Truyền hình kĩ thuật số

là một biến thể của tiêu chuẩn DVB-T. 2.3 TRUYỀN HÌNH SỐ THEO TIÊU CHUẨN DVB-T Hệ thống trạm mặt đất DVB-T: các kênh VHF/UHF của trạm mặt đất là những phương tiện quan trọng nhất với việc truyền dẫn tín hiệu số ở tốc độ cao vì các thủ tục truyền lại đa đường tạo ra sự dội vang và sự giảm âm thanh của tần số lựa chọn. Trễ của việc mở rộng các tín hiệu trong việc truyền lặp là do sự phản xạ của núi, đồi hay dãy nhà có thể lên tới vài chục µs. Trong trường hợp phía thu có thể di chuyển, tín hiệu trực tiếp từ phía phát có thể bị mất (kênh Rayleigh) do đó phía thu bắt buộc phải khai thác những đám mây tín hiệu phản hồi xung quanh vật thể. Trong mạng đơn tần số (SFN), sự lựa chọn tần số kênh cố thể rất quan trọng khi tất cả các máy phát phát các tín hiệu giống nhau ở cùng thời điểm và có thể phát các tín hiệu lặp lại “nhân tạo” trong khu vực dịch vụ (trễ lên đến vài trăm µs). Để khắc phục vấn đề này, các bộ tương thích kênh DVB-T được thiết kế dựa trên việc điều chế đa sóng mang trực giao COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số đã được mã hoá). Hình 2.3a Tiêu chuẩn DVB-T Có thể chia dòng bit truyền tới thành hàng ngàn sóng mang phụ tốc độ thấp, trong ghép kênh FDM. Hệ thống có thể hoạt động ở hai mode chính : mode 2K cho các mạng chuyển đổi ( tương ứng với 1705 sóng mang phụ trong dải thông 7,61 MHz và khoảng thời gian symbol hiệu dụng Tu = 224 µs) và mode 8K cho SFNs ( tương ứng với 6817 sóng mang phụ trong dải thông 7,61 MHz và khoảng thời gian symbol hiệu dụng Tu = 86 µs). Mỗi sóng mang được điều chế theo lược đồ am-QAM (4, 16 hay 32 QAM). Điều chế COFDM bản chất làfading tần số chọn, khi mỗi sóng mang được điều chế ở tốc độ bit trung bình ( tốc độ symbol vào khoảng 1 Kbaud hay 4 Kbaud tương ứng với mode 2K hay 8K) và khoảng thời gian rất dài so với thời gian đáp ứng thay đổi kênh. Do đó mỗi sóng mang phụ chiếm một dải tần hẹp trong đó đáp ứng tần số kênh là phẳng cục bộ không mã viterbi với cụm lỗi tới từ các sóng mangkhông tin cậy gần kề, làm suy giảm do nhiễu băng hẹp. Mô tả Hệ thống phát sóng truyền hình số mặt đất : Hình 2.3b Cấu trúc hệ thống truyền hình số mặt đất Quá trình phát sóng truyền hình trên mặt đất bao gồm những thành phần sau: Tín hiệu Video/ Audio nguồn: Tín hiệu nguồn là tín hiệu số hay tương tự được biến đổi thành các dữ liệu số. Các chuẩn tín hiệu số được định dạng sao cho tương thích với hệ thống mã hoá Tín hiệu Video có tốc độ bit rất lớn, chẳng hạn chuẩn CCIR 601 thì tốc độ bit lên đến 270Mbps. Để các kênh truyền hình quảng bá có độ rộng 8MHz có thể đáp ứng cho vie0c truyền tín hiệu số, cần phải giảm tốc độ bit bằng cách nén tín hiệu Video. Mã hoá nguồn dữ liệu số (source coding): Mã hoá nguồn dữ liệu thực hiện nén số ở các tín số nén khác nhau. Việc nén được thực hiện bằng bộ mã hoá MPEG-2 (Moving Picture Experts Group). Việc mã hoá dựa trên cơ sở nhiều khung hình ảnh chứa nhiều thông tin với sự sai khác rất nhỏ. Do đó Mpeg làm việc bằng cách chỉ gửi đi những sự thay đổi này và dữ liệu lúc này có thể giảm từ 100 đến 200 lần. Với audio cũng như vậy, việc nén dựa trên nguyên lý tai người khó phân biệt âm thanh trầm nhỏ so với âm thanh lớn khi chúng có tần số lân can nhau và những bit thông tin trầm nhỏ này có thể bỏ đi và không được sử dụng. Mã hoá nguồn chỉ liên quan đến các đặc tính của nguồn. Phương tiện truyền phát không ảnh hưởng gì đến mã hoá nguồn. Mã hoá kênh : Gói và đa hợp video, audio và các dữ liệu phụ vào một dòng dữ liệu, ở đây là dòng truyền tải Mpeg -2. Nhiệm vụ của mã hoá kênh là làm cho tín hiệu truyền dẫn phát sóng phù hợp với kênh truyền. Trong truyền hình số mặt đất mã được sử dụng là mã Reed-Solomon. Mã Reed-Solomon được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin ngày nay, do có khả năng sửa lỗi rất cao. Như vậy để thực hiện điều này thì bên phát phải điều chế một tín hiệu rõ nét và chuẩn nhất, để bên thu có thể dễ dàng thu được tín hiệu ở các vị trí trong nhà hay di động ngoài trời. Dưới đây là sơ đồ khối của một máy phát DVB-T : Hình 2.4a Sơ đồ khối tổng quát của một máy phát DVB-T Nhiệm vụ của các khối trên đã được trình bày trên hình 2-4 .Sau đây là sơ đồ khối bên trong của một máy phát DVB-T thể hiện quá trình kiểm soát lỗi dòng truyền Mpeg-2 cho truyền hình số mặt đất thông qua quá trình mã kênh (channel coding). Hình 2.4b sơ đồ khối tổng quát của một máy phát DVB-T Sơ đồ khối máy phát DVB-T Trong sơ đồ khối máy phát DVB-T được trình bày trên hình, các thành phần tham gia vào quá trình mã kênh bao gồm: 2.4.1 Energy Dispersal : Khối phân tán năng lượng. Trong bộ phân tán năng lượng, dòng truyền tải (payload stream) sẽ bị xáo trộn. Quá trình này là cận thiết bởi vì dòng truyền tải có thể chứa các nhóm ‘0’ và ‘1’ mà điều này thường gây bất lợi cho việc khôi phục clock trong máy thu và công suất của máy phát không được phân phối đều theo thời gian. 2.4.2 Outer Coder : Bộ mã hóa ngoài. Trong bộ mã hóa ngoài, mã Reed-Solomon được sử dụng. Mã này có ưu điểm đặc biệt trong các kênh có xác xuất đa sai số (multiple error) cao và trong các ứng dụng sử dụng phương pháp sửa lỗi liên tiếp. Bộ này theo sau là quá trình chèn ngoài, mục đích là để phân tán các chùm lỗi (bursts error) thành các lỗi nhỏ dễ dàng sửa lỗi. 2.4.3 Outer Interleaver : Bộ hoán vị ngoài. Bộ hoán vị ngoài này có chức năng có chức năng hoán vị byte cho các gói đã được chống lỗi. Điều này tạo ra một cấu trúc dữ liệu hoán vi& 2.4.4Inner Coder : Bộ mã hóa trong. Bộ mã hóa này thực hiện việc mã hóa tích chập (convolutonal code) tại mức bit cung cấp các tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8. 