Hervé BOEGLENDUT R&T 2ème année
La Télévision Numérique
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Plan
1. Introduction2. La compression Vidéo MPEG23. La compression Audio MPEG1-L24. Le Transport Stream (TS) MPEG25. Le codage de canal de la TNT6. Exemple de décodeur TNT7. Evolutions
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1. IntroductionLes standards mondiaux de TV numérique
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1. IntroductionCapture image et son SDTV :
270 MBit/s
2 – 20 Mbits/s MPEG2
1,5 MBit/s
192 kBit/sMPEG1-L2
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1. IntroductionEspaces 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) :
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1. Introduction
Résolutions SDTV et HDTV :
SDTV4:3/16:9
576 or480active lines
625 or525lines
610 pixel
HDTV16:9
1080(610)activelines
1250 or1125lines
1920 (1280) pixel
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2. La compression vidéo MPEG2
Elimination de la redondance : Redondance visuelle
Exploiter la sensibilité de l’oeil humain à la couleur etaux 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
I B P
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
RGB YCbCr
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
4:2:0
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
Blocs de 16x16 pixels
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
Pour chaque bloc :
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
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2. La compression vidéo MPEG2
La compression d’images fixes : JPEG : Codage des images de référence ou Intra
1 23 4 5 6
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2. La compression vidéo MPEG2La 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.
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2. La compression vidéo MPEG2La 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 « block-matching » pour déterminer les vecteurs de mouvement :
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2. La compression vidéo MPEG2La compression de vidéos :
• Exemple :
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2. La compression vidéo MPEG2La compression de vidéos :
• Le MPEG2 GOP (Group Of Pictures)
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2. La compression vidéo MPEG2La compression de vidéos :
• Un exemple de codeur vidéo :
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2. La compression vidéo MPEG2La compression de vidéos :
• Un exemple de décodeur vidéo :
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3. La compression audio MPEG1La compression du signal audionumérique :
• Historique des normes :
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3. La compression audio MPEG1La compression du signal audionumérique :
• Le modèle psychoacoustique de l’oreille humaine :• Le seuil de sensibilité de l’oreille dépend de la fréquence :
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3. La compression audio MPEG1La compression du signal audionumérique :
• Phénomène de masquage fréquentiel et bandes critiques
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3. La compression audio MPEG1La compression du signal audionumérique :
• L’encodeur MPEG1-L2:
FFT 1024 points, blocs de 24ms
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3. La compression audio MPEG1La compression du signal audionumérique :
• L’encodeur MPEG1-L2:
Frame size = 4608 bits
1152 éch. à 48kHz = blocs de 24ms
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4. Le Transport Stream DVBLa vidéo MPEG dans un TS :
Sequence GOP Picture Slice Macro Block
PESHeaders
DTSPTS
Packetized Elementary Stream
Pointer to1st Picturein PESPacket
PES
Headers
184 BytePayload
4 ByteTS Header
PES PES PES PES PES PES PES PES PES
Transport Stream
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4. Le Transport Stream DVBLe format du Packet Elementary Stream :
188 Byte Packet
4 Byte PacketHeader
Adaptation Field(if present)
Payload(if present)
La charge utile (payload) est constitué d’un fluxvidéo ou audioDe 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)
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4. Le Transport Stream DVBConstruction du TS:
Video1
Audio1MPEG2 Encoder
Program 1 (SDTV)
Video2
Audio2H.264Encoder
Program 2 (HDTV)
Video3
Audio3IP (MPE)Inserter
Program 3 (DVB-H)
MPE
G-2
Mul
tiple
xer
Transport
Stream
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4. Le Transport Stream DVB Structure du TS:
PID=0x100
PID=0x200PID=0x300
PID=0x400
PID=0x500PID=0x600
MPEG-2 TS
C’est avec ces PID que les récepteurs identifient les paquets à utiliser
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4. Le Transport Stream DVB Informations pour le récepteur :
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4. Le Transport Stream DVB Structure PAT et PMT :
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4. Le Transport Stream DVB Synchronisation : PCR (Program Clock Reference) : horloge 27MHz (multiple de 13,5 et 6,75
MHz) sur 42 bitsTransmis toutes les 40msLe paquet PMT contient le PCR_PID
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4. Le Transport Stream DVB Synchronisation : PTS (Presentation Time Stamp) : 33 bits les plus significatifs du STC Pour synchroniser son et imageDans les entêtes des paquets vidéo et son
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4. Le Transport Stream DVBTable Service Description Table (SDT): Informations textuelles sur le programme
(exemple « France 2 »)
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5. Le codage de canal de la TNT Schéma de la TNT :
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5. Le codage de canal de la TNTMultiplex 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)
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5. Le codage de canal de la TNT Spectre TNT/Spectre analogique :
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5. Le codage de canal de la TNTCoded Orthogonal Frequency Division Multiplex
(norme ETSI 300 744) :
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5. Le codage de canal de la TNT Pourquoi OFDM ?
