Chương 3: Truyền dẫn audio và video Chương 3 TRUYỀN DẪN AUDIO VÀ VIDEO SỐ 3.1. GIỚI THIỆU Tín hiệu audio-video sau khi được số hoá sẽ được đưa đến kênh truyền để truyền đi hoặc có thể lưu trữ trên các thiết bị ghi phát số. Truyền dẫn audio video là chuyển dữ liệu từ nơi này đến nơi khác với những phương thức truyền khác nhau. Từ một camcorder nhỏ nhất cho đến một mạng lớn như mạng toàn cầu internet, tất cả những hệ thống số đó đều phải đối mặt với rất nhiều khó khăn trong vấn đề truyền dẫn tức là chuyển dữ liệu từ nơi này đến nơi khác. Ghi và lưu trữ là hai loại ứng dụng truyền dẫn khác, chuyển dữ liệu từ thời điểm này tới thời điểm khác. Chương này sẽ bàn đến một số công nghệ cũng như một số hệ thống truyền dẫn dữ liệu số. 3.2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN SỐ Toàn bộ môi trường truyền dẫn (được gọi là kênh), đối với tín hiệu analog đều có những hạn chế nhất định, thông thường về dải thông, tạp âm, không ổn định về thời gian gốc và đặc tuyến biên độ phi tuyến. Sự suy giảm analog này có thể gây ra lỗi trong truyền dẫn số vì vậy nó phá vỡ ưu điểm cơ bản của kĩ thuật số, một công nghệ khá hoàn hảo. Phần này bàn đến một vài công nghệ dùng để xử lý các vấn đề gặp phải của môi trường analog trong truyền dẫn số. Hình 3.1. là sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn số tiêu biểu bao gồm tất cả các phần tử có thể có trong hệ thống, mặc dù không phải tất cả mọi hệ thống đều có. 3.2.1. Mã hóa Trong hầu hết các truờng hợp dữ liệu nhị phân gốc tạo bởi ADC không phù hợp cho truyền dẫn, vì vậy nó phải được định dạng trước khi truyền dẫn. Quá trình này được gọi là mã hóa (encoding hay coding), đây là quá trình biến đổi hoặc bổ sung vào dữ liệu mà không làm tổn hao bất cứ nội dung thông tin nào của dữ liệu. Mã hóa có thể được thực hiện và phá bỏ (giải mã) bằng một vài cách khác nhau để tín hiệu số truyền qua hệ thống. Kỹ thuật mã hóa trình bày ở đây chỉ sử dụng cho truyền dẫn, quá trình mã hóa bổ sung có thể được áp dụng. Ví dụ, để thực hiện nén dữ liệu có thể làm mất lượng thông tin không quan trọng để quá trình nén đạt hiệu quả tốt hơn. Trong ngành công nghiệp viễn thông, người ta có thể quan sát các bước của quá trình xử lý thông tin như một chuỗi các lớp của giao thức. Năm 1984 tổ chức 56 Chương 3: Truyền dẫn audio và video tiêu chuẩn quốc tế ISO phát triển mô hình liên kết các hệ thống mở (OSI) thành tiêu chuẩn IS7498. Mô hình trên xác định có bảy lớp giữa người dùng và mạch vật lí. Đây là tiêu chuẩn được sử dụng rất rộng rãi ở Châu Âu để kết nối máy tính trên các kênh thông tin ở Mỹ, mô hình OSI cũng được sử dụng nhưng tiêu chuẩn TCP/IP lại thông dụng hơn (là cơ sở cho mạng Internet). Các lớp OSI được minh họa trong hình 3.2. Các lớp được trình bày ngắn gọn dưới đây: Mã hóa Mã hóa Mã hóa Mã sửa lỗi Mã sửa lỗi Mã sửa lỗi Đóng gói Điều chế Kênh truyền Khôi phục clock Giải điều chế Phân tích gói EADC Giải mã EADC EADC Giải mã Giải mã Ngỏ ra dữ liệu A Ngỏ ra dữ liệu B Ngỏ ra dữ liệu C Ngỏ vào dữ liệu A ỏ vào dữ liệu B ỏ vào dữ liệu C Ng Ng Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn số 1. Lớp vật lí: lớp này bao gồm phần cứng vật lí thực, phần mềm liên lạc và mọi thứ cần thiết để