2.4.5 Inner Interleaver : Bộ hoán vị trong. Bộ hoán vị trong có chức năng xáo trộn dữ liệu trong tín hiệu đa sóng mang trong miền tần số. Và theo sau quá trình mã hóa kênh là quá trình ánh xạ bit cho điều chế OFDM và dữ liệu sẽ được mang đi. Đây là máy phát hình NV 7250 có công suất trung bình (RMS) 2,5 KW (tương đương khoảng 12 kw đỉnh), dùng 2 bộ điều chế số (Exciter A/B) với chuyển mạch tự động (1 Exciter dự phòng, 1 Exciter hoạt động). Phần khuếch đại công suất gồm 6 module khuếch đại giống nhau đấu song song (VH 602), có thể thay đổi lẫn nhau. Module khuếch đại VH602 có cấu tạo phức tạp, gồm nhiều lớp khuếch đại( mỗi lớp sử dụng nhiều bộ khuếch đại cơ bản giống nhau dùng LDMOS và đấu song song. Cách đấu song song 6 bộ module khuếch đại công suất này cho phép máy phát vẫn hoạt động liên tục khi có một hoặc vài module sự cố ( lưu ý là máy phát hình số thì không có phần trung tần và phần khuếch đại tiếng riêng như máy phát hình tương tự). Ngõ ra của khối khuếch đại công suất nối với khối lọc hài (harmonics filter), khối lọc kênh (channel filter) và khối chống sét (lightning protection) trước khi đến đầu vào cáp để lên anten phát. Máy phát VN7250 là thế hệ máy phát mới, sử dụng làm mát máy bằng chất lỏng cho từng module khuếch đại công suất ( mỗi module dùng nguồn điện riêng). Bộ Exciter bao gồm nhiều module khác nhau: Encoder cho DVB-T đối với tín hiệu video số đầu vào hoặc encoder cho tín hiệu video tương tự đầu vào. Bộ sửa lỗi tiến kỹ thuật số (Precorrector). Bộ điều chế (Modulator) Bộ điều khiển ( Controller) Đơn vị điều khiển (Control unit), Motherboard (mạch chinh). Phần nguồn điện. 2.5. SƠ ĐỒ KHỐI THU TÍN HIỆU : 2.5.1 Sơ đồ khối máy thu : Hình 3.5.1a Sơ đồ khối máy thu 2.5.2 Sơ đồ khối thu kênh truyền hình kỹ thuật số mặt đất trong thực tế Anten Yagi : thường dùng anten có nhiều chấn tư dẫn xạ, 1 chấn tử chủ động, một số chấn tử phản xạ. Bộ Splitter : bộ chia tín hiệu từ một ngõ vào sẽ cho ra nhiều ngõ ra. Receiver : là đầu thu kỹ thuật số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T có chức năng giải điều chế, giai mã truyền dẫn (kênh), giải đa hợp/ sửa lỗi, giải mã nguồn, biến đổi số sang tương tự. Encoder : bộ mã hóa. Modulation : Bộ điều chế. Tín hiệu truyền hình kỹ thuật số thu được từ Anten Yagi sẽ đưa qua bộ chia Sliptter thành nhiều đường tín hiệu, mỗi đường ra được đưa vào đầu kỹ thuật số sẽ cho ra tín hiệu hình và tín hiệu tiếng như ban đầu. Hai tín hiệu này được đưa vào bộ mã hóa để thực hiện mã hóa các kênh truyền hình, tín hiệu sau đó sẽ được điều chế lại với sóng mang được chọn lựa theo sự sắp xếp các kênh truyền hình hữu tuyến trong cáp đồng trục. Máy thu hình số DVB-T EFA (của hãng Rohde & Schwarz, Đức) thỏa mãn tiêu chuẩn ETS300744 có thể thu, giải điều chế, giải mã và phân tích tín hiệu OFDM. Máy thu EFA có các khả năng sau đây: Độ rộng băng tần kênh: 6/7/8 MHz Mode điều chế : 2K/8K. Đồ thị chòm sao : QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Tỉ lệ mã hóa : 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. Khoảng bảo vệ : 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Giải điều chế phân lớp: a = 2, 4. Sửa lỗi Reed-Solomon : RS(204/188). Độ rộng băng tần mạch lọc SAW: 6/7/8 MHz. Tín hiệu đi vào máy thu hình từ anten là tín hiệu OFDM. Sauk hi biến đổi xuống (downconverter), ta có tín hiệu trung tần IF 36MHz. Tín hiệu này được lọc bằng các mạch lọc Saw khác nhau ( phụ thuộc vào độ rộng băng tần kênh) và cộng nhiễi Gauss bên trong. Tiếp theo, tín hiệu IF được biến đổi thành băng tần cơ bản bằng cách sử dụng bộ tạo dao động điều khiển số. Phép biến đổi FFT (2K/8K) biến đổi tín hiệu từ miền thời gian vào miền tần số. Sau đó xấp xỉ kênh được dùng để sửa biên độ/ pha/ độ trễ của tín hiệu làm cho hầu hết các xung bị suy giảm trong khi truyền dẫn RF. Tiếp theo, các gói dữ liệu được dùng cho bộ giải mã chập Viterbi, bộ giải chèn dữ liệu, bộ giải mã Reed-Solomon và bộ giải ngẫu nhiên hóa dữ liệu (phân tán năng lượng). Cuối cùng, giao diện Mpeg-2 đưa dòng truyền Mpeg-2 đã giải điều chế đến đầu ra phần cứng (TSSPi, TSASi). Máy thu hình số EFA là máy thu chuyên dùng, ngoài chức năng trên, nó còn cho phép thực hiện nhiều phép đo và hiển thị các thông số sau: đồ thị chòm sao, các thông số OFDM, hiển thị tỉ số lỗi điều chế MER, đồ thị I/Q, xấp xỉ kênh, phân tích phổ, hàm phân bố biên độ, chức năng phân bố tích lũy CCDF, đáp ứng xung… 2.6 CÁC THÔNG SỐ ĐO KIỂM TRA Có nhiều phép đo để đánh giá chất lượng hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T. Các thông số cần thiết để đo và kiểm tra như: Hình 2.6 a Sơ đồ khối một máy phát DVB-T Độ chính xác tần số RF Mục đích: nhằm xác định độ chính xác của tần số cao tần (RF) trong quá trình xử lý tín hiệu trong hệ thống OFDM. Giao diện: ngõ ra hai khối nâng tần và khuếch đại công suất. Phương pháp: các sóng mang ngoài cùng trong tín hiệu DVB-T là các sóng mang hoa tiêu liên tục. Các tần số này được đo (nếu cần thiết thì sử dụng nguồn tham chiếu có độ chính xác cao) và tính trung bình của hai giá trị. Độ chọn lọc Mục đích : nhằm nhận biết khả năng loại bỏ can nhiễu ngoài kênh máy thu. Giao diện : việc đo – kiểm tra mức tín hiệu đầu vào và can nhiễu được thực hiện tại ngõ vào máy thu và sử dụng ngõ ra hai khối giải mã trong và giải mã tráo ngoài cho bộ kiểm tra BER. Phương pháp : Công suất đầu vào được điều chỉnh đến 10db trên mức công suất tối thiểu. Ngưỡng C/I cần thiết để đảm bảo “hầu như không có lỗi” (QEF) sau bộ giải mã RS (BER < 10-4 trước bộ giải mã RS) được đo như một hàm số của tần số can nhiễu CW (continuous wave). Phạm vi điều khiển tự động tần số Mục đích : nhằm xác định dải tần số trong khoảng đó máy thu có thể đồng bộ được. Giao diện : kiểm tra tín hiệu ngõ vào máy thu (test), và kiểm tra đồng bộ dòng truyền tải TS ở ngõ ra máy thu. Phương pháp : cho một tín hiệu vào đầu vào máy thu với mức 10db trên mức công suất tối thiểu. Tín hiệu được dịch tần số theo từng bước tới giá trị danh định, lỗi byte đồng bộ (Sync byte error) được thiết lập ngay khi byte đồng bộ đúng (0x47) không xuất hiện sau 188 hoặc 204 byte. Điều này rất cần thiết bởi cấu trúc đồng bộ được sử dụng trong toàn bộ d6ay chuyền từ bộ mã hóa đến bộ giải mã. Hơn nữa việc kiểm tra phải được thực hiện đối với từng byte vì điều này có thể không nhất thiết phải được thực hiện ở bộ mã hóa. Hình 2.6 b Sơ đồ khối máy thu DVB-T Công suất RF/IF Mục đích : để đo công suất tín hiệu hoặc công suất mong muốn. Giao diện : từ ngõ ra khối D/A máy phát đến ngõ vào khối A/D máy thu. Phương pháp : Công suất tín hiệu được định nghĩa bằng công suất trung bình của tín hiệu và được đo bởi bộ cảm ứng công suất nhiệt. Khi sử dụng máy phân tích phổ hoặc máy thu chuẩn cần tích hợp công suất tín hiệu bên trong dải thông của tín hiệu (n x fSPACING). Công suất tạp nhiễu Mục đích : để đo công suất tạp nhiễu, nhân tố suy giảm chất lượng đáng kể trong mạng truyền dẫn. Giao diện : từ ngõ vào máy thu đến khối A/D. Phương pháp : công suất tạp