Ngày nay, việc sử dụng phổ tần số ngày càng được chú trọng. Vì phổ tần số là tài sản hữu hạn của quốc gia phục vụ nhiệm vụ thơng tin liên lạc ngày càng phát triển khơng ngừng của xã hội, cũng như phục vụ cho việc phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phịng. Việc sử dụng tần số một cách tiết kiệm và cĩ hiệu quả là ưu tiên hàng đầu. Ghép kênh là ghép nhiều luồng tín hiệu lại với nhau thành một luồng duy nhất, nhằm tiết kiệm kênh truyền. Cĩ hai phương pháp ghép kênh số:
Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM - Time Division Multilexing
Method). Về nguyên lý TDM gán các khe thời gian một cách tuần hồn cho các dịng sơ cấp audio, video và số liệu.
Hình 2.14: Ghép kênh theo thời gian
Ghép kênh gĩi (Packet Multiplexing Method). Trong cách ghép kênh gĩi, các gĩi
số liệu từ các dịng sơ cấp audio, video, số liệu được đan xen vào nhau một cách tuần hồn hoặc khơng tuần hồn, gĩi này tiếp theo gĩi kia để hình thành một dịng ghép kênh.
Hình 2.15: Ghép kênh gĩi
2.1 Hệ thống ghép kênh video số theo tiêu chuẩn MPEG-2
2.1.1 Ghép kênh gĩi theo chuẩn MPEG
Hình 2.16: Bộ ghép kênh MPEG-2
Hệ thống ghép kênh gĩi mơ tả cách thức các dịng số video nén, audio nén và các dịng số liệu khác được ghép chung lại với nhau để tạo ra dịng ghép kênh MPEG. Một số thuật ngữ và các nguyên lý cơ bản của các lớp hệ thống MPEG:
V4 V3 V2 V1A4 A3 A1 A4 A3 A1 D4 D2 D1 A3 V3 D2 V2 D1 A1 V1 Framer TS3 TS2 TS1 MULTIPLEXER Dịng sơ cấp chương trình #1 Dịng sơ cấp chương trình #2 Dịng sơ cấp chương trình #n Số liệu riêng Thơng tin dịch vụ Điều kiển truy cập
cĩ điều kiện Dịng ghép kênh MPEG-2 BỘ GHÉP KÊNH MPEG-2 V3 V2 V1 A3 A2 A1 D3 D2 D1 Framer MULTIPLEXER D3 A3 V3 D2 A2 V2 D1 A1 V1
Chương trình (Program): Theo ngơn ngữ phát thanh truyền hình thì chương
trình thường cĩ nghĩa là các tiết mục thơng tin, giáo dục, giải trí, … được các đài phát lên sĩng hàng ngày. Trong ngữ nghĩa của MPEG, thuật ngữ chương trình cĩ nghĩa là một kênh (channel) hay một dịch vụ phát sĩng (broadcast service) đơn. Theo nghĩa này thì VTV1, VTV2, HTV7, … là các chương trình.
Dịng sơ cấp ES (Elementary Stream): Một chương trình bao gồm một hay
nhiều dịng sơ cấp. Chương trình truyền hình thơng thường bao gồm ba dịng sơ cấp đĩ là: dịng video, dịng audio và dịng số liệu teletex.
Dịng ghép kênh: Lớp hệ thống MPEG-2 mơ tả cách thức các dịng sơ cấp
của một chương trình hay của nhiều chương trình được ghép chung với nhau tạo thành một dịng số liệu thích hợp cho lưu trữ số, hay truyền dẫn số.
Các thơng tin cần thiết khác:
+ Hệ thống các nhãn thời gian (Tim Stamp - TS): Sử dụng để đảm bảo các
dịng sơ cấp liên hệ với nhau được phát lại một cách đồng bộ tại bộ giải mã.
+ Các bảng thơng tin dịch vụ (Service Imformation): Mơ tả chi tiết về thơng số
mạng, về các chương trình được ghép kênh và về bản chất của các dịng sơ cấp khác nhau.
+ Các thơng tin điều kiển việc xáo trộn (Scrambling) số liệu, các thơng tin
dùng để truy cập cĩ điều kiện CA (Conditional Access).
+ Các kênh số liệu riêng (Private Data): Số liệu riêng là dịng số liệu mà
nội dung của nĩ khơng được quy định bởi chuẩn MPEG.
+ Ở MPEG, để đạt được sự đồng bộ thơng qua việc sử dụng nhãn thời gian tần số và chuẩn đồng hồ (Clock System CS). CS là mẫu data 33 bit chỉ báo thời gian theo đồng hồ thời gian hệ thống (System Time Clock STC) của một đơn vị trình diễn (Presentation Unit PU: ảnh, video, audio, …) nào đĩ.
2.1.2 Hệ thống ghép kênh MPEG-2 Hình 2.17: Hệ thống ghép kênh MPEG-2 Hình 2.17: Hệ thống ghép kênh MPEG-2 Mã hố video Mã hố audio Đĩng gĩi Đĩng gĩi Ghép kênh dịng chương trình Ghép kênh dịng truyền tải Video vào Audio vào Dữ liệu Dịng chương trình Dịng truyền tải
Hệ thống ghép kênh MPEG-2 được chia thành 2 hệ thống: Hệ thống ghép kênh dịng chương trình và hệ thống ghép kênh dịng truyền tải.