thiết lập một kết nối vật lí và truyền dòng bit trên nó. 2. Lớp liên kết dữ liệu: lớp này điều khiển mối liên kết vật lí thực và có thể cung cấp các chức năng xử lí lỗi. 3. Lớp mạng: lớp này xử lí phân tuyến liên lạc thông qua một mạng. 4. Lớp giao vận: lớp này là cầu nối giữa các chức năng ứng dụng và thông tin. Nó cũng thực hiện việc sửa lỗi, điều khiển luồng và chức năng ghép kênh. 5. Lớp phiên: lớp này thiết lập, xử lí và giải phóng sự kết nối thông tin. 6. Lớp trình diễn: lớp này định rõ cách thức thiết lập và kết thúc của lớp phiên. 57 Chương 3: Truyền dẫn audio và video 7. Lớp ứng dụng: lớp cao nhất này là một giao diện với người sử dụng giữa dịch vụ thông tin dữ liệu và người dùng. Các hệ thống đơn giản không dùng tất cả các lớp này. Mô hình OSI sẽ được sử dụng trong phần dưới đây. Lớp ứng dụng Lớp t r ình diễn Lớp phiên Lớp giao vận Lớp mạng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý Người sử dụng Phần cứng Hình 3.2. Các giao thức của mô hình ISO tiêu chuẩn Đầu ra của quá trình mã hóa vẫn là dòng bit nhị phân. Mặc dù một dòng bit như thế này đôi khi có thể được truyền trực tiếp tới kênh truyền analog, song việc thực hiện thêm quá trình xử lý tương tự hoặc số nhằm tạo ra tín hiệu phù hợp hơn cho kênh truyền là hoàn toàn thỏa mãn. Đầu ra của những quá trình này không còn là tín hiệu số nhị phân nữa, nó có thể có các đặc tính analog. Trong chương này, quá trình xử lý đặc trưng của kênh như trên được gọi là điều chế hoặc mã hóa kênh. Cần chú ý rằng, một vài bước mã hóa như định nghĩa ở đây trong công nghiệp thường có ý nghĩa như điều chế. 3.2.2. Dạng nối tiếp và song song Dữ liệu số cho audio và video thường có cấu trúc dạng nhóm bit, các nhóm này trình bày một đoạn thông tin, ví dụ như pixel cho video hoặc một mẫu cho audio. Nhiều khi phần cứng tạo thông tin cung cấp dữ liệu trên một số mạch song song, trên cơ sở cấu trúc dữ liệu một mạch trên mẫu. Vì vậy, 1 bộ ADC 8 bit có thể có 8 dây đầu ra. Cấu trúc song song như vậy rất phù hợp cho việc truyền dữ liệu ở những 58 Chương 3: Truyền dẫn audio và video khoảng cách ngắn, với ưu thế tốc độ dữ liệu trên dây thấp hơn tổng tốc độ dữ liệu là số n tương ứng với số dây song song. Tuy nhiên, việc xử lý các dây tín hiệu song sẽ gặp khó khăn nếu dữ liệu truyền dẫn nằm ngoài một box đơn, và sẽ hoàn toàn không thực hiện được nếu khoảng cách quá xa hay khi cần thiết phải sử dụng truyền dẫn vô tuyến. Trong trường hợp này dữ liệu phải được kết thành dạng chuỗi để có thể truyền được trên một kênh đơn. 3.2.3. Đồng bộ hóa Có hai phần cần phải đồng bộ hóa dữ liệu: (1) trích một đồng hồ giúp cho việc đọc cũng như chốt dòng dữ liệu trở nên đáng tin cậy hơn, (2) đồng bộ hóa định dạng dữ liệu để nội dung có thể được nhận dạng và giải mã. 3.2.3.1. Trích đồng hồ Trong một hệ thống dữ liệu song song, một dây riêng biệt được dành riêng cho đồng hồ tạo xung đồng bộ, vì vậy không có khó khăn gì khi trích đồng hồ. Tuy nhiên, các hệ thống nối tiếp phải chứa sẵn tín hiệu đồng hồ trong dữ liệu để thiết bị thu có thể xác định được số bit dữ liệu một cách đáng tin cậy. Đây được gọi là tự tạo xung đồng bộ. Một dòng dữ liệu nối tiếp có các đặc tính như một chuỗi ngẫu nhiên của các số “1” và “0”. Điển hình là sẽ có các thành phần tín hiệu có giá trị cao ở tần số dữ liệu lập lại, thành phần này có thể được trích bởi một vòng khóa pha (PLL) hoạt động tại tần số đó. Mục đích của việc mã hóa và điều chế là đảm bảo việc trích đồng hồ có thể được hoàn tất với bất cứ mô hình bit dữ liệu nào. Bộ lọc thông thấp VCO ở tần số clock Dạng sóng dốc thoải Dữ liệu Ngỏ ra xung clock Dạng sóng VCO dốc thoải Xung lấy mẫu Dạng sóng dữ liệu Hình 3.3. Sơ đồ khối của một vòng khóa pha 59 Chương 3: Truyền dẫn audio và video Hình 3.3 là sơ đồ khối của một vòng khóa pha. Một bộ tạo sóng điều khiển điện áp (VCO) hoạt động với tần số xấp xỉ bằng tần số đồng hồ. Nó được điều khiển bởi đầu ra của bộ tách sóng pha tạo bởi quá trình lấy mẫu và lưu trữ dạng sóng thoải ở VCO với các xung nhận được từ các biên chính của tín hiệu dữ liệu. Đầu ra của bộ phận trích mẫu và lưu trữ có điện áp có thể làm thay đổi tần số của VCO theo hướng đồng hồ. Tại đồng hồ, bộ phân tích sẽ kết thúc quá trình lấy mẫu tín hiệu VCO ở gần trung tâm của mỗi bước chuyển tích cực. Do có thể có sự trượt về thời gian của tín hiệu đầu vào và đối với một vài định dạng có thể sẽ không có bước chuyển tích cực ở mọi chu kỳ đồng hồ cho nên bộ lọc thông thấp ở PLL sẽ làm chậm hoạt động lại, vì vậy đồng hồ được trích vẫn ổn định. Đầu ra ở VCO của PLL trở thành đồng hồ dữ liệu. Tuy nhiên, dữ liệu được tạo ra không đáng tin cậy bởi vì có những đoạn được mở rộng của tất cả các số “1” hoặc tất cả các số “0”, trong giai đoạn này không có thành phần tần số đồng hồ, và PLL sẽ trượt khỏi đồng hồ. Để quá trình trích đồng hồ hoạt động một cách đáng tin cậy, phải đặt ra những điều kiện cho dữ liệu trong quá trình mã hóa để đảm bảo là các đoạn có cùng giá trị không quá dài. Đặc tính của dòng dữ liệu được gọi là độ dài thay đổi và kỹ thuật điều khiển nó là giới hạn độ dài thay đổi (RLL). RLL được lượng tử hóa bằng cách xác định thời gian tối thiểu (T min ) và tối đa (T max ) giữa các bước chuyển của trạng thái dữ liệu trong kênh truyền. Giá trị T min tương ứng với thành phần tần số tối đa của dòng dữ liệu (xấp xỉ bằng 1,5 chu kỳ của tần số tối đa) và giá trị T max tương ứng với thời gian dài nhất mà mạch khôi phục đồng hồ phải giữ mà không có bất cứ đầu vào nào. Một thông số nữa là tỉ lệ mật độ của dữ liệu (DR), là tỉ lệ T min trên T, trong đó T là thời gian tối thiểu giữa các bước chuyển của dòng dữ liệu đầu vào trước khi mã hóa. DR càng lớn, thông tin được truyền bởi kênh xác định càng nhiều. 3.2.3.2. Thành phần DC Một đặc điểm quan trọng khác của dòng dữ liệu là thành phần dc, là số trung bình dài hạn của các giá trị bit trong dòng bit. Nó quan trọng bởi vì hầu hết các phương tiện truyền dẫn không thể truyền được giá trị dc. Mất thành phần dc của dòng dữ liệu sẽ gây ra lỗi hoặc ít nhất cũng sẽ làm giảm biên của hệ thống. Một sơ đồ mã hóa tốt phải loại bỏ hoặc giảm thiểu thành phần dc. Bảng 3.1 đưa ra danh sách một vài quá trình mã hóa và các đặc tính của nó. Đầu vào thứ nhất trong bảng, dạng xung không trở về 0 (NRZ) là khi các số “1” và “0” của tín hiệu được truyền trực tiếp lần lượt. Đây chính là cách thức mà chúng ta thường gán cho dòng bit. Trong NRZ, bước chuyển đi tới cực