Cơ sở về biến đổi số tín hiệu truyền hình

CHÖÔNG V CÔ SÔÛ VEÀ BIEÁN ÑOÅI SOÁ TÍN HIEÄU TRUYEÀN HÌNH I. AUDIO SOÁ Toång Quan Trong kyõ thuaät truyeàn thanh vaø truyeàn hình soá, coù nhieàu tieâu chuaån cuï theå cho moãi quoác gia nhöng coù theå keå ra caùc heä thoáng chính sau ñaây : Hieäp hoäi kyõ thuaät Audio (Audio Engineering Society : AES). Hieäp hoäi truyeàn thanh vaø truyeàn hình chaâu Aâu (European Broad casting Union : EBU). Hoäi kyõ thuaät gia truyeàn hình vaø ñieän aûnh (Society of Motion picture and Television Engineer : SMTE) cuûa Myõ. Hoï cho ra caùc chuaån daïng Audio soá öùng duïng cho phaùt thanh vaø truyeàn hình soá nhö : Chaâu Aâu coù heä DVB : Digital Video Broadcasting. Myõ coù heä ATSC : Advanced Television Standards Committee. Nhaät coù heä ISDB_T : Integrated Services Digital Broadcasting. Ñònh chuaån Audio soá cuûa AES cho chuyeân duïng vaø daân duïng : Dolby AC-3 laø heä thoáng aâm thanh voøng duøng cho heä truyeàn hình soá cuûa Myõ (ATSC). Heä thoáng naøy coù 6 keânh (5+1) goàm : Phía tröôùc coù 3 keânh : Traùi, phaûi (truyeàn nhaïc), keânh giöõa (truyeàn nhaïc vaø thoaïi) Phía sau coù 2 keânh : Troøn traùi LS, troøn phaûi RS chuyeân truyeàn aâm thanh kyõ xaûo. Moät keânh sieâu traàm LFE öu tieân khueách ñaïi taàn soá thaáp. Caùc Nguoàn Tín Hieäu Audio Soá Vaãn theo truyeàn thoáng, caùc Audio ñöôïc soá hoaù theo 3 coâng ñoaïn sau : Laáy maãu Quaù trình laáy maãu thöïc hieän vieäc nhaân tín hieäu audio töông töï vôùi chuoãi xung coù thôøi gian laëp laïi vôùi taàn soá laáy maãu. Ñoù laø quaù trình ñieàu bieân xung (PAM) trong mieàn thôøi gian_hình 5-1 vaø trong mieàn taàn soá_hình 5-2. Xung laáy maãu Ñieàu bieân Tín hieãu laáy maãu PAM Thôøi gian Thôøi gian T/h Audio Bieân ñoä Hình 5-1 : Quaù Trình Ñieàu Bieân Trong Mieàn Thôøi Gian Khi taàn soá laáy maãu fs 2fmax thì khoâng coù söï xuyeân nhieãu giöõa hai phoå, chæ caàn moät loïc (LPF) laø taùch ñöôïc tín hieäu goác. Khi fs < fmax tín hieäu qua LPF bò xuyeân nhieãu goïi laø Aliasing noise khoâng chaáp nhaän ñöôïc. Fmax laø taàn soá cao nhaát cuûa tín hieäu nguyeân thuûy, ôû Audio fmax = 20 khz choïn fs = 44.1 khz, fs laø taàn soá laáy maãu. Tröôùc khi thöïc hieän ADC, phaûi giôùi haïn baêng taàn audio ñeán ½ fs, neáu khoâng, coù theå gaây ra hieän töôïng choàng phoå vaø meùo tín hieäu khoâi phuïc. Xung laáy maãu phaûi coù thôøi gian heïp, baèng moät chu kyø laáy maãu . Phoå taàn soá laáy maãu Ñieàu bieân Bieân ñoä Taàn soá Bieân ñoä Taàn soá fs 2fs fs-fmax fs+fmax Taàn soá Hình 5-2 : Quaù Trình Ñieàu Bieân Trong Mieàn Taàn Soá Trong thöïc teá boä ADC, giaù trò bieân ñoä xung cuûa moãi maãu ñöôïc giöõ ñeán khi naøo ñaït maãu tieáp theo, hình 5-3, 5-4. Taûi Ñieàu bieân Tín hieäu ñaõ laáy maãu Thôøi gian Thôøi gian T/h Audio Bieân ñoä Thôøi gian Hình 5-3 : Quaù Trình Laáy Maãu Vaø Giöõ Trong Mieàn Thôøi gian Ñieàu bieân Bieân ñoä Taàn soá Bieân ñoä Taàn soá Taàn soá fS 2fS 3fS fS 2fS Tín heäiu audio Hình 5-4 : Quaù Trình Laáy Maãu Vaø Giöõ Trong Mieàn Taàn Soá Hieän nay thöôøng duøng 4 chuaån taàn soá laáy maãu cho tín hieäu Audio : 32 khz (tieâu chuaån chuyeân duïng) duøng trong truyeàn daãn vaø phaùt thanh FM stereo . 44.1 khz (tieâu chuaån daân duïng ) : Duøng trong VCR, CD, R_DAT player. 48 khz (tieâu chuaån phaùt thanh) : Tieâu chuaån phaùt thanh baêng taàn roäng vaø truyeàn hình chaát löôïng cao. Laáy maãu taàn soá cao (over sampling) 4fs ñeå giaûm meùo löôïng töû SNR[db] = 6.02n + 1.76 + 10log10d Vôùi d : heä soá laáy maãu taàn soá cao (d = 4) N : Soá bit / maãu löôïng töû. Löôïng Töû Hoaù (Quantizing) Sau quaù trình laáy maãu laø quaù trình löôïng töû hoaù (hình 5-5). Caùc möùc bieân ñoä ñöôïc rôøi raïc töøng möùc bieân ñoä vôùi giaù trò nhò phaân töông öùng. Neáu n bit laáy maãu seõ coù 2n khoaûng löôïng töû. 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 Bieân ñoä Thôøi gian Caét soá Thôøi gian 0 a. Thôøi gian laáy maãu vaø giaù trò löôïng töû hoaù b. giaù trò hold Thôøi gian c. Sai soá löôïng töû hoaù Hình 5-5 : Quaù Trình Löôïng Töû Hoaù 4 Bit Khoaûng löôïng töû laø khoâng ñoái xöùng vôùi caùc chuyeån dòch döông vaø aâm cuûa tín hieäu audio goác. Soá möùc löôïng töû caøng taêng thì meøo löôïng töû caøng taêng thì meùo löôïng töû caøng giaûm. Goïi Q laø khoaûng löôïng töû hoaù () ta coù tæ soá tín hieäu / nhieãu löôïng töû SNR laø : SNR = Vôùi tín hieäu Sine V = [volt rms] Nhieãu löôïng töû N = [Vms] SNR [db] = 6,02n + 1,76 Vôùi n laø soá bit löôïng töû hoaù (soá bit/maãu löôïng töû hoaù) Maõ hoaù (coding) Moãi giaù trò löôïng töû hoaù nhò phaân caàn phaûi ñöôïc maõ hoaù ñeå phuø hôïp vôùi loaïi tín hieäu laáy maãu, truyeàn daãn vaø ghi aâm. Heä thoáng thöôøng duøng laø PCM (ñieàu bieán maõ xung), PWM (ñieàu cheá ñoä roäng xung), ADM (ñieàu cheá delta thích nghi), DPCM (ñieàu xung maõ vi sai), floating point (ñieåm di ñoäng ). Loaïi PCM ñöôïc duøng nhieàu vì ñôn giaûn, tuy nhieân ít hieäu quaû. Ñaëc ñieåm cuûa noù laø thöïc hieän tuyeán tính cho taác caû caùc khoaûng löôïng töû hoùa. Caùc möùc löôïng töû hoaù ñöôïc gaùn baèng caùc töø maõ theo moät traät töï logic. Hình 5-6 laø sô ñoà khoái laø quaù trình maõ hoaù vaø giaûi maõ PCM. Bandpass filter Sample and hold Analog to digital converter Digital to analog converter Hold circuit Low-pass filter Transmission medium PAM PAM Analog output Analog input Hình 5-6 : Sô Ñoà Khoái Ñôn Giaûn Hoaù Cuûa Heä Thoáng PCM Neùn Tín Hieäu Chuaån MPEG – 2 Cho Audio Soá Tieâu chuaån MPEG – 2 (IOS/IEC 13818) coù töø 1994, ñöôïc öùng duïng cho : Döõ lieäu phuï 2 Döõ lieäu phuï 1 Chaát löôïng audio trong phaïm vi roäng, coù toác ñoä bit töø thaáp ñeán cao (32 Kbps ñeán 1066 Kbps). Phaïm vi roäng ñöôïc thöïc hieän nhôø chia khung MPEG – 2 audio thaønh 2 phaàn : Header CRC Phaân boá bit SCFSI Heä soá thang ñoä Maãu baêng taàn con L0/R0 stereo cô sôû Chuù thích ña aâm MC Header MC RCR MC bit phaân boá MC SCFSI MC SCF MC Döï baùo Maãu baêng taàn con MC Thoâng tin döõ lieäu nhieàu keânh SCFSI : Scale Factor Selection Information = thoâng tin choïn heä soá tæ leä MC : Multi-channel = ña keânh Hình 5-7 : Ñònh Daïng Doøng Bit Soá Lieäu Audio Chuaån MPEG-2 Môû Roäng Cuûa Chuaån MPEG-1 Doøng bit sô caáp (doøng bit goác), töông thích vôùi MPEG – 1 (384 kb/s cho Player II), Doøng bit môû roäng . Vôùi Player III, taïi 64 kb/s treân moät keânh, 5 keânh audio ñaày ñuû baêng taàn coù theå ñöôïc maõ hoaù vôùi toác ñoä 320 kb/s. Maõ hoaù 6 keânh audio, bao goàm moät keânh phuï naâng cao taàn soá thaáp, ñeå laøm aâm thanh troøn nhieàu keânh. Söï môû roäng treân coù theå thöïc hieän ñöôïc nhôø coâng theâm vaøo moãi player : taàn soá laáy maãu (16; 22.05; 24 khz) cho pheùp truyeàn baêng taàn trong khoaûng 7.5 – 11 khz vaø cho chaát löôïng cao khi toác ñoä doøng soá lieäu < 64 Kb/s cho moät keânh . Dung löôïng ña keânh ( toác ñoä bit ña keânh môû roäng ñeán 1 Mb/s, cho pheùp ñaït chaát löôïng cao). Caùc döõ lieäu naøy ñöôïc caáy vaøo khoâng gian döõ lieäu phuï cuûa caáu truùc MPEG-1 Audio frame. Tieâu chuaån MPEG-2 audio töông thích xuoáng tieâu chuaån MPEG-1. Tuy nhieân boä giaûi maõ MPEG-1 chæ coù theå giaûi maõ caùc keânh traùi vaø phaûi cuûa doøng döõ lieäu MPEG-2 audio. Taïi taàn soá laáy maãu thaáp, ñoä phaân giaûi taàn soá khoaûng 21 Hz vôùi taàn soá laáy maãu 24 khz. Noù cho pheùp caùc baêng taàn coù heä soá thang ño phuø hôïp toát hôn vôùi ñoä roäng baêng taàn tôùi haïn vaø cho chaát löôïng audio toát hôn taïi caùc toác ñoä bit thaáp , maëc duø ñoä roäng baêng taàn tín hieäu audio ñöôïc giaûm toái ña laø 12 khz. MPEG-2 Taàn soá laáy maãu thaáp Ña keânh Layer I Layer II Layer III 16; 22.05; 24 KHz Layer I Layer II Layer III 32; 44.1; 48 KHz 5 Keânh Mono vaø stereo Hình 5-8 : Caùc Chuaån Neùn Tín Hieäu Audio Theo Tieâu Chuaån MPEG Caùc lôùp MPEG-2 gioáng nhö ôû MPEG-1 vaø coù ñaëc ñieåm nhö sau : Header CRC Bit allocation Scale factors Sample Ancillary data (32) (0,16) (128-256) (0-384) (384) Header CRC Bit allocation SCFSI Scale factors Sample Ancillary data (32) (0,16) (128-256) (0-60) (0-1080) (384) Header CRC Side information Bit reservoir Ancillary data (32) (0,16) (128-256) (384) Layer I Layer II Layer III SCFSI : Scale Factor Selection Information = thoâng tin choïn heä soá tæ leä CRC : Bit kieåm tra ñoä dö thöøa tuaàn hoaøn ; Header = Tieâu ñeà khung ; Bit allocation = Bit chæ ñònh Scale factor = Heä soá tæ leä ; Ancillary data = Soá lieäu phuï ; Bit Reservoir = Bit cung caáp (caùc soá lieäu chính töø moät hoaëc hai khung tröôùc) Hình 5-9 : Ñònh daïng doøng bit soá lieäu audio lôùp I, II, III tieâu chuaån Ñaëc ñieåm layer I Toác ñoä döõ lieäu : 32 448 Kbps (toång coäng). Tín hieäu vaøo chia thaønh caùc khung bao goàm 348 maãu treân moät keânh . Chu kyø khung laø 8 ms (12 ) cho keânh 48 khz . 32 baêng taàn con (Sub – band) coù kích thöôùc baèng nhau, taïo ra töø caùc khoái (block) goàm 12 maãu ( maãu). Heä soá tæ leä 6 bit treân moät baêng (daûi ñoäng aâm thanh laø 120 db), heä soá tæ leä khaùc nhau cho moãi baêng . Phaân phoái bit theo phöông thöùc thích öùng tröôùc. Moãi maãu baêng taàn con ñöôïc löôïng töû hoùa moät caùch chính xaùc baèng caùc tính toaùn phaán boá caùc bit. Keânh ñôn hoaëc keùp, stereo hoaëc joint stereo (maõ hoùa keát hôïp keânh traùi vaø keânh phaûi cuûa tín hieäu stereo audio). Haàu heát thích hôïp cho caùc öùng duïng nhö ghi aâm hoaëc trong studio vì kích thöôùc khung (frame) chæ laø 8 ms. Phaân boá Heä soá bit thang ño CRC Döõ lieäu phuï CRC = Cyclic Redundancy Check (Kieåm tra ñoâ dö thöøa coù chu kyø) 1 frame cuûa audio CR0 CR1 CR2 CR11 32 maãu 0 1 31 Töø ñoàng boä Töø heä thoáng 12 bits 22 bits Bits Muïc ñích Töø ñoàng boä 10(MPEG = 1) Layer Taùch loãi Chæ soâ toác ñoä bit Taàn soá laáy maãu Bit ñoàng chænh Bit rieâng mode Mode môû roäng Baûn quyeàn Goác/copy 2 Nhaán Frame haeder Hình 5-10 : Caáu Truùc Frame Cuûa Player I Ñaëc ñieåm cuûa player II Loaïi naøy laø keát quaû naâng cao phöông thöùc hoaït ñoäng cuûa player I, tæ leä neùn cao hôn. Toác ñoä bit xaáp xæ xung quanh 128 kb/s. Toác ñoä döõ lieäu 32 – 384 Kb/s Tín hieäu vaøo chia thaønh caùc khung, chöùa 1152 maãu /keânh 32 baêng taàn con coù kích thöôùc baèng nhau, taïo caùc khoái 36 maãu (32 36 = 1152 maãu). Chu kyø khung laø 24 ms cho keânh 48 khz () Heä thoáng thang ñoä 6 bit/baêng (daûi ñoäng 120 db), moãi baêng khaùc nhau, caùc nhoùm 12, 24, 36 maãu (8, 16 hoaëc 24 ms) ñeå loaïi tröø meùo aâm thanh. Vò trí bit tieán thích nghi, khung 24 ms coá ñònh vaø söû duïng löôïng töû hoaù bit chia nhoû. Keânh ñôn hoaëc keânh keùp, stereo hoaëc joint stereo. Duøng roäng raûi tieâu chuaån MPEG trong CD – ROM, DVB, DAB, DBS, multimedia… Ñaëc ñieåm player III Toác ñoä döõ lieäu 32 – 384 Kb/s Tín hieäu vaøo chia thaønh caùc khung, chöùa 1152 maãu /keânh Taïo khung 24 ms. 32 baêng taàn con coù kích thöôùc baèng nhau, ñöôïc chia tieáp thaønh 18 baêng taàn MDCT (toång coäng 576 keânh), coù khaû naêng chuyeån maïch khoái töùc thôøi thaønh 192 baêng. Caùc heä soá thang ñoä ñöôïc duøng ñeå caûi thieän caáu truùc vaø möùc nhieãu löôïng töû. Vò trí bit tieân thích nghi. Maõ hoaù VLC (Huffman) caùc giaù trò löôïng töû. Keânh ñôn vaø keùp, stereo hoaëc joint stereo. Duøng cho toác ñoä bit thaáp, ví duï nhö ISDN, vieãn thoâng, ñöôøng truyeàn veä tinh vaø aâm thanh chaát löôïng cao qua internet. Baûng chi tieát veä heä thoáng audio chung . Toác ñoä laáy maãu Toác ñoä laáy maãu moät nöõa Aâm thanh ña keânh 32 khz 44.1 khz 48 khz 16 khz 22.05 khz 24 khz Mono 2 keânh stereo Joint stereo Ña keânh aâm thanh voøng Sô Ñoà Khoái Cô Baûn Neùn MPEG Filter Bank Chuyeån ñoåi qua mieàn taàn soá Phaân taùn