réduction des données sans pertes I B P I 7/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 8/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 RGB YCbCr 9/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 4:2:0 10/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 Blocs de 16x16 pixels 11/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 Pour chaque bloc : 12/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 13/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 14/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 15/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression d images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra 3 1 2 4 5 6 16/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression de vidéos : Suite d images fixes qui sont liées Exploiter cette redondance temporelle Idée : prévoir l image en cours à partir des images précédentes Trois type d images codées : I : Intra coded frame. Codée indépendamment des autres images JPEG P : Predictively coded frame. Codée à partir de l image précédente. B : Bi-directionally predicted frame. Codée à partir d une image précédente et suivante. 17/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression de vidéos : Une simple différence entre deux images ne marche pas quand il y a du mouvement prédiction avec compensation de mouvement Comment estimer le mouvement? Algorithme «blockmatching» pour déterminer les vecteurs de mouvement : 18/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression de vidéos : Exemple : 19/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression de vidéos : Le MPEG2 GOP (Group Of Pictures) 20/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression de vidéos : Un exemple de codeur vidéo : 21/61

2. La compression vidéo MPEG2 La compression de vidéos : Un exemple de décodeur vidéo : 22/61

3. La compression audio MPEG1 La compression du signal audionumérique : Historique des normes : 23/61

3. La compression audio MPEG1 La compression du signal audionumérique : Le modèle psychoacoustique de l oreille humaine : Le seuil de sensibilité de l oreille dépend de la fréquence : 24/61

3. La compression audio MPEG1 La compression du signal audionumérique : Phénomène de masquage fréquentiel et bandes critiques 25/61

3. La compression audio MPEG1 La compression du signal audionumérique : L encodeur MPEG1-L2: FFT 1024 points, blocs de 24ms 26/61

3. La compression audio MPEG1 La compression du signal audionumérique : L encodeur MPEG1-L2: 1152 éch. à 48kHz = blocs de 24ms Frame size = 4608 bits 27/61

4. Le Transport Stream DVB La vidéo MPEG dans un TS : Headers Pointer to 1st Picture in PES Packet Sequence GOP Picture Slice Macro Block Packetized Elementary Stream PES DTS PTS PES Headers PES PES PES PES PES PES PES PES PES 4 Byte TS Header 184 Byte Payload Transport Stream 28/61

4. Le Transport Stream DVB Le format du Packet Elementary Stream : 188 Byte Packet 4 Byte Packet Header Adaptation Field (if present) Payload (if present) La charge utile (payload) est constitué d un flux vidéo ou audio De nombreux types de flux sont supportés L entête de 4 octet contient le Packet ID (PID) Le PID identifie chaque flux Le champ d adaptation peut contenir des informations de synchronisation (PCR) 29/61

4. Le Transport Stream DVB Construction du TS: Video1 Audio1 MPEG2 Encoder Program 1 (SDTV) Video2 Audio2 Video3 Audio3 H.264 Encoder IP (MPE) Inserter Program 2 (HDTV) Program 3 (DVB-H) MPEG-2 Multiplexer Transport Stream 30/61

4. Le Transport Stream DVB Structure du TS: PID=0x200 PID=0x300 PID=0x400 MPEG-2 TS PID=0x100 PID=0x600 PID=0x500 C est avec ces PID que les récepteurs identifient les paquets à utiliser 31/61

4. Le Transport Stream DVB Informations pour le récepteur : 32/61

4. Le Transport Stream DVB Structure PAT et PMT : 33/61

4. Le Transport Stream DVB Synchronisation : PCR (Program Clock Reference) : horloge 27MHz (multiple de 13,5 et 6,75 MHz) sur 42 bits Transmis toutes les 40ms Le paquet PMT contient le PCR_PID 34/61

4. Le Transport Stream DVB Synchronisation : PTS (Presentation Time Stamp) : 33 bits les plus significatifs du STC Pour synchroniser son et image Dans les entêtes des paquets vidéo et son 35/61

4. Le Transport Stream DVB Table Service Description Table (SDT): Informations textuelles sur le programme (exemple «France 2») 36/61

5. Le codage de canal de la TNT Schéma de la TNT : 37/61

5. Le codage de canal de la TNT Multiplex et canaux (émetteur Mulhouse Belvédère ) : Emetteur Mulhouse (Belvédère PAR max 39kW) : R1 : Canal 53 (730MHz) R2 : Canal 27 (522MHz) R3 : Canal 54 (738MHz) R4 : Canal 37 (602MHz) R5 : Canal 24 (498MHz) R6 : Canal 21 (474MHz) 38/61

5. Le codage de canal de la TNT Spectre TNT/Spectre analogique : 39/61

5. Le codage de canal de la TNT Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (norme ETSI 300 744) : 40/61

5. Le codage de canal de la TNT Pourquoi OFDM? Propagation multitrajets : 0.5 COST 207 Typical Urban channel impulse response 5 COST 207 Typical Urban channel frequency response 0.4 0 Amplitude 0.3 0.2 TF Amplitude -5 0.1-10 0-15 0 1 2 3 4 5 6-2 -1 0 1 2 Time (s) x 10-6 Frequency (Hz) x 10 6 Distortion du spectre du signal transmis 41/61