dương được ấn định là “1” và bước chuyển đi tới âm được ấn định là “0”. Các chuỗi của các số “1” và 60 Chương 3: Truyền dẫn audio và video “0” lặp lại sẽ không tạo ra các bước chuyển tiếp. NRZ đơn giản nhưng không sử dụng được bởi vì T max không xác định và thành phần dc lớn làm cho quá trình trích đồng hồ không thể thực hiện được. Tên ký hiệu T min T max DR Thành phần DC Tự đồng bộ NRZI T ∞ 1 lớn không FM T/2 T 0,5 không có PE T/2 T 0,5 không có MFM T 2T 1 không có EFM 1,41T 5,18T 1,41 không có Dạng sóng 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 Bảng 3.1. Thông số của một vài quá trình mã hóa Một biến thể của NRZ là NRZI (NRZ- inverted). Ở xung NRZI có một bước chuyển tiếp (ở cả hai hướng) cho mọi bit “1” nhưng lại không có bước chuyển cho số “0”. Mã này vô cực nhưng lại giống với NRZ là T min = T và T max = ∞. Sơ đồ mã hóa FM (còn được gọi là mã đánh dấu lưỡng pha) truyền hai bước chuyển kênh cho “1” và một bước chuyển cho “0”. Nó loại bỏ thành phần dc nhưng lại giảm T min đi một nữa, vì vậy DR chỉ còn 0,5. Nó tự tạo xung đồng hồ. Mã PE hoặc Manchester có bước chuyển tiếp cho mọi bit, đặt ở trung tâm của ô bit. Bit “0” có bước chuyển dương và “1” có bước chuyển âm. Khi các giá trị liên tiếp là như nhau, các bước chuyển phụ có hướng đối lập được thêm vào giữa các ô bit, nó sẽ cho ra cùng một kết quả như mã hóa FM: không có DC và DR = 0,5. Ở mã MFM, hay còn gọi là điều chế trễ hoặc mã Miller, “1” được mã hóa bởi bước chuyển của cả hai hướng trị trung tâm của khoảng bit, trong khi không có bước chuyển nào ở vị trí này cho số “0”. Một chuỗi các số “0” sẽ có bước chuyển đơn cuối mỗi khoảng bit. Nó cho DR=1 với thành phần DC nhỏ. 3.2.3.3. Mã hóa nhóm Có thể thực hiện được nhiều mã trên các nhóm bit dữ liệu, cách này được sử dụng rất rộng rãi. Nó thường có dạng cộng thêm một số bit phụ nào đó với dữ liệu để cho phép kiểm soát được các đặc tính của dòng dữ liệu độc lập với dữ liệu vào bộ mã hóa. Ví dụ, một phương pháp thông dụng điều chế 8 thành 14 (EFM) chia các bit dữ liệu thành các nhóm 8 bit và cộng thêm 6 bit bổ sung cho mỗi nhóm có nghĩa là sẽ có 14 bit thực sự được truyền cho 8 bit dữ liệu. 61 Chương 3: Truyền dẫn audio và video Việc chèn các bit phụ trong EFM được thực hiện bằng cách sử dụng bảng tra cứu cung cấp 14 bit cho mỗi giá trị 8 bit đầu vào (nội dung của bảng mã hóa như thế này được gọi là bảng mã) bảng có 256 đầu vào 14 bit. Do một từ 14 bit có thể biểu thị tới 16384 giá trị và chỉ có 256 là cần thiết, cho nên giá trị 14 bit thực sự cần sử dụng phải được chọn lọc cẩn thận để kiểm soát T min , T max và thành phần DC. Các cách lựa chọn khác nhau này dẫn đến các hệ thống điều chế khác nhau. Tất nhiên phương pháp phải được tiêu chuẫn hóa, bởi vì bộ giải mã phải biết nội dung chính xác của bảng mã được sử dụng. Để EFM chọn các giá trị 14 bit, sẽ có khả năng hai hay nhiều bit được chọn cặp với nhau. Khi hai bit đầu ra ứng với (2x8)/14 = 1,14 bit đầu vào, T min = 1,14 (T min được tính theo số bit đầu vào). DR có cùng giá trị, do vậy bằng cách cộng 6 bit vào 8 bit chúng ta có thể truyền được hơn 14% dữ liệu. Điều này xảy ra bởi vì sự lựa chọn các giá trị EFM 14 bit tránh được tất cả cách bước chuyển