bit nhieãu Ñònh daïng doøng bit Moâ hình taâm lyù nghe Digital Audio Input Doøng bit neùn Audio Ñieàu khieån tæ leä S/N Audio nhoû nhaát coù theå chaáp nhaän ñöôïc Hình 5-11 : Caáu Truùc Cô Sôû Cuûa Boä Maõ Hoaù MPEG Tín Hieäu Audio Doøng bit audio ñaàu vaøo ñaàu tieân ñöôïc chuyeàn tín hieäu qua mieàn thôøi gian. Tín hieäu ngoõ vaøo ñöôïc söû lyù khi so saùnh bôûi moâ hình taâm lyù nghe (Psychoacoutic modeler) ñeå ñieàu khieân phaân taùn bit loãi. Maïch naøy löôïng töû hoaù döõ lieäu vôùi söï kieàm cheá giöõ cho tæ leä S/N audio treân möùc nhoû nhaát coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Cuoái cuøng, döõ lieäu ñöôïc maõ hoaù thaønh doøng bit cuoái cuøng. Sô Ñoà Khoái Ñôn Giaûn Giaûi Neùn MPEG BIT STREAM UNPACKING FREQUENCY SAMPLE RECONSTRUCTION FREQUENCY – TO – TIME MAPPING ENCODER BIT STREAM DECODER PCM AUDIO ANCILLARY (IF ENCODER) Hình 5-12 : Caáu Truùc Ñôn Giaûn Cuûa Boä Giaûi Maõ Ñôn Giaûn MPEG Tín Hieäu Audio Ñaàu tieân doøng bit maõ hoaù ñöôïc ñònh daïng laïi thaønh doøng bit maõ hoaù ñôn giaûn, sau ñoù xaây döïng laïi nhöõng giaù trò baêng taàn con ñaõ ñöôïc löôïng töû hoaù. Cuoái cuøng chuyeån ñoåi nhöõng giaù trò cuûa phaàn baêng taàn con ñaõ ñöôïc löôïng töû hoaù. Cuoái cuøng chuyeån ñoåi nhöõng giaù trò cuûa phaàn baêng taàn con thaønh daïng tín hieäu audio ôû mieàn thôøi gian. II. VIDEO SOÁ Caùc Heä Truyeàn Hình Maøu Treân Theá Giôùi : Heä NTSC (National Television_System Committee) : Laø hoäi heä thoáng truyeàn hình quoác gia cuûa Myõ phaùt soùng naêm 1954 treân cô sôû heä M525/60 cheøn theâm hai thoâng tin maøu E1 vaø EQ ñieàu bieân neùn vuoâng goùc (QSAM : Quadrature Suppress Amplitude Modulation). NTSC N 625/60 (Chaâu Aâu) Fh = 15.625 khz Fv = 60 Hz Fsc = 4.4296875 mhz Heä SECAM (Phaùp – Nga) Duøng phöông phaùp truyeàn laàn löôït caùc thoâng tin maøu, coù löu giöõ ñeå taùi hieän laïi ñuùng thôøi ñieåm. Nhôø caùch laøm treã 64 cuûa soùng mang phuï coù chöùa caùc thaønh phaàn maøu DR = R – Y vaø DB = B – Y noái tieáp nhau sau moät doøng treân ñöôøng ñeán maïch ma traân ñeå coäng vôùi thaønh phaàn choùi Y. Nhôø vaäy maø heä naøy khoâng bò sai pha maøu nhö heä NTSC, saéc maøu trung thöïc hôn. Caùc thaønh phaàn maøu : EY = 0.3ER + 0.59EG +0.11EB DR = - 1.428ER – Y DB = 1.124EB – Y Thoâng soá heä SECAM : Fh = 15.625 khz Fv = 50 Hz For = 4.40625 mhz = 282fh Fsc = 4.25000 mhz = 272fh Heä PAL (Phase Alternative Line : Pha thay ñoåi theo töøng doøng) Heä PAL (Ñöùc) caûi tieán treân cô sôû heä NTSC vaø SECAM baèng caùch luaân phieân thay ñoåi pha cuûa doøng queùt tröôùc vôùi doøng queùt sau cuûa tín hieäu mang maøu vôùi thôøi gian treã cuûa moãi doøng laø 64 . Baèng caùch buø kieåu ñaûo pha cuûa moãi doøng queùt vôùi moãi maøu ñöôïc choïn laø DR = R – Y neân ñaõ giaûm nhoû ñoä sai pha cuûa tín hieäu maøu laøm cho tín hieäu hình aûnh saïch ñeïp hôn. Caùc thaønh phaàn maøu : Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B U = 0.493EB – Y V = 0.877ER – Y PAL (Anh) : 625/50 Fh = 15.625 khz Fv = 50 Hz Fsc = 4.433618 mhz Bvideo = 5.5 mhz PAL (Chaâu Aâu – Uùc) : 625/50 Fh = 15.625 khz Fv = 50 Hz Fsc = 4.433618 mhz Bvideo = 5 mhz PAL (Anh) : 625/60 Fh = 15.750 khz Fv = 60 Hz Fsc = 3.575611 mhz Bvideo = 4.2 mhz Caùc töø vieát taét : Fh = Horizontal synchronising pulse frequency Fv = Vertical synchronising pulse frequency Fsc = Colour subcarrier frequency. Laáy Maãu Tín Hieäu Video Soá Tín hieäu vaøo fv coù taàn soá fb seõ ñöôïc bieán ñoåi töø hình bao daïng soùng qua caùc xung heïp vôùi chu kyø laáy maãu TS. Taàn soá laáy maãu laø : Do phoå cuûa tín hieäu sau laáy maãu coù theå choàng leân nhau taïo thaønh nhieãu aliasing neân taàn soá laáy maãu phaûi thoaû ñònh lyù laáy maãu, töùc laø fs 2fb. Vôùi taàn soá naøy seõ baûo ñaûm taùi taïo laïi ñöôïc tín hieäu nguyeân thuyû khi thöïc hieän quaù trình bieán ñoåi soá – töông töï. Taàn soá fS + fb fS fb fS - fb Bieân ñoä Bieân thaáp Baêng taàn cô baûn Bieân cao Taàn soá fS + fb fS fb fS - fb Bieân ñoä Aliasing Hình 5-13 : Phoå Cuûa Tín Hieäu Sau Khi Laáy Maãu Taàn Soá Laáy Maãu Tín Hieäu Video Toång Hôïp (Composite Video Signal) Ñoái vôùi tín hieäu video toång hôïp, taàn soá laáy maãu tín hieäu video thoâng thöôøng baèng 2, 3 hoaëc 4 laàn taàn soá soùng mang maøu fsc. Thoâng thöôøng thì ngöôøi ta choïn fs = 3fsc NTSC : fs = 10.7 mhz PAL : fs = 13.3 mhz Theá nhöng ngöôøi ta thöôøng duøng fs = 4fsc NTSC : fs = 10.7 mhz PAL : fs = 13.3 mhz Do tín hieäu video soá mang ñaày ñuû nhöõng khuyeát ñieåm cuûa video töông töï neân ngöôøi ta thöôøng söû duïng phöông phaùp soá hoaù tín hieäu thaønh phaàn. Taàn Soá Laáy Maãu Tín Hieäu Video Thaønh Phaàn (Component Video Signal) Vôùi tín hieäu video thaønh phaàn, taàn soá laáy maãu thöôøng ñöôïc laáy thoâng qua tæ leä taàn soá giöõa tín hieäu choùi vaø tín hieäu maøu. Thoâng thöôøng coù caùc tæ leä 4:1:1; 4:2:2;4:4:4…, ta seõ nghieân cöùu kyõ ôû phaàn sau. Löôïng töû hoaù bieân ñoä tín hieäu video (Quantizing). Ñaây laø quaù trình bieán ñoåi tín hieäu sau laáy maãu thaønh caùc khoaûng rôøi raïc, goïi laø khoaûng löôïng töû (Q). Q = 2n Vôùi n laø soá bit/maãu. Neáu n = 8, thì seõ coù 28 = 256 khoaûng löôïng töû. Coù hai caùch laáy khoaûng löôïng töû : Tuyeán tính : caùc khoaûng löôïng töû caùch ñeàu nhau khoâng phuï thuoäc tín hieäu analog vaøo. Khoâng tuyeán tính : Caùc khoaûng löôïng töû thay ñoåi theo bieán ñoåi bieân ñoä cuûa tín hieäu. Caùc vuøng ít bieán ñoåi thì khoaûng caùch löôïng töû thöa, caùc vuøng bieán ñoåi nhieàu thì khoaûng caùch löôïng töû ngaén. Quaù trình löôïng töû laø laøm troøn caùc ñænh xung vuoâng (bieân ñoä tín hieäu ñaõ laáy maãu) vôùi moät möùc löôïng töû gaàn nhaát. Nhö vaäy seõ coù sai soá trong quaù trình laáy maãu do laøm troøn. Sai soá naøy seõ . Khi löôïng töû hoaù tuyeán tính, neáu löôïng töû vôùi soá bit/maãu thaáp seõ xuaát hieän sai soá löôïng töû > . Sai soá naøy seõ gaây ra nhieãu laøm meùo tín hieäu vaø taïo thaønh ñöôøng vieàn (contouring effects). Giaù trò trung bình (RMS – Root Mean Square) cuûa moïi sai soá löôïng töû coù giaù trò : Giaù trò cuûa tín hieäu ra (boä DAC) laø : (2n – 1)Q Ngöôøi ta thöôøng duøng tyû soá tín hieäu ñænh treân nhieãu löôïng töû ñeå laøm chæ tieâu ñaùnh giaù moät thieát bò soá hoaù. Vôùi n = 8 thì : Thöïc teá coù raát nhieàu yeáu toá aûnh höôûng ñeán tyû soá nhö : Vieäc haïn cheá fmax. Khoaûng löôïng töû hoaù tín hieäu video tích cöïc… Do ñoù, thöïc teá tyû soá ñöôïc tính nhö sau : Trong ñoù : laø giaù trò aûnh höôûng cuûa fmax laø aûnh höôûng cuûa khoaûng video tích cöïc. N : laø soá bit/maãu Fs :laø taàn soá laáy maãu Fmax : laø taàn soá video cöïc ñaïi (4.2; 5; 5.5; 6 mhz) Vq : laø ñieän aùp tín hieäu toaøn boä khoaûng löôïng töû [V] Vw : laø ñieän aùp möùc traéng [V] Vb : laø ñieän aùp möùc xoaù 0.7V ñoái vôùi heä PAL 0.714V ñoái vôùi heä NTSC Vw – Vb = Maõ Hoaù (Coding) Ñaây laø böôùc saép xeáp caùc giaù trò soá sau khi löôïng töû hoaù theo moät khung thuoäc caáu truùc naøo ñoù. Tieâu Chuaån Composite Soá Tieâu chuaån Digital Composite fs = 4fsc PAL (tieâu chuaån PAL 4fsc) STT Thoâng soá Giaù trò cuûa PAL 625/50 1 Soá maãu/doøng 1135 (tröø doøng 313 vaø 625) 2 Soá maãu/doøng tích cöïc 948 3 Taàn soá laáymaãu fs Fs = 4fsc = 17.734475 mhz 4 Traïng thaùi pha laáy maãu +450;+1350;+2250;+3150 5 Maõ hoaù Löôïng töû hoaù ñeàu 6 Ñoä phaân giaûi löôïng töû hoaù 8 hoaëc 10 bit/maãu 7 Toác ñoä döõ lieäu 177.3Mb/s Baûng caùc thoâng soá cuûa tieâu chuaån PAL 4fsc Taûi maøu fsc (Burst) ñöôïc thay ñoåi pha laàn löôït theo hai giaù trò +1350 vaø +225 vaø noù taïo ra xung laáy maãu fs. Taûi maøu PAL coù chöùa moät taàn soá Offset laø 25Hz. Nhö vaäy fsc seõ laø : Fsc = , vôùi n=567 Soá chu kyø taûi maøu trong moät aûnh (frame) : chu kyø/frame Taàn soá laáy maãu fs coù pha laø 00 vaø truïc U Fs = 4fsc = 17.734475 mhz. Soá maãu trong moät doøng ñöôïc tính giöõa hai xung ñoàng boä keà nhau : . Soá maãu toång coäng treân moät aûnh laø : . Neáu choïn soá maãu/doøng laø 1135 thì soá maãu/aûnh laø 709375, trong ñoù coù 948 maãu/doøng tích cöïc vaø 187 maãu/khoaûng xoaù doøng. Ñænh traéng Burst Doøng tích cöïc soá 984 khoaûng maãu töø 0,1 947 Möùc ñoàng boä Möùc ñen Möùc ñoàng boä Xoaù soá 187 maãu 948,949 .……...1134 12 . Bieân ñoàng boä Thöù töï maãu Bieân ñoä 28.2ns 52 4.7 Chuaån ñoàng boä 955 956 957 958 959 960 50% Hình 5-14 : Quan Heä Soá Maãu PAL 4fsc Vaø Moät Doøng Tín Hieäu Analog Caàn chuù yù raèng doøng thöù 313 vaø 625 naèm trong khoaûng xoaù maønh. Treân hình 5-14 cho thaáy caùc maãu ñöôïc tính töø 0 1134, trong ñoù ñaàu tieân laø caùc doøng tích cöïc chieám 948 maãu töø 0947, keá ñeán laø möùc ñoàng boä chieám 187 maàu töø 948 1134. Ñieåm chuaån ñoàng boä naèm ôû giöõa maãu 958. Thôøi gian moät maãu laø: Löôïng töû hoùa TT Thoâng soá PAL composite Ñoä phaân giaûi 8 bit Ñoä phaân giaûi 10 bit 1 Caùc möùc baûo veä tín hieäu maøu FF 3FC, 3FD, 4FE, 3FF 2 Möùc löôïng töû hoaù cao nhaát FE 3FB 3 Möùc ñænh mau >FE >3FB 4 Möùc traéng D3 34C 5 Möùc xoaù, möùc ñen 3C 100 6 Möùc ñænh ñoàng boä maøu 04 016 7 Möùc löôïng töû hoaù thaáp nhaát 01 004 8 Caùc möùc baûo veä ñoàng boä 00 000, 001, 002, 003 Baûng caùc möùc chuû yeáu cuûa composite soïc maøu töông töï 100/0/100/0 vaø caùc giaù trò PAL 4fsc töông öôùng vôùi ñoä phaân giaûi 8 bit vaø 10 bit. mV 933.5 908.3 700 0 -300 -301.2 -304.8 DEC 1023 1019 844 256 4 3 2 1 0 HEX 3FF 3FB 34C 100 016 004 003 002 001 000 Headroom 100% möùc maøu Möùc löôïng töû hoaù cao nhaát Möùc traéng Möùc traéng Möùc xoaù = möùc ñen Möùc ñoàng boä = Möùc löôïng töû hoaù thaáp nhaát mV 933.5 908.3 700 0 -300 -301.2 -304.8 DEC 1023 1019 844 256 4 3 2 1 0 HEX 3FF 3FB 34C 100 016 004 003 002 001 000 Headroom 100% möùc maøu Möùc löôïng töû hoaù cao nhaát Möùc traéng Möùc traéng Möùc xoaù = möùc ñen Möùc ñoàng boä = Möùc löôïng töû hoaù thaáp nhaát Khoaûng döï phoøng ñoàng boä Hình 5-15 : Quan Heä Giöõa Caùc Möùc Cuûa Analog PAL Soïc Maøu 100% Vaø PAL 4fsc Baûng 52-4 vaø hình 52-5 minh hoaï moät soá thoâng soá cuûa tín hieäu soïc maøu composite töông töï vaø caùc möùc PAL 4fsc töông öùng trong tröôøng hôïp ñoä phaân giaûi 8 bit vaø 10 bit. Caùc möùc löôïng töû töông öùng vôùi ñoä phaân giaûi 10 bit goàm coù 2n = 1024 möùc töø 0 1023 (heä DEC) vaø töø 000 3FF (heä HEX) vôùi caùc chöùc naêng nhö sau : Töø 000 003 laø möùc baûo veä, chöùa thoâng tin döï phoøng ñoàng boä, khoâng chöùa doøng soá. Töø 004 3FB (hay möùc 4 1019 DEC)duøng bieåu dieãn tính hieäu video soá. Möùc 004 (HEXA) hay möùc 4 (DEC) laø dænh xung ñoàng boä cuõng laø möùc löôïng töû hoaù thaáp nhaát. Möùc 100 hay 256 (DEC) laø möùc xoaù cuõng laø möùc ñen, töông öùng 0mv. Möùc 34C (HEXA) hay 844 (DEC) laø möùc traéng, töông öùng 700mv. Möùc 3FB laø möùc löôïng töû hoaù cao nhaát. Nhö vaäy, coù 1016 möùc soá (004 3FB hay töø 4 1019 DEC) duøng ñeå bieåu dieãn tín hieäu video toång hôïp. Caùc möùc töø 3FC 3FF laø caùc möùc baûo veä. Möùc ñænh tín hieäu maøu vaøng (Yellow) vaø xanh caåm thaïch (Cyan) laø 933.5mv, nhöng khi laáy maãu tín hieäu vaøng laø 886mv nhoû hôn möùc löôïng töû cao nhaát töông öùng 908.3mv, neân ôû ñaây toàn taïi moät headroom aâm taïi ñænh tín hieäu soá. Ôû ñaây, vôùi n = 10 bit/maãu, fs = 17.73 mhz, fmax = 5 mhz, Vq = 1.2131 V, Vw – Vb = 0.7 V, ta coù . Tieâu Chuaån Digital Composite fs = 4fsc NTSC (tieâu chuaån NTSC 4fsc) STT Thoâng soá Giaù trò NTSC 525/60 1 Soá maãu/doøng 910 2 Soá maãu/doøng tích cöïc 768 3 Taàn soá laáymaãu fs Fs = 4fsc = 14.32818 mhz 4 Caáu truùc laáy maãu Tröïc giao 5 Traïng thaùi pha laáy maãu +330;+1230;+2130;+3030 6 Maõ hoaù Löôïng töû hoaù ñeàu 7 Ñoä phaân giaûi löôïng töû hoaù 8 hoaëc 10 