Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông - Chương 7: Phương pháp nén dữ liệu trong dvd

Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 91 Chương VI DVD PLAYER ( Digital Video Disc Player ) I. PHƯƠNG PHÁP NÉN DỮ LIỆU TRONG DVD 1. Nén MPEG – 2 MPEG ( Moving picture experts group ) là nhóm chuyên gia ảnh động làm việc trong tổ chức ISO/ IEC từ năm 1988, mục đích của nhóm là đưa ra được một chuẩn về kỹ thuật nén audio. Năm 1993, nhóm này đã đưa ra được tiêu chuẩn đầu tiên là MPEG-1, đây là tiêu chuẩn dùng cho nén audio và video chất lượng tương đương VHS, tốc độ dữ liệu trong MPEG-1 ứng với tín hiệu Video là 1,5 Mb/s và audio là 192 Kb/s. Năm 1995, nhóm MPEG đưa ra tiêu chuẩn nén MPEG 2 chủ yếu dùng cho nén tín hiệu số video, tốc độ dữ liệu trong MPEG 2 có thể lên đến 30Mb/s Trong kỹ thuật ảnh số, có 2 tiêu chuẩn lấy mẫu được sử dụng phổ biến là: 4:2:2 và 4:2:0 • 4:2:2: tiến hành lấy mẫu tất cả các điểm ảnh của tín hiệu chói Y trên tất cả các dòng của một ảnh và lấy mẫu xen kẽ các điểm ảnh của hai thành phần tín hiệu màu ( I, Q: NTSC / U, V : PAL ). Xem hình trang sau: • Tiêu chuẩn 4:2:0 Lấy mẫu Y Lấy mẫu U (PAL) Lấy mẫu V (PAL) Pixel 1 2 3 n Dòng 1 Dòng 2 Dòng M Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 92 Tiêu chuẩn này lấy mẫu Y trên tất cả các pixel của tất cả các dòng và lấy mẫu tín hiệu mà trên các pixel xen kẽ của dòng và trên các dòng xen kẽ nhau. Theo tiêu chuẩn truyền hình CCIR; ta có N = 720 pixels và M = 576 dòng ⇒ số bit dữ liệu trong 2 chuần lấy mẫu là: ( 25 ảnh / s)( lượng tử hóa video 8 bit ) 4 : 2 : 2 : 720 x 576 x 25 x 8 + 360 x 576 x 25 x (8+8) = 166 Mbit/s 4 : 2 : 0 : 720 x 576 x 25 x 8 + 360 x 288 x 25 x (8+8) = 124 Mbit/s Phương pháp nén MPEG 2 chọn tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:0 với tốc độ bit 124 MS/s và dựa trên 2 kỹ thuật chính là DCT ( Discrete cosine transform: biến đổi cosin rời rạc ) và MCP ( Motion – compensated inter- frame prediction ) a. DCT Biến đổi DCT được thực hiện trên một khối gồm 8 pixel và 8 dòng của ảnh thật đã lấy mẫu để cho ra một ma trận 8 x 8 với các điểm là các hệ số DCT. Các hệ số DCT nói lên sự biến đổi tần số giữa các mẫu theo chiều ngang và dọc. Phép toàn DCT được mô tả như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 0 0 2 1 . 2 1 .2, . . , cos .cos 2 2 1 , 0 , 2 1 , 0 N N x y x u y v F U V C u C v f x y N N N u v C u C v u v π π− − = = + +=  ==  ≠ ∑∑ Phép DCT ngược hay còn gọi là IDCT : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 0 0 2 1 2 12, . . , cos .cos 2 2 N N u v x u y v f x y C u C v F u v N N N π π− − = = + += ∑∑ Pixel 1 2 3 n Dòng 1 Dòng 2 Dòng 3 Dòng M Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 93 Trong đó: x,y : là tọa độ của ảnh gốc u,v : tọa độ của hệ số DCT N : kích thước ma trận thực hiện phép biến đổi • Lượng tử hóa ma trận DCT Độ lớn của mỗi mẫu ảnh thật được dùng 8 bit để mô tả trong khi ở ma trận DCT dùng đến 11 bit để mô tả độ lớn ⇒ không có lợi về mặt tốc độ bit khi truyền, chính vì vậy mà ma trận DCT sẽ được ước lượng giá trị như sau: Ví dụ: cho 1 DCT Khi truyền các hệ số DCT, MPEG thực hiện theo các đường zig-zag: 12, 6, 6, 0, 4, 3, 0, 0………, 0 Việc lượng tử hóa được thực hiện theo 2 bước: Ngang Dọc 11bit 