tiếp bit đơn bằng cách giảm một nửa độ rộng của kênh truyền như yêu cầu. Quá trình mã hóa EFM giới hạn số bit đầu ra theo đoạn tối đa là 7, vì vậy tính theo số bit đầu vào T max =(7x8)/14=4. Trên thực tế, quá trình EFM phức tạp hơn quá trình được miêu tả trên đây rất nhiều do không đủ các giá trị 14 bit tương ứng đầy đủ mọi điều kiện khi xem xét một chuỗi mã 14 bit kề nhau. Để đảm bảo các mô hình bit được tạo ra tại quá trình ghép các đoạn mã 14 bit không vi phạm các điều kiện của hệ thống đặc ra cho T min , T max và thành phần DC, bộ mã hóa EFM cũng phải kiểm tra tình trạng này và chọn 1 trong 4 giá trị 14 bit xen kẽ phù hợp. Vì vậy, bảng tra cứu sự thực phải lưu trữ được 1024 giá trị bit. Danh sách trong bảng 3.1 cũng đưa ra các thông số cho mã EFM đặc biệt sử dụng cho máy ghi hình từ tính D-3. 3.2.3.4. Mô hình dạng mắt Tín hiệu số tiêu biểu trong một kênh truyền dẫn sẽ bị lẫn tạp âm như mô tả trong hình 3.4(a). Một đồng hồ được trích từ tính hiệu này cũng có thể có sự dịch chuyển thời gian tương đối so với tín hiệu. Để kiểm tra hệ thống, hai trong những đặc tính này có thể quan sát thấy trên máy hiện sóng bằng cách hiển thị tín hiệu với các xung răng cưa quét dòng đồng bộ với xung đồng hồ được trích. Đây gọi là mô hình dạng mắt và được mô tả trên hình 3.4(b). Mô hình này chỉ ra tín hiệu dịch chuyển xung quanh một vùng mở (dạng mắt), trung tâm của nó có thể biểu thị điểm lấy mẫu lý tưởng của tín hiệu, tức là tại đó có thể nhận được sự phân tách dữ liệu đáng tin cậy nhất. Khi chỉ tiêu truyền dẫn không đặt lên hàng đầu, mắt sẽ nhỏ hơn và việc xác định điểm lấy mẫu càng phải được giới hạn để duy trì tỉ lệ lỗi thấp. Như đã minh họa trên hình, độ cao và độ rộng của mắt theo thứ tự biểu thị biên của biên độ và biên của pha. 62 Chương 3: Truyền dẫn audio và video 3.2.3.5. Nhận dạng định dạng dữ liệu Khả năng phát hiện các số “1” và “0” của dữ liệu được mã hóa chỉ là một phần của quá trình đồng bộ hóa. Người ta cũng phải xác định vị trí các đặc điểm duy nhất của định dạng dữ liệu để thông tin thực có thể được hồi lại. Ví dụ, giải mã định dạng EFM được miêu tả trong phần 3.2.3.3 yêu cầu phải xác định vị trí của bit chính xác tại điểm mỗi mô hình 4 bit bắt đầu. Việc này thường được thực hiện bằng cách xác định một đoạn bit duy nhất (từ đồng bộ) được chèn vào dữ liệu mã hóa. Khi hồi phục, tìm từ đồng bộ có nghĩa là (ví dụ ở EFM) bit dữ liệu tiếp theo đó chính là điểm xuất phát của một từ được mã hóa 14 bit. Trong những trường hợp khác, các bit tiếp sau từ đồng bộ có thể là điểm xuất phát của một đầu xác định mức đầu tiên của định dạng dữ liệu. Tất nhiên, mã hóa phải được thiết kế để từ đồng bộ là duy nhất, tức là dữ liệu ngẫu nhiên không thể tạo ra từ đồng bộ. Một vài sơ đồ mã hóa tiến bộ hơn như EFM tự động cung cấp các định dạng các từ đồng bộ duy nhất. Clock lấy mẫu Mức ngưỡng tối Vị trí lấy mẫu tối ưu Biên biên độ Biên p ha Hình 3.4. Mô hình mắt: a) dạng sóng dữ liệu, b) mô hình mắt Phần cứng có chức năng tìm từ đồng bộ rất đơn giản, người ta sử dụng cấu hình của thanh ghi dịch nối tiếp-song song. Dữ liệu mã hóa có chứa các từ đồng bộ tại các vị trí chưa biết truyền liên tục tới đầu vào nối tiếp của thanh ghi dịch. Các