bit/maãu 8 Toác ñoä döõ lieäu 143Mb/s Baûng caùc thoâng soá cô baûn cuûa NTSC 4fsc Taàn soá laáy maãu chuaån fs = 14.3118 mhz 14.32 mhz, fh = 15734.25 Hz, soá maãu/doøng laø : . Coù 525 – 38 = 487 doøng tích cöïc, moät doøng tích cöïc chöùa 768 maãu. Khoaûng xoaù doøng laø : 910 – 768 = 142 maãu. Ñieåm chuaån ñoàng boä laø ñieåm giöõa söôøn xung ñoàng boä naèm giöõa maãu thöù 784 vaø 785. Khoaûng video tích cöïc töø 0 767 Tieáp theo laø khoaûng xoaù töø maãu 768 909 (142 maãu). Chuùng ñöôïc minh hoaï treân hình 52-7. Baét ñaàu xoaù doøng soá Keát thuùc xoaù doøng soá Keát thuùc video soá tích cöïc Doøng chuaån 747 748 782 784 785 787 849 854 857 900 909 000 864 893 Baét ñaàu video soá tích cöïc Hình 5-16 : Khoaûng xoaù doøng soá NTSC 4fsc TT Thoâng soá NTSC composite Ñoä phaân giaûi 8 bit Ñoä phaân giaûi 10 bit 1 Caùc möùc baûo veä tín hieäu maøu FF 3FC, 3FD, 4FE, 3FF 2 Möùc löôïng töû hoaù cao nhaát FE 3FB 3 Möùc ñænh maøu F3 3CC 4 Möùc traéng C8 320 5 Möùc ñen 46 11A 6 Möùc xoaù 3C 0F0 7 Möùc ñænh ñoàng boä maøu 04 016 8 Möùc löôïng töû hoaù thaáp nhaát 01 004 9 Caùc möùc baûo veä ñoàng boä 00 000, 001, 002, 003 Baûng caùc möùc chuû yeáu cuûa Composite soïc töông töï 100/7.5/100/7.5 vaø caùc giaù trò NTSC 4fsc töông öùng vôùi ñoä phaân giaûi 8 bit vaø 10 bit Löôïng töû hoaù. Caùc möùc löôïng töû hoaù theo ñoä phaân giaûi 10 bit goàm 210 = 1024 möùc töø 0 1023 töø döôùi leân coù caùc möùc nhö sau : Töø 000 003 laø khoaûng döï phoøng ñeå cheøn caùc möùc ñoàng boä, khoâng chöùa caùc doøng soá. Töø 004 3FB (hay möùc 1019 DEC) duøng cho tín hieäu soá . Vq(mV) 998.1 994.2 992.9 934.3 714.3 53.57 0 -285.7 -300.7 -302.3 -306.1 DEC 1023 1020 1019 972 800 282 240 16 4 3 0 HEX 3FF 3FC 3FB 3CC 320 11A 0F0 016 010 004 003 000 100% möùc maøu Möùc löôïng töû hoaù cao nhaát Möùc traéng Möùc ñen Möùc ñoàng boä Möùc löôïng töû hoaù thaáp nhaát Möùc xoaù Headroom Hình 5-17 : Quan heä giöõa caùc möùc cuûa analog NTSC vaø Caùc giaù trò maãu digital 10 bit caùc soïc maøu 100% Töø 0 04 010 (4 16 DEC) laø möùc headroom ñoàng boä. Headroom ñænh töø 3CC 3FB (927 1019). Töø 3FC 3FF laø möùc baûo veä ñænh. Möùc 3CC laø möùc tín hieäu cao nhaát (Yellow vaø Cyan). Möùc 0F0 laø möùc xoaù . Möùc 11A laø möùc ñen. Tyû soá tín hieäu treân nhieãu löôïng töû ñöôïc tính : Ôû ñaây, vôùi n = 10 bit/maãu, fs = 14.33 mhz, fmax = 4.2 mhz, Vq = 1.3042 V, Vw – Vb = 0.7143 V, ta coù .  Keát Luaän : Ñoái vôùi tín hieäu video toång hôïp (NTSC hoaïc PAL) taàn soá laáy maãu cho tín hieäu video thöôøng laø 2, 3 hoaëc 4 laàn taàn soá soùng mang maøu (2fsc, 3fsc hoaëc 4fsc). Tín hieäu video soá toång hôïp coøn mang ñaày ñuû nhöõng khuyeát ñieåm cuûa tín hieäu video töông töï nhaát laø hieän töôïng can nhieãu – choùi maøu. Taàn soá laáy maãu caøng taêng, chaát löôïng video caøng cao, tuy nhieân taàn soá laáy maãu lôùn ñoøi hoûi thieát bò, ñöôøng truyeàn phaûi coù daûi thoâng roäng vaø caùc boä nhôù coù dung löôïng lôùn. Chi phí cho toaøn boä heä thoáng do vaäy taêng leân nhieàu laàn. Taàn soá laáy maãu thích hôïp naèm trong khoaûng töø 12 mhz 14 mhz. Soá hoaù tín hieäu video toång hôïp coù toác ñoä bit thaáp so vôùi phöông phaùp soá hoaù tín hieäu video thaønh phaàn. Tính hieäu soá toång hôïp boäc loä nhieàu nhöôïc ñieåm trong quaù trình xöû lyù soá, taïo kyõ xaûo, döïng hình… Tieâu Chuaån Component Soá. Tieâu chuaån Component soá ñöôïc duøng ôû chaâu Aâu vaø chaâu Myõ theo chuaån Recommendation 601 CCIR. Tieâu chuaån naøy töông thích vôùi tieâu chuaån queùt 625/50 vaø 525/60 vôùi ñoä phaân giaûi 8bit/maãu vaø 10 bit/maãu. Tyû Leä Laáy Maãu Caùc toå chöùc phaùt thanh vaø truyeàn hình : SMPTE (Society of Motion Picture ang Television Engineer) vôùi chuaån ATSC (Advance Television standards Committee). EBU (European Broadcasting Union) vôùi chuaån DVB (Digital Video Broadcasting) ñaõ thoáng nhaát choïn chuaån CCIR Rec. 601 töø naêm 1982 treân cô sôû taàn soá chuaån 3.375 mhz. Tyû leä laáy maãu ôû tieâu chuaån component soá laø tæ leä maø ôû ñoù tín hieäu Luminance (Y) vaø hai tín hieäu maøu CB vaø CR ñöôïc laáy maãu ôû caùc taàn soá töông öùng vôùi boäi soá cuûa taàn soá chuaån 3.375 mhz. Thoâng thöôøng coù caùc tyû leä laáy maãu sau : 4:1:1, trong ñoù tín hieäu Y coù taàn soá laáy maãu fsy = 4, hai tín hieäu soá maøu ñöôïc laáy maãu ôû taàn soá fscb = fscr = = 3.375mhz. 4:2:2, trong ñoù tín hieäu Y coù taàn soá laáy maãu fsy = 4, hai tín hieäu soá maøu ñöôïc laáy maãu ôû taàn soá fscb = fscr = = 6.75 mhz. 4:4:4, trong ñoù caùc tín hieäu Y, CB, CR coù taàn soá laø . Caùc Tín Hieäu Maõ Hoaù, Thôøi Gian Vaø Taàn Soá Laáy Maãu Chuaån 4:2:2. Caùc tín hieäu maõ hoaù Y, CB, CR ñöôïc moâ taû nhö ôû baûng sau: Caùc thoâng soá maõ hoaù maøu 4:2:2 cuûa tieâu chuaån 625/50 vaø 525/60. Thoâng soá Chuaån 4:2:2 cuûa 625/50 Chuaån 4:2:2 cuûa 525/60 Caùc tín hieäu maõ hoaù sau khi ñaõ söûa Y’ = 0.587G’ + 0.114B’ + 0.299R’ CB’ = 0.564(B’ – Y’) CR’ = 0.713(R’ – Y’) Soá maãu/doøng Y : 864 CB : 432 CR : 432 Y : 858 CB : 392 CR : 429 Soá maãu/doøng tích cöïc Y : 720 CB : 360 CR : 360 Caáu truùc laáy maãu Tröïc giao Caùc maãu CB, CR, laëp laïi theo doøng, maønh vaø aûnh cuøng vôùi caùc maãu Y leû treân doøng. Taàn soá laáy maãu Fsy = 846fh = 13.5mhz Fscb = fscr = 432fh = 6.75mhz Fsy = 858fh = 13.5mhz Fscb = fscr = 429fh = 6.75mhz Loaïi maõ Ñieàu xung maõ (PCM), löôïng töû hoaù ñeàu. Ñoä phaân giaûi löôïng töû 8 hoaëc 10 bit/maãu cho Y vaø caùc tín hieäu soá maøu Baûng caùc thoâng soá maõ hoaù 4:2:2 cuûa tieâu chuaån 625/50 vaø 525/60 Thôøi gian vaø taàn soá laáy maãu 4:2:2. Heä 625/50 coù thôøi gian moät doøng laø 64, thôøi gian moät doøng tích cöïc laø 52, thôøi gian xoaù doøng laø 12. Heä 525/60 coù thôøi gian moät doøng laø 63.56, thôøi gian moät doøng tích cöïc laø 52, thôøi gian xoaù doøng laø 11.56. Fsy = 13.5 cuûa hai heä ñöôïc taïo töø boä dao ñoäng PLL-CO (Phase Locked Loop – Controlled Oscillator). Vôùi heä 625/50 fsy = 864 15625 Hz = 13.5 mhz. Coøn heä 525/60 fsy = 858 15734.265 = 13.5 mhz. Chuùng ñöôïc ñoàng boä töø tín hieäu video in. Ñaëc tính cuûa maïch loïc Y baèng chaúng ñeán 5.75 mhz, coøn CB, CR ñaït ñeán 2.75 mhz. Löôïng Töû Hoaù Thaønh phaàn choùi Y. TT Thoâng soá cuûa Y component Ñoä phaân giaûi 8 bit Ñoä phaân giaûi 10 bit 1 Caùc möùc baûo veä ñænh FF 3FC, 3FD, 3FE, 3FF 2 Möùc löôïng töû hoaù cao nhaát FE 3FB 3 Möùc ñænh traéng EB 3AC 4 Möùc xoaù 10 040 5 Giaù trò löôïng töû hoaù nhoû nhaát 01 004 6 Caùc möùc baûo veä döôùi 00 000, 001, 002, 003 Baûng moät soá thaønh phaàn Y tín hieäu soïc maøu 100/0/100/0 vaø caùc tín hieäu soá Y trong heä HEX töông öùng vôùi 8 bit vaø 10 bit Caùc möùc löôïng töû theo 10 bit goàm 210 = 1024 möùc töø 0 1023 (heä DEC) vaø töø 000 3FF (heä HEX) vôùi chöùc naêng cuûa caùc möùc nhö sau : 8 bit 255 254 235 16 1 0 FF FE EB 10 01 00 10 bit mV DEC HEX 766.3 763.9 763.1 700 0 -47.9 -48.9 -51.1 1023 1020 1019 940 64 4 3 0 3FF 3FC 3FB 3AC 040 004 003 000 Headroom Möùc löôïng töû cao nhaát Möùc ñænh Möùc löôïng töû thaáp Xung ñoàng boä khoâng löôïng töû 4 möùc döï phoøng Headroom 4 möùc döï phoøng Hình 5-18 : Quan Heä Giöõa Caùc Möùc Tín Hieäu Analog Component Y Cuûa Soïc Maøu 100% Vaø Caùc Giaù Trò Laáy Maãu 10 Bit Vaø 8 Bit Töù 000 003 laø 4 möùc döï phoøng döôùi. Töø 004 3FB laø doøng tín hieäu soá. Möùc 004 HEX hay 64 DEC laø möùc xoaù. Möùc 3AC HEX hay 940 DEC laø möùc ñænh traéng. Phaàn xung ñoàng boä cuûa tín hieäu choùi khoâng ñöôïc laáy maãu. Headroom döôùi nhoû laø khoûng döï phoøng cho pheùp chænh caùc möùc analog, töø möùc 004 040 HEX hay 4 64 DEC. Töø 3AC 3FB HEX hay 940 1019 DEC laø möùc headroom treân. Möùc 3FB HEX hay 1019 DEC laø möùc löôïng töû cao nhaát. Töø 3FC 3FF HEX hay 1020 1023 DEC laø 4 khoaûng döï phoøng. Ôû ñaây, vôùi n = 10 bit/maãu, fs = 13.5mhz, fmax = 5.57 mhz, Vq = 0.8174 V, Vw – Vb = 0.7 V, ta coù . Vôùi n = 8 bit, ta coù : Thaønh Phaàn CB Vaø CR. STT Thoâng soá CB vaø CR Component Ñoä phaân giaûi 8 bit Ñoä phaân giaûi 10 bit 1 Caùc möùc baûo veä ñænh FF 3FC, 3FD, 3FE, 3FF 2 Möùc löôïng töû cao nhaát FE 3FB 3 Möùc ñænh döông E0 3C0 4 Möùc xoaù 80 200 5 Möùc ñænh aâm 10 040 6 Möùc löôïng töû thaáp nhaát 01 004 7 Caùc möùc baûo veä döôùi 00 000, 001, 002, 003 Baûng caùc möùc analog component CB vaø CR cuûa tín hieäu Soïc maøu 100/0/100/0 vaø caùc gí trò cuûa CB vaø CR digital öùng vôùi 8 bit vaø 10 bit Caàn chuù yù raèng caùc tín hieäu CB vaø CR laø löôõng cöïc, do ñ1o phaûi dòch möùc 350mv ñeå ñöa vaøo boä ADC. Töông töï nhö thaønh phaàn choùi, caùc möùc löôïng töû hoaù cuûa CB chæ roõ ôû hình 5-19a, cuûa CR ôû hình 5-19b. mV (10bit) 399.23 396.9 396.1 350 -350 -396.9 -397.7 -400 8 bit DEC HEX 255 254 240 128 16 1 0 FF FE F0 80 10 01 00 10 bit DEC HEX 1023 1020 1019 960 512 64 4 3 0 3FF 3FC 3FB 3C0 200 040 004 003 000 4 möùc döï phoøng Headroom Headroom 4 möùc döï phoøng Möùc löôïng töû cao nhaát Möùc döông max Möùc xoaù Möùc aâm max Möùc löôïng töû thaáp nhaát Hình 5-19a : Caùc Möùc Tín Hieäu CB mV (10bit) 399.2 396.9 396.1 350 -350 -396.9 -397.7 -400 8 bit DEC HEX 255 254 240 128 16 1 0 FF FE F0 80 10 01 00 10 bit DEC HEX 1023 1020 1019 960 512 64 4 3 0 3FF 3FC 3FB 3C0 200 040 004 003 000 4 möùc döï phoøng Headroom Headroom 4 möùc döï phoøng Möùc löôïng töû cao nhaát Möùc döông max Möùc xoaù Möùc aâm max Möùc löôïng töû thaáp nhaát + C - Hình 5-19b : Caùc Möùc Tín Hieäu CR Tæ leä : N = 10 bit/maãu Vq = 0.7792V Vw – VB = 0.7V Vôùi n = 8 bit/maãu Caáu Truùc Laáy Maãu Tröïc Giao Caùc maãu ñöôïc saép xeáp treân caùc doøng keà nhau, thaønh caùc haøng thaúng ñöùng. Caáu truùc naøy coá ñònh theo maønh (field) vaø theo frame. 1 2 3 4 Field 1 Field 2 f1 f2 f2 f2 f1 f1 f1 Caùc haøng thaúng theo chieàu doïc goïi laø caáu truùc maãu tröïc giao. Hình 5-20 : Caáu Truùc Maãu Tröïc Giao Neùn MPEG-2 Cho Video Soá Taïi sao caàn neùn? Toác ñoä bít cuûa video 200Mb/s ñoøi hoûi boä nhôù vaø baêng taàn keânh truyeàn roäng do ñoù phaûi neùn. Neùn laø moät caùch bieåu dieãn audio vaø video soá baèng caùch duøng data ít hôn goác hay noùi caùch khaùc laø quaù trình loaïi boû caùc thoâng tin dö thöøa sao cho coù theå bieåu dieãn moãi khung (frame) ñôn baèng moät löôïng döõ lieäu xaùc ñònh nhoû hôn löôïng cuõ,hoaëc vôùi toác ñoä data thaáp hôn ôû tröôøng hôïp audio hay aûnh thay ñoåi theo thôøi gian. Öu Ñieåm: Tieát kieäm boä nhôù à kích thöôùc maùy nhoû hôn (ghi hình baêng nhoû hôn hoaëc duøng ñóa.) Tieát kieäm baêng taàn keânh truyeàn (trong thôøi gian thöïc hoaëc nhanh hôn thöïc). Giaûm toác ñoä data Thuaän tieän cho thoâng tin goùi: vieäc goùi hoaù tín hieäu digital vaø vieäc laøm giaûm toác ñoä goùi raát quan troïng trong vieäc söû duïng chung keânh truyeàn vôùi nhieàu tín hieäu khaùc nhau. ENTROPY Tröôùc khi nghieân cöùu caùc phöông phaùp neùn, ta caàn ñaùnh giaù löôïng thoâng tin chuû yeáu ñöôïc chöùa ñöïng trong hình aûnh, ñeå töø ñoù xaùc ñònh dung löôïng toái thieåu caàn söû duïng ñeå mieâu taû, truyeàn taûi thoâng tin veà hình aûnh. Goïi löôïng thoâng tin trung bình cuûa hình aûnh laø H(x), H(x) laø ENTROPY cuûa hình aûnh vaø ñöôïc tính theo coâng thöùc : I(xi) : Löôïng thoâng tin cuûa phaân töû aûnh xi (ñöôïc tính = bit). P(xi) : Xaùc xuaát phaàn töû aûnh xi xuaát hieän. Ta coù : DCT (Discrete Transform) DCT laø pheùp bieán ñoåi toaùn hoïc khoâng toån hao, coù tính thuaän nghòch, söû duïng trong coâng vieäc neùn khoâng gian Pheùp bieán ñoåi cosin rôøi raïc DCT ñöôïc bieåu thò baèng coâng thöùc : Pheùp bieán ñoåi nghòch DCT-1 ñöôïc bieåu thò baèng : Bieân ñoä Bieân ñoä Heä soá theo chieàu doïc Heä soá theo chieàu doïc Heä soá theo chieàu ngang Heä soá theo chieàu ngang DCT Hình 5-21 : Bieán Ñoåi DCT DCT bieán ñoåi döõ lieäu döôùi daïng bieân ñoä thaønh döõ lieäu döôùi daïng taàn soá. Caùc pheùp tính ñöôïc thöïc hieän trong phaïm vi caùc khoái 88 maãu tín hieäu choùi Y vaø caùc khoái töông öùng cuûa tín hieäu maøu CB vaø CR. Löôïng Töû Hoaù Löôïng töû hoaù laø quaù trình giaûm bôùt löôïng bit caàn thieát ñeå bieãu dieãn caùc heä soá. Trong quaù trình löôïng töû hoaù, ta coù theå duøng 11 bit cho heä soá moät chieàu (DC) vaø raát ít bit cho caùc heä soá coù thöù töï cao hôn. Möùc löôïng töû ñöôïc xaùc ñònh cho töøng Macroblock (1616 pixels) hoaëc moät nhoùm lôùn caùc Macroblock. Heä soá moät chieàu (DC coefficient) trong DCT ñoøi hoûi ñoä chính xaùc cao nhaát bôûi leû noù bieåu thò giaù trò ñoä choùi trung bình cuûa töøng khoái phaàn töû aûnh (pixel block). Heä soá moät chieàu caàn ñöôïc maõ hoaù khaùc so vôùi caùc heä soá khaùc (heä soá xoay chieàu coefficient). 