8bit DCT IDCT 8x8 mẫu ảnh gốc Start 12 6 3 6 4 Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 94 Bước 1: nhóm các hệ số khác 0, các hệ số đi theo số 0 và các hệ số ∅ (12), (6), (6), (0,4), (3), (0,…,0) Bước 2: tiến hành truyền các nhóm: 1 2 3 4 5, , , , ,V V V V V EOB Như vậy thay vì truyền 64 hệ số thì hệ thống chỉ truyền 6 hệ số của DCT • Mã hóa VLC ( Vaniable Length Code ): Các hệ số DCT sau khi được lượng tử hóa sẽ không được truyền đi mà phải được mã hóa với độ dài mã thay đổi ( VLC ) trước khi truyền. Bảng tham chiếu mã VLC: Độ dài hệ osố chạy theo zero (length of num of zero) Hệ số DCT & zero Từ mã VLC Số bit 0 0 1 0 EOB 12 6 4 3 - 0000 0000 1101 0010 0001 0 0000 0011 000 0010 10 10 00 Suy ra được chuỗi bit truyền. Length of run of zeros Value of non-zero coefficient Variable-length codeword 0 12 0000 0000 1101 00 0 6 0010 0001 0 1 4 0000 0011 000 0 3 0010 10 EOB - 10 b. Motion – Compensated Inter – Frame Prediction Bộ dự báo có nhiệm vụ dự báo một ảnh nguồn trên cơ sở một ảnh đã mã hóa. Ảnh sau khi dự báo sẽ lưu lại làm cơ sở để dự báo cho ảnh kế tiếp. Việc dự báo sẽ rất khó khăn nếu ảnh chuyển động với tốc độ cao ( ảnh sau khác với ảnh trước nhiều ), do đó phương pháp MCP sẽ bù thêm giá trị để tạo ảnh nguồn đúng trên cơ sở của ảnh tham chiếu. • Cấu trúc của hệ thống mã hóa và giải mã MPEG 2 tín hiệu Video Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 95 • Cấu trúc bit stream MPEG 2 Video Bit streamDCT Q (quantization) VLC IQ IDCT MCP Video In Hình 6.1 Mã hóa & giải mã MPEG2 tín hiệu video VLC IQ IDCT IQ Bit stream Video Out Quantized DCT 1 block 8x8 (DCT VLC) Macro block ADD mode Q valve Motion vection Coded block pattern Y block C block Start code Slide ADD Q valve Macro block Þ 1 Macro block n-1 Start code Picture flags Slide Þ Slide 1 Slise m-1 Start code Sequence parameters Q weight matrix Picture 1 Slise m-1 Profile & level Picture Þ Chỉ ra phân lọai của MPEG2 để khi giải nén sẽ thực hiện đúng với lọai khi mã hóa Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 96 2. Mã hóa Dolby AC-3 II. DVD SGH blue được đọc bằng blue laser và được phát triển bởi poineer đây là đĩa được phát triển từ digital LD ( laser digital ) Sau 1 thời gian, pioneer hợp tác với Toshiba ⇒ digital SD, loại đĩa này sử dụng tia red laser có khả năng ghi đa kênh thông tin. Cũng trong thời gian này Sony và Phillips hợp tác cho ra đời loại đĩa MMCD. BPF & phân tích Mã hóa đường bao phổ tần audio Lượng tử hóa Chỉ định bit Định dạng khung AC-3 Bit stream Audio PCM IN Audio lấy mẫu - 48 KHz - Q = 16 bit 1994 1995 1997 1996 1998 1999 SD MMCD DVD DVD Video block DVD –R book (3,95GB) DVD-RAM book (2,6GB) SGH blue Digital LD DVD-Audio book DVD-R (4,7G) DVD-RAM (4,7G) DVD RW (4,7GB Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 97 Tháng 8/ 1996 tiêu chuẩn đĩa DVD đầu tiên ra đời, trong đó nhấn mạnh cho việc sử dụng phương pháp biến độ 8 tới 16 modulation trong việc ghi thông tin số lên đĩa và cùng thời gian này đĩa DVD chính thức được phát hành. 1. Đĩa DVD – R và DVD – RW Thông số kỹ thuật đĩa: Thông số DVD DVD – Rom 1 lớp DVD – R DVD – RW Độ dài sóng tia laser 635 / 650 Nm /CD: 780nm Độ tương phản 45 →85% 18 →30% Hình dạng track data Hình xoắn ốc Khoảng cách giữa các track 