mức song song được chốt trong mọi chu kỳ đồng hồ nối tiếp và tất cả các bit nối tiếp của đầu ra song song được so sánh với từ đồng bộ mong muốn. Nếu tất cả các bit so sánh, từ đồng bộ được tìm thấy. Quá trình này có thể được thực hiện bằng phần mềm mặc dù đối với tín hiệu video, như vậy sẽ đòi hỏi tốc độ xử lý nhanh và vẫn phải cần đến sự hỗ trợ của phần cứng. 3.2.4 Điều chế 63 Chương 3: Truyền dẫn audio và video Như đã giải thích ở phần 3.2.1, quá trình xây dựng cấu hình một dòng dữ liệu đã được mã hóa cho truyền dẫn tối ưu trên kênh truyền analog xác định gọi là điều chế. 3.2.4.1. Đặc tính kênh truyền Một kênh truyền có thể được đặc tả bởi các đạt tính truyền đạt analog bao gồm các đặc tính của đặc tuyến số, SNR, độ ổn định thời gian gốc và độ tuyến tính của biên độ. Ví dụ các kênh truyền như đường điện thoại, cáp sợi quang, cáp đồng trục, máy ghi từ tính, các kênh quảng bá vệ tinh, và các kênh quảng bá mặt đất. Mỗi loại này điều có đặc tính riêng, cần đến các phương tiện điều chế khác nhau để đạt được khả năng truyền dẫn số tốt nhất. 3.2.4.2 Biểu trưng (Symbol) Như đã đề cập ở phần trước, tín hiệu của kênh bao gồm những dòng các bit có giá trị “1” hoặc “0”, hoặc một dòng chuyển tiếp giữa các giá trị nhị phân. Để hỗ trợ phần bàn luận về các phương pháp điều chế tiến bộ hơn, việc đưa ra định nghĩa về khái niệm Symbol là rất cần thiết. Symbol là đơn vị cơ bản của dữ liệu được mang đi tại một thời điểm bởi tín hiệu kênh truyền. Mỗi symbol có thể mang một số bit được xác định thông qua phương pháp điều chế mà kênh sử dụng. Điều chế có thể được coi như một quá trình chuyển đổi các bit dữ liệu sang symbol. Giải điều chế là quá trình chuyển đổi các symbol ngược trở lại dạng bit. Phương pháp điều chế tốt nhất cho một kênh truyền chuyên biệt sẽ truyền số bit nhiều nhất/symbol, các giá trị thông dụng của bit/symbol trong khoảng từ ½ đến 4. Những giá trị lớn hơn có thể sử dụng nhưng không thông dụng bởi vì khi đó phải cần đến các chỉ tiêu về SNR và tuyến tính của kênh quá cao. Cần phải có một chu kỳ thời gian nhỏ cho tín hiệu của kênh truyền một symbol độc lập với các symbol gần kề. Chu kỳ này xác định tỉ lệ symbol khác nhau cho kênh (việc xác định này phụ thuộc vào dải thông của kênh). Tốc độ truyền dữ liệu được xác định bằng các bit/symbol nhân với tỉ lệ symbol. Hầu hết bản chất các kênh là analog và gần như tuyến tính. Chính vì vậy, chúng có khả năng xử lý nhiều hơn hai giá trị. Phụ thuộc vào SNR và các đặc tính khác của kênh, việc truyền dữ liệu số với chỉ hai giá trị có thể gây lãng phí dung lượng kênh truyền. Khi các symbol có giá trị lớn hơn hai, khả năng truyền số bit/mẫu lớn hơn là hoàn toàn có thể. 3.2.4.3 Symbol đa mức Tại đầu thu cuối của kênh truyền, tín hiệu chứa lẫn tạp âm tham nhập trong quá trình truyền. Một đồng hồ symbol được khôi phục, sử dụng lấy mẫu tín hiệu với mục đích khôi phục các giá trị symbol. Tuy nhiên, các giá trị này phải được lượng 64 Chương 3: Truyền dẫn audio và video tử hóa để chuyển đổi chúng sang các giá trị số thực sự. Trong trường hợp một hệ thống chỉ có hai mức symbol, mỗi symbol sẽ lượng tử thành một bit. Tất nhiên, nhiều mức symbol sẽ lượng tử thành nhiều bit hơn. Ví dụ, nếu hệ thống được thiết kế cho 4 mức, mỗi symbol sau đó sẽ lượng tử thành hai bit. Số mức symbol nhiều hơn sẽ đòi hỏi SNR của kênh truyền cao hơn để lượng tử hóa thành công. Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu của hệ thống cho một dải thông xác định sẽ tăng lên theo năng lượng của hai trong số các mức. Hoạt động đa mức dựa trên biên độ tín hiệu tất nhiên sẽ yêu cầu độ tuyến tính biên độ của kênh rất cao. Ví dụ, các máy ghi từ có kênh có độ phi tuyến cao, không thể sử dụng các symbol đa mức. Các symbol đa mức tạo sự đánh đổi có hiệu quả giữa SNR và dải thông. Ví dụ điển hình của các symbol đa mức là hệ thống truyền dẫn HDTV Grand Alliance (xem phần 3.4.3) truyền tốc độ dữ liệu thực là 19,3 MB/s trên kênh TV 6 MHz. 3.2.4.4. Các phương pháp điều chế Các giá trị symbol có thể được truyền trên các kênh analog bằng cách điều chế biên độ, điều chế pha, hay điều chế tín hiệu kênh hoặc bằng cách kết hợp những thông số này. Thông thường, một tần số sóng mang được điều chế với dữ liệu mã hóa, nó cho kết quả là phổ dữ liệu bị dịch chuyển tới các vùng lân cận của tần số sóng mang. Sử dụng các phương pháp kết hợp (như điều chế biên độ và pha) là cách thức để tăng các mức symbol. Đối với các hệ thống sử dụng sóng mang, có thể quan sát rõ symbol tăng lên bằng cách nhìn vào đồ thị vector của nó. Những đồ thị này có tên là đồ thị trạng thái tín hiệu nhưng do hình dạng bên ngoài nên đôi khi nó được gọi là đồ thị chòm sao. 2-AM 16-PSK 8-PSK 4-PSK Hình 3.5. Đồ thị thiết lập của các phương pháp điều chế Như minh họa ở hình 3.5 với bốn loại điều chế. AM được hiểu là điều chế biên độ và 2-AM là điều chế biên độ bằng tín hiệu nhị phân. PSK biểu thị khóa dịch pha hoặc điều chế pha, 4-PSK biểu thị điều chế đa mức 2 bit còn 8-PSK là điều chế đa mức 3 bit. QASK chính là khóa dịch biên độ cầu phương hoặc điều chế biên độ cầu phương, là sự kết hợp của điều chế pha và điều chế biên độ 4bit/mẫu. 65 [...]... 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Đọc cột Giải mã Ghi hàng 1 9 17 X X X 49 57 2 10 18 26 34 42 50 58… 1 9 17 X X X 49 57 2 10 18 26 34 42 50 58 3 11 19 27 35 43 51 59 4 12 20 28 36 44 52 60 5 13 21 29 37 45 53 61 6 14 22 30 38 46 54 62 7 15 23 31 39 47 55 63 8 16 24 32 40 48... với burst lỗi 3. 2.5.7 Mã chèn chéo 69 Chương 3: Truyền dẫn audio và video Hiện tại, người ta vẫn tiếp tục cải tiến bằng cách đưa quá trình quét lớp vào giữa hai khoảng của mã phát hiện và sửa lỗi Reed-solomon Đây được gọi là chèn chéo và minh họa như hình 3. 9 Ngỏ vào dữ liệu Mã R-S ngoài Chèn dữ liệu Mã R-S trong Điều chế Kênh truyền Giải điều chế Sửa lỗi R-S trong Rút trích Sửa lỗi R-S trong Ngỏ ra... thuật của kênh truyền số và tương tự khá thú vị Trong hầu hết các kênh analog, sự suy giảm của kênh sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu và khi kênh bị suy giảm, chỉ tiêu tín hiệu cũng suy giảm tương tự, nhưng tín hiệu không bao giờ bị mất hoàn toàn Trong hệ thống số có khả năng phát hiện-sửa 66 Chương 3: Truyền dẫn audio và video lỗi, sự suy giảm của kênh không ảnh hưởng đến tín hiệu cho đến khi các chỉ... thuộc vào ý nghĩa từ mẫu của bit bị lỗi Tuy nhiên, nếu tính hiệu audio được mã hóa trong định dạng nén, một lỗi bit đơn sẽ gây thiệt hại nhiều hơn và có thể phải cần đến một kỹ thuật che khác 70 Chương 3: Truyền dẫn audio và video Tiếp tục với trường hợp tín hiệu audio được mã hóa PCM, có một số khả năng che mẫu đơn được phát hiện có lỗi Hình 3. 