16 16 16 16 16 16 16 16 16 11 10 16 24 40 51 61 16 16 16 16 16 16 16 16 12 12 14 19 26 58 60 50 16 16 16 16 16 16 16 16 14 13 16 24 40 57 69 56 16 16 16 16 16 16 16 16 14 17 22 29 51 87 80 62 16 16 16 16 16 16 16 16 18 22 37 56 68 109 103 77 16 16 16 16 16 16 16 16 24 35 55 64 81 104 113 92 16 16 16 16 16 16 16 16 49 64 78 87 103 121 120 101 16 16 16 16 16 16 16 16 72 92 95 98 112 100 103 99 16 16 16 16 16 16 16 16 C00 C01 C02 C03 . . . 16 16 16 16 16 16 16 16 C10 C11 C12 . . . 16 16 16 16 16 16 16 16 C20 . . . 16 16 16 16 16 16 16 16 C30 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 C70 . . . C77 16 16 16 16 16 16 . . . 16 16 16 16 16 16 16 16 . . . 16 16 16 16 16 16 16 16 . . . 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 . . . C00 16 C01 11 C02 10 C03 16 C10 12 C11 12 C12 14 C20 14 C30 14 C70 72 C77 99 Löôïng töû hoaù coù troïng soá Heä soá DCT Heä soá DCT ñaõ löôïng töû hoaù Ma traän troïng soá Hình 5-22 : Löôïng Töû Hoaù Coù Troïng Soá Söû Duïng Trong Kyõ Thuaät Neùn Löôïng töû hoaù coøn ñöôïc thöïc hieän baèng caùch chia caùc heä soá C(u,v) cho caùc heä soá ôû vò trí töông öùng trong baûng löôïng töû, hình 5-22, heä soá öùng vôùi taàn soá thaáp ñöôïc chia cho caùc giaù trò nhoû (10, 11, 12,…). Heä soá öùng vôùi taàn soá cao ñöôïc chia cho caùc giaù trò lôùn (100, 120, 121,…) vaø boû ñi phaàn töû thaäp phaân. Keát quaû ta coù moät taäp hôïp caùc heä soá cosin C’(u,v) seõ ñöôïc soá hoaù vaø maõ hoaù trong coâng ñoaïn tieáp theo. Ví duï veà DCT coding vaø löôïng töû hoaù, hình 5-23. 16 16 16 16 16 16 16 16 12 17 16 8 3 11 10 10 16 16 16 16 16 16 16 16 16 6 12 11 6 4 10 1 16 16 16 16 16 16 16 16 6 4 10 5 8 12 4 8 16 16 16 16 16 16 16 16 11 12 15 5 4 10 6 7 16 16 16 16 16 16 16 16 11 14 11 2 8 9 3 6 16 16 16 16 16 16 16 16 14 17 11 13 2 6 9 6 16 16 16 16 16 16 16 16 13 18 15 11 6 1 6 6 16 16 16 16 16 16 16 16 11 6 8 10 4 10 5 9 16 16 16 16 16 16 16 16 10 12 8 1 1 0.3 0.2 0.1 16 16 16 16 16 16 16 16 12 4.5 1.1 1.4 0.2 0.2 0.3 0.4 16 16 16 16 16 16 16 16 4 1.2 1.1 0.5 0.1 0.4 0.1 0.2 16 16 16 16 16 16 16 16 1 0.3 0.4 1.1 0.4 0.2 0.4 01 16 16 16 16 16 16 16 16 0.1 0.1 1 0.3 0.2 0.4 0.2 0.2 16 16 16 16 16 16 16 16 0.2 0.1 0.2 0.3 0.2 0.3 0.1 0.1 16 16 16 16 16 16 16 16 0.4 0.1 0.5 0.4 0.3 0.3 0.2 0.1 16 16 16 16 16 16 16 16 0.2 0.3 0.1 0.3 0.2 0.4 0.2 0.2 16 16 16 16 16 16 16 16 11 12 8 1 1 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 12 4 1 1 0 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 4 1 1 0 0 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 1 0 0 1 0 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 0 0 1 0 0 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 0 0 0 0 0 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 0 0 0 0 0 0 0 0 16 16 16 16 16 16 16 16 0 0 0 0 0 0 0 0 11, 12, 12, 4, 4, 8, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 11, 212, 24, 8, 41, 20, 31, , 80, 21, 390 DCT Quantization Hình 5-23 : DCT Coding Vaø Löôïng Töû Hoaù Ví duï naøy chæ thò yeâu caàu maõ DCT vaø löôïng töû hoaù nhö theá naøo ñeå giaûm toác ñoä döõ lieäu moät caùch ñaùng keå ñeå truyeàn sub-block cuûa thoâng tin video. DCT nhaän ma traän 8 8 dieãn taû trong mieàm khoâng gian vaø chuyeån thaønh ma traän töông ñöông 8 8 trong mieàn taàn soá. Chuù yù raèng nhöõng thaønh phaàn taàn soá thaáp ñöôïc nhoùm ôû goùc beân traùi phía treân, chöùa haàu heát nhöõng heä soá cao. Taïi ñieåm naøy chuyeån ñoåi DCT ngöôïc seõ löu tröõ ma traän trong mieàn khoâng gian nguyeân thuyû. Quaù trình löôïng töû hoaù seõ thay theá nhöõng giaù trò nhoû coù heä soá taàn soá cao nhaát baèng soá “0” vaø thay theá nhöõng soá coù giaù trò gioáng nhau (similar) baèng soá “1” chung. Sau ñoù ma traän ñöôïc ñoïc ra theo caùch hình chöõ chi (zig-zag) ñöôïc chæ ra treân hình 52-19. Vì theá nhöõng heä soá taàn soá cao nhaát laø “0” ñöôïc nhoùm laïi vôùi nhau.sau ñoù, haøng döõ lieäu daøi naøy ñöôïc thay theá baèng moät haøng ngaén hôn. Hình 5-24 : Sô Ñoà Moät Ñöôøng Queùt Zigzag Cuûa Nhöõng Heä Soá DCT Ñaõ Löôïng Töû Hoùa Neùn Khoâng Toån Hao Tieáp theo löôïng töû hoaù, neùn khoâng toån hao coù thöïc hieän bôûi phöông phaùp maõ hoaù vôùi ñoä daøi töø maõ thay ñoåi VLC (Variable Length Coding) vaø maõ theo chieàu daøi RLC (Run Length Coding). Thöù töï truyeàn caùc heä soá cuõng laøm toái öu hieäu quaû cuûa quaù trình maõ hoaù. Xöû lyù 64 heä soá cuûa khoái 88 phaàn töû aûnh baèng caùch queùt zig-zag laøm taêng toái ña chuoãi giaù trò “0” vaø do vaäy laøm taêng hieäu quaû cuûa neùn. Maõ hoaù vôùi ñoä daøi töø maõ thay ñoåi – VLC söû duïng it bit ñeå maõ caùc giaù trò thöôøng xaûy ra vaø nhieàu bit ñeå maõ caùc giaù trò ít xaûy ra. Ví duï : Maõ hoaù vôùi ñoä daøi coá ñònh : Phaàn töû Xaùc xuaát Töø maõ Chieàu daøi töø maõ A B C D 0.75 0.125 0.0625 0.0625 00 01 10 11 2 2 2 2 bit Phaàn töû Soá bit trung bình Phaàn töû = 0.752 + 0.1252 + 0.06252 + 0.06252 = 2 Maõ hoaù vôùi ñoä daøi töø maõ thay ñoåi. Phaàn töû Xaùc xuaát Töø maõ Chieàu daøi töø maõ A B C D 0.75 0.125 0.0625 0.0625 00 01 10 11 1 2 3 3 bit Phaàn töû Soá bit trung bình Phaàn töû = 0.751 + 0.1252 + 0.06253 + 0.06253 = 1.375 Nhö vaäy, trong ví duï ñôn giaûn treân, maõ hoaù vôùi ñoä daøi töø maõ thay ñoåi (VLC) tieát kieäm ñöôïc : . Maõ theo chieàu daøi RLC laø quaù trình trong ñoù chæ söû duïng moät töø maõ duy nhaát ñeå mieâu taû moät chuoãi caùc giaù trò gioáng nhau (ví duï nhö “0”). Neáu ta coù chuoãi 25 töø maõ vôùi giaù trò “0”, ta coù theå bieåu thò baêng caùc kí töï ESC, tieáp theo ñoù laø giaù trò 25 vaø giaù trò “0”. Nhö vaäy 25 byte ñöôïc neùn xuoáng coøn 3 byte. Neùn Lieân Aûnh (Inter-Frame Compression) Aûnh ñoäng laø taäp hôïp caùc aûnh tónh trong mieàn thôøi gian, khi moät chuoãi caùc aûnh coù löôïng thoâng tin ít thay ñoåi thì baèng vieäc tính toaùn chuyeån dòch vò trí noäi dung aûnh thay ñoåi ñeå loaïi boû nhöõng thoâng tin dö thöøa trong mieàn thôøi gian goïi laø kyõ thuaät neùn lieân aûnh. Hình 5-25 laø moät ví duï minh hoaï söû duïng vectô chuyeån ñoäng trong neùn lieân aûnh. Ngöôøi ta chia caùc hình aûnh thaønh caùc Macro-Block = 1616 pixels = 4 block = 4(88) pixels. Khi caùc vuøng aûnh chuyeån ñoäng, ngöôøi ta tìm kieám caùc vò trí thay ñoåi trong caùc block cuûa aûnh keá tieáp, keát quaû seõ cho moät vectô chuyeån ñoäng cuûa Macroblock. MPEG MPEG MPEG Vectô di chuyeån cho nhoùm pixels di chuyeån Vectô di chuyeån = 0 cho nhoùm pixels khoâng di chuyeån Frame # N Frame # N + 1 Time Do vaäy, vieäc nhôù aûnh tónh, aûnh tröôùc aûnh sau cuûa aûnh ñang xeùt ñeå keát hôp thoâng tin vectô chuyeån ñoäng cuûa Macroblock seõ cho keát quaû aûnh khaùc bieät, neáu 2 aûnh gioáng nhau thoâng tin cho ra baèng khoâng, thoâng thöôøng caùc thay ñoåi naøy raát ít neân hieäu quaû neùn naøy raát cao. Hình 5-25 : Hình Minh Hoaï Neùn Lieân Aûnh Sô Ñoà Khoái Nhö Hình 5-26 Hieäu giöõa hai aûnh hieän taïi vaø aûnh döï ñoaùn seõ cho aûnh khaùc bieät ñaïu ra. Neáu khoâng coù chuyeån ñoäng, vaø khoâng coù söï khaùc bieät 2 aûnh (aûnh tónh), aûnh hieän taïi seõ ñöôïc döï ñoaùn moät caùch chính xaùc vaø tín hieäu töông öùng vôùi aûnh khaùc bieät ôû ñaàu ra seõ = 0. Khi hai aûnh khoâng gioáng nhau, aûnh khaùc bieät (hieäu giöõa hai aûnh) cuõng seõ chæ coøn raát ít thoâng tin vaø vì vaäy coâng ngheä “neùn” seõ ñaït ñöôïc hieäu quaû mong muoán. Löu tröõ aûnh döï ñoaùn Löu tröõ aûnh döï ñoaùn Xaùc ñònh vectô chuyeån ñoäng Löu tröõ aûnh moác + Vectô chuyeån ñoäng gheùp vôùi doøng döõ lieäu ñieàu khieån toác ñoä tröôùc ñoù Hôi ít thoâng tin neáu döï ñoaùn toát hoaëc thôøi gian dö thöøa cao AÛnh khaùc bieät AÛnh hieän taïi + Vectô chuyeån ñoäng vaø ñieàu khieån So saùnh aûnh tröôùc ñoù vaø aûnh hieän taïi ñeå taïo ra vectô chuyeån ñoäng Hình 5-26 : Sô Ñoà Khoái Neùn Lieân Aûnh Neùn Lieân Aûnh Neùn trong aûnh laø loaïi neùn nhaèm giaûm bôùt thoâng tin dö thöøa trong mieàn thôøi gian. Neùn trong aûnh söû duïng hai quaù trình coù toån hao vaø khoâng toån hao ñeå giaûm bôùt döõ lieäu trong moät aûnh. Quaù trình naøy khoâng söû duïng thoâng tin cuûa aûnh tröôùc vaø aûnh sau ñang xeùt. DCT Löôïng töû hoaù Maõ hoaù Entropy (VLC, RLC) Maïch troän Khueách ñaïi ñeäm Hình 5-  Hình 5-27 : Sô Ñoà Khoái Neùn Trong Aûnh Caáu Truùc Doøng Bit MPEG-2 Video Doøng bit MPEG video coù daïng nhö hình veõ : Seg Seg . . . . . Seg Seg SC Video Params Bitstream Params QTS Misc Gop . . . Gop GopSC Time code Gop Params Pict . . . Pict PSC Type Buffer Params Encode Params Slice . . . Slice SSC Vert Pos Qscale MB . . . MB Addr Iner Type Motion vector Qscale CBP . . . b5 b0 Hình 5-28 : Caáu Truùc Doøng Bit MPEG Video Seg : Thoâng ton veà chuoãi bit (Sequency). Video Params : Chieàu cao, roäng, tæ leä khuoân hình caùc phaàn töû aûnh. Bitstream Params : toác ñoä bit vaø caùc thoâng tin khaùc. Qts : Coù hai loaïi : Neùn trong aûnh (aûnh I – I frame). Neùn lieân aûnh (aûnh P – P frame). GOP : Thoâng tin veà nhoùm aûnh (Group of picture). Time code : SMPTE : Giôø, phuùt, giaây, aûnh. GOP params : Mieâu taû caáu truùc GOP. PICT : Thoâng tin veà aûnh (Picture Information ). Type : Aûnh loaïi I, P hay B. Buffer params : Thoâng tin veà buffer. Encode params : Thoâng tin veà vectô chuyeån ñoäng. Slice : Thoâng tin veà slice aûnh . Vert Pos : Slice baét ñaàu töø doøng naøo. Q Scale : Thoâng tin veà löôïng töû. MB : Thoâng tin veà Macroblock. Addriner : Soá löôïng Macroblock ñöôïc boû qua. Type : loaïi vectô chuyeån ñoäng duøng cho Macroblock. Code Block Pattern (CBP) : Chæ roõ block naøo ñöôïc maõ hoaù. Caáu Truùc I, P Vaø B Frame Hình 5-29 : Caáu Truùc Doøng I, P Vaø B Frame Bôûi vì möùc ñoä cao cuûa löôïng dö thöøa giöõa nhöõng frame trong nhoùm aûnh (group of picture) neân chæ thoâng tin aûnh thay ñoåi töø frame naøy ñeán frame keá tieáp, môùi caàn thieát ñöôïc truyeàn. I-frame (Intra-frame) chæ söû duïng neùn trong aûnh P-frame (Predictive frame) ñöôïc döï ñoaùn tröôùc treân cô sôû I-frame hoaëc P-frame. B-frame (Bidirectional) ñöôïc döï ñoaùn töø hai höôùng töø I-frame vaø hoaëc P-frame. Nhoùm Aûnh GOP. Quaù trình neùn chæ ra moãi nhoùn aûnh, caáu taïo thaønh nhöõng ñoaïn nhoû. Sau ñoù, nhöõng ñoaïn naøy laø nhöõng ñoái töôïng cho vieäc maõ. Ñaàu tieân nhoùm aûnh ñöôïc chia thaønh nhöõng video frame. Söï löïa choïn frame khaùc nhau laø coù theå lieân quan ñeán ngöôøi laäp trình. Ñoä phaân giaûi video heä PAL bao goàm moät maûng 720 pixels 576 doøng tích cöïc. Ñoä phaân giaûi thaáp hôn thì 720 pixels 288 doøng tích cöïc hoaëc 360 pixels 288 doøng tích cöïc, cuõng coù theå ñöôïc söû duïng ñeå taïo soá löôïng bit ñöôïc yeâu caàu ñeå truyeàn tín hieäu video. Nhoùm aûnh laø chuoãi video bao goàm moät chuoãi noái tieáp khung lieân keát (Interelated frame). Nhoùm aûnh luoân baét ñaàu