5. Le codage de canal de la TNT OFDM : Fonctionnement : 42/61

5. Le codage de canal de la TNT OFDM : Fonctionnement : Cas monoporteuse : 2 bits/symbole pour QPSK s( t) = + i= S i t it rect TS, Cas multiporteuses : S, SC SC 2*N bits par symbole OFDM pour QPSK s( t) = + i= 1 N N 1 k = 0 S i, k e j2πk ft t it rect TS, S, MC MC 1 = f = = N f T S, MC N TS, SC T S, MC B MC 43/61

5. Techniques avancées Comment combattre les effets du fading? Egalisation : compensation de l IES Le rôle d un égaliseur est de compenser les variations d amplitude et de phase dues au fading Lorsque les caractéristiques du canal varient rapidement on a recours à un égaliseur adaptatif qui envoie des séquences de test à intervalles réguliers. Dans le cas d un canal sélectif en temps, l égaliseur réalise la fonction de transfert inverse du canal Dans le cas d un canal sélectif en fréquence, il amplifie les composantes fréquentielles de faible amplitude et atténue les composantes de forte amplitude 44/61

45/61 5. Le codage de canal de la TNT OFDM : Fonctionnement : Signal à temps discret du ième bloc OFDM : On peut l implémenter à l aide d algorithmes de FFT ( ) = = 1 0 2,, 1 N k t f k j k i i n i e S N t n s s π N N T T t f MC S MC S 1 1.,, = = = = 1 0 2,, 1 N k N nk j k i n i e S N s π (IDFT)

5. Le codage de canal de la TNT Spectre OFDM : 46/61

5. Le codage de canal de la TNT Orthogonalité des porteuses : Sous-porteuse OFDM k : Les sous-porteuses sont orthogonales : 47/61

5. Le codage de canal de la TNT Intervalle de garde ou préfixe cyclique Intervalle de garde TG : Pour enlever totalement l IES, la durée de l intervalle de garde doit être supérieure au retard maximum τ max du canal : 48/61

5. Le codage de canal de la TNT Modem OFDM : N subchannels 2N real samples Bits S/P quadrature amplitude modulation (QAM) encoder N-IFFT add cyclic prefix P/S D/A + transmit filter TRANSMITTER RECEIVER multipath channel N subchannels 2N real samples P/S QAM demod decoder invert channel = frequency domain equalizer N-FFT S/P remove cyclic prefix Receive filter + A/D 49/61

5. Le codage de canal de la TNT OFDM : paramètres DVB-T : 50/61

5. Le codage de canal de la TNT OFDM insuffisant COFDM : 51/61

5. Le codage de canal de la TNT COFDM : embrouillage Répartition de l énergie, synchronisation 52/61

5. Le codage de canal de la TNT COFDM : CCE Code concaténé : Code externe : RS(204,188,T=8) erreurs en rafales Code interne : code convolutif G = [171 133] 8 de rendement variable (poinçonnage) : 53/61

5. Le codage de canal de la TNT COFDM : Entrelacement : Etaler les erreurs garantir le fonctionnement des codes correcteurs. Externe : entrelaceur convolutif (FORNEY) Interne : matriciel bit + symboles 54/61

5. Le codage de canal de la TNT COFDM : Modulations : De la QPSK à la 64QAM (de 2 à 6 bits par symbole) France : 64QAM, Allemagne : 16QAM Mode normal ou hiérarchique (cf : exemple ci-dessous pour 16QAM) 55/61

5. Le codage de canal de la TNT COFDM : Estimation du canal : Pilotes = données connues par l émetteur et le récepteur Leur déformation permet de savoir comment le canal a déformé le signal et de calculer une correction Pilotes dispersés, pilotes continus et pilotes TPS Fréquence Temps 56/61

5. Le codage de canal de la TNT COFDM : Estimation du canal : Pilotes TPS (Transmission Parameter Signaling) Info sur : la modulation, l intervalle de garde, le rendement du code interne, mode de transmission (2K ou 8K), numéro de trame dans une super trame 57/61

5. Le codage de canal de la TNT Performances TNT : Débits possibles Si TEB < 2E-4 après Viterbi alors QEF après RS Allemagne France 58/61

6. Exemple de décodeur TNT Solution à puce NXP (ex. PHILIPS) : Décodage canal Décodeur MPEG2 Tuner 59/61

6. Exemple de décodeur TNT Solution à puce NXP (ex. PHILIPS) : 60/61

7. Evolution TNT DVB-T2 : EN 302 755 (sept. 2009) Débit plus importants CCE : BCH + LDPC Modulation jusqu à 256QAM FFT jusqu à 32K (32768 porteuses) Il faudra changer de décodeur 61/61