Distortion du spectre du signal transmis
0 1 2 3 4 5 6
x 10-6
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5COST 207 Typical Urban channel impulse response
Time (s)
Am
plitu
de TF
Propagation multitrajets :
-2 -1 0 1 2
x 106
-15
-10
-5
0
5COST 207 Typical Urban channel frequency response
Frequency (Hz)
Am
plitu
de
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5. Le codage de canal de la TNTOFDM : Fonctionnement :
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5. Le codage de canal de la TNT
∑∞+
−∞=
−⋅=
i SCS
SCSi T
iTtrectSts
,
,)(
2 bits/symbole pour QPSK
2*N bits par symbole OFDM pour QPSK
∑ ∑∞+
−∞=
−
=
∆
−⋅
=
i MCS
MCSN
k
ftkjki T
iTtrecteS
Nts
,
,1
0
2,
1)( π
Cas monoporteuse :
Cas multiporteuses :
SCSMCS TNT ,, ⋅= fNBMC ∆⋅=MCST
f,
1=∆
OFDM : Fonctionnement :
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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
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5. Le codage de canal de la TNTOFDM : 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
tfkjkiini eS
Ntnss π
NNT
Ttf MCS
MCS
11. ,
,
=⋅=∆∆
∑−
=
=1
0
2
,,1 N
k
Nnkj
kini eSN
sπ
(IDFT)
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5. Le codage de canal de la TNTSpectre OFDM :
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5. Le codage de canal de la TNTOrthogonalité des porteuses :
Sous-porteuse OFDM k :Les sous-porteuses sont orthogonales :
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5. Le codage de canal de la TNTIntervalle 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 τmax du canal :
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5. Le codage de canal de la TNTModem OFDM :
P/SQAM
demoddecoder
invert channel
=frequencydomain
equalizer
S/P
quadrature amplitude
modulation (QAM)
encoder
N-IFFTadd
cyclic prefix
P/SD/A +
transmit filter
N-FFT S/Premove cyclic prefix
TRANSMITTERRECEIVER
N subchannels 2N real samples
2N real samplesN subchannels
Receive filter
+A/D
multipath channel
Bits
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5. Le codage de canal de la TNTOFDM : paramètres DVB-T :
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5. Le codage de canal de la TNTOFDM insuffisant COFDM :
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5. Le codage de canal de la TNTCOFDM : embrouillage
• Répartition de l’énergie, synchronisation
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5. Le codage de canal de la TNTCOFDM : 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) :
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5. Le codage de canal de la TNTCOFDM : Entrelacement :
• Etaler les erreurs garantir le fonctionnement des codes correcteurs.• Externe : entrelaceur convolutif (FORNEY)
• Interne : matriciel bit + symboles
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5. Le codage de canal de la TNTCOFDM : 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)
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5. Le codage de canal de la TNTCOFDM : 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
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5. Le codage de canal de la TNTCOFDM : 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
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5. Le codage de canal de la TNTPerformances TNT :
• Débits possibles
France
Allemagne
Si TEB < 2E-4 après Viterbialors QEF après RS
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6. Exemple de décodeur TNTSolution à puce NXP (ex. PHILIPS) :
Tuner
DécodeurMPEG2
Décodagecanal
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6. Exemple de décodeur TNTSolution à puce NXP (ex. PHILIPS) :
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7. Evolution TNTDVB-T2 : EN 302 755 (sept. 2009)Débit plus importantsCCE : BCH + LDPCModulation jusqu’à 256QAMFFT jusqu’à 32K (32768 porteuses)Il faudra changer de décodeur…