töø moät aûnh I vaø keát thuùc ôû moät aûnh tröôùc aûnh I tieáp theo. GOP caáu truùc môû, aûnh cuoái cuûa GOP duøng laøm aûnh ñaàu tieân cuûa aûnh tieáp theo laøm aûnh chuaån. Caáu truùc GOP kheùp kín (Close GOP), vieäc döï ñoaùn aûnh khoâng söû duïng thoâng tin cuûa GOP khaùc, trong tröôøng hôïp naøy theo quy ñònh, aûnh cuoái cuøng cuûa moät GOP laø moät aûnh P. Picture Group Picture Group Picture Group Picture Group Group header I P B B P B B 32-BIT STAR CODE WORD SEQUENCE HEADER Provides info on horizontal& vertical resolution, pixel aspect ratio; quantizer matrix,… I =Intra Frame P = Predicted Frame B = Bi-Directional Frame CONTINUOUS SCENE comprised of Picture Group (up to 10 seconds) SEQ END CODE MPEG-2 VIDEO STRUCTURE – SEQUENCE LEVEL Random Access Unit : Context: Hình 5-30 : Caáu Truùc Nhoùm Aûnh Slices. Moãi frame video cuõng ñöôïc chia thaønh nhöõng ñoaïn goïi laø Slice hình 5-31. Vôùi tín hieäu video heä PAL, 576 doøng tích cöïc ñöôïc chia cho 16 ñeå taïo 36 slice. Slice #1 Slice #2 Slice #3 . . . . Group header I P B B P B B I =Intra Frame P = Predicted Frame B = Bi-Directional Frame PICTURE STRUCTURE Comprised of Picture Slices (576 Line/16 = 36 Slice MPEG-2 VIDEO STRUCTURE – GROUP LEVEL Random Access Unit Video Coding: Slice #36 PICTURE HEADER Provides 32-bit Picture Start Code; Frame Type; IPB frame display order;… Hình 5-31 : Caáu Truùc Slice Nhöõng slices laàn löôït ñöôïc chia thaønh nhöõng ñoaïn phaàn töû nhoû goïi laø Macroblock. Noù laø ñoái töôïng cho quaù trình toå hôïp toaùn hoïc (thöôøng söû duïng DCT). Macroblock. MPEG-2 VIDEO STRUCTURE – SLICE LEVEL Resynchronization Unit PICTURE STRUCTURE Comprised of Picture Slices (576 Line/16 = 36 Slice PICTURE HEADER Provides 32-bit Picture Start Code; Frame Type; IPB frame display order;… Slice #1 Slice #2 Slice #3 . . . . Slice #36 SLICE HEADER Start Code Location Code SLICE STRUCTURE Comprised of Macroblock 720 Pixels/16 = 45 Macroblock Macro Block 1 Macro Block 2 Macro Block 3 Macro Block 4 . . . . Macro Block 45 Hình 5-32 : Caáu Truùc Macroblock MPEG-2 bao goàm 4 khoái (block) cuûa thoâng tin brighness hoaëc laø luminance (Y) ñöôïc keát hôïp thaønh maûng 1616 pixel vaø hai khoái 88 pixel hoaëc nhieàu khoái hôn cho thoâng tin hieäu soá maøu CB, CR. Blocks Block thöôøng ñöôïc söû duïng cho heä soá DCT, khi DCT chuyeån thoâng tin aûnh cuûa tín hieäu choùi (Y) vaø caùc tín hieäu soá maøu töø mieàn khoâng gian thaønh mieàn taàn soá. Thoâng thöôøng block coù 88 = 64 heä soá DCT. Hình 5-33 : Caáu Truùc Block COEF 1 . . . . COEF 2 COEF 3 COEF 4 COEF 64 BLOCK START Block 1 Y Block 2 Y Block 3 Y Block 4 Y Block 5 U Block 6 V MPEG-2 VIDEO DATA STRUCTURE BLOCK LEVEL DCT Coefficients END OF BLOCK BLOCK STRUCTURE Comprised of 64 DCT coefficient MACRO BLOCK HEADER MACROBLOCK STRUCTURE Comprised of blocks (Typically YYYYUV) MPEG-2 VIDEO DATA STRUCTURE MACROBLOCK LEVEL Motion Compensation Unit Macro Block 1 Macro Block 2 Macro Block 3 Macro Block 4 . . . . Macro Block 45 SLICE STRUCTURE Comprised of Macroblock 720 Pixels/16 = 45 Macroblock SLICE HEADER Start Code Location Code Block 1 Y Block 2 Y Block 3 Y Block 4 Y Block 5 U Block 6 V MACRO BLOCK HEADER MACROBLOCK STRUCTURE Comprised of blocks (Typically YYYYUV) Sô Ñoà Khoái Neùn MPEG-2 ADC Pre-processing + DCT Löôïng töû hoaù Maõ hoaù Entropy VLC + Khueách ñaïi ñeäm Rate control Giaûi löôïng töû hoaù DCT-1 + Löu tröõ aûnh so saùnh Aûnh döï ñoaùn Xaùc ñònh vectô chuyeån ñoäng Ñieàu khieån nhoùm aûnh Baûng löôïng töû hoaù Analog video input Aûnh khaùc Hình 5-34 : Sô Ñoà Khoái Neùn MPEG-2 Video Tín hieäu video töông töï ñaàu tieân ñöôïc laáy maãu (theo caùc chuaån) ñeå chuyeån thaønh doønh bit soá. Tieáp theo laø tieàn xöû lyù, tín hieäu hình aûnh video ñöôïc phaân thaønh nhöõng block vaø sub-block. Löôïng dö thöøa ôû mieàn thôøi gian ñöôïc loaïi boû baèng caùch thay theá löôïng thoâng tin dö cao chaún haïn nhö xung ñoàng boäbaèng nhöõng töø maõ vaø taïo aûnh I, P vaø B. Chuyeån ñoåi cosin rôøi raïc (DCT) ñöôïc duøng ñeå chuyeån ñoåi tín hieäu trôû thaønh daïng tín hieäu ôû mieàn taàn soá. Hai böôùc keá tieáp, coù theå ñöôïc öùng duïng cho nhöõng thang ñoä bieán ñoåi vaø do ñoù coù theå ñieàu khieån soá löôïng neùn hieän taïi. Boä ñeäm coù nhieäm vuï ñeå löu tröõ doøng bit vì khoái ñieàu khieån toác ñoä (rate control) coù theå ñöôïc söû duïng ñeå aán ñònh (fixed) toác ñoä döõ lieäu. Quaù Trình Giaûi Neùn MPEG-2 Quaù trình giaûi maõ, theo lyù thuyeát laø ngöôïc laïi vôùi quaù trình maõ hoaù vaø ñöôïc minh hoaï ôû hình sau : Nhôù ñeäm Giaûi maõ Entropy Q-1 DCT-1 Nhôù aûnh Döï baùo aûnh Soá lieäu ñieàu khieån Video Hình 5-35 : Quaù Trình Giaûi Maõ MPEG-2 Giai ñoaïn moät laø taùch maõ hoaù Entropy ra. Sau ñoù taùch soá lieäu aûnh (heä soá bieán ñoái DCT) ra khoûi caùc vectô chuyeån ñoäng. Soá lieäu seõ ñöôïc giaûi löôïng töû hoaù vaø bieán ñoåi DCT ngöôïc . Trong tröôøng hôïp aûnh loaïi I baét ñaàu ôû moãi nhoùm aûnh trong chuoãi, seõ nhaän ñöôïc aûnh ñaàu ra hoaøn chænh baèng caùch treân. Noù ñöôïc löu trong boä nhôù aûnh vaø ñöôïc söû duïng ñeå giaûi maõ caùc aûnh tieáp theo. Tring tröôøng hôïp aûnh loaïi P seõ thöïc hieän giaûi löôïng töû hoaù vaø bieán ñoåi DCT ngöôïc vôùi vieäc söû duïng caùc vectô chuyeån ñoäng vaø löu vaøo boä nhôù aûnh sôùm hôn. Treân cô sôû ñoù, xaùc ñònh ñöôïc döï baùo aûnh ñang xeùt. Ta nhaän ñöôïc aûnh ra sau khi coäng döï baùo aûnh vaø keát quaû bieán ñoåi DCT ngöôïc. Aûnh naøy cuõng ñöôïc löu vaøo boä nhôù nhö laø aûnh chuaån khi giaûi maõ caùc aûnh tieáp theo. Chuaån Neùn MPEG-2 Cho Video Soá. Chuaån neùn MPEG-2 ñöôïc thieát keá ch toác ñoä bit lôùn hôn 4Mb/s. Tín hieäu video vaø audio ñöôïc neùn vaø taïo thaønh caùc doøng döõ lieäu cô sôû (Elementary Stream – ES). Doøng ES ñöôïc söû duïng taïo neân doøng döõ lieäu cô sôû ñöôïc ñoùng goùi (Packetized Elementary Stream – PES). Doøng PES laïi ñöôïc tieáp tuïc ñoùng goùi taïo thaønh doøng truyeàn taûi (Transport stream – TS). Maõ hoaù video Maõ hoaù audio Döõ lieäu khaùc Giaûi maõ video Giaûi maõ audio Giaûi maõ döõ lieäu Doøng video cô sôû ES Doøng audio cô sôû Doøng döõ lieäu Truyeàn taûi Hình 5-36 : Chuaån Neùn MPEG- 2 Profiles vaø Level Profiles laø boä coâng cuï (Tools) cuûa MPEG-2 ñaõ ñöôïc tieâu chuaån hoaù nhaèm phuïc vuï nhöõng nhu caàu khaùc nhau. Noùi moät caùch khaùc, profiles laø taäp hôïp caùc cuù phaùp (Syntax) cuûa toaøn boä doøng bit HIGH HIGH - 1440 MAIN LOW LEVEL PROFILES 4:2:0 720 ×576 15 Mbps I,P SIMPLE 4:2:0 1920 ×1152 80 Mbps I,P,B 4:2:0 1440 ×1152 60 Mbps I,P,B 4:2:0 720 ×576 15 Mbps I,P,B 4:2:0 352 ×288 4 Mbps I,P,B MAIN 4:2:0 720 ×576 15 Mbps I,P,B 4:2:0 352 ×288 4 Mbps I,P,B SNR 4:2:0 1440 ×1152 60 Mbps I,P,B SPATIAL 4:2:0, 4:2:2 1920 ×1152 100 Mbps I,P,B 4:2:0, 4:2:2 1440 ×1152 80 Mbps I,P,B 4:2:0, 4:2:2 720 ×576 20 Mbps I,P,B HIGH Hình 5-37 : MPEG-2 Profiles Vaø Level Tính phaân caáp (Scalability) Maõ hoaù vaø giaûi maõ MPEG khoâng nhaát thieát phaûi coù cuøng caáp chaát löôïng. Tính phaân caáp cho pheùp caùc boä giaûi maõ MPEG ñôn giaûn, reû tieàn, coù khaû naêng giaûi maõ moät phaàn cuûa toaøn boä doøng bit vaø nhö vaäy coù khaû naêng taïo ñöôïc hình aûnh tuy chaát löôïng coù thaáp hôn caùc boä giaûi maõ toaøn boä doøng bit. Tieâu chuaån MPEG-2 cho pheùp 2 loaïi phaân caáp. Phaân caáp treân tyû soá tín hieäu treân taïp aâm (signal to noise rate – SNR) coù nghóa laø chaát löôïng hình aûnh vaø tyû soá tín hieäu treân taïp aâm coù tính thoaû hieäp. Moät boä giaûi maõ coù toác ñoä bit thaáp, coù theå coù ñaày ñuû ñoä phaân giaûi nhöng tæ soá tín hieäu treân taïp aâm (S/N) thaáp hôn so vôùi boä giaûi maõ coù toác ñoä bit cao. Phaân caáp theo khoâng gian (Spatial Scalability) coù nghóa laø coù söï thoaû hieäp ñoái vôùi ñoä phaân giaûi. Chaúng haïn, moät maùy thu coù toác ñoä bit thaáp cho moät hình aûnh coù ñoä phaân giaûi thaáp hôn so vôùi maùy thu coù khaû naêng giaûi maõ toaøn boä doøng bit. MPEG-2 4:2:2 Profiles, Main Level. MPEG-2 ban ñaàu thieát keá cho heä gia ñình coù chaát löôïng chaáp nhaän ñöôïc ôû möùc laáy maãu 4:2:0 vaø toác ñoä bit thaáp coù 15Mbps. Vôùi toác ñoä bit laø 15Mbps duøng GOP nhoû seõ cho chaát löôïng hình keùm, neáu GOP lôùn, seõ gaây khoù khaên cho caùc thieát bò chuyeån ñoåi tín hieäu trong thôøi gian xoaù maønh vaø toaû ra thích hôïp cho saûn xuaát haäu kyø. Töø naêm 1994 caùc nhaø saûn xuaát öùng duïng MPEG 4:2:2 profiles vôùi toác ñoä ñaït 50 Mbps coù theå ñaùp öùng vôùi heä laáy maãu cho hai loaïi 525 doøng vaø 625 doøng. Thaùng 1-1996, MPEG 4:2:2 profile @ Main level ñaõ trôû thaønh tieâu chuaån quoác teá vaø ñaùp öùng hai chuaån 4:2:0 vaø 4:2:2. MPEG 4:2:2 @ ML coù khaû naêng giaûi maõ doøng bit vaø baát kyø loaïi phoái hôïp naøo giöõa caùc I, P, B. HIGH HIGH - 1440 MAIN LOW LEVEL PROFILES 4:2:0 720 ×576 15 Mbps I,P SIMPLE 4:2:0 1920 ×1152 80 Mbps I,P,B 4:2:0 1440 ×1152 60 Mbps I,P,B 4:2:0 720 ×576 15 Mbps I,P,B 4:2:0 352 ×288 4 Mbps I,P,B MAIN 4:2:0 720 ×576 15 Mbps I,P,B 4:2:0 352 ×288 4 Mbps I,P,B SNR 4:2:0 1440 ×1152 60 Mbps I,P,B SPATIAL 4:2:0, 4:2:2 1920 ×1152 100 Mbps I,P,B 4:2:0, 4:2:2 1440 ×1152 80 Mbps I,P,B 4:2:0, 4:2:2 720 ×576 20 Mbps I,P,B HIGH 4:2:2 profile 4:2:0 720 × 608 50 Mbps I,P,B Hình 5-38 : MPEG 4:2:2 Profiles @ Main Level Öu ñieåm cuûa MPEG 4:2:2 @ ML : Tieän lôïi, meàm deûo trong khai thaùc hoãn hôïp. Chaát löôïng cao hôn MP @ ML. Ñoä phaân giaûi maøu toát hôn MPEG-2 @ ML. Xöû lyù haäu kyø sau khi neùn vaø giaûi neùn. Neùn vaø giaûi neùn nhieàu laàn. Nhoùm aûnh nhoû thuaän tieän cho döïng hình Coù khaû naêng bieåu thò taác caû caùc doøng tích cöïc cuûa tín hieäu video. Coù khaû naêng bieåu thò thoâng tin trong khoaûng thôøi gian xoaù maønh (vertical blanking interbval). III. SÖÛA LOÃI TIEÁN (FEC) Giôùi Thieäu Vôùi kyõ thuaät FEC (Forward Error Correction), chæ coù beân thu xaùc ñònh vò trí loãi cuûa döõ lieäu nhaän ñöôïc vaø söûa noù (ñieän thoaïi vaø TV söû duïng FEC vì chuùng ñoøi hoûi truyeàn daãn theo thôøi gian thöïc – real-time transmission). Coù caùc loaïi maõ duøng trong FEC laø : Maõ khoái (block code), maõ xoaén (convolutional code) vaø maõ chaäp (concatenated code). Maõ Khoái. Hình 5-39 moâ taû maõ khoái, luoàng bit ngoõ vaøo ñöôïc ñöa ñeán khoái maõ FEC coù k bit coäng vôùi r bit kieåm tra, vì vaäy coù n bit maõ ñöôïc truyeàn (n = k + r). Maõ khoái bieán ñoåi k töôïng tröng nhò phaân ñaàu vaøo thaønh n töôïng tröng ñaàu ra. Thoâng töôøng caùc boä maõ khoái laø duïng cuï khoâng nhôù. Vì n > k, maõ coù theå ñöôïc choïn ñeå taïo ra ñoä dö nhö caùc bit chaün, chuùng ñöôïc duøng bôûi boä giaûi maõñeå phaùt hieän vaø söûa loãi. Maõ ñöôïc xaùc ñònh bôûi (n,k), ôû ñaây toác ñoä maõ R ñöôïc xaùc ñònh R = k/n, caùc giaù trò thöïc teá cuûa R naèm trong phaïm vi töø 1/4 ñeán 7/8 vaø k töø 3 ñeán vaøi traêm. k k r n = k + r (n,k) FEC ENCODER Hình 5-39 : Moâ Taû Maõ Khoái Moät daïng quan troïng cuûa maõ khoái laø maõ Reed-Solomon (R-S). Loaïi naøy maõ duøng ñeå söûa caùc loãi xaûy ra ñoäc laäp. Khaû naêng söûa loãi toång quaùt cuûa maõ khoái nhö sau : Neáu coù (r= n – k) kyù hieäu dö thöøa, t laø kyù hieäu loãi coù theå ñöôïc söûa trong töø maõ cho ñeán khi t chöa vöôït quaù r/2. Maõ R-S cho pheùp söûa coù hieäu quaû caû loãi ngaãu nhieân (Random Error) vaø chuøm loãi (Burst Error) vì chuùng hoaït ñoäng treân caùc kyù hieäu (Symbol)nhieàu bit thay vì caùc bit ñôn. Ví duï trong truyeàn daãn veä tinh vaø caùp, maõ R-S (204, 188) coù theå söûa ít nhaát laø 8 byte loãi. Khaû naêng söûa loãi cuûa maõ khoái ñoái vôùi loãi ngaãu nhieân phuï thuoäc vaøo soá vò trí nhoû nhaát khaùc nhau cuûa caëp khoái ñöôïc maõ hoaù. Soá naøy ñöôïc goïi laø khoaûng caùch Hamming. Ví duï, caùc töø maõ 110101 vaø 111001 coù khoaûng caùch Hamming laø 2. Maõ Xoaén Maõ xoaén laø moät loaïi maõ ñaàu tieân ñöôïc chaáp nhaän roäng raõi vaø noù ñöôïc söû duïng trong öùng duïng truyeàn daãn qua veä tinh. Maõ xoaén khaùc vôùi maõ khoái ôû choã laø töø maõ ñöôïc taïo ra töø maõ hoaù phuï thuoäc vaøo khoái bit thoâng tin (k)vaø khoái bit (n – 1) cuûa ngoõ ra tröôùc ñoù. Ta thaáy n bit ngoõ ra phuï thuoäc vaøo caû ngoõ vaøo vaø ngoõ ra tröôùc ñoù neân ñaây laø loaïi maõ coù nhôù. Quaù trình toå hôïp naøy ñuùng hôn ñöôïc hình thaønh bôûi boä coäng vaø thanh ghi dòch (shift register). Hình 5-40 chæ thò maõ xoaén chæ söû duïng 3 thang ghi dòch. Soá thanh ghi dòch laøm neân boä maõ hoaù ñöôïc goïi laø ñoä daøi neùn K, vì theá hình 5-40 coù K = 3. Döõ lieäu ngoõ vaøo dòch daàn daàn vaøo nhöõng thanh ghi vaø ngoõ ra ñöôïc caáp vaøo hai boä coäng modulo-2 nhö hình veõ. Boä coâng modulo-2 taïo ra moät ngoõ ra ñoái vôùi nhöõng ngoõ vaøo cheânh leäch nhau laø 1. FF3 FF3 FF3 + + 101110010… Input Srquence 1101100100110111101 Output Coder Sequence Shift Register 110010111… 100101110… Hình 5-40 : Boä Maõ Xoaén Rate 1/2 , k =3 Switch di chuyeån qua laïi ñeå laáy bit luaân phieân töø moãi ngoõ ra boä coäng modulo-2 nhaèm taïo ra ngoõ ra maõ hoaù. Trong tröôøng hôïp naøy coù 2 bit ñöôïc maõ hoaù ñoái vôùi 1 bit ngoõ vaøo. Ñieàu naøy ñöôïc goïi laø boä maõ coù toác ñoä 1/2 . Toác ñoä maõ toång quaùt laø 1/n, trong ñoù n laø soá bit maõ hoaù ngoõ ra treân 1 bit döõ lieäu ngoõ vaøo. Ví duï nhö xem xeùt chuoãi bit ngoõ vaøo laø 101110010. Ngoõ ra cuûa boä coäng modul-2 ñöôïc trình dieãn ôû baûng 53-3 (xem thanh ghi ñaët giaù trò ban ñaàu laø 000). Sau ñoù, switch laáy luaân phieân bit ñeå hình thaønh ngoõ ra maõ hoaù :110100100110111101… Data In Ngoõ ra boä coäng 3ngoõ vaøo Giaù trò thanh ghi dòch Ngoõ ra boä coäng 2 ngoõ vaøo 1 1 001 1 0 1 010 0 1 0 101 0 1 0 011 1 1 1 111 0 0 0 110 1 0 1 100 1 1 1 001 1 0 1 010 0 Baûng 5-41 : Convolutional Encoder Bit Sequences Loãi ñôn vaø loãi keùp Loãi Ñôn Trong quaù trình truyeàn loãi xaûy ra. Ñeå phaùt hieän loãi ngöôøi ta döïa vaøo moät maõ caân baèng (Parity) theo quy taéc : Cöù 4 symbol word + kí töï caân baèng, moâ taû nhö sau : A + B + C + P = 0 (1) A + 2B + 3C + 4D + Q = 0 (2) Giaû ñònh tín hieäu taùi taïo töông öùng A’, B’, C’, D’, p’vaø Q’. Neáu ñuùng chuùng thoaû chöông trình (1), (2). Neáu coù loãi xaûy ra thì phöông trình seõ coù keát quaû khaùc 0 töông öùng laø: S0 = A + B + C + D + P (3) S1 = A’+ 2B’ + 3C’ + 4D’ + Q’ (4) DÖÕ LIEÄUGOÁC (Original Data) A = 4 B = 3 C = 2 D = 1 DÖÕ LIEÄU GIAÛI MAÕ (Decoded Data) A’ = 2 B’ = 3 C’ = 2 D’ = 1 P’ = -10 Q’= -20 PHAÀN TÖÛ CAÂN BAÈNG (Parity) A + B + C + D + P = 0 A + 2B + 3C + 4D + Q = 0 P = -10 Q = -20 HOÄI CHÖÙNG (Syndrome) S0 = A’ + B’ + C’ + D’ + P’ = -2 S1 = A’ + 2B’ + 3C’ + 4D’ + Q’ = -2 S0 = S1 = -2 = a PHAÙT HIEÄN LOÃI (Erroor Detection) A’= A + a Þ A = A’ – a A = 2 – (-2) = 4 Hình 5-42 : Löu ñoà phöông phaùp söûa loãi Reed Solomon. S0, S1  ñöôïc goïi laø hoäi chöùng (Syndrome). Chính nhöõng hoäi chöùng S0, S1 naøy xaùc ñònh ñöôïc vò trí cuûa loãi xaûy ra. Baây giôø ta giaû söû raèng coù 1 trong 4 Symbol treân bò sai. Ví duï Symbol A’ chaúng haïn : A’ =A + Ea (5) Thaønh phaàn loãi naèm trong tín hieäu phaùt. Coøn caùc Symbol coøn laïi khoâng coù loãi nhö vaäy laáy phöông trình (5) thay vaøo (3), (4) ta coù: A + Ea + B + C + D + P = S0 (6) A + Ea + 2B + 3C + 4D + Q = S1 (7) Töø 2 phöông trình naøy ta theá soá döõ lieäu ban ñaàu vaøo ñöôïc: S0  = S1 = Ea loãi ñaõ ñöôïc phaùt hieän. Ñeå söûa laïi Symbol A’ ñuùng vôùi Symbol ban ñaàu thì vieäc söû duïng raát deã daøng bôûi phöông trình. A = |P| - B – C – D Hoaëc A = A’ -Ea Do ñoù giaù trò thaät cuûa A seõ ñöôïc tìm thaáy. Töông töï Symbol B,C,D laàn löôït bò loãi cuõng coù theå phaùt hieän ñöôïc. Sau ñaây laø baûng toùm taét khi loãi xaûy ra treân töøng Symbol: Khi S0 = S1 = 0 : khoâng coù loãi xaûy ra. S0 = S1 = const : A’ laø döõ lieäu loãi. 2S0 = S1 : B’ laø döõ lieäu loãi. 3S0 = S1 : C’ laø döõ lieäu loãi. 4S0 = S1 : D’ laø döõ lieäu loãi. Ñeán ñaây chæ bieát ñöôïc vò trí loãi cuûa töøng Symbol bò sai. Neáu nhö maõ caân baèng bò loãi thì vieäc söûa loãi caùc Symbol treân khoâng theå thöïc hieän ñöôïc, nhöng thaät may maén töø phöông trình (5), (6) cuõng phaùt hieän ñöôïc loãi. Khi maõ caân baèng bò sai ñöôïc keát quaû nhö sau: Neáu P loãi khi S0 = Ep vaø S1 = 0. Neáu Q loãi khi S0 = 0 S1 = Eq. Nhö vaäy nhôø vaøo söï kieåm tra moái lieân heä giöõa caùc hoäi chöùng S0, S1 thoâng qua hai maõ caân baèng P vaø Q, loãi naèm taïi vò trí naøo seõ ñöôïc xaùc ñònh vaø döõ lieäu thaät seõ ñöôïc tìm ra. Söûa loãi keùp Giaû ñònh A’ vaø B’ cuøng bò loãi laø Ea vaø Eb caùc phöông trình (3) vaø (4) trôû thaønh : S0 = Ea + Eb S1 = Ea + 2Eb Giaûi phöông trình naøy ta seõ tìm ñöôïc Ea vaø Eb. Ñaây laø coâng vieäc söûa loãi keùp, tuy nhieân vieäc tìm xem döõ lieäu naøo bò loãi laø khoâng theå thöïc hieän ñöôïc, chæ bieát toàn taïi loãi vaø nhôø maïch hieån thò thoâng baùo loãi tröôùc vaø chuùng coù theå ñöôïc söûa laïi. Maõ CIRC (Crose Interleave Reed Solomon Code) thuoäc söûa loãi keùp. Khaû naêng söûa maõ taêng theo soá hoäi chöùng. Loãi maõ coù hai loaïi : Loãi ngaãu nhieân (Random Error), töùc laø loãi ñôn xaûy ra moät bit naøo ñoù. Loãi keùp (Burst Error) xaûy ra lieân tieáp nhieàu bit. Quy taéc R-S coù hieäu quaû cao so vôùi loãi ngaãu nhieân. Treân thöïc teá loãi keùp thöôøng xaûy ra. Do vaäy, ta xaép xeáp laïi döõ lieäu goïi laø ñan döõ lieäu hoaëc laø ñan xen caùc döõ lieäu hay goïi taéc laø “Ñan xen”. Keát hôïp vôùi quy taéc R-S vaø “Ñan xen” ñöôïc goïi laø “Quy taéc Reed Solomon ñan xen cheùo” (CIRC_Cross Interleave Reed Solomon Code). Cheøn Maõ Trong kyõ thuaät phaân taùn loãi keùp (burst error) thaønh loãi ñôn ngöôøi ta coøn söû duïng kyõ thuaät cheøn maõ, noù ñöôïc dieãn taû nhö hình döôùi ñaây : BLOCK #A 1 2 3 4 5 6 7 8 BLOCK #B 1 2 3 4 5 6 7 8 BLOCK #N 1 2 3 4 5 6 7 8 . . . . . . . BLOCK #A 1 2 * 3 4 5 6 7 8 BLOCK #B 1 2 * 3 4 5 6 7 8 BLOCK #N 1 2 * 3 4 5 6 7 8 . . . . . . . A1B1 … N1 A2B2 … N2 A3B3 … N3 A4B4 … N4 A5B5 … N5 A6B6 … N6 A7B7 … N7 A8B8 … N8 DEPTH OF INTERLEAVING ** ** ** ** ERROR (b) (a) (c) Hình 5-43 : Cheøn maõ (a) khoái ñöôïc truyeàn, (b) Chuoãi bit truyeàn, (c) Khoái ñöôïc thu Cheøn coù nghóa laø N khoái döõ lieäu ñöôïc truyeàn theo phöông thöùc laáy caùc bit töông öùng töø caùc khoái ñeå truyeàn (bit tieáp bit) thay cho vieäc truyeàn caùc khoái lieân tieáp (khoái tieáp khoái). Soá löôïng caùc khoái cheøn ñöôïc goïi laø cheøn saâu (the interleaving depth). Giaû söû boù loãi trong N2, A3, B3 … cuûa chuoãi bit ñöôïc truyeàn ñi. Do coù söï cheøn, caùc khoái naøy seõ ñöôïc chæ ra trong maùy thu nhö loãi caùch ly trong caùc khoái A, B vaø N. Neáu loãi nhoû hôn ñoä cheøn saïu, thì loãi coù theå söûa trong caùch töông töï nhö caùc loãi ngaãu nhieân. Ñoä cheøn saâu caøng lôùn, thì loãi coù theå ñöôïc söûa caøng daøi nhöng ñoä dö thöøa boå sung theâm caùc khoái döõ lieäu phuï vaø ñoä treã cuûa luoàng bit caøng lôùn. Caùch cheøn ñöôïc söû duïng trong caû maõ R-S vaø maõ xoaén. Cheøn maõ R-S ñeå söûa loãi raát hôïp cho tröôøng hôïp khoái loãi daøi (ñoä cheøn saâu lôùn). Vieäc cheøn nhaèm muïc ñích bieán khoái loãi thaønh loãi ñôn ngaãu nhieân, giuùp cho vieäc söûa loãi deã hôn. Ví duï boä cheøn khoái 4 4 vaø boä giaûi cheøn khoái 44. Ñoä daøi töø laø 4 bit L : ñoä cheøn saâu. Boä cheøn khoái : 3 2 1 0 7 6 5 4 11 10 9 8 15 14 13 12 1 2 3 4 Coät 1 3 2 Haøng L 4 Vaøo Ra 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 12, 8, 4, 0, 13, 9, 5, 1; 14, 10, 6, 2, 15, 11, 7, 3 Boä giaûi cheøn khoái. 3 7 11 15 2 6 10 14 1 5 9 13 0 4 8 12 1 2 3 4 Coät 1 3 2 Haøng 4 Vaøo Ra 12, 8, 4, 0; 13, 9, 5, 1; 14, 10, 6, 2; 15, 11, 7, 3 0, 1, 2….15 IV. PHAÂN TAÙN NAÊNG LÖÔÏNG Giôùi Thieäu Neáu tín hieäu soá tuaàn hoaøn ñöôïc ñieàu cheá soùng mang thì seõ coù söï taäp trung naêng löôïng trong phoå, ñöôïc bieát nhö phoå vaïch (line spectral). Caùc vaïch phoå xuaát hieän ôû caùc taàn soá rôøi raïc, phuï thuoäc vaøo caùc töø (digital words) ñöôïc laëp laïi. Caàn traùnh ñieàu naøy do : Söï taäp trung naêng löôïng cao taàn seõ taêng khaû naêng taïo ra giao thoa caùc keânh coù taàn soá caïnh nhau. Caùc vaïch phoå coá ñònh coù theå taïo ra caùc vaán ñeà nghieân troïng khi thu. Bôûi vì boä gaio ñoäng noäi (Local ascillator) coù theå ñieàu chænh (lock) ñeán vaïch phoå thay cho soùng mang tôùi, gaây toån hao thoâng tin tín hieäu. Ñeå khaéc phuïc hieän töôïng naøy goïi laø phaân taùn naêng löôïng, trong ñoù laøm cho chu kyø laëp laïi cuûa daõy bit caøng sôùm caøng toát. Maïch duøng ñeå phaân taùn naêng löôïng laø maïch xaùo troân vaø giaûi xaùo troän (Scrambler vaø descrambler). Nguyeân Lyù Xaùo Troän Vaø Giaûi Xaùo Troän. Ngöôøi ta duøng maïch xaùo troän (Scrambler) bieán ñoåi daõy bit laëp laïi thaønh daõy giaû ngaåu nhieân (Pseudorandom signal) baèng caùch coäng Modul-2 caùc bit ngoõ vaøo vôùi daõy ngaãu nhieân ñöôïc taïo ra töø caùc thanh ghi dòch. Hình 5-44 minh hoaï nguyeân lyù maïch scrambler. y a c b Scrambler Descrambler a b c y 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 Baûng chaân lyù Y = a Hình 5-44 : Nguyeân Lyù Cuûa Maïch Scrambler Töø baûng söï thaät ta thaáy, ngoõ ra cuûa coång EXCLUSIVE OR thöù hai taïi y gioáng vôùi ngoõ vaøo cuûa coång EXCLUSIVE OR thöù nhaát taïi a, ñieàu naøy coù nghóa laø ngoõ ra y ñoäc laäp vôùi ngoõ vaøo c. Vì theá, cung caáp c gioáng nhau ôû hai nöûa cuûa maïch. Maïch coù theå chia thaønh maïch Scrambler ôû beân traùi vaø maïch Descrambler ôû beân phaûi. Ngoõ vaøo c coù theå ñöôïc ngaãu nhieân hoaù baèng caùch duøng caùc thanh ghi dòch. Maïch taïo tín hieäu giaû ngaãu nhieân ñôn giaûn duøng 3 thanh ghi ñöôïc chæ ra ôû hình 5-44. S3 S2 S1 c Döõ lieäu ra Clock in S3 S2 S1 Döõ lieäu ra a Clock in b c (a) (b) aA bA cA S1 S2 S3 Laàn 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 2 0 0 0 0 1 1 3 1 1 0 0 0 1 4 0 0 0 0 0 0 5 1 0 1 0 0 0 6 0 0 0 1 0 0 7 1 1 0 0 1 0 8 0 1 1 0 0 1 9 1 0 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 0 11 1 0 1 1 1 1 12 0 0 0 1 1 1 13 1 0 1 0 1 1 14 0 1 1 1 0 1 15 Baûng söï thaät (c) S3 S2 S1 b Döõ lieäu ra Clock in Döõ lieäu vaøo a c Hình 5-44 : (a) Maïch taïo tín hieäu ngaãu nhieân (b) Maïch descrambler 3 bit (c) Maïch scrambler 3 bit vaø baûng söï thaät Hình treân cuõng minh hoaï caùch keát hôïp giöõa caùc thanh ghi dòch vôùi coång EXCLUSIVE OR ñeå taïo ra ngoõ ra coù chu kyø laëp laïi sau 2n – 1. Hình 54-2 laø maïch Scrambler 3 bit. Neáu chu kyø cuûa ngoõ vaøo a laø (ví duï, 01010101…), söï laëp laïi sau : (2n – 1) input perriodicity = (23 – 1) 2 = 14 words. Daõy giaû ngaãu nhieân caøng daøi thì soá vaïch phoå caøng nhieàu, caùc vaïch naèm caøng saùt nhau vaø phoå coù theå coi nhö laø lieân tuïc. Caëp Scrambler/Descrambler cuõng coù nhöôïc ñieåm laø : Loãi baát kyø xaûy ra do nhieãu hoaëc giao thoa trong khi truyeàn seõ ñöôïc nhaân leân bôûi de-scrambler, do doù laøm tæ soá S/N xaáu ñi nhöng khoâng ñaùng keå (khoaûng 0.5db). V. ÑIEÀU CHEÁ SOÁ Giôùi Thieäu Trong truyeàn hình veä tinh thöôøng söû duïng phöông thöùc ñieàu cheá M-ary PSK. Noù cho pheùp tín hieäu thích nghi vôùi ñieàu kieän cuûa moâi tröôøng truyeàn. Vieäc ñieàu cheá cho pheùp ta söû duïng höõu hieäu keânh truyeàn (troän nhieàu keânh thoâng tin treân cuøng moät moâi tröôøng truyeàn). Noù coøn taêng khaû naêng choáng nhieãu cho heä thoáng thoâng tin, bôûi vì caùc tín hieäu ñieàu cheá coù khaû naêng choáng nhieãu, möùc ñoä tuyø thuoäc vaøo caùc loaïi ñieàu cheá khaùc nhau. Phöông phaùp ñieàu cheá treân theo nguyeân taéc sau : M-ary Phase Shift Key laø phöông phaùp thay vì truyeàn chuoãi bit, thoâng tin ñöôïc truyeàn döôùi daïng bieåu tröng (kí töï symbol). Moãi symbol mang thoâng tin cuûa 2 hay nhieàu bit, caùc symbol ñöôïc truyeàn leäch pha nhau, soá löôïng bit ñoä leäch pha phuï thuoäc vaøo giaù trò M. Tín hieäu soá ñieàu cheá M-PSK ñöôïc bieåu thò bôûi : Trong ñoù : A : Bieân ñoä tín hieäu. : , fc laø taàn soá soùng mang . M = 2n, n laø soá bit töông öùng vôùi vôùi symbol. M : laø soá symbol ñöôïc truyeàn trong moät chu kyø. I = 0, 1, 2, …, M-1. + Neáu n = 1 M = 21 = 2, ta coù 2-PSK hay BPSK + Neáu n = 2 M = 22 = 4, ta coù 4-PSK hay QPSK + Neáu n = 3 M = 23 = 8, ta coù 8-PSK Sau ñieàu cheá coù theå bieåu thò baèng : S0(t) S1(t) . . . . SM-1(t) kT < t (k + 1)T SPSK(t) = 2.