nhiễu (công suất trung bình), hoặc công suất không mong muốn có thể đo bằng máy phân tích phổ (ngoài dịch vụ). Công suất tạp nhiễu được xác định trong dải thông của tín hiệu OFDM (n x fSPACING). Độ nhạy máy thu/ dải động đối với kênh Gaussian Mục đích : nhằm xác định công suất đầu vào tối đa và tối thiểu đối với hoạt động bình thường của máy thu để phục vụ công tác quy hoạch Giao diện : kiểm tra tín hiệu đầu vào máy thu và kiểm tra BER trước RS ở ngõ vào và ngõ ra của khối Giải mã tráo ngoài. Phương pháp : đo công suất đầu vào tối đa và tối thiểu ứng với sau bộ giải điều chế RS (tức là BER <10-4 trước giải mã RS). Dải động là hiệu của hai giá trị. Hiệu suất công suất Mục đích : để so sánh hiệu suất tổng thể của các máy phát số DVB. Giao diện : ngõ ra khối Khuếch đại công suất bên máy phát. Phương pháp : hiệu suất công suất là tỉ số giữa công suất ra của tín hiệu truyền hình số DVB trên tổng công suất tiêu thụ của toàn bộ dây chuyền từ đầu vào dòng truyền tải (TS) đến đầu ra tín hiệu cao tần RF bao gồm tất cả thiết bị cần thiết để hoạt động như quạt, biến áp.v.v…Kênh công tác và điều kiện môi trường cần được xác định rõ. Can nhiễu liên kết Mục đích : để xác định bất kỳ can nhiễu liên kết nào có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của việc phân tích I/Q hoặc đo, kiểm tra BER. Giao diện : từ ngõ vào máy thu đến ngõ vào khối A/D. Phương pháp : phép đo được thực hiện bằng máy phân tích phổ. Độ phân giải của dải thông được suy giảm theo từng bậc (stepwise) sao cho mức hiển thị của sóng mang đã điều chế (và tín hiệu hoa tiêu không điều chế do ảnh hưởng của khoảng bảo vệ) bị giảm. Can nhiễu CW không bị ảnh hưởng bởi quá trình này và có thể nhận biết bằng cách tính trung bình tích hợp. Quan hệ giữa Ber và tỉ số C/N khi thay đổi công suất máy phát: Mục đích : để đánh giá Ber của một máy phát khi tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/N) thay đổi, phép đo được lập lại với các giá trị công suất phát rat rung bình khác nhau. Phép đo này có thể được sử dụng để so sánh chất lượng kỹ thuật một máy phát so với lý thuyết hoặc so với các máy phát khác. Giao diện : từ ngõ ra Mã trong bên máy phát đến bộ Giải mã trong bên máy thu. Phương pháp : một chuổi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) từ ngõ ra khối Mã trong máy thu được đưa đến khối Tráo trong thì giá trị của tỉ số C/N được thiết lập tại đầu vào máy thu kiểm tra (test receiver) bằng cách cộng thêm nhiễu Gaussian và Ber của chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên được đo tại điểm vào của khối Giải mã trong bằng máy đo Ber. Phép đo được lặp lại với các giá trị công suất phát ra trung bình khác nhau. Một máy phát thử nghiệm sẽ tạo ra 223-1 PRBS như được định nghĩa bởi ITU-T Rec.O.151[12] --> Để đo công suất nhiễu và công suất sóng mang, bề rộng dải thông được xác định bằng n x fSPACING, với n là số sóng mang tích cực (6817 hoặc 1705 sóng mang trên kênh 8MHz và fSPACING là khoảng cách giữa các tần số sóng mang OFDM. Chương 3 GHÉP KÊNH TRUYỀN HÌNH SỐ 3.1 GHÉP KÊNH TÍN HIỆU DIGITAL Hình 3.1 a Ghép kênh gói. Có hai phương pháp thường được sử dụng để ghép kênh số từ nhiều vùng khác nhau thành 1 dòng như sau: Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing Method). Về nguyên lý TDM gán các khe thời gian một cách tuần hoàn cho các dòng sơ cấp audio, video và số liệu. Ghép kênh gói (Packet Multiplexing method). Trong cách ghép kênh gói, các gói số liệu từ các dòng sơ cấp audio, video, số liệu được đan xen vào nhau một cách tuần hoàn hoặc không tuần hoàn, gói này tiếp theo gói kia để hình thành một dòng ghép kênh. Hệ thống ghép kênh MPEG-2 thuộc loại ghép kênh gói với sơ đồ nguyên lý như ở hình 3.1a 3.1.1 GHÉP KÊNH GÓI (PACKET MULTIPLEXING) MPEG: Phần hệ thống của MPEG mô tả cách thức của dòng số video nén, audio nén và các dòng số liệu khác được ghép chung lại với nhau để tạo ra dòng ghép kênh MPEG. Một số thuật ngữ và các nguyên lý cơ bản của lớp hệ thống MPEG được trình bày dưới đây (như ở hình 3.13): Hình 3.1.1a : Bộ ghép kênh MPEG-2. Chương trình (program): Theo ngôn ngữ phát thanh truyền hình, chương trình thường có nghĩa là các tiết mục thông tin, giáo dục, giải trí… được các đài phát lên sóng hàng ngày. Trong ngữ nghĩa của MPEG, thuật ngữ chương trình có nghĩa là một kênh (channel) hay một dịch vụ phát sóng (broadcast service) đơn. Theo định nghĩa này thì VTV1, VTV3, … là các chương trình. Dòng sơ cấp ES (Elementary Stream): Một chương trình gồm một hay nhiều dòng sơ cấp. Chương trình truyền hình thông thường ở phương Tây bao gồm ba dòng sơ cấp: dòng video, dòng audio và dòng số liệu teletext. Dòng ghép kênh: Lớp hệ thống MPEG-2 mô tả cách thức các dòng sơ cấp của một chương trình hay của nhiều chương trình được ghép chung với nhau tạo ra một dòng số liệu thích hợp cho lưu trữ số hay truyền dẫn số. Các thông tin cần thiết khác: Hệ thống các nhãn thời gian (Time - Stamp TS): Sử dụng để đảm bảo các dòng sơ cấp liên hệ được phát lại một cách đồng bộ tại bộ giải mã. Các bảng thông tin dịch vụ (Service Information): Mô tả các chi tiết về thông số mạng, về các chương trình đang được ghép kênh và về bản chất của các dòng sơ cấp khác nhau. Các thông tin điều khiển việc xáo trộn (Scrambling) số liệu, các thông tin dùng để truy cập có điều kiện CA (Conditional Access). Các kênh số liệu riêng (private data): Số liệu riêng là dòng số liệu mà nội dung của nó không được quy định bởi tiêu chuẩn MPEG. Ở MPEG đạt được sự đồng bộ thông qua việc sử dụng nhãn thời gian tần số và chuẩn đồng hồ (Clock system CS). TS là mẫu data 33 bit chỉ báo thời gian theo đồng hồ thời gian hệ thống (system time clock STC) của một đơn vị trình diễn (presentation unit PU: là ảnh video.audio v.v.) nào đó. 3.1.2. TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH MPEG-2: Các hệ thống ghép kênh MPEG-2 được trình bày trên hình 3.14. Có thể phân biệt 2 loại hệ thống: hệ thống ghép kênh dòng chương trình và hệ thống ghép kênh dòng truyền tải. Bộ mã hóa video mã hóa tín hiệu video số định dạng CCIR - 601 thành dòng sơ cấp video (video ES) có chiều dài gần như vô tận và chỉ chứa những thông tin tối cần thiết để có thể khôi phục lại hình ảnh ban đầu. Bộ mã hóa audio mã hóa tín hiệu audio số định dạng AES/EBU thành dòng sơ cấp audio có chiều dài tùy ý (tần