Việc định nghĩa một hệ thống truyền dẫn phải bao hàm cả quá trình mã hóa và
điều chế của nó. Trong một môi trường cụ thể, định nghĩa phải xác định rõ môi trường vật lý, kết nối… Một vài hệ thống đã được triển khai rộng rãi sẽ được trình bày trong phần này.
1.4.1 Thành phần 4:2:2 bit song song
Nhóm SMPTE đã đưa ra một vài tiêu chuẩn giao diện số cho các tín hiệu của hệ NTSC, PAL và HDTV trong cả hai định dạng song song và nối tiếp. SMPTE 125M là một giao diện song song 10 bit cho hệ thống 525/60 hoạt động theo tiêu chuẩn ITU-R Rec.BT.601 số hóa, trong định dạng 4:2:2. Một cáp đặc biệt được sử
dụng, gồm 12 mạch xoắn đôi với các bộ nối DB-25, 10 cặp sử dụng cho dữ liệu, cặp 11 dùng để truyền xung clock, cặp còn lại dùng để tiếp đất. Độ dài của cáp có thể là 50m không có sự cân bằng, độ dài cũng có thể lên tới 300m nhưng phải được sự cân bằng. Lưu ý là những giao diện song song này phải khớp với các mạch cá nhân trong cáp nhiều dây một cách chính xác để việc đo thời gian của mỗi đường dẫn bit nằm trong khoảng dung sai của đồng hồ. Nó giới hạn chỉ tiêu các giao diện song song.
Quá trình mã hóa tín hiệu trên mỗi đường dữ liệu là NRZ và 10 đường dữ liệu sẽ truyền song song các mẫu PCM. Không có phần dự trữ để phát hiện và sữa lỗi của dữ liệu video, tiêu chuẩn này chỉ thích hợp cho kết nối bằng cáp dây cứng.
Định dạng của tiêu chuẩn Rec.601 không yêu cầu phải lấy mẫu khoảng xóa dòng và xóa mành, tuy nhiên thời gian này vẫn dành cho truyền các tín hiệu ID và thông tin khác. VD có tổng 858 mẫu trong một chu kỳ của dòng, tuy nhiên chỉ có 720 mẫu tích cực được xác định. Hình 3.13 minh hoạ cách thức xác định phần còn lại của khoảng xóa dòng.
Hai khối đồng bộ 4 từđược đặt ởđiểm xuất phát video tích cực (SAV) và điểm cuối của video tích cực (EAV). Khối đồng bộ này gồm một từ là tất cả các số “1”, hai từ là tất cả các số “0” và từ thứ tư nhận dạng xóa dòng và số thứ tự của mành. Với tần số đồng bộ giao diện 27MHz sẽ có 276 chu kỳ đồng hồ trong khoảng xóa dòng số và tám chu kỳ dùng cho đồng bộ, còn lại 268 chu kỳ clock được sử dụng để
Khoảng xóa số Khoảng lấy mẫu tín hiệu chói Dòng tích cực video 16T 122T 720T 720T 736T 0 Y 719 CB Y 72 0 Y 721 CR Y855 CB Y856 CR Y857 CB Y0 CR Y1
Tín hiệu chuẩn thời gian
EAV Tín hiệu chuẩn thời gian SAV
Hình 3.13. Gán các mẫu trong khoảng xóa dòng ở SMPTE 125 (NTSC)
Nếu tất cả các khoảng xóa dòng của tiêu chuẩn số tổng hợp được sử dụng cho dòng dữ liệu phụ đơn lẻ, sẽ có thể có tối đa 262 từ 10 bit ở mỗi HBI, với tốc dộ dữ
liệu đưa ra là 41,2 Mb/s. Như vậy sẽ có đầy đủ dung lượng cho một vài kênh audio với rất nhiều khả năng dự phòng.
Thiết kế cơ bản của một giao diện song song này cũng có thể được mở rộng thành một dịnh dạng cho phiên bản số của định dạng SMPTE 240M để sản xuất HDTV analog. Giao diện số này được đề cập trong tiêu chuẩn 260M SMPTE. Với
định dạng yêu cầu tần số lấy mẫu cao hơn là 74,25MHz, việc ghép các thành phần màu với độ chói như được thực hiện ở 125M là không thể. Vì vậy, các cặp dữ liệu bổ sung được thêm vào giải quyết vấn đề này. Đối với việc truyền dẫn các thành phần R,G,B cần tới 31 cặp. Tuy nhiên tần số clock cao sẽ giới hạn của cáp còn tối
đa là 20m mà không có sự cân bằng.