0,74 mµ // 1,6 mµ Biến điệu data 8 to 16 modulation Phương pháp dò lỗi Dùng mã Reed – solomon Tốc độ bit / kênh 26,16 Mbp/s Tốc độ quét 3,49 m /s Dung lượng 4,7 Gbyte Cấu trúc của đĩa DVD –R và DVD – RW hoàn toàn giống nhau, tuy nhiên vật liệu chế tạo mặt đĩa khác nhau cho nên với DVD- R chỉ cho phép ghi một lần còn với DVD – RW cho phép ghi / xóa khoảng 1000 lần. Vùng kẹp đĩa Vùng thông tin đĩa Vùng lead in Vùng data Vùng Lead - Out Hình 6.2 cấu tạo đĩa DVD&DVD rewrite Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 98 Việc truy xuất thông tin trên đĩa DVD là tuần tự không truy xuất ngẫu nhiên. 2. DVD –RAM: Định dạng track ghi: Việc ghi thông tin trong DVD – RAM được tiến hành trên cả các land và các groove Vật liệu chế tạo đĩa này có khả năng nhạy cảm với nhiệt độ. Khi dùng tia laser với cường độ chiếu lên các track ghi sẽ làm vật liệu này nóng chảy và sau đó đông đặc lại nhanh chóng và tạo thành các lớp vật liệu không kết tinh ở dạng tinh thể. Khi ở trạng thái này thì DVD – RAM được xem như xóa trắng, lúc cần ghi data sử dụng tia laser có cường độ trung bình chiếu lên các vị trí của track làm các điểm này kết tinh lại ⇒ độ phản chiếu tia sáng laser ở những đọan kết tinh và không kết tinh là khác nhau ⇒ có thể lưu thông tin. Track ghi groover Land Track ghi rãnh Land Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 99 a. Thông số kỹ thuật DVD – RAM Version 1.0 Thông số kỹ thuật DVD –RAM Bước sóng ghi 650nm Phương pháp biến điệu 8 to 16 modulation Kích thước 1 sector 2kb Kích thước 1 block 32kb Số vùng dữ liệu 24 35 Độ dài bit 0,41 mµ / bit 0,28 mµ / bit Khoảng cách giữa các track ghi 0,74 mµ 0,615 mµ Tốc độ dữ liệu 11,08 Mbit / s 22,16 Mbps Dung lượng đĩa 2,6 Gbytes 4,7 Gb b. Thông số kỹ thuật DVD – RAM Version 1.0 Thông số kỹ thuật DVD – RAM Số vùng dữ liệu 35 Độ dài bit ghi 0,28 /m bitµ Khoảng cách giữa các track 0,615 mµ Tốc độ dữ liệu 22,16Mbps Dung lượng đĩa 4,7 Gbytes Các thông số khác Giống version 1.0 Trong DVD – RAM dữ liệu được truy xuất ngẫu nhiên Lead in Zone 1 Zone 2 Zone n-1 sector 2K 6 N=24/35 Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 100 IiI. MÃ HÓA DỮ LIỆU TRƯỚC KHI GHI 2048 byte 4 byte 2 byte 6 byte Data 1 sector Header ID ID error detection Copy protection Header 2048 byte EDC 2064 byte EDC Erro detection Code, 4 byte 172 byte 172 byte Hàng 1 Hàng 2 172 byte Hàng 12 1 sector 12 hàng 172 byte 172 byte 16 sector192 hàng 172 byte 172 byte 16 sector192 hàng 172 byte 172 byte Parity cho sector 1 16 hàng Parity Parity cho sector 16 208 hàng 182 byte 172 byte 172 byte 172 byte 208 hàng 10 byte kiểm tra parity 182 byte 182 byte 182 byte 12 hàng Parity 91 byte 3 byte syns 91 byte 3 byte syns 91 byte 3 byte syns 91 byte 3 byte syns 13 hàng 8 to 16 modulation DVD Hình 6.3 sơ đồ mã hóa dữ liệu trước khi ghi DVD Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 101 IV. SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT DVD PUH : Pick up Head SPM : Spindle Motor: động cơ quay đĩa Sled motor : động cơ di chuyển đầu đọc Tray motor : động cơ điều khiển khay đĩa PUH driver & Motor driver : điều khiển các cuộn focus và tracking; điều khiển tốc độ quay của động cơ spindle và di chuyển đầu đọc đến track mong muốn. RF Amp: phân tích các