số lấy mẫu 48KHz, số bit mẫy 24 bit và tốc độ bit là 1152 Kbit/s) Để có thể truyền được với tốc độ cao, các dòng video, audio được đóng gói lại thành các dòng sơ cấp PES (Packetized Elementary Stream) tương ứng với các gói có độ dài thay đổi. Mỗi gói PES bao gồm một header và một số liệu trích ra từ dòng sơ cấp. Các gói PES lại được ghép với nhau tạo ra dòng chương trình PS (Program Stream) hay dòng truyền tải TS (Transport Stream). Các lớp trong hệ thống MPEG – 2 (như hình 3.15) Lớp nén: mô tả cú pháp của dòng video và audio dựa trên cấu trúc dòng data video và audio đã được trình bày ở các phần trước. Các chuỗi data hay video, audio độc lập được mã hóa MPEG – 2 để tạo ra các dòng độc lập gọi là dòng cơ bản (elementary stream ES). Lớp hệ thống: định nghĩa tổ hợp của các dòng bit audio và video riêng biệt thành một dòng đơn để lưu trữ (dòng chương trình PS) hay truyền tải (dòng truyền tải TS), như mô tả ở hình 3.14. Hệ còn gồm cả thông tin định thời và thông tin khác cần cho giải đa hợp dòng audio, video và để đồng bộ audio – video ở phía giải mã; thông tin chuẩn đồng hồ hệ thống (system clock reference SCR) và nhãn thời gian trình diễn (presentation time stamp PTS) được chèn vào dòng bit MPEG. H.3.1.2a : Hệ thống ghép kênh MPEG–2. Chuẩn MPEG định nghĩa một hệ thống ba dòng data có thứ bậc: dòng sơ cấp đã đóng gói, dòng chương trình và dòng truyền tải. Dòng sơ cấp đã đóng gói PES: Qua bộ đóng gói, dòng sơ cấp được chia thành các gói có độ dài tùy ý. Nội dung gói có nguồn gốc từ dòng data hay dòng audio hay dòng video đã được mã hóa MPEG – 2, như hình 3.16. Dòng chương trình: Các gói PES có nguồn gốc từ 1 hay nhiều dòng sơ cấp dùng chung gốc thời gian như là dòng audio, video, data, được ghép thành một dòng chương trình PS như các lô (pack) có tính lặp lại, như ở hình 3.27. Trong phần header của lô, SCR đảm bảo các gói audio và video được định thời. Đó là tín hiệu thời gian thực chỉ báo thời gian truyền lô đó. Cá lô PS có độ dài tùy ý. Số lượng và trình tự các gói trong lô không được định nghĩa, nhưng các gói được gửi theo trình tự thời gian. Một PS có thể mang tới 32 dòng audio, 16 dòng video, 16 dòng data; tất cả đều có chung gốc thời gian. PS nhạy với lỗi và được dùng trong ghi hình đa phương tiện và phân phối nội bộ, trong các ứng dụng có sai số truyền có thể bỏ qua được. Hình 3.1.2b Hệ thống cấu trúc các lớp MPEG Hình 3.1.2 c Cấu trúc Pes Dòng truyền tải TS: có thể được tạo thành từ một tổ hợp 1 hay nhiều dòng PS có gốc thời gian độc lập nhau hoặc từ một tổ hợp các PES, như ở hình 3.17. Tuy nhiên, PS không phải là một bộ con của TS, do TS không chứa tẩt cả thông tin bán ảnh chương trình. Khi trích PS từ TS phải thu được vài thông tin trên thì các gói PES có nguồn gốc từ một hay nhiều dòng sơ cấp ES dùng chung gốc thời gian hay gôc thời gian khác nhau như dòng audio, video và data được ghép hợp thành một dòng truyền tải TS gồm các gói truyền tải có kích cỡ nhỏ mang tính lặp lại, như ở hình 3.19. Một hay nhiều PS có clock chuẩn khác nhau cũng có thể được ghép hợp thành một TS qua sự chuyển đổi trong gói PES. Các gói TS có chiều dài cố định 188 byte và nội dung data của chúng như mô tả ở hình 3.18. Chúng mang thông tin định thời, thông tin đồng bộ và cơ chế sửa jitter để bảo đảm truyền tải khoảng cách xa tin cậy được. Hơn nữa, kích cỡ gói data cố định cho phép chuyển đổi TS thành các tế bào mạng ATM (asynchronous tranfer mode). Dòng này có sức đề kháng với lỗi nên được chỉ định cho các ứng dụng có sai số không thể bỏ qua được. Hình 3.1.2d Cấu trúc gói dòng truyền tải TS 3.1.3. GHÉP KÊNH DÒNG CHƯƠNG TRÌNH (PROGRGAM STREAM MUX) Mô hình hệ thống ghép kênh chỉ ra trong hình 4.1.3a . Một dòng chương trình là kết quả ghép kênh một vài dòng cơ sở đóng gói sử dụng cùng một hệ thống xung nhịp thời gian. Chương trình có thể là một dòng video có kèm audio hoặc một chương trình nhiều kênh audio. Hình 3.1.3a : Ghép kênh dòng chương trình Dòng video cơ sở được chia thành các đơn vị truy cập (AU – Access Units). Mỗi AU chứa dữ liệu đã được nén của một ảnh. Các anh này phân biệt bởi ảnh I, P hoặc B. Mỗi video AU là một gói chương trình (Program Stream Packet), các gói này thay đổi về kích thước. Ví dụ gói ảnh I lớn hơn nhiều gói ảnh B. tuy nhiên đối với các đơn vị truy cập audio số (DAA – Digital Audio Access) thường có cùng kích thước và vài DAA tạo thành một gói dòng chương trình. Hình 3.1.3b : Dòng chương trình. Dòng chương trình được thiết kế để truyền trong môi trường không có tạp nhiễu và sai nhầm, ví dụ như trong các ứng dụng CD – ROM vì hai nguyên nhân sau: Dòng chương trình bao gồm các gói tương đối dài nối tiếp nhau và độ dài này lại luôn thay đổi. Mỗi gói bắt đầu bằng một tiêu đề (header). Mỗi lỗi xảy ra trong phần tiêu đề có thể làm mất thông tin của toàn gói. Vì các gói của chương trình có thể chứa vài chục Kbyte số liệu nên sự mất mát thông tin của một gói có thể làm mất hoặc gián đoạn cả một khung ảnh. Độ dài gói không cố định khiến cho bộ giải mã không dự đoán được khi nào gói chấm dứt và khi nào gói mới bắt đầu. Thay vào đó, bộ giải mã đọc và dịch lại bộ thông tin về độ dài gói chứa trong mỗi tiêu đề, nếu thông tin về độ dài gói này bị lỗi, bộ giải mã sẽ mất đồng bộ và như vậy sẽ làm mất thông tin ít nhất là một gói. Vì môi trường truyền dẫn phát sóng mà chúng ta quan tâm luôn có tạp nhiễu và sai nhầm, do đó không thể dùng dòng chương trình được mà phải dùng dòng truyền tải. 3.1.4. GHÉP KÊNH DÒNG TRUYỀN TẢI (TRANSPORT STREAM MUX) Mô hình hệ thống ghép kênh dòng truyền tải TS chỉ ra trong hình 4.1.4a. Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi (mỗi gói TS được bắt đầu bằng TS header và thường có chiều dài 188 byte) và truyền các gói này đi sau khi đã cộng với dòng bít điều khiển dùng để mô tả chương trình (cũng được đóng gói thành các gói truyền tải), dòng truyền tải TS được mô tả như hình 4.1.4b. Hình 3.1.4a : ghép kênh dòng truyền tải Hình 3.1.4b : Dòng truyền tải Trong dòng truyền tải, các gói PES từ các dòng sơ cấp khác nhau được phân nhỏ và gán vào phần payload của gói tần số. Quy trình này phải thỏa mãn hai điều kiện: Byte đầu tiên của mỗi gói PES phải trở thành byte đầu tiên của phần payload của gói TS. Bất kỳ gói TS nào cũng chỉ mang phần dữ liệu lấy từ cùng một gói PES. Mỗi gói PES không thể phân chia dữ liệu của nó một cách chính xác vào một số nguyên gói TS. Thường gặp trường hợp không đủ số liệu để lắp đầy vào payload của gói TS cuối cùng. Để thỏa mãn hai điều kiện trên, người ta độn thêm phần Adaptation Field với độ dài thích hợp. Có thể giảm thiểu độ dài phần Adaptation Field này bằng cách lựa chọn chiều dài gói PES hợp lý. Gói PES cũng thường được chọn đủ dài để đa số các gói TS được lắp đầy bởi số liệu có ích lấy từ các gói PES, hinh 4.1.4c Tất cả các gói sơ cấp PES ghép kênh chung với nhau tạo nên một hay nhiều chương trình sẽ được chuyển thành các gói TS theo cùng một cách thức nêu trên. Các gói TS sẽ được sắp xếp tuần tự tạo ra dòng truyền tải. Các gói TS chứa thông tin dịch vụ cũng như các gói TS rỗng được sử dụng để lấp đầy kênh truyền. Thứ tự các gói TS có thể sắp xếp tùy ý miễn sao đảm bảo được điều kiện các gói TS của cùng một dòng sơ cấp đóng gói PES phải được truyền theo thứ tự thời gian. Hình 3.1.4c : Chia các gói PES thành các gói TS. 3.1.4.1. cấu trúc gói truyền tải: Gói truyền tải có kích thước cố định và bằng 188 byte, chia thành dữ liệu tiêu đề (header) và dữ liệu có ích (payload), hình 4.1.4.1a Hình 3.1.4.1a: Cấu trúc gói truyền tải. Payload = Tải trọng của gói truyền tải; Star indicator = Bắt đầu chỉ thị; Transport priority = Quyền ưu tiên truyền tải; Adaptation Field = mành thích nghi. Dữ liệu tiêu đề có độ dài tối thiểu bằng 4 byte và chứa những thông tin sau: Sync Byte (8 bit): Byte đồng bộ mang giá trị không đổi bằng 0x47 dùng để đồng bộ các gói TS, byte này sẽ được nhận biết bởi bộ giải mã. Giá trị 0x47 không phải là giá trị duy nhất trong gói TS và có thể xuất hiện trong các trường của gói TS. Tuy nhiên, hiện tượng Sync Byte lặp đi lặp lại mỗi 188 Kbyte cùng với giá trị 0x47 của nó sẽ tạo cơ sở để nhận dạng chỗ bắt đầu của một gói TS mới. Transport Error Indication (1 bit): bit này dùng để báo hiệu có lỗi gói xảy ra trên đường truyền – khi tỉ lệ sai nhầm bit (BER) vượt quá giá trị cho phép từ khâu điều chế đến khâu giải điều chế, phân kênh. Giá trị một chỉ thị rằng đang có lỗi không thể sửa được trong gói TS hiện hành, vì vậy không nên sử dụng phần payload trong gói TS này. Payload – Unit – Star Indicator (1 bit):bit này thiết lập 1 báo cho ta biết byte đầu tiên của phần payload chính là byte đầu tiên của gói PES mới (đối với số liệu video, audio) hay là phần đầu của một bảng (đối với thông tin đặc tả chương trình PSI). Transport priority (1 bit): giá trị 1 chỉ thị gói TS này có quyền ưu tiên hơn các gói khác. Nếu hệ thống truyền hình số không hổ trợ việc phân phối tín hiệu có ưu tiên thì bit này sẽ được bỏ qua ở phía thu. Packet Identifcation hay PID (13 bit): đây là thông tin để nhận dạng gói TS thuộc một dòng sơ cấp đóng gói PES hay thuộc về một PSI cụ thể nào đó. Trong 213 giá trị có thể có, 17 giá trị được dành riêng cho các mục đích đặc biệt. Còn lại 8175 giá trị được dùng để gán cho các dòng gói sơ cấp PES hay PSI khác nhau. Như vậy có thể ghép tối đa đến hơn 8000 dòng gói sơ cấp vào một dòng truyền tải. Các dòng bit cơ sở đóng gói PES và dòng bit điều khiển như đã nói ở trên gọi là ánh xạ dòng cơ sở – được nhận biết bởi PIDs duy nhất của chúng trong giá trị đầu của mành. Hình 3.26 là ví dụ về lớp truyền tải: trong ví dụ này PID được dùng như là một chỉ số của con trỏ chỉ tới chương trình đã định sẵn giá trị của PID trong dòng truyền tải. Dòng bit điều khiển chứa bảng ánh xạ chương trình, nó diễn tả ánh xạ dòng cơ sở. Bảng ánh xạ cũng bao gồm: các thông tin về các PIDs của dòng truyền tải, mà chúng tạo thành chương trình, để chúng nhận diện các ứng dụng (audio, video, data) truyền trên các dòng bit này. Mối quan hệ giữa các dòng bit với các thông số khác. Hình 3.1.4.1b : Lớp truyền tải. Transport Scrambing Control (2 bit): chỉ thị chế độ xáo trộn dữ liệu trong phần payload. Đối với hệ thống truyền hình số, Transport Scrambing Control được định nghĩa: 00: không bị xáo trộn. 10: khóa “chẵn”. 11: khóa “lẻ”. 01: dự phòng. Adaptation Field control (2 bit): chỉ thị cho biết phần tiếp theo của gói tần số là cái gì, có trường thích nghi (Adaptation Field) hay không, và nếu có thì đi kèm với payload hay không. 00: dự phòng. 01: không có Adaptation Field, chỉ có payload. 10: chỉ có Adaptation Field, không có payload. 11: theo sau Adaptation Field là payload. Continuity Counter (4 bit): giá trị này sẽ tăng lên 1 theo các gói TS kế tiếp nhau thuộc về cùng một gói sơ cấp PES (cùng PID). Điều này cho phép phía giải mã sắp xếp lại các gói TS theo đúng thứ tự, cũng như phát hiện các gói TS bị mất, sẽ dùng phương pháp che dấu lỗi để khắc phục. Sự xuất hiện của trường thích ứng (Adaptation Field) được báo hiệu nhờ thông tin và Adaptation Field Control trong header. Adaptation Field bao gồm các thông tin được sử dụng cho các chức năng giải mã bậc cao hơn, sử dụng các flag (cờ hiệu) để chỉ sự hiện diện của các trường mở rộng đặc biệt ở phía sau. Trường Adaptation Field có độ dài thay đổi gồm các thông tin sau đây: Adaptation Field Length (8 bit): chỉ thị số lượng byte theo sau trong trường Adaptation. Trường Adaptation có thể được sử dụng để chứa các byte độn mang giá trị 0xFF và không được phiên dịch tại phía giải mã. Nếu có các byte Adaptation Field Length cũng phải tính cả các byte đó. Giá trị Adaptation Field Length lúc đó sẽ được phía giải mã sử dụng để bỏ qua trường Adaptation Field và đến thẳng trường payload trong gói. Discontinuity Indicator (1 bit): giá trị 1 cjỉ thị sự không liên tục của chuẩn đồng hồ (clock Reference) hoặc của bô đệm liên tục hoặc của cả hai. Random Access Indicator (1 bit): giá trị 1 chỉ thị gói PES kế tiếp là đầu một chuỗi video hay đầu một frame audio. ES Priority Indicator (1 bit): giá trị 1 chỉ thị độ ưu tiên cao hơn. PCR Flag (1 bit): giá trị 1 chỉ sự hiện diện của chuẩn đồng hồ chương trình PCR. PCR được dùng để đồng bộ hóa quá trình giải mã. Trong một số trường hợp, thông tin này có thể được sửa đổi trong quá trình truyền, PCR phải được truyền đi tối thiểu 1 lần mỗi 100ms. OPCR Flag (1 bit): giá trị 1 chỉ sự hiện diện của một PCR gốc. Thông tin này không bị sửa đổi trong quá trình truyền và có thể được dùng để thu hoặc phát lại các chương trình đơn. Phía thu không cần dùng OPCR trong quá trình giải mã. Splicing Piont Flag (1 bit): chỉ sự hiện diện củaSpilie