3.4.2. Hệ thống 10 bit nối tiếp
Mặc dù phần cứng cho các giao diện song song khá đơn giản nhưng các cáp nhiều dây lại có giá thành cao, không linh hoạt và còn bị giới hạn về độ dài. Hơn nữa chúng lại quá mới mẻđối với các trang thiết bị hầu hết là analog đang tồn tại có nghĩa là không có một loại cáp hiện hành nào có thể sử dụng với giao diện số song song. Điều này có thể thực hiện được nếu có một giao diện số sử dụng tiêu chuẩn
nối tiếp cho truyền dẫn 10 bit các tín hiệu số tổng hợp hoặc thành phần chuẩn 625/50 hoặc 525/60. Tiêu chuẩn này là cho giao diện số nối tiếp (SDI).
Cáp đồng trục được sử dụng với các bộ kết nối BNC (ICE 169-8). Các bit của mỗi mẫu được xếp theo dạng chuỗi với LSB được truyền trước tiên và quá trình mã hóa bị xáo trộn NRZL.
Trong trường hợp mã hóa tổng hợp việc đồng bộ định dạng sẽ được cung cấp nhờ việc sử dụng tín hiệu nhận dạng và chuẩn thời gian (TRS-ID) đặt trong khoảng xóa dòng ngay sau vị trí thông thường của biên độ dòng. Tín hiệu này bao gồm một từ là tất cả các số “1”, ba từ là tất cả các số “0”, từ thứ 5 có chứa các bit cờđể nhận dạng mành và 5 bit để nhận dạng số dòng.
3.4.3 ATV Grand Alliance
Sự phát triển của tiêu chuẩn truyền hình số đầu tiên trên TG được bắt đầu ở
Mỹ bởi một liên hiệp các tổ chức thương mại và nghiên cứu có tên là Grand Alliance (GA) được hình thành vào năm 1993. Hoạt động cơ bản của nó là phát triển mạng tiêu chuẩn truyền hình số trên toàn TG từ hơn chục năm trước đây, khởi
đầu với cái tên HDTV. Tuy nhiên tiêu chuẩn GA không chỉ dừng lại ở đó, nó còn
được sử dụng để quảng bá các tín hiệu TV với độ phân giải tiêu chuẩn (525 hoặc 625 dòng). Vì vậy ngày nay tiêu chuẩn này còn được gọi là tiêu chuẩn TV cao cấp (ATV).
3.4.3.1. Mục đích đề ra của ATV
Rất nhiều nghiên cứu trước đây của HDTV chủ yếu dựa vào công nghệ analog. Nhưng vào thời điểm thành lập GA, tất cảđều nhất trí rằng các tiêu chuẩn đều phải là số. Mục đích của hệ thống số là:
Âm thanh và hình ảnh HDTV số có chất lượng cao.
Một hệ thống có thể cùng tồn tại với truyền hình quảng bá analog mà không gây nhiễu cho nhau.
Thiết bị lắp có giá cả hợp lý với người tiêu dùng và các nhà sản xuất, và tất cả người sử dụng vào thời điểm áp dụng tiêu chuẩn.
Có khả năng hoạt động phối hợp các phương tiện truyền dẫn và các ứng dụng khác.
Tiềm năng ứng dụng toàn cầu của tiêu chuẩn.
Mục tiêu cuối cùng được thực hiện dưới con mắt của các nhà thiết kế nhưng chúng ta phải xem xét tác động của nó lên các tiêu chuẩn quốc tế, các mục tiêu khác
3.4.3.2. Kiến trúc theo lớp
Kiến trúc của hệ thống GA được minh họa trong hình 3.14 chỉ rõ mối tương quan với các lớp của mô hình OSI đã được mô tả trong phần 3.2.1. Các công nghệ
và tiêu chuẩn khác áp dụng trong mỗi lớp được trình bày dưới đây. GA xác định bốn lớp:
1. Lớp ảnh - hệ thống GA cung cấp nhiều định dạng và nhiều tốc độ khung hình tất cả đều có thể được giải mã và trình bày bằng thiết bị thu ATV của GA. Phương pháp này cho phép các dịch vụ khác nhau có các tiêu chuẩn quét khác nhau phù hợp với mục đích của mình.
ớ
2. L p nén - việc nén video của hệ thống GA dựa trên tiêu chuẩn ISO-MPEG-2, và hệ thống audio sử dụng nén Dolby AC-3 cung cấp 5.1 kênh âm vòm với tốc độ dữ liệu 384kb/s. Tốc độ dữ liệu video có các định dạng ảnh của HDTV xấp xỉ bằng 18,9 Mb/s và cho các định dạng ảnh có độ phân giải tiêu chuẩn là từ 3 đến 5 Mb/s.