Bộ mã hĩa video mã hĩa tín hiệu video số định dạng CCIR-601 thành dịng sơ cấp video (video ES) cĩ chiều dài gần như vơ tận và chỉ chứa thơng tin tối cần thiết để cĩ thể khơi phục lại hình ảnh ban đầu.
Bộ mã hĩa audio mã hĩa tín hiệu audio số định dạng AES/EBU thành dịng sơ cấp audio cĩ chiều dài tùy ý (tần số lấy mẫu 48KHz, lượng tử hĩa 24 bit và tốc độ bit là 1152Kbps).
Để cĩ thể truyền được với tốc độ cao, các dịng video, audio được đĩng gĩi lại thành các dịng sơ cấp PES (Packetized Elementary Stream) tương ứng với các gĩi cĩ độ dài thay đổi. Mỗi gĩi PES bao gồm một header và một số liệu trích ra từ dịng sơ cấp. Các gĩi PES lại được ghép với nhau tạo ra dịng chương trình (PS - Program Stream) hay dịng truyền tải (TS - Transport Stream).
Hình 2.18: Hệ thống cấu trúc các lớp MPEG
Trong hệ thống MPEG-2 cĩ 2 lớp:
Lớp nén: Mơ tả cú pháp của dịng video và audio dựa trên cấu trúc dịng data
video và audio (đã trình bày trong phần trước). Các chuỗi data video và audio độc lập được mã hĩa MPEG-2 để tạo ra các dịng độc lập gọi là dịng cơ bản.
Lớp hệ thống: Định nghĩa tổ hợp của các dịng bit audio và video riêng biệt
thành một dịng đơn để lưu trữ (dịng chương trình PS) hay để truyền tải (dịng truyền tài TS). Hệ cịn gồm các thơng tin định thời và thơng tin khác cần cho giải đa hợp dịng audio, video và để đồng bộ audio-video ở phía giải mã; thơng tin chuẩn đồng hồ hệ thống (System Clock Reference - SCR) và nhãn thời gian trình diễn (Presentation Time Stamp - PTS) được chèn vào dịng bit MPEG.
Định dạng nguồn Mã hố nén Đĩng gĩi Đa hợp dịng TS Đa hợp dịng PS Giải định dạng nguồn Giải mã nén Mỡ gĩi Giải đa hợp dịng TS Giải mã đa hợp dịng PS Lớp nén Lớp hệ thống
Chuẩn MPEG định nghĩa một hệ thống ba dịng data cĩ thứ bậc như sau: dịng sơ cấp đã đĩng gĩi, dịng chương trình và dịng truyền tải.
Dịng sơ cấp đĩng gĩi (PES): Qua bộ đĩng gĩi, dịng sơ cấp được chia thành
các gĩi cĩ độ dài tùy ý. Nội dung gĩi cĩ nguồn gốc từ dịng data hay dịng audio hay dịng video đã được mã hĩa MPEG-2.
Hình 2.19: Cấu trúc PES
Dịng chương trình (PS - Program Stream): Các gĩi PES cĩ nguồn gốc từ
1 hay nhiều dịng sơ cấp dùng chung gốc thời gian như là dịng audio, video, data, được ghép thành một dịng chương trình PS như các lơ (pack) cĩ tính lặp lại. Trong phần header của lơ, SCR đảm bảo các gĩi audio và video được định thời. Đĩ là tín hiệu thời gian thực chỉ báo thời gian truyền trong lo đĩ. Các lơ PS cĩ độ dài tùy ý. Số lượng và trình tự các gĩi trong lơ khơng được định nghĩa, nhưng các gĩi được gởi theo trình tự thời gian. Một PS cĩ thể mang tới 32 dịng audio, 16 dịng video, 16 dịng data; tất cả đều cĩ chung gốc thời gian. PS nhạy với lỗi và được dùng ghi hình đa phương tiện và phân phối nội bộ, trong các ứng dụng cĩ sai số truyền cĩ thể bỏ qua được.
Dịng truyền tải (TS - Transport Stream): Cĩ thể được tạo thành từ một tổ
hợp 1 hay nhiều dịng PS cĩ gốc thời gian độc lập nhau hoặc từ một tổ hợp các PES. Tuy nhiên, PS khơng phải là một bộ con của TS, do TS khơng chứa tất cả thơng tin trên thì các gĩi PES cĩ nguồn gốc từ một hay nhiều dịng sơ cấp ES dùng chung gốc thời gian hay gốc thời gian khác nhau như dịng audio, video và data được ghép hợp thành một dịng truyền tải TS gồm các gĩi truyền tải cĩ kích cỡ nhỏ mang tính lặp lại. Một hay nhiều PS cĩ clock chuẩn khác nhau cũng cĩ thể được ghép hợp thành một TS qua sự chuyển đổi trong gĩi PES. Các gĩi TS cĩ chiều dài cố định 188 byte và nội dung data của chúng. Chúng mang thơng tin định thời, thơng tin đồng bộ và cơ chế sữa jitter để bảo đảm truyền tải khoảng cách xa tin cậy được. Hơn nữa, kích cỡ gĩi data cố định cho phép chuyển đổi TS thành các tế bào mạng ATM (Asynchronous Tranfer Mode). Dịng này cĩ sức đề kháng với lỗi nên được chỉ định cho các ứng dụng cĩ sai số khơng thể bỏ qua được.