Countdown (số đếm ngược đến điểm ráp nối). Transport Private Data Flag (1 bit): chỉ sự hiện diện của các byte dữ liệu riêng. Adaptation Field Extension Flag (1 bit): chỉ sự hiện diện của trường mở rộng trường thích nghi. PCR – Program Clock Reference (42 bit): chuẩn đồng hồ chương trình. OPCR – Orginal Program Clock Reference (42 bit): chuẩn đồng hồ chương trình gốc được sử dụng để trích một chương trình đơn ra khỏi dòng truyền tải đa chương trình. Splice Countdown (8 bit): thông báo số gói TS còn lại của một dòng gói sơ cấp (cung PID) cho đến khi gặp điểm ráp nối. Điểm ráp nối là điểm cuối của một frame audio hay một ảnh video. Transport Length (8 bit): thông báo số lượng byte số liệu liên tiếp liền theo sau. Private Data Bytes (n3 bit): dữ liệu riêng. Adaptation Field Extension (8 bit): chỉ thị số byte của trường mở rộng trường thích nghi. Stufing Bytes (n2 bit): các byte độn có giá trị 0xFF được chèn vào tại phía mã hóa. Các byte này được bỏ qua không xét đến ở phía giải mã. 3.1.4.2. Thông tin đặc tả chương trình (PSI) Trong một dòng truyền tải, mỗi gói TS được liên kết với một giá trị PID chỉ rõ phần payload của gói TS này thuộc về dòng gói sơ cấp nào. Có thể có nhiều dòng gói sơ cấp khác nhau được tổ hợp lại thành nhiều chương trình khác nhau. Để bộ giải mã biết được dòng gói sơ cấp nào thuộc về chương trình nào, cần thêm trong dòng truyền tải các thông tin đặc tả chương trình (PSI – Program Specific Information) nhằm xác định mối liên hệ giữa các chương trình và các dòng gói sơ cấp thành phần. Thông tin đặc tả chương trình PSI bao gồm 4 loại bảng sau: Bảng ánh xạ chương trình (PMT – Program Map Table). Bảng tổ chức chương trình (PAT – Program Association Table). Bảng thông tin mạng (NIT – Network Information Table). Bảng truy cập có điều kiện (CAT – Conditional Access Table). Đặc tính của các thông tin đặc tả chương trình PSI này được tóm tắt trong bảng sau: Để thuận tiện cũng như để giới hạn độ dài, một số PSI có thể được truyền đi theo từng phần. Nếu gói TS có chứa phần đầu của bất kỳ phần nào thì trường payload được mở đầu bằng trưỡng con trỏ chỉ rõ vị trí của phần mới đó. Bảng ánh xạ chương trình (PMT) Mỗi chương trình trên dòng truyền tải đều có một PTM tương ứng. Bảng này mô tả chi tiết về chương trình và các dòng gói sơ cấp tạo nên chương trình đó. Có thể ghi thêm các bộ mô tả vào PMT. Bộ mô tả mang các thông tin chi tiết về chương trình cũng như về các dòng gói sơ cấp thành phần như: các thông số mã hóa video, các thông số mã hóa audio, nhận dạng ngôn ngữ, thông tiin về dịch chuyển hình ảnh sang trái, phải, trên, dưới và quét, chi tiết về truy cập có điều kiện, thông tin về bản quyền. Bảng tổ chức chương trình (PAT) Danh sách tất cả các chương trình chứa trong dòng truyền tải sẽ được ghi trên PAT. Ta dễ dàng tìm thấy bảng này vì nó có giá trị PID = 0. Mỗi chương trình được liệt kê cùng với giá trị của gói TS có chứa PMT của chương trình đó. Một PMT cũng có thể chứa chi tiết của nhiều chương trình, thay vì chỉ một chương trình, khi các chi tiết của các chương trình này đủ ngắn. Bảng thông tin mạng (NIT) Trong PAT, chương trình số 0 được dành riêng để chỉ đến NIT. Bảng NIT là tùy chọn và nội dung của bảng cũng mang tính riêng tư (nghĩa là được định nghĩa bởi đài truyền hình hay người sử dụng, chứ không phải bởi MPEG-2). Nếu bảng NIT hiện diện sẽ cung cấp các thông tin về mạng vật lý dùng để truyền dòng truyền tải như: tần số kênh truyền, chi tiết về bộ phát đáp vệ tinh, đặc tính điều chế .v.v… Bảng truy cập có điều kiện (CAT) Nếu có dòng sơ cấp đóng gói nào trong dòng truyền tải được xáo trộn, thì bảng CAT phải hiện diện để cung cấp thông tin chi tiết về hệ thống xáo trộn được sử dụng và cung cấp giá trị của PID của gói T S chứa thông tin về quản lý việc truy cập có điều kiện. Định dạng của loại thông tin này không được quy định bởi MPEG-2, mà phụ thuộc vào hệ thống xáo trộn được sử dụng. Hệ thống ghép các dòng truyền tải Hình 4.1.4.1a mới chỉ ra quá trình ghép các gói PES audio, video, data … tạo thành gói truyền tải (TS). Để tăng tính hiệu quả, các dòng truyền tải có thể ghép lại với nhau tạo thành dòng truyền tải ghép kênh cấp hệ thống (System Level Multiplex), hình 4.1.4.2a Hệ thống ghép kênh hình 4.1.4.2a được định nghĩa là quá trình ghép các dòng truyền tải khác nhau. Trong quá trình cộng các dòng bit truyền tải (với các PIDs tương ứng) sẽ tương ứng với việc cộng các chương trình riêng biệt và dòng bit điều khiển cấp hệ thống – được địng nghĩa với PID = 0. Dòng bit này mang các thông tin trong một bảng tổ chức chương trình, sắp xếp các chỉ số nhận diện chương trình, tương ứng trên mỗi dòng truyền tải của chúng; quá trình nhận diện chương trình dựa vào các chỉ số trong bảng như đã miêu tả. Một “chương trình” phù hợp trong ngữ ảnh này, theo quan niệm truyền thông, được gọi là “một kênh” (ví dụ như các kênh: PBS, C-SPAN, CNN). Bảng tổ chức chương trình cho phép nhận biết chỉ số PID của dòng bit, chứa bảng ánh xạ chương trình của các chương trình đặc trưng. Theo đó, quá trình nhận diện một chương trình và nội dung của nó mang thông tin trong hai phạm vi sau: Thứ nhất, bảng tổ chức chương trình trong dòng bit PID = 0 dùng để nhận diện chỉ số PID của dòng bit mang nội dung bảng ánh xạ chương trình cho chương trình. Thứ hai, các PIDs của dòng bit cơ sở, mà chúng tạo ra chương trình, thu được từ bảng ánh xạ chương trình thích hợp. Hình 3.1.4.2a : Ghép kênh dòng bit truyền tải cấp hệ thống Sau khi các bước trên hoàn thành, các bộ lọc tại bộ tách kênh có thể thiết lập các bit dòng truyền tải tại bên thu phù hợp cho từng chương trình cần quan tâm. Lớp hệ thống của bộ ghép kênh như đã chỉ ra trong hình 3.27. Trong thời gian tiến hành ghép kênh cấp hệ thống, khả năng nhận diện các chương trình khác nhau của các PIDs phải chính xác như tại đầu vào. Điều này nảy sinh một vấn đề là PIDs cho các dòng bit chương trình khác nhau phải là duy nhất. Để giải quyết vấn đề này, đối với từng phạm vi ứng dụng của bộ ghép, các PIDs được sửa đổi ngay trước khi đưa vào bộ ghép. Sự thay đổi phải được ghi lại trong cả hai bảng tổ chức chương trình và bảng ánh xạ chương trình. Mạch phần cứng sẽ được thực hiện chia lại nhiệm vụ của PID trong thời gian thực với sự trợ giúp của tín hiệu đồng bộ tại tốc độ xung đồng bộ gói. Việc xây