La Télévision Numérique

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Hervé BOEGLEN DUT R&T 2ème année

La Télévision Numérique

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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

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1. Introduction

 Les standards mondiaux de TV numérique

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1. Introduction

 Capture image et son SDTV :

270 MBit/s

2 – 20 Mbits/s MPEG2

1,5 MBit/s

192 kBit/s

MPEG1-L2

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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) :

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1. Introduction

 Résolutions SDTV et HDTV :

SDTV 4:3/16:9

576 or 480 active lines 625

or 525 lines

610 pixel

HDTV 16:9

1080 (610) active lines 1250

or 1125 lines

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 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

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

1 2

3 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 2

3 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 2

3 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 2

3 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 2

3 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 2

3 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 2

3 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 2

3 4 5 6

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16/61

2. La compression vidéo MPEG2

 La compression d’images fixes : JPEG :

 Codage des images de référence ou Intra

1 2

3 4 5 6

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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

.

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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 « block- matching » pour déterminer les vecteurs de mouvement :

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2. La compression vidéo MPEG2

 La compression de vidéos :

• Exemple :

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2. La compression vidéo MPEG2

 La compression de vidéos :

• Le MPEG2 GOP (Group Of Pictures)

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2. La compression vidéo MPEG2

 La compression de vidéos :

• Un exemple de codeur vidéo :

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2. La compression vidéo MPEG2

 La compression de vidéos :

• Un exemple de décodeur vidéo :

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3. La compression audio MPEG1

 La compression du signal audionumérique :

• Historique des normes :

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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 :

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3. La compression audio MPEG1

 La compression du signal audionumérique :

• Phénomène de masquage fréquentiel et bandes critiques

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3. La compression audio MPEG1

 La compression du signal audionumérique :

• L’encodeur MPEG1-L2:

FFT 1024 points, blocs de 24ms

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3. La compression audio MPEG1

 La 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 DVB

 La vidéo MPEG dans un TS :

Sequence GOP Picture Slice Macro Block

PES Headers DTS

PTS

Packetized Elementary Stream

Pointer to 1st Picture in PES Packet

PES Headers

184 Byte Payload 4 Byte

TS Header

PES PES PES PES PES PES PES PES PES

Transport Stream

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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)

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4. Le Transport Stream DVB

 Construction du TS:

Video1 Audio1

MPEG2 Encoder

Program 1 (SDTV)

Video2 Audio2

H.264 Encoder

Program 2 (HDTV)

Video3 Audio3

IP (MPE) Inserter

Program 3 (DVB-H)

MPEG-2 Multiplexer

Transport Stream

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4. Le Transport Stream DVB

 Structure du TS:

PID=0x100 PID=0x200

PID=0x300

PID=0x400

PID=0x500

PID=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 bits

 Transmis toutes les 40ms

 Le 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 image

 Dans les entêtes des paquets vidéo et son

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4. Le Transport Stream DVB

 Table 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 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)

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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 TNT

 Coded 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 0.5

COST 207 Typical Urban channel impulse response

Time (s)

Amplitude TF

Propagation multitrajets :

-2 -1 0 1 2

x 10⁶ -15

-10 -5 0 5

COST 207 Typical Urban channel frequency response

Frequency (Hz)

Amplitude

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5. Le codage de canal de la TNT

 OFDM : Fonctionnement :

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5. Le codage de canal de la TNT

∑

⁺^∞

−∞

=

 





 



⋅  −

=

i S SC

SC S

i

T

iT rect t

S t

s

,

)

,

(

2 bits/symbole pour QPSK

2*N bits par symbole OFDM pour QPSK

∑

⁺^∞

∑

−∞

=

−

=

∆

 





 



⋅  −

 

 



= 

i S MC

MC S N

k

ft k j k

i

T

iT rect t

e N S

t s

, , 1

0

2 ,

) 1

(

^π

Cas monoporteuse :

Cas multiporteuses :

SC S MC

S N T

T _, = ⋅ _, B_MC = N ⋅∆f

MC

TS

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 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

S e

t N n

s

^π

N N

T t T

f ^S ^MC

MC S

1

. 1 ^,

,

=

⋅

=

∆

∑

⁻

=

¹

0

2 ,

,

1

^N

k

N j nk

k i n

i

S e

s N

^π

(IDFT)

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5. Le codage de canal de la TNT

 Spectre OFDM :

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5. Le codage de canal de la TNT

 Orthogonalité des porteuses :

Sous-porteuse OFDM k :

Les sous-porteuses sont orthogonales :

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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 :

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5. Le codage de canal de la TNT

 Modem OFDM :

P/S

QAM demod decoder

invert channel

=

frequency domain equalizer

S/P

quadrature amplitude modulation

(QAM) encoder

N-IFFT

add cyclic prefix

P/S

D/A + transmit

filter

N-FFT S/P

remove cyclic prefix

TRANSMITTER RECEIVER

N subchannels 2N real samples

2N real samples N subchannels

Receive filter

+ A/D

multipath channel Bits

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5. Le codage de canal de la TNT

 OFDM : paramètres DVB-T :

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5. Le codage de canal de la TNT

 OFDM insuffisant  COFDM :

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5. Le codage de canal de la TNT

 COFDM : embrouillage

• Répartition de l’énergie, synchronisation

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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) :

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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

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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)

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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

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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