Ñieàu Cheá Vaø Giaûi Ñieàu Cheá BPSK Ñieàu Cheá BPSK (Binary phase shift keying) töùc khoaù dòch nhò phaân. Loaïi naøy coù soùng mang dòch pha 1800 (hai traïng thaùi pha 00 vaø 1800) LO Acos(wct +q) Mix Serrial input Acos(wct) Local Oscillator Hình 5-45 : Sô Ñoà Khoái Ñieàu Cheá BPSK Binary input Output phase Logic 0 1800 Logic 1 00 Dao ñoäng noäi LO ñöôïc troän (mix) vôùi döõ lieäu R, ngoõ ra laø tín hieäu soùng mang coù pha 00 vaø 1800 phuï thuoäc traïng thaùi 0 hay 1 cuûa tín hieäu R. -coswct coswct sinwct -sinwct Logic 0 Logic 1 1800 00 1 1 0 0 1 Hình 5-46 : Daïng Soùng Ngoõ Ra BPSK B.Giaûi ñieàu cheá BPSK Ñieàu bieán caân baèng Khoâi phuïc soùng mang LFP Binary data out BPSK input ±sinwct sinwct Hình 5-47 : Sô Ñoà Khoái Giaûi Ñieàu Cheá BPSK Ñoái vôùi tín hieäu : +sinwct Output = (sinwct)(sinwct) = sin2wct Hay sin2wct = 1/2(1 – cos2wct) = 1/2 –1/2cos2wct filtered out Coøn laïi Output = +1/2V = logic 1 Boä loïc LPF coù taàn soá caét nhoû hôn 2wc. Ñoái vôùi tín hieäu : -sinwct Output = (-sinwct)(sinwct) = -sin2wct Hay -sin2wct = -1/2(1 – cos2wct) = -1/2 +1/2cos2wct filtered out Coøn laïi Output = -1/2V = logic 0 Boä loïc LPF coù taàn soá caét nhoû hôn 2wc. Ñieàu Cheá Vaø Giaûi Ñieàu Cheá QPSK Ñieàu Cheá Trong thoâng tin veä tinh soá, ñieàu cheá QPSK ñöôïc söû duïng roäng raõi nhaát hieän nay Ta seõ tìm hieåu kyõ thuaät naøy. Luoàng soá p(t) caàn truyeàn seõ ñöôïc truyeàn ñi töøng caëp goàm hai bit, moãi caëp bit naøy ñöôïc goïi laø moät kí hieäu (Symbol). Moãi kí hieäu nhö vaäy coù theå coù 4 traïng thaùi khaùc nhau. Trong QPSK caùc tín hieäu ñöôïc choïn töø moät soùng mang vôùi 4 traïng thaùi khaùc nhau. Hình 5-48 laø sô ñoà khoái maïch ñieàu cheá QPSK Input Buffer I Q ÷2 Balanced Modulator Balanced Modulator 900 phase shift Reference Carrier Oscillator (sinwct) Linear Summer BPF coswct sinwct ±coswct Q channel fb/2 ±sinwct QPSK output I channel fb/2 Logic 1 = +1V Logic 0 = -1V Logic 1 = +1V Logic 0 = -1V Binary input data (NRZ) fb Bit clock P(t) Hình 5-48 : Sô Ñoà Khoái Maïch Ñieàu Cheá QPSK Luoàng bit noái tieáp NRZ ôû ngoõ vaøo ñöôïc bieán ñoåi thaønh hai ngoõ ra song song, moät bit ñi vaøo keânh I vaø bit kia ñi ra keânh Q. Bit I ñieàu bieán vôùi soùng mang cuøng pha vôùi dao ñoäng chuaån (Inphase) vaø bit Q ñieàu bieán vôùi soùng mang sai pha 900 so vôùi dao ñoäng chuaån (Quadrature). Ñieàu cheá QPSK laø hai boä ñieàu bieân BPSK keát hôïp song song. Ñoái vôùi logic 1 = 1V vaø logic 0 = -1 V. Hai pha ôû taïi ñaàu ra boä ñieàu bieán caân baèng keânh I laø +sinwct vaø –sinwct vaø hai pha ôû taïi ñaàu ra boä ñieàu bieán caân baèng keânh Q laø coswct vaø –coswct. Khi boä coäng tuyeán tính keát hôïp hai tín hieäu pha vuoâng (ñaûo pha 900), thì coù theå coù keát quaû boán daïng pha ñöôïc dieãn taû : (+sinwct + coswct), (+sinwct - coswct), (-sinwct + coswct), (-sinwct - coswct). Caáu truùc baûng söï thaät (truth table), sô ñoà pha (phasor diagram) vaø sô ñoà choøm sao (constellation diagram) ñöôïc xaùc ñònh nhö sau : Giaû söû döõ lieäu nhò phaân ñaàu vaøo Q = 0 vaø I = 0, hai ngoõ vaøo boä ñieàu bieán caân baêng keânh I laø –1 vaø sinwct vaø hai ngoõ vaøo boä ñieàu bieán caân baèng keânh Q laø –1 vaø coswct. Do ñoù, ngoõ ra laø : Ñieàu cheá caân baèng I = (-1)(sinwct) = -sinwct Ñieàu cheá caân baèng Q = (-1)(coswct) = -coswct Vaø ngoõ ra boä coäng tuyeán tính laø : -coswct – sinwct = 1.414 sin(wct – 1350) Töông töï ta tìm ñöôïc ngoõ ra cho caùc caëp bit 01, 10 vaø 11. Keát quaû ñöôïc chæ ra ôû hình 55-6. Pha ngoõ ra cuûa boán traïng thaùi theo thôøi gian ñöôïc chæ ra ôû hình 55-5. Time Degrees -1350 +450 -450 +1350 Q I 1 0 Q I 0 1 Q I 1 1 Q I 0 0 Dibit input QPSK Output phase Binary input Q I 0 0 0 1 1 0 1 1 QPSK output phase -1350 -450 +1350 +450 (a) – Truth table Hình 5-49 : Ngoõ Ra Theo Thôøi Gian Cuûa Boä Ñieàu Cheá QPSK Q I coswc t - sinwct 0 sin(wct + 1350) Q I coswc t + sinwct 1 sin(wct + 450) Q I -coswct - sinwct 0 0 sin(wct – 1350) coswct -coswct +sinwct (00 Reference) -sinwct Q I -coswct + sinwct 0 0 sin(wct – 450) coswct -coswct -sinwct sinwct 10 11 01 00 (c) –constellationr diagram (b) – Phasor diagram Hình 5-50 : Ñieàu bieâb QPSK (a)-Baûng söï thaät (b)-Sô ñoà pha (c)-Sô ñoà choøm sao Baêng Thoâng Cuûa QPSK: Bôûi vì ngoõ vaøo döõ lieäu ñöôïc chia thaønh hai keânh neân toác ñoä bit cuûa moãi keânh I hoaëc Q chæ baèng moät nöûa toác ñoä döõ lieäu ngaõ vaøo (fb/2). Do ñoù, taàn soá cô baûn cao nhaát ôû ngoõ vaøo boä ñieàu cheá I hay Q baèng 1/4 toác ñoä döõ lieäu vaøo (fb/4). Ví duï : Toác ñoä döõ lieäu ngoõ vaøo laø 10Mbps vaø taàn soá soùng mang laø 70 mhz. Taàn soá cô baûn cao nhaát trong moãi boä ñieàu cheá caân baèng laø : Output = (sinwat)(sinwct). Trong ñoù : vaø Do ñoù : Phoå taàn soá ngoõ ra traûi daøi ñeán vaø baêng thoâng nhoû nhaát (fn) laø : Fn = (72.5 – 67.5)mhz = 5mhz Symbol rate baèng vôùi baêng thoâng = 5 Mbaud Phoå ngoõ ra laø : 67.5MHz 70 MHz 72.5MHz B = 5 MHz Boä Giaûi Ñieàu Cheá QPSK Power splitter Product detector Product detector 900 Carrier Recovery (sinwct) BPF coswct sinwct (coswct)(-sinwct + coswct) Q channel Receiver Binary Data I channel -sinwct + coswct -sinwct + coswct LPF LPF I Q (sinwct)(-sinwct + coswct) +1/2V (Logic 1) -1/2V (Logic 0) -sinwct + coswct Input QPSK signal Hình 5-51 : Sô Ñoà Khoái Maïch Giaûi Ñieàu Cheá QPSK Sô ñoà khoái maïch giaûi ñieàu cheá QPSK ñöôïc chæ ra ôû hình 55-7. Boä chia coâng suaát chia tín hieäu ñieàu cheá QPSK vaøo hai ngoõ taùch soùng I, Q vaø maïch khoâi phuïc soùng mang. Maïch naøy taùi taïo laïi dao ñoäng soùng mang ñöôïc truyeàn ban ñaàu vôùi taàn soá vaø pha ñoàng nhaát (coherent) vôùi soùng mang chuaån phaùt ñi. Tín hieäu QPSK ñöôïc giaûi ñieàu cheá trong maïch taùch soùng I vaø Q, taïo ra luoàng bit I, Q ban ñaàu. Ngoõ ra cuûa maïch taùch soùng ñöôïc ñöa ñeán maïch gheùp, maïch naøy chuyeån döõ lieäu song song ôû keânh I vaø Q thaønh luoàng bit noái tieáp ban ñaàu. Giaû söû ngoõ vaøo tín hieäu QPSK laø -sinwct + coswct , quaù trình giaûi ñieàu cheá seõ theo caùc böôùc sau : Tín hieäu QPSK (-sinwct + coswct ) vaø soùng mang ñöôïc taùi taïo (sinwct) laø hai ngoõ vaøo cuûa taùch soùng I. I = (-sinwct + coswct )(sinwct) QPSK input signal Carrier = (-sinwct )(sinwct ) + (coswct )(sinwct ) = = Equal 0 Filtered out = -1/2V (logic 0) Tín hieäu QPSK (-sinwct + coswct ) töø boä chia coâng suaát vaø soùng mang taùi taïo dòch pha 900, (coswct ) laø hai ngoõ vaøo cuûa boä taùch soùng Q. Ngoõ ra cuûa boä taùch soùng Q laø : I = (-sinwct + coswct )(coswct) QPSK input signal Carrier = (-sinwct )(coswct ) + (coswct )(coswct ) = = Equal 0 Filtered out = 1/2V (logic 1) Ñieàu Cheá Vaø Giaûi Ñieàu Cheá 8-PSK Ñieàu Cheá Sô ñoà khoái ñieàu cheá 8-PSK nhö hình 5-52, doøng bit noái tieáp vaøo boä chia bit, seõ bieán ñoåi thaønh chuoãi bit song song coù 3 keânh ngoõ ra I, Q, hay C (keânh ñieàu khieån). Do ñoù toác ñoä bit trong moãi keânh laø fb/3, nhöõng bit ôû keânh I vaø C vaøo boä bieán ñoåi 24 möùc cuûa keânh I vaø nhöõng bit ôû keânh Q vaø vaøo boä bieán ñoåi 24 möùc keânh Q. Thöïc chaát boä bieán ñoåi 24 möùc laø boä bieán ñoåi soá sang töông töï (dacs) ngoõ vaøo song song. Vôùi hai möùc ngoõ vaøo, 4 möùc ñieän aùp ngoõ ra. Thuaät toaùn ñoái vôùi boä dacs thì khaù ñôn giaûn. Bit I vaø Q xaùc ñònh cöïc tính cuûa tín hieäu analog ngoõ ra (logic 1 = +V vaø logic 0 = -V), khi ñoù bit C vaø xaùc ñònh bieân ñoä (logic 1 = 1.307V vaø logic 0 = 0.541V). Keát quaû vôùi hai cöïc tính coù theå cho ra 4 ñieàu kieän khaùc nhau. Q I C 2 to 4 level converter 2 to 4 level converter Producy modulator Producy modulator Linear summer 900 LO Q channel I channel fb/3 PAM PAM sinwct coswct 8-PSK output Input data fb/3 fb/3 C C fb Hình 5-52 : Sô Ñoà Khoái Ñieàu Cheá 8-PSK I C 0 1 0 0 1 1 1 0 Output -1.307V -0.541V +1.307V +0.541V I C 0 0 0 1 1 0 1 1 Output -0.541V -1.307V +0.541V +1.307V -0.541V -1.307V +0.541V +1.307V (a) (b) (c) Hình 5-53 : Boä Bieán Ñoåi 2 Sang 4 Möùc Keânh I Vaø Q. (A)-Baûng Söï Thaät Keânh I. (B)-Baûng Söï Thaät Keânh Q. (C)- Nhöõng Möùc PAM Hình 5-53 laø baûng söï thaät vaø ñaùp öùng ngoõ ra boä bieán ñoåi 24 möùc. Bôûi vì C vaø khoâng bao giôø cuøng traïng thaùi logic, ngoõ ra töø boä bieán ñoåi 24 möùc keânh Q vaø I khoâng bao giôø cuøng bieân ñoä, maëc duø chuùng coù theå cuøng cöïc tính. Ngoõ ra cuûa boä bieán ñoåi 24 möùc laø moät tín hieäu M-ary, pulse-amplitude-modulator (PAM) khi M = 4. Chaún haïn, ngoõ vaøo ba bit (tribit) Q = 0, I = 0 vaø C = 0 (000), xaùc ñònh pha ñieàu cheá 8-PSK ôû hình 5-52. Ngoõ vaøo boä bieán ñoåi 24 möùc keânh I laø I = 0, c = 0. Töø hình 5-53 ngoõ ra laø –0.541V, ngoõ vaøo boä bieán ñoåi 24 möùc keânh Q laø Q = 0, vaø = 1, moät laàn nöõa hình 5-53 ngoõ ra laø –1.307V. Do ñoù : Hai ngoõ vaøo boä ñieàu bieán caân baèng keânh I laø –0.541V vaø sinwct, ngoõ ra laø : I = (-0.541V)(sinwct) = -0.541sinwct. Hai ngoõ vaøo boä ñieàu bieán caân baèng keânh Q laø –1.307V vaø coswct, ngoõ ra laø : Q = (-1.307V)(coswct) = -1.307coswct. Ngoõ ra ñöôïc keát hôïp vôùi boä coäng tuyeán tính laø : Summer output = -0.541sinwct - 1.307coswct = 1.41sin(wct – 112.50). Ñoái vôùi nhöõng maõ 3 bit coøn laïi (001, 010, 011, 100, 101, 110 vaø 111) thì xaùc ñònh theo qui trình töông töï. Keát quaû ôû hình 5-54. -coswct +0.541sinwct + 1.307coswct Q I C 1 1 0 -0.541sinwct + 1.307coswct Q I C 1 0 0 -1.307sinwct - 0.541coswct Q I C 1 1 1 -1.307sinwct - 0.541coswct Q I C 1 1 1 -sinwct sinwct Q I C 0 0 1 -1.307sinwct - 0.541coswct Q I C 0 1 1 +1.307sinwct + 0.541coswct Q I C 0 1 0 0.541sinwct – 1.307coswct Q I C 0 0 0 -0.541sinwct – 1.307coswct -coswct (a) 110 111 011 010 000 001 101 100 -coswct coswct sinwct -sinwct (c) Binary input Q I C 8-PSK Out put phase 000 001 010 011 100 101 110 111 -112.50 -157.50 -67.50 -22.50 +112.50 +157.50 +67.50 +22.50 (b) Hình 5-54 : Ñieàu Cheá 8-PSK (A)-Sô Ñoà Pha (B)-Baûng Söï Thaät (C)-Sô Ñoà Choøm Sao Töø hình 5-54 cho thaáy raèng söï ngaên caùch giöõa baát cöù hai pha keá caän naøo laø 450, baèng moät nöûa cuûa QPSK. Vì theá tín hieäu 8-PSK coù theå traûi qua (undergo) ñoä dòch pha laø 22.50 trong suoát quaù trình truyeàn vaø vaãn giöõ ñöôïc tính nhaát quaùn (integrity). Bieân ñoä cuõng baèng nhau ôû moãi pha, ñieàu kieän 3 bit (thoâng tin thöïc teá) chæ ñöôïc chöùa trong pha tín hieäu. Nhöõng möùc PAM laø 1.307 vaø 0.541 laø nhöõng giaù trò quan heä. Baát cöù möùc naøo cuûa chuùng baèng tæ leä 0.541/1.307 vaø tieáp tuyeán ñöôøng cong cuûa chuùng laø 22.50. Ví duï nhö giaù trò gaáp ñoâi laø 1.082 vaø 2.614, thì keát quaû pha goùc khoâng thay ñoåi, do bieân ñoä taêng moät caùch caân xöùng. Neân chuù yù raèng maõ 3 bit giöõa baát cöù hai pha keá caän naøo thay ñoåi chæ 1 bit. Loaïi maõ naøy ñöôïc goïi laø maõ Gray (Gray code), ñoâi khi goïi laø