dựng dòng bit truyền tải có thể phân cấp. Dòng bit sau bộ ghép hệ thống có thể ghép lại với nhau, trên một con có dải thông rộng hơn, bằng cách trích các bảng tổ chức chương trình từ mỗi dòng bit ghép kênh hệ thống và tổ chức lại một dòng bit PID = 0 mới. Các PID có thể phải được ấn định lại trong trường hợp này. Hình 3.28 minh họa toàn bộ quá trình trích các dòng bit cơ sở từ môt chương trình tại bên thu. Trong thực tế ta chỉ cần dùng một bộ tách kênh thì có thể sử dụng để trích cả hai bảng tổ chức chương trình và bảng ánh xạ chương trình điều khiển dòng bit. Điều này cũng đưa ra một yêu cầu chức năng tối thiểu tại lớp truyền tải có thể trích mọi ứng dụng trong dòng bit. Hình 3.28: Khái quat hệ thống tách một chương trình từ dòng bit truyền tải. 3.2. GHÉP KÊNH AUDIO SỐ: Hình 3.2a (625/50) cho biết không gian dữ liệu phụ cho giao diện tín hiệu số coponent bit-nối tiếp. Hình 3.31 là cấu trúc gói dữ liệu phụ cho giao diện số component 4:2:2. Dữ liệu bao gồm audio, mã thời gian, dữ liệu kiểm tra và dữ liệu của người sử dụng (trong tương lai). Dữ liệu phụ được biến đổi thành các gói dữ liệu phụ, được ghép kênh với dòng dữ liệu. Các gói dữ liệu được cấy vào không gian theo tiêu chuẩn SMPTE 125M quy định, hình 3.29 abc (4fsc-PAL) biễu diễn không gian dữ liệu phụ cho giao diện tín hiệu số tổng hợp bit-nối tiếp. Mỗi gói chứa tối đa 262 từ song song 10-bit, bao gồm: Một cờ dữ liệu phụ 3 từ ADF: các giá trị của nó là 000, 3FF, 3FF và đánh dấu sự bắt đầu của gói dữ liệu phụ. Một từ nhận dạng dữ liệu tối ưu DID: từ này nhận dạng nội dung dữ liệu của mỗi gói cho người sử dụng. Nếu nội dung là dữ liệu audio, thì nhiều từ DID khác nhau được dùng để xác định 4 nhóm kênh audio. Một từ về số dữ liệu audio tối ưu DBN: từ này cho phép máy thu thay đổi tổ hợp truyền bằng cách đếm số gói dữ liệu phụ có một DID chung. Trong trường hợp chuyển mạch dòng dữ liệu, mạch đếm có thể truyền một cờ đến hệ thống xử lý video để bỏ nhất thời (“ấn” hoặc “đẩy ra”) bằng một mạch cắt. Một từ đếm dữ liệu DC: từ này chỉ tị số dữ liệu của người sử dụng trong từng gói. Một số thay đổi các từ dữ liệu cho người sử dụng UDW: cho phép cực đại 255 từ. Từ kiểm tra tổng quát CS: máy thu dùng từ CS để xác định giá trị của gói. Các gói dữ liệu phụ đa loại gần nhau có thể được cấy vào bất kỳ một không gian dữ liệu phụ nào. Nó bắt đầu ngay sau EAV (đối với HANC) hoặc SAV (đối với VANC) để chỉ thị sự hiện diện của dữ liệu phụ và bắt đầu bằng một gói. Nếu không có ADF trong 3 từ đầu tiên của một không gian dữ liệu phụ, thì giả thiết là không có các gói dữ liệu phụ. Tiêu chuẩn SMPTE 272M đề xuất 2 mode hoạt động cơ bản là thực hiện tối thiểu và thực hiện đầy đủ bằng AES. Thực hiện tối thiểu AES với mức A có các đặc điểm sau: Các từ audio có độ phân giải 20 bit. Tần số lấy mẫu 48kHz. Đồng bộ dữ liệu audio bằng dữ liệu video. Chỉ một nhóm 4 kênh audio. Bộ nhớ đệm máy thu cỡ 48 mẫu audio. Hình 3.2b Cấu trúc dữ liệu mở rộng Hình 3.2c Cấu trúc gói kiểm tra audio Các gói dữ liệu audio được dịnh dạng từ thông tin của dòng dữ liệu AES/EBU, hình4.2b. 20 bit dữ liệu audio và các bit V, U, C (tổng cộng 23 bit) được tính từ subframe 1 (subframe – ảnh nhỏ), kênh 1, của frame 0 của dòng dữ liệu AES/EBU nối tiếp và ánh xạ thành 3 từ dữ liệu audio 10 bit và X, X+1, X+2. 4 bit trước, 4 bit audio và bit tương đương được xóa. Hình 3.2d Cấu trúc dữ liệu audio đã định dạng Bảng 3.1 là cấu trúc dữ liệu audio biễu diễn 3 từ dữ liệu 10 bit. Số kênh được chỉ thị bằng 2 bit và tính tương đương trên 26 bit (trừ ra các bit địa chỉ 9b). Ba từ này được cấy tức thời ngay sau header dữ liệu phụ (hình 3). Thông tin kênh audio thứ 2 (kênh 2) từ dòng dữ liệu nối tiếp AES/EBU được cấy bằng cách tương tự. Frame 0 từ dòng dữ liệu nối tiếp AES/EBU thứ 2 được cấy thêm để hoàn chỉnh một nhóm audio (4 kênh). Tiêu chuẩn AES/EBU đặc trưng cho một chuỗi 192 frames (đánh số từ 0 đến 191) để tạo ra một khối. Mỗi frame có 2 frame con (subframe 1 và subframe 2) hoặc 2 kênh (kênh 1 và kênh 2). Nếu tạo thành định dạng một dòng audio phụ, thì 2 frames (4 subframe hoặc 4 kênh) sẽ tạo thành một nhóm. Mỗi nhóm gồm 2 đôi mẫu xuất phát từ 2 dòng dữ liệu nối tiếp AES/EBU gốc. Mỗi đôi mẫu có thể nhận dạng theo 3 cách sau đây: AES 1 (kênh 1/kênh 2) và AES 2 (kênh 1/kênh 2). Kênh 1/kênh 2 và kênh 3/kênh 4. Kênh 00, kênh 01, kênh 10 / kênh 11. Thực hiện AES đầy đủ AES đầy đủ được liên kết với nhiều khả năng hoạt động, được nhận dạng bằng mức B đến J. chúng được đặc trưng qua: Các từ audio có độ phân giải 24 bit. Tần số lấy mẫu 32, 44,1 hoặc 48 kHz. Dữ liệu audio đồng bộ hoặc không đồng bộ với dữ liệu video. Cho đến 4 nhóm kênh audio. Dung lượng bộ nhớ máy là 64 mẫu audio. Hai gói cộng với nhau sẽ tải thêm thông tin. Với mode 24 bit, 4 bit audio của 2 subframe AES1 được nhóm lại thành 1 từ 8 bit (gọi là AUX), có liên quan với tín hiệu AES1. Tất cả các từ AUX từ các tín hiệu AES được nhóm thành một gói dữ liệu mở rộng, hình 3.32. Gói này có cấu trúc header giống nhau và một số đặc trưng DID. Nó được cấy vào không gian dữ liệu phụ ngay sau gói dữ liệu audio có liên quan. Hình 3.2e Sơ đồ khối mạch ghép kênh audio Gói kiểm tra audio được xác định cho việc truyền thông tin là số frame audio, tần số lấy mẫu, kênh audio tích cực và độ trễ tương đối giữa audio – và – video của mỗi kênh audio. Gói này là tối ưu với AES đầy đủ. Gói này được truyền một lần/mành như là gói thứ nhất của không gian dữ liệu phụ (hình 3.32) sau dòng 11. Hầu hết dữ liệu audio được cấy vào không gian dữ liệu phụ trống ở khoản xóa dòng. Chuyển mạch dòng dữ liệu bit – nối tiếp xảy ra tại dòng 10 và trong không gian dữ liệu phụ dòng tiếp theo không khuyến cáo cho việc cấy dữ liệu audio. Mạch tách kênh ở máy thu chứa bộ nhớ đệm 64 mẫu, cho phép khôi phục tín hiệu audio số một cách hoàn mỹ. Máy ghi hình số DVTR, frame synchronizer (đồng bộ ảnh), codec (coder – decoder) không ghi hoặc cho đi qua toàn bộ tín hiệu video số một cách “trong suốt” (không tổn hao). Khoản xóa dòng và mành được tách ra trước khi xử lý để giảm tốc độ bit và được cộng vào tại đầu ra của thiết bị. Điều này dẫn đến làm mất thông tin dữ liệu phụ. Trong một số thiết bị, dữ liệu phụ được tách ra tại đầu vào, được lưu trữ không tổn hao và được cấy trở lại tại đầu ra. Ghép kênh audio (audio multiplexer) Hình 3.33 là sơ đồ khối mạch ghép kênh audio. Mỗi dòng dữ liệu audio số của 2 dòng dữ liệu vào (AES/EBU 1 và AES/EBU 2) được truyền đến mạch deserializer. Mạch deserializer giải mã tín hiệu theo đánh dấu 2 pha BPM (biphase maek) và đưa vào bộ nhớ đệm. Bộ nhớ đệm có mạch FIFO (first in first out). Đầu ra của hai mạch FIFO được truyền đến mạch tạo định dạng. Tín hiệu AES/EBU 32 bit gồm phần mở đầu (4 bit của X, Y, Z), dữ liệu audio (4 bit), cặp subframe 1 – bit (P). 