3. Lớp truyền tải - hệ thống GA sử dụng gói truyền tải dựa trên cấu trúc gói MPEG-2. Bất cứ số lượng dòng audio, video hoặc dữ liệu nào cũng có thể được ghép thành dòng bit truyền dẫn.
4. Lớp truyền dẫn - lớp này thực hiện quá trình xử lý phát hiện và sửa lỗi trước và điều chế bằng cách sử dụng các symbol đa mức. Lớp ảnh Lớp nén Lớp truyền tải Lớp truyền dẫn Lớp GA Công nghệ được sử dụng Các lớp OSI Định dạng ảnh thay đổi MPEG-2 MPEG-2 Điều chế VSB 1. Vật lý 5. Phiên 4. Truyền tải 3. Mạng 2. Liên kết dữ liệu 6. Trình diễn Hình 3.14. So sánh giữa kiến trúc phân lớp GA và các lớp OSI
3.4.3.3. Lớp truyền tải GA .
Lớp truyền tải nhận các dòng bit audio và video riêng rẽ sau đó ghép chúng lại thông qua việc đóng gói. Bất cứ số lượng dòng bit nào cũng có thể được xử lý, rất nhiều dòng audio, video hay các kiểu dữ liệu khác có thểđược truyền trên cùng một kênh, chỉ bị giới hạn bởi khả năng tốc độ dữ liệu tổng của hệ thống.
Gói GA là một khối có độ dài cố định 188 byte như minh hoạ trên hình 3.15. Mỗi một gói có thể chứa một header 4 byte với một trường dữ lệu 184 byte, ở
trường này cũng có thể chứa một header thích ứng tùy chọn có độ dài thay đổi. Thiết kế của gói như vậy tạo ra khả năng hoạt động phối hợp cùng cấu trúc gói của ATM. Cùng với trường đồng bộ một byte, header của một gói cung cấp:
1. Một trường 13 bit cho nhận dạng gói sử dụng để tách dòng bit gói. Với mục
đích này giá trị bằng “0” của gói ID (PID) được dành cho một gói đặc biệt có chứa 1 chỉ số cho cấu trúc ghép kênh. Chỉ số này có dạng một bảng thống kê chương trình xác định rõ một hoặc nhiều chương trình hoàn chỉnh và số PID của bảng đồ chương trình cho mỗi chương trình. Bảng bản đồ chương trình chỉ rõ PID và dạng của nó cho mỗi dòng dữ liệu trong chương trình. Bằng cách đọc những bảng này, một máy thu có thể chọn được các gói có chứa dữ
liệu mà nó cần.
2. Một trường bộđếm thứ tự 4 bit đếm các chu kỳ từ 0 tới 15 cho mỗi gói với cùng một PID. Nó cho phép máy thu nhận biết được khi nào thì các gói hoàn chỉnh bị mất trong quá trình truyền.
Gói 188 byte Header gói 4 byte
Header thích ứng (tùy chọn)
Tải dữ liệu
Header đồng
bộ (47H) PID 13bit Đếm thứ tự 4 bit
Chi tiết header
Ưu tiên truyền tải 1 bit Bộ chỉ bắt đầu tải 1 bit Bộ chỉ lỗi gói truyền tải 1 bit
Điều khiển mành thích ứng 2 bit Điều khiển xáo trộn truyền tải 2 bit
3. Phần còn lại của các bit trong header của gói là các cờ bit với các mục đích riêng cung cấp các chức năng quản lý gói, ấn định việc sử dụng của quá trình xáo trộn không bắt buộc để điều khiển sự truy cập của người sử dụng, và ấn
định xem header thích ứng có mặt ở tải trọng của dữ liệu hay không. Điều này được minh họa trên hình 3.15.
3.4.3.4. Lớp truyền dẫn GA
Đầu ra của lớp truyền tải là một dòng bit đơn bao gồm các gói đã được ghép cho tất cả các loại dữ liệu để truyền trên kênh. Lớp truyền dẫn thực hiện điều chế, cho phép dòng bit này được truyền trên kênh analog 6MHz tuyến tính hoàn toàn ở đây sử dụng phép điều chế dải band cụt (VSB) các symbol đa mức và gọi là điều chế 8-VSB hoặc 16-VSB, tại đó các số 8 hoặc 16 ấn định số mức symbol được truyền. Hệ thống phát quảng bá sử dụng định dạng 8-VSB có khả năng phát hiện và sửa lỗi tốt hơn, trong khi các hệ thống truyền hình cáp có thể sử dụng định dạng 16- VSB cho tốc độ dữ liệu cao hơn nhưng cần đến SNR vượt quá mức mà cáp có thể
cung cấp, quá trình xử lý truyền dẫn được minh hoạ trên hình 3.16.