tín hiệu RF, TE ( tracking error ) và FE ( focus error ), pull –in Data processor : giải biến điệu 8 to 16 modulation để tạo lại khung tín hiệu gốc audio và video. EEROM EEROM (24C04) Main CPU Dram 1M SW Power supply SD RAM 1M MPEG2 AC-3 Decoder Video driver DAC Display & keyboard 8M Vidoe Out Audio Out PUH Driver & Motor driver Sled motor PUH Tray motor SPM RF Amp Data processor Dram 1M Hình 6.4 Sơ đồ khối tổng quát DVD Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 102 a. Khối PUH: gồm 1 diode laser, hệ thống thấu kính, cuộn focus, cuộn tracking và hệ thống diode cảm quang ( sensor ) b. Khối PUH Driver và Motor Driver ( servo control ) Tracking Focus Vật kính F D E A C B Bộ cảm quang gồm 6 diode cảm quang Mặt đĩa Thấu kính trực chuẩn Kính nhiễu xạ Laser diode Vật kính Gương rẻ hướng chùm tia phản xạ Bộ cảm quang Hình 6.5 Khối PUH Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 103 PULL – in DVD 1 layer / 2 layer Tracking error : Đúng tracking CD/DVD • Điều khiển focus: DVD player nhận biết tình trạng focus thông biên biên độ của tín hiệu RF. Khi mất hội tụ ⇒ biên độ tín hiệu RF nhỏ ⇒ xuất tín hiệu điều khiển cuộn focus. • Điều khiển tracking: dựa trên thông tin nhận được từ E và F: E – F = 0 ⇒ đang đọc đúng track, E – F ≠ 0: sai track ⇒ điều khiển cuộn tracking. • Phân biệt dĩa DVD và CD : Dựa trên điện áp sai lệch TE = E – F ( Tracking error ) để ⇒ lọai đĩa. Nếu điện áp TE thấp ( ≈ 0.4 V ) ⇒ đĩa là DVD, đối với đĩa CD thì điện áp TE khoảng 2V • Pull in: là tín hiệu tạo ra tử bộ cảm quang ABCD. Nếu đọc đĩa DVD 1 lớn ⇒ cường độ tia phản xạ mạnh ⇒ Pull in ∼ 1V, ngược lại với đĩa DVD 2 lớp ⇒ cường độ phản xạ yếu ⇒VPull in ∼ 0,5V. • Điều khiển Skew : độ nghiêng mặt đĩa. Một số DVD player dùng thêm 2 bộ cản quang G và H để đo mặt nghiêng của đĩa. Nếu đĩa bị cong vật lý ⇒ chùm tia tới mặt đĩa sẽ cho cường độ tia phản xạ bị sai số ⇒ bù góc nghiêng. RF Amp Digital servo LPF RF processor Servo DSP Driver Xử lý data Cảm quang Focus coil PULL in Tracking error Skew error Focus coil Tracking coil spindle Slled motor Skew compensated Hình 5.6 Khối PUH driver & motor driver Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 104 Ngoài ra khối Servo còn có nhiệm vụ điều khiển tốc độ động cơ quay đĩa spindle motor để đảm bảo sao cho tốc độ đọc đĩa ổn định từ trong ra ngoài. Khối này cũng điều khiển đầu đọc từ trong ra ngoài thông qua động cơ trượt sled motor. c. Khối AV decoder d.Đường đi của dòng bit trong DVD Dòng bit trong DVD gồm 5 thành phần cơ bản • PES audio ( packetized elementary stream ) • PES Video • PES Subpicture: dòng ảnh phụ • PCI : Presentation Control Information • DSI : Data Search Information Demultiplexer Memmory interface MPEG audio PCM AC-3 Video decoder Audio decoder Mixer Clock control CPU interface Audio channel Video channel SDRAM 16M On screen display DVD stream CD stream 27MHz Hình 6.7 Khối AV decoder Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng 105 PCI buffer DSI decoder DSI buffer PCI decoder buffer Demulti plexer Video buffer Video decoder Audio buffer Audio decoder Sub- picture buffer Sub- picture decoder Bit stream 26.16 Mbits ~12,08M bps ~10,08M bps Error correction EFD+ ~13,08M bps Hình 6.8 Đường đi của dòng bit trong DVD