10 minh họa một dạng sóng đầu vào được lấy mẫu và ba trường... chuyển thành các bit đơn … 23 24 X 26 27 28 29 30 31 32 X 34 35 36 37 38 39 40 X 42 43 Hình 3. 8 Chèn các bit lỗi khôi phục thành các bit lỗi độc lập Một khối dữ liệu được đọc cho các hàng của bộ nhớ cấu trúc theo mảng hai chiều Dữ liệu sau đó sẽ được đọc ra từ bộ nhớ theo cột Quá trình ngược lại được thực hiện khi khôi phục Nếu burst lỗi (chữ × trong hình) xảy ra khi tín hiệu ở trong định dạng được... xử lý phát hiện lỗi hiện sửa lỗi có thể tạo ra một cờ Bộ xử lý này cũng cũng sẽ chỉ ra khối dữ liệu đặc biệt có chứa lỗi chưa được sửa Ý nghĩa của lỗi đối với việc tái tạo sẽ phụ thuộc vào quá trình mã hóa số audio hoặc video ở điểm xảy ra lỗi Ví dụ, nếu chúng ta xử lý với audio ở PCM tuyến tính, một lỗi bit đơn sẽ là một lỗi ở giá trị mẫu đơn Mẫu này có thể được nghe thấy như một click trong quá trình. .. chuyển đổi, hệ thống HDTV Grand Alliance, và nhiều hệ thống khác Đây là hệ thống mã khối có thể sửa rất nhiều lỗi trên một khối Ví dụ, một khối có chứa 20 byte biên phát hiện và sửa 68 Chương 3: Truyền dẫn audio và video lỗi R-S có khả năng sửa tới 10 byte lỗi trên một khối Sự lựa chọn khả năng sửa lỗi được thực hiện trong quá trình thiết kế hệ thống Quá trình xử lý hết sức phức tạp, tuy nhiên với các... kém Phần trên chỉ dành cho quá trình mã hóa PCM Khi các quá trình mã hóa khác được sử dụng, đặc biệt là khi có sự tham gia của quá trình nén, che lỗi trở thành quá trình mã hóa đặc thù và phải được quan tâm đến trong quá trình thiết kế phần mã hóa 3. 2.6 Đóng gói Phần bàn luận trước về quá trình phát hiện và sửa lỗi đã giới thiệu rất nhiều kỹ thuật hoạt động dựa vào quá trình phân chia một dòng bit thành... dư thừa được tính toán như độ chẵn lẻ của hàng và cột Nhưng vẫn có những cách tính toán dư thừa khác, và các từ bổ xung cũng có thể được cộng thêm Phương pháp này tạo ra rất nhiều cơ hội lựa chọn chỉ tiêu lỗi để phù hợp với các ứng dụng khác nhau 3. 2.5.6 Mã Reed-Solomon Một mã phát hiện và sửa lỗi được sử dụng rộng rãi là mã Reed-Solomon Mã này được sử dụng trong các máy ghi video và audio, đĩa chuyển... hiện và sửa lỗi Che lỗi Ngỏ ra dữ liệu Hình 3. 6 Sơ đồ khối tổng quát quá trình phát hiện và sửa lỗi 3. 2.5 .3 Tính chẵn lẻ Dạng phát hiện lỗi đơn giản nhất sử dụng một bit đơn phụ cộng vào dòng bit theo chu kỳ Ví dụ, một bit phụ có thể được chèn vào bit nhớ thứ 8 trong dòng bit Bit này có một giá trị khiến các số “1” trong số tám bit cộng với một bit phụ luôn là giá trị chẵn Đây được gọi tính chẵn và . Chương 3: Truyền dẫn audio và video Chương 3 TRUYỀN DẪN AUDIO VÀ VIDEO SỐ 3. 1. GIỚI THIỆU Tín hiệu audio- video sau khi được số hoá sẽ được đưa đến. 50 58 3 11 19 27 35 43 51 59 4 12 20 28 36 44 52 60 5 13 21 29 37 45 53 61 6 14 22 30 38 46 54 62 7 15 23 31 39 47 55 63 8 16 24 32 40 48 56 64 1 9 17 25 33 41 49 57 2 10 18 26 34 42 50. 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18… 1 9 17 X X X 49 57 2 10 18 26 34 42 50