maõ khoaûng caùch cöïc ñaïi (maximum distance code). Maõ ñöôïc duøng ñeå haïn cheá soá loãi truyeàn. Vôùi 8-PSK döõ lieäu ñöôïc chia thaønh 3 keânh; toác ñoä bit ôû keânh I, Q vaø C baèng nhau baèng 1/3 toác ñoä döõ lieäu vaøo (fb/3). Thöïc chaát boä chia bit keùo daõn nhöõng bit Q, I vaø C ra baèng 3 laàn chieàu daøi bit ngoõ vaøo cuûa chuùng. Bôûi vì nhöõng bit I, Q vaø C ñöôïc taïo ra ñoàng thôøi vaø ôû daïng song song, neân boä bieán ñoåi 24 möùc cuõng xem laø moät thay ñoåi nhöõng ngoõ taïi toác ñoä fb/3 Hình 5-55 bieãu dieãn tín hieäu pha 8-PSK quan heä theo thôøi gian . Q I C 0 1 0 Q I C 0 0 0 Q I C 0 0 1 Q I C 0 1 1 Q I C 1 0 0 Q I C 1 0 1 Q I C 1 1 0 Q I C 1 1 1 -112.50 -157.50 -67.50 -22.50 112.50 157.50 67.50 22.50 Time Tribit input 8-PSK output Phase Hình 5-55 : Daïng Soùng Ngoõ Ra Baêng Thoâng 8-PSK Hình 5-56 quan heä bieãu dieãn quan heä thôøi bit giöõa bit nhò phaân ngoõ vaøo; döõ lieäu keânh I, Q vaø C; vaø tín hieäu keânh I, Q. Noù coù theå ñöôïc xem laø taàn soá caên baûn cao nhaát (highest fundamental frequency) ôû nhöõng keânh I, Q vaø C baèng moät 1/6 toác ñoä döõ lieäu ngoõ vaøo (moät chu kyø keânh I, Q vaø C maát töông ñöông 6 laàn thôøi gian bit ngoõ vaøo). Taàn soá caên baûn cao nhaát ôû moãi tín hieäu PAM cuõng baèng 1/6 toác ñoä bit ngoõ vaøo. Ôû ñieàu cheá 8-PSK coù moät thay ñoåi veà pha ôû ngoõ ra ñoái vôùi moãi 3 bit ngoõ vaøo. Keát quaû laø toác ñoä symbol 8-PSK baèng fb/3, cuõng laø baêng thoâng nhoû nhaát. Moät laàn nöõa boä ñieàu cheá caân baèng chính laø producr modulator. Ngoõ ra cuõng chính laø saûn phaåm cuûa soùng mang vaø tín hieäu PAM. Baêng phöông phaùp toaùn hoïc, ngoõ ra ñieàu bieán caân baêng laø: Trong ñoù: Tín hieäu soùng mang Tín hieäu ñang ñieàu bieân vaø Vaø: X = 1,307 hoaëc 0,541 Do ñoù: Phoå taàn tín hieäu ra traûi töø ñeán vaø baêng thoâng nhoû nhaát laø : 2 to 4 level converter Balanced modulator I C Q I channel PAM sinwct C channel fb/3 fb/3 To Q channel 2 to 4 level converter 2 pha e/2 voltage levels ± sinwct ± 1.307V ± 0.541± Input data C channel data fb/3 I channel data fb/3 Q channel data fb/3 I channel PAM Out I channel Balanced Modulator Output Highest fundamental frequency + 1,307V +0.541V -0,542V -1,307V -1,307V -0,542V +0,541V +,307V sinwr sinwr sinwr sinwr 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 Hình 5-56 : Xem Xeùt Baêng Thoâng Ñieàu Cheá 8-PSK Ví duï : Ñieàu cheá 8-PSK, toác ñoä döõ lieäu ngoõ vaøo fb = 10 Mbps vaø taàn soá soùng mang laø 70Mbps. Xaùc ñònh hai bieân ñoä nhoû nhaát baêng thoâng Nyguist (fn) vaø toác ñoä symbol (baud) Giaûi : Toác ñoä bit ôû nhöõng keânh I, Q vaø C : Toác ñoä thay ñoåi nhanh nhaát vaø taàn soá caên baûn cao nhaát cuûa moãi boä ñieàu bieán caân baèng hoaëc hoaëc Soùng ngoõ ra töø boä ñieàu bieán caân baèng : (sin2pfat)( sin2pfct) = ½ cos 2p(fc - fa)t – ½ cos 2p(fc + fa)t = ½ cos2p[(70 -1.667)mhz]t - ½ cos2p[(70 +1.667)mhz]t = ½ cos2p(68.333mhz)t - ½ cos2p(71.667mhz)t Baêng thoâng Nyguist nhoû nhaát : Fn = (71.667 – 68.333)mhz = 3.333mhz Toác ñoä baud baèng vôùi baêng thoâng : Baud = 3.333 megabaud 68.333MHz 70 MHz 71.667MHz B = 3.333 MHz Phoå tín hieäu ngoõ ra : Giaûi Ñieàu Cheá 8-PSK Product detector Carrier recovery Power Spliter 900 Product detector Analog-to-Digital Converter Analog-to-Digital Converter Analog-to-Digital Converter I Q C I Channel 4-level PAM 4-level PAM sinwct coswct Q Channel C Q QIC Output data 8-PSK Hình 5-57 : Sô Ñoà Giaûi Ñieàu Cheá 8-PSK Sô ñoà khoái cuûa boä giaûi ñieàu cheá 8-PSK ñöôïc trình baøy ôû hình 5-57. Khoái taùch coâng suaát ñieàu khieån tín hieäu 8-PSK ñeán boä taùch soùng keânh I vaø Q vaø maïch khoâi phuïc soùng mang. Maïch khoâi phuïc soùng mang taùi taïo laïi soùng mang nguyeân thuyû dao ñoäng chuaån. Tín hieäu 8-PSK vaøo ñöôïc troän vôùi soùng mang ñaõ khoâi phuïc ôû boä taùch soùng keânh I vaø soùng mang ñaõ khoâi phuïc vaø ñaûo pha 900 ôû boä taùch soùng keânh Q. Ngoõ cuûa boä taùch soùng tín hieäu PAM 4 möùc vaø ñöôïc caáp ñeán boä bieán ñoåi tín hieäu töông töï sang tín hieäu soá 42 möùc (adcs). Ngoõ ra töø boä bieán ñoåi 42 möùc keânh I laø bit I vaø bit C. Ngoõ ra töø boä bieán ñoåi 42 möùc keânh Q laø bit Q vaø bit . Maïch logic song song noái tieáp bieán ñoåi nhöõng caëp bit I/C vaø Q/ thaønh doøng döõ lieäu ngoõ ra noái tieáp. VI. ÑA TRUY NHAÄP Khaùi Nieäm Kyõ thuaät söû duïng moät veä tinh chung cho nhieàu traïm maët ñaát laøm taêng hieäu quaû söû duïng cuûa noù tôùi cöïc ñaïi goïi laø ña truy nhaäp. Ña truy nhaäp laø phöông phaùp duøng moät boä phaùp ñaùp treân veä tinh chung cho moät traïm maët ñaát. Phaân Loaïi Ña truy caäp coù theå phaân ra 3 daïng nhö sau: (theo quan ñieåm gheùp soùng mang) FDMA: Frequency Division Multiple Access TDMA: Time Division Multiple Access CDMA: Code Division Multiple Access FDMA: laø loaïi ña truy nhaäp ñöôïc duøng phoå bieán nhaát trong thoâng tin veä tinh; Caùc traïm maët ñaát phaùt ñi caùc soùng mang vôùi caùc taàn soá khaùc vôùi caùc baêng taàn baûo veä thích hôïp sao cho caùc baêng taàn khoâng choàng laãn leân nhau. TDMA: moät khung TDMA ñöôïc chia ra theo thôøi gian, sao cho moãi traïm maët ñaát phaùt ñi taàn soá soùng mang nhö nhau trong moät khe thôøi gian ñaõ ñöôïc phaân trong moät chu kyø thôøi gian nhaát ñònh. Boä phaùt ñaùp TDMA FDMA A B C D A t 1 Khung TDMA Boä phaùt ñaùp f0 f f1 f2 f3 f4 f Hình 5-58 Yeâu caàu ôû TDMA soùng mang phaùt ñi töø moãi traïm maët ñaát caàn phaûi ñöôïc ñieàu khieån chính xaùc sao cho soùng mang cuûa chuùng naèm trong khoaûng thôøi gian ñöôïc phaân phoái baèng caùch truyeàn tín hieäu moät caùch giaùn ñoaïn vaø döï phoøng moät khoaûng thôøi gian baûo veä giöõa caùc ñaøi phaùt giaùn ñoaïn sao cho chuùng khoâng bò choàng laán leân nhau.Vì vaäy, phaûi coù moät traïm chuaån ñeå phaùt ñi tín hieäu chuaån. CDMA: laø moät phöông phaùp ña truy nhaäp, trong ñoù moãi traïm maët ñaát phaùt ñi moät taàn soá soùng mang nhö nhau, nhöng soùng mang naøy tröôùc ñoù ñaõ ñöôïc ñieàu cheá baèng moät maãu bit ñaëc bieät quy ñònh cho moãi traïm maët ñaát tröôùc khi phaùt tín hieäu ñaõ ñieàu cheá. Ôû loaïi naøy, ngay caû khi coù nhieàu tín hieäu ñieàu cheá ñöôïc ñöa vaøo moät boä phaùt ñaùp, taïi traïm thu coù theå taùch tín hieäu caàn thu baèng moät maãu bit ñaëc bieät ñeå giaûi ñieàu cheá. Neáu xeùt ña truy nhaäp theo quan ñieåm phaân phoái keânh thì coù theå ñöôïc chia ra laøm hai loaïi laø Ña truy nhaäp phaân phoái tröôùc vaø ña truy nhaäp phaân phoái theo yeâu caàu : Ña truy nhaäp phaân phoái tröôùc: laø phöông phaùp truy nhaäp trong ñoù caùc keânh veä tinh ñöôïc phaân boá coá ñònh cho caùc traïm maët ñaát khaùc, baát chaáp coù hay khoâng caùc cuoäc goïi phaùt ñi. Ña truy nhaäp phaân phoái theo nhu caàu: laø phöông phaùp truy nhaäp trong ñoù caùc keânh veä tinh ñöôïc saép xeáp laïi moãi khi coù yeâu caàu thieát laäp keânh ñöôïc ñöa ra töø caùc traïm maët ñaát coù lieân quan. Nguyeân Lyù Heä Thoáng FDMA FDMA (Frequency Division Access) laø phöông phaùp trong ñoù ñoä roäng baêng taàn coâng taùc cuûa veä tinh (tieâu chuaån laø 500mhz) ñöôïc chia ra caùc khoaûng taàn soá goïi laø “boä phaùt ñaùp (Transponder)”. Ñoä roäng cuûa boä phaùt ñaùp (thöôøng 36mhz hoaëc 72mhz) ñöôïc phaân chia cho moãi traïm maët ñaát ñeå phaùt ñi ôû caùc taàn soá aán ñònh rieâng cho moãi traïm. Khi nhaän traïm veä tinh traïm maët ñaát ñieàu chænh maùy thu cuûa chuùng ñeán caùc taàn soá mong muoán ñeå khoâi phuïc löu löôïng thoâng tin daønh cho traïm. (hình 4-12 : bieãu dieãn nguyeân lyù heä thoáng FDMA). A B C D Time fA fB fC fA Satellite Earth Station Frecency Hình 5-59 : Nguyeân Lyù Heä Thoáng FDMA Trong tröôøng hôïp ñôn giaûn thì traïm maët ñaát thu gom toaøn boä löu löôïng thoâng tin cuûa traïm ñoù leân moät soùng mang baèng caùch gheùp caùc baêng taàn cô baûn FDM (frequency Division Multilex) hoaëc TDM (Time division Multilex) maø khoâng caàn bieát ñòa chæ cuûa thoâng tin ñoù. Moãi moät soùng mang ñöôïc phaân caùch vôùi caùc soùng mang khaùc baèng nhöõng baêng taàn baûo veä thích hôïp sao cho chuùng khoâng choàng laán leân nhau. Phöông phaùp naøy cho pheùp taác caû caùc traïm truyeàn daãn lieân tuïc, noù coù öu ñieåm khoâng caàn thieát ñieàu khieån ñònh thôøi ñoàng boä vaø thieát bò söû duïng khaù ñôn giaûn, hieäu quaû söû duïng coâng suaát veä tinh laø chaáp nhaän toát. Trong heä thoáng FDMA, moät daïng thöùc truyeàn tín hieäu TV thöôøng ñöôïc söû duïng laø moät keânh qua moät soùng mang SCPC (Single channel Per Carrier) vaø ña keânh treân moät soùng mang MCPC (Multiple Channel Per carrier) Ña Truy Nhaäp Phaân Chia Theo Thôøi Gian (TDMA) Laø moät heä thoáng caùc traïm thu maët ñaát duøng chung moät boä phaùt ñaùp treân cô sôû phaân chia thôøi gian. Tröôùc heát phaûi söû duïng moät soùng mang ñieàu cheá soá. Heä thoáng naøy thöôøng ñònh ra moät khung thôøi gian goïi laø khung TDMA. Khung thôøi gian naøy seõ chia ra laøm nhieàu khoaûng töông öùng vôùi moãi traïm maët ñaát. Moãi traïm seõ phaùt soùng theo theo khe thôøi gian cuûa khung quy ñònh. Ñoàng thôøi giöõa caùc khe thôøi gian caàn moät khoaûng thôøi gian troáng ñeå tín hieäu caùc traïm khoâng choàng nhau veà thôøi gian taïi traïm phaùt ñaùp. Töông töï taïi caùc traïm thu maët ñaát, ñeå laáy ñöôïc tin töùc caàn ñöôïc xaùc ñònh ñuùng khe thôøi gian ñeå laáy soùng mang cuûa chính noù. Ñaây laø phöông phaùp coù theå söû duïng toát nhaát coâng suaát cuûa veä tinh. Noù coù theå thay ñoåi soá khe cuõng nhö ñoä roäng cuûa khe thôøi gian trong khung maø khoâng aûnh höôûng gì tôùi caùc thieát bò phaàn cöùng. Hình aûùnh khung TDMA nhö sau: Moät khe D C A B D A Töø traïm chuaån Thôøi gian baûo veä Moät khung Hình 5-60 : Khung TDMA Ña Truy Nhaäp Traûi Phoå (CDMA) Khi caàn göûi ñi döõ lieäu daïng nhò phaân, ñeå thöïc hieän ñieàu cheá PSK cho tín hieäu naøy tröôùc heát ngöôøi ta maõ hoùa caùc bit 0’, 1’ thaønh maõ toác ñoä cao hôn, sau ñoù ñöa vaøo ñieàu cheá PSK, nhö theá seõ traûi phoå cuûa tín hieäu ra caû baêng taàn. Caùc tín hieäu töø taát caû caùc traïm ñeàu coù cuøng moät vò trí trong boä phaùt ñaùp caû veà thôøi gian vaø taàn soá. Phía thu thöïc hieän quaù trình traûi ngöôïc laïi, söû duïng maõ gioáng nhö ñaõ duøng traûi phoå ôû phía phaùt ñeå thu laïi tín hieäu ban ñaàu. Ñieàu naøy cho pheùp chæ thu caùc tín hieäu mong muoán, ngay caû khi caùc soùng mang traûi phoå vôùi caùc maõ khaùc ñeán cuøng thôøi gian. Heä thoáng naøy coù hieäu quaû lôùn choáng laïi can nhieãu töø caùc heä thoáng khaùc, noù cuõng taïo ra ít nhieàu tôùi caùc heä thoáng khaùc. Tuy hieân heä thoáng naøy caàn ñoä roäng baêng taàn lôùn vaø gaây ra taïp aâm nhieãu laãn nhau khi nhieàu traïm duøng chung moät boä phaùt ñaùp, vì theá daãn tôùi dung löôïng truyeàn daãn treân boä phaùt ñaùp raát nhoû. Baûng tính naêng cuûa caùc heä thoáng ña truy nhaäp Heä thoáng Öu ñieåm Nhöôïc ñieåm Nhaän xeùt FDMA - Thuû tuïc truy nhaäp ñôn giaûn. - Caáu hình traïm maët ñaát ñôn giaûn. - Thieáu linh hoaït trong thay ñoåi thieát laäp tuyeán. - Hieäu quaû thaáp khi soá keânh taêng. - Deã öùng duïng trong phaân phoái theo yeâu caàu vaø kích hoaït baèng tieáng noùi trong SCPC dung löôïng nhoû. TDMA - Hieäu quaû söû duïng tuyeán cao. - Linh hoaït trong vieäc thay ñoåi thieát laäp tuyeán. - Yeâu caàu ñoàng boä cuïm. - Coâng suaát traïm phaùt maët ñaát cao. - Coù theå öùng duïng: SS-TDMA CDMA - Chòu ñöôïc nhieãu vaø meùo. - Chòu ñöôïc söï thay ñoåi caùc thoâng soá khaùc nhau cuûa ñöôøng truyeàn daãn. - Baûo maät tieáng noùi cao. - Hieäu quaû söû duïng baêng taàn keùm. - Ñoä roäng baêng taàn truyeàn daãn yeâu caàu lôùn. - Phuø hôïp vôùi caùc heä thoáng coù traïm thu dung löôïng nhoû.