Quá trình xử lý lớp truyền dẫn sẽ đảo mỗi gói thành một đoạn (segment), mã sửa lỗi Reed-Solomon được sử dụng cho mỗi đoạn này. Một segment bao gồm nội dung của một gói trừđi byte đồng bộ (sẽ được thay thế sau này trong quá trình xử
lý). Đầu tiên, dữ iệu được lấy ngẫu nhiên bằng cách xử lý theo mạch XOR với chuỗi giả ngẫu nhiên (trong máy thu, dữ liệu được xử lý lại bằng mạch XOR với chuỗi giả
ngẫu nhiên tương tự khôi phục dữ liệu). Sau đó, quá trình xử lý R-S được bổ xung vào mỗi gói, vì vậy gói 188 byte sẽ trở thành một segment 207 byte 9 không có byte
đồng bộ).
Tạo đoạn Ngẫu nhiên hóa dữ liệu Mã hoá R-S dữ liệu Chèn
Mã hóa trellis
+ Chèn pilot cân bằngLọc tiền Điều chế VSB Đồng bộ mành Đồng bộ đoạn Tới bộ phát Gói Dữ liệu đa mức
Hình 3.16. Quá trình xử lý trong lớp truyền dẫn GA
Các segment sau đó được nhóm lại thành các trường dữ liệu có 313 đoạn.
dụng ở máy thu với mục đích cân bằng tựđộng, giúp máy thu lựa chọn sử dụng quá trình lọc phù hợp cho chuẩn đoán hệ thống, và để máy thu xây dựng cấu hình vòng tự hiệu chỉnh của nó. Vì vậy, máy thu có thểđiều chỉnh lại theo định kỳ cơ cấu của nó để bù lại cho những thay đổi động trên đường truyền.
Bước tiếp theo của quá trình xử lý truyền dẫn là chèn dữ liệu bằng bộ chèn xoắn, quá trình này mở rộng dữ liệu trên vùng 52 đoạn, cho phép mã phát hiện và sửa lỗi sửa các lỗi burst tới tận 193μs. Chu kỳ thời gian này có chứa xấp xỉ 360 lỗi bit dữ liệu và chúng điều có thể được sửa. Việc chèn chỉ được thực hiện trên các byte dữ liệu của segment, các tín hiệu đồng bộ segment và đồng bộ mành không
được chèn bởi vì chúng sẽ được thêm vào sau này trong quá trình xử lý, như đã minh hoạở trên hình .
Bước tiếp theo bắt đầu từ quá trình mã hoá nhị phân và tạo ra các symbol đa mức vì vậy đây là bước khởi đầu của quá trình điều chế. Truyền hình quảng bá sử
dụng các symbol 3 bit và truyền hình cáp sử dụng symbol 4 bit. Trong trường hợp truyền hình quảng bá, mỗi trong số 2 bit của dữ liệu đã mã hoá được chuyển thành một symbol 3 bit (8 mức) bằng cách sử dụng mã trellis, đây là một kỹ thuật phát hiện và sửa lỗi có thể cải tiến chỉ tiêu của hệ thống mà không làm tăng độ rộng band tần. Lược đồ symbol D D + Đầu ra analog Z1 Z2 Z3 X2 X1 Bộ mã hóa trellis Z3 Z2 Z1 Đầu ra Z 3,Z2,Z1 100 001 010 000 110 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 -7 -5 -3 -1 +1 +3 +5 +7 -7 -5 -3 -1 +1 +3 +5 +7 Hình 3.17. Mã hóa trellis
Ý tưởng của mã trellis là tạo ra một môi trường bao quanh hỗ trợ cho n giá trị
symbol nhưng chỉ n/2 giá trị có hiệu quả (vì 1 bit kém), các lỗi symbol sẽ tăng chuỗi có các giá trị không hiệu quả. Tuy nhiên, một bộ dò tìm thích hợp có thể sửa một dòng sai bằng cách tìm kiếm một chuỗi có khả năng sửa lỗi cao nhất cho chuỗi bị
lỗi. Đây được gọi là bộ dò tìm viterbi. Phương pháp trên hiệu quả nhất khi hệ thống
điều chếđược thiết kếđể thiết lập khoảng cách lớn nhất (trong sơ đồđiều chế chòm sao người ta thường gọi là khoảng cách Euclidean) giữa các trạng thái của symbol có giá trị. Sơ đồ cho thấy những khoảng cách này xuất hiện tương tự như dạng trellis và chính điều đó là ý tưởng đểđặt tên cho phương pháp này.