23 bit còn lại (23 bit audio và 1 bit cho V (validity), U (user bit)) và quy định kênh audio C được tạo định dạng thành 3 dữ liệu phụ 10-bit X, X+1, X+2. Mạch ghép kênh cộng audio đã được tạo định dạng vào video để làm trễ. Độ trễ video bù độ trễ do xử lý audio số. Tín hiệu audio được ghép kênh vào không gian dữ liệu phụ. Video và audio đã ghép kênh được xếp nối tiếp bằng mạch serializer. Ghép kênh audio không làm tăng tốc độ bit vì audio được cấy vào các vị trí mẫu không sử dụng. Vai trò của bộ nhớ đệm FIFO là giữ cố định tốc độ dữ liệu audio. Trong trường hợp bộ nhớ đệm audio (buffer) tràn, thì các mẫu AES/EBU được xóa cho đến khi bộ nhớ đệm hết tràn. Nếu bộ nhớ đệm trống, thì tăng gấp đôi các mẫu AES/EBU cho đến khi nào bộ nhớ đệm trở về trạng thái bình thường. Chương 4 PHƯƠNG PHÁP SỬA LỖI TÍN HIỆU 4.1 PHƯƠNG PHÁP SỬA LỖI CIRC:(Cross Interleave Reed Selomon code): Mặc dù việc xử lý tín hiệu số được thiết lập để loại bỏ các sai sót về xử lý tín hiệu, nhưng việc truyền dòng dữ liệu tới bề mặt đĩa gốc, vẫn còn phụ thuộc vào mối quan hệ vật lý giữa bộ phận ghi và mặt đĩa. Nó cũng có thể dẫn đến những sai sót dữ liệu do 2 nguyên nhân. Do bề mặt đĩa có bụi, vết dấu tay, trầy xước. Những biến đổi về cơ làm mất tính đồng bộ trong việc ghi tín hiệu số sai khác bit dữ liệu. Do vậy quá trình sửa sai là quá trình rất quan trọng và phức tạp. Đối với CD, VCD,… Người ta dùng mã xen chéo Reed Solomon (CIRC) làm mã sửa sai. Trong quá trình thực hiện xử lý tính hiệu số, người ta cũng đưa đến kết luận có 2 loại lỗi xảy ra: Lỗi thứ I là lỗi chỉ xảy ra trên 1 Symbol đơn còn gọi là lỗi ngẫu nhiên (Ramdom). Lỗi thứ II là lỗi xảy ra từ 2 Symbol trở lên trong 1 frame của 1 kênh gọi là lỗi chùm (burst). 4.1.1Sửa lỗi Ramdom: Lỗi Ramdom là lỗi chỉ xảy ra trên 1 Symbol đơn, trong quá trình sửa lỗi thì mã bị lỗi sẽ được phát hiện, vị trí lỗi được xác định và công việc sửa sai sẽ thực hiện. Do vậy công việc phát hiện và sửa lỗi không đơn giản chút nào. Để phát hiện được lỗi này và sửa lỗi. Thì đối với kỹ thuật CD, VCD người ta dùng phương pháp sửa lỗi Reed Solomon. Phương pháp sửa lỗi Reed Solomon không sửa lỗi trực tiếp dựa trên các bit mà nó sửa lỗi dựa theo các symbol. Vì vậy phương pháp sửa lỗi Reed Solomon sử dụng một mã loại khác gọi là tác nhân cân bằng (mã cân bằng) được cộng xen vào. Để dể hiểu trong phương pháp sửa lỗi Reed Solomon này, ta chỉ ví dụ dòng dữ liệu gốc có 4 Symbol( Thực tế phương pháp sửa lỗi Reed Solomon sử dụng trong CD, VCD người ta dùng 12 symbol trong 1 mã cân bằng). Nguyên lý sửa lỗi 4 symbol này có thể được miêu tả dưới dạng lưu đồ. Hình 4.1.1a : Lưu đồ phương pháp sửa lỗi Reed Solomon. Giả sử dòng dữ liệu gốc có 4 symbol: A, B, C, D thì qui tắc sửa lỗi Reed Solomon dùng 2 loại mã cân bằng P và Q được ấn định sao cho hệ phương trình sau đây thỏa mãn phương trình sau: A + B + C + D + P = 0 (1) A + 2B + 3C + 4D + Q = 0 (2) Giả định các tín hiệu được thu nhận sau quá trình xử lý là A’, B’, C’, D’, P’ và Q’ nếu các Symbol thu nhận không có lỗi thì chúng thỏa mãn phương trình (1) và (2). Tuy nhiên khi có lỗi xảy ra cả hai phương trình trên đều không thỏa mãn và kết quả tương ứng chúng khác 0. Do đó sẽ hình thành nên các phương trình (3) và (4). S0 = A’ + B’ + C’ + D’ + P’ = 0 (3) S1 = A’ + 2B’ + 3C’ + 4D’ + Q’ = 0 (4) S0, S1  được gọi là hội chứng (Syndrome). Chính những hội chứng S0, S1 này xác định được vị trí của lỗi xảy ra. Bây giờ ta giả sử rằng có 1 trong 4 Symbol trên bị sai. Ví dụ Symbol A’ chẳng hạn:A’ =A + Ea (5) Thành phần lỗi nằm trong tín hiệu phát. Còn các Symbol còn lại không có lỗi như vậy lấy phương trình (5) thay vào (3), (4) ta có: A + Ea + B + C + D + P = S0 (6) A + Ea + 2B + 3C + 4D + Q = S1 (7) Từ 2 phương trình này ta thế số dữ liệu ban đầu vào được: S0  = S1 = Ea lỗi đã được phát hiện. Để sửa lại Symbol A’ đúng với Symbol ban đầu thì việc sử dụng rất dễ dàng bởi phương trình. A = |P| - B – C – D Hoặc A = A’ -Ea Do đó giá trị thật của A sẽ được tìm thấy. Tương tự Symbol B,C,D lần lượt bị lỗi cũng có thể phát hiện được. Sau đây là bảng tóm tắt khi lỗi xảy ra trên từng Symbol: Khi S0 = S1 = 0 : không có lỗi xảy ra. S0 = S1 = const : A’ là dữ liệu lỗi. 2S0 = S1 : B’ là dữ liệu lỗi. 3S0 = S1 : C’ là dữ liệu lỗi. 4S0 = S1 : D’ là dữ liệu lỗi. Đến đây chỉ biết được vị trí lỗi của từng Symbol bị sai. Nếu như mã cân bằng bị lỗi thì việc sửa lỗi các Symbol trên không thể thực hiện được, nhưng thật may mắn từ phương trình (5), (6) cũng phát hiện được lỗi. Khi mã cân bằng bị sai được kết quả như sau: Nếu P lỗi khi S0 = Ep và S1 = 0. Nếu Q lỗi khi S0 = 0 S1 = Eq. Như vậy nhờ vào sự kiểm tra mối liên hệ giữa các hội chứng S0, S1 thông qua hai mã cân bằng P và Q, lỗi nằm tại vị trí nào sẽ được xác định và dữ liệu thật sẽ được tìm ra. 4.1.2 Sửa lỗi brust: Lỗi Brust là lỗi xảy ra từ 2 Symbol trở lên trong 1 frame của 1 kênh .Lỗi brust này thường xảy ra trên các vết trầy …Do đó nếu dữ liệu ghi trực tiếp thì các lỗi brust cũng thường xuyên xảy ra, mà việc tìm kiếm xem dữ liệu nào bị lỗi là điều không thể thực hiện, dẫu biết rằng có sự tồn tại của lỗi. Để giải quyết các lỗi này người ta đã dùng kỹ thuật đan xen dữ liệu (Cross interleave). Mục đích của việc đan xen là biến đổi lỗi brust thành lỗi Ramdom mà phương pháp sửa lỗi Reed Solomon xử lý rất hữu hiệu. 4.1.3 Qui tắc reed solomon trong kỹ thuật đan chéo CIRC:(cross interleave reed solomon code) Qui tắc kỳ diệu Solomon với 2 mã cân bằng C1 và C2 đã thực hiện ngoạn mục công việc sửa lỗi, trong sự kết hợp với nghệ thuật đan chéo các dữ liệu. Đối với các chùm lỗi kép tương đối ngắn, CIRC có khả năng giải quyết sạch sẽ. Đối với các chùm lỗi cực dài (vết xước trầm trọng), người ta thực hiện một phương pháp đan xen khác phức tạp hơn. Nói chung, hệ thống sửa lỗi trong hệ thống CD ngày nay đã được cải tiến rất cao.