4.4.1. Ghi tín hiệu trên CD Diode laser Vật kính Tia laser Lớp cảm quang Trong suốt Pit Hình 4.7. Ghi tín hiệu trên CD
Khi ghi, chùm tia laser do tín hiệu được điều biến dạng số được đưa vào khối
đầu quang để biến đổi thành tín hiệu quang (chùm tia laser). Chùm tia laser này có cường độ thay đổi khác nhau chiếu lên lớp cảm quang của CD tạo thành các vệt lồi (pit) và các vệt lõm (flat). Khi ghi chùm tia laser di chuyển từ phía vùng tâm đĩa ra ngoài nên các pit và các flat được sắp xếp trên những đường track là những đường xoắn ốc từ trong ra ngoài.
4.4.2. Phát lại tín hiệu trên CD
Khi phát lại, chùm tia laser từđầu đọc chiếu lên bề mặt CD khi gặp các pit và flat thì phản xạ trở về qua hệ thống thấu kính trong khối đầu quang đến bán lăng kính chùm tia đổi phương 900 và chiếu lên bốn diode cảm quang ABCD sau đó cấp tín hiệu cho mạch xử lý tín hiệu để biến đổi tín hiệu quang trở thành tín hiệu điện, giải điều chế, biến đổi tín hiệu từ dạng số trở về tín hiệu dạng tương tự để phục hồi lại tín hiệu như nguyên mẫu.
Diode laser Vật kính Tia laser Lớp cảm quang Trong suốt Pit Diode cảm quang Hình 4.8. Phát tín hiệu trên CD 4.4.3. Cấu trúc của tín hiệu ghi trên CD
Tín hiệu lưu trữ trên CD bởi các pit và flat, các cấu trúc vật lý này đặc trưng cho tín hiệu đựơc điều biến dạng sốđó là các bit 0 và bit 1, chúng được sắp xếp lên những đường track là đường tròn hình xoắn ốc theo chiều kim đồng hồ khoảng cách giữa các track là 1,6μm. Các pit và flat có kích thước rất nhỏ bề rộng 0,5μm, độ sâu các pit được xác định trong quá trình tạo đĩa gốc là 0,1μm tức xấp xỉ bằng 1/4 độ
dài bước sóng laser, độ dài các pit thay đổi từ 0,833→3,054μm (tức từ 3T đến 11T)
độ dài các pit cũng là một đại lượng phản ánh thông tin trong tín hiệu audio tương tự. Độ biến thiên ít nhất từ độ dài của pit này đến pit kế tiếp không nhỏ hơn 0,278μm. Chất lượng của tín hiệu đọc từđĩa quang phụ thuộc vào cấu trúc hình học của các pit trên CD. 1,6μm 0,5μm Tia laser ≅ 2μm 0,833- 3,054μm Hình dạng các track trên CD Hình 4.9. Cấu trúc dữ liệu trên các track CD
Các thông số tiêu chuẩn của đĩa CD-DA và máy CD: - Hệ thống ghi âm dùng kỹ thuật số
- Đường kính ngoài của đĩa là 120mm, đường kính trong là 15mm - Thời gian phát từ 60 phút đến 75 phút
- Đầu đọc dùng tia laser không tiếp xúc có bước sóng 780nm
- Vận tốc quay đĩa theo hệ thống CLV tức vận tốc dài không đổi 1,2 đến 1,4 m/s và vận tốc gốc thay đổi từ 500 vòng/phút giảm dần xuống 200
vòng/phút khi đầu đọc di chuyển từ vùng tâm ra ngoài biên đĩa. - Đáp ứng tần số 5Hz – 20 Hz
- Tần số lấy mẫu là 44,1KHz, số bit lượng tử:16 bit, tốc độ truyền 4,3218 MHz, hệ thống điều chế: EFM
4.5. XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO KHI GHI VÀ PHÁT
4.5.1. Xử lý tín hiệu audio khi ghi
Tín hiệu audio tương tự Lch Rch
Tạo khung
Mã hóa qui tắc Reed solomon Sắp xếp lại trật tự dữ liệu
Mã hóa qui tắc điều khiển và hiển thị
Điều biến EFM và mã hoá các pit ghép Mã hoá các qui tắc đồng bộ Tín hiệu ghi Biến đổi D/A Đan xen dữ liệu Biến đổi EFM Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa Hình 4.10. Sơđồ khối xử lý tín hiệu khi ghi
4.5.1.1. Mạch biến đổi A/D
Mạch này làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu audio nguyên mẫu dạng tương tự
thành tín hiệu dạng số thực hiện gồm các công đoạn như sau:
Lấy mẫu tín hiệu
Là công đoạn quan trọng đầu tiên trong việc chuyển đổi tín hiệu audio từ dạng tương tự sang tín hiệu dạng số. Lấy mẫu tín hiệu là rời rạc các mức tín hiệu theo từng mức thời gian nhỏ t1, t2, t3, t4…tức là chia nhỏ các mức tín hiệu theo trục thời gian (trục hoành), các mẫu tín hiệu được tạo ra là cơ sở để biểu diễn thành tín hiệu số. Việc lựa chọn tần số lấy mẫu phải phù hợp với tín hiệu cần chuyển đổi để sau cho từ các mẫu ta có thể dễ dàng tái tạo lại tín hiệu tương tự. Do đó, khi lấy mẫu tín hiệu ta cần dựa theo định lý lấy mẫu. t 0 t1 t2 t3 t4 . . . . M ứ c tín hi ệ u Hình 4.11. Biểu diễn mẫu tín hiệu
Định lý lấy mẫu (sampling theorem): giả định rằng đại lượng x của một tín hiệu là một hàm liên tục x(t) theo thời gian t và tín hiệu này không chứa các thành phần tần số lớn hơn W(Hz). Phương trình sau đây được xác lập theo định lý lấy mẫu của Someya-Shannon: x(t) = ∑∞ −∞ = − − n (2Wt n) ) n Wt 2 ( sin ) W 2 / n ( x π π (4.1) Trong đó, x(n/2W) là độ lớn của đại lượng x và được chọn trước, sau thời điểm t = 0, theo chu kỳ 1/2W (s) và được gọi là mẫu chọn 1/2W. Đây chính là biểu thị
công việc lấy mẫu của hàm liên tục x (t). Vế thứ hai của phương trình trên được gọi là hàm lấy mẫu. Theo đó, phương trình này ám chỉ rằng, một hàm liên tục x(t) được xem là tổng các giá trị mẫu được chọn theo chu kỳ 1/2W và theo hàm lấy mẫu. Tuy nhiên, sự khai triển x(t) theo cách này có một giới hạn là các thành phần tần số lớn hơn W(Hz) không hiện diện.
Khi tần số cao nhất W(Hz) chứa trong x(t) được tìm thấy theo định lý này, người ta thấy rằng khoảng lấy mẫu 1/2W (s) là thích hợp, việc chọn khoảng lấy mẫu nhỏ hơn (chọn tần số lấy mẫu cao hơn) là không cần thiết. Phổ tần lấy mẫu, tần số
lấy mẫu là yếu tố quan trọng trong phương pháp lấy mẫu. Phổ tín hiệu khi lấy mẫu
được biểu diễn như hình 4.12.
Hình 4.12. Biểu diễn phổ tín hiệu khi lấy mẫu
Biểu đồ biểu diễn phổ tín hiệu cho thấy hai trường hợp xảy ra. Khi fs > 2fc, không có sự xuyên lẫn nào giữa hai phổ. Trong trường hợp này, dùng một mạch lọc thấp qua (LPF) là có thể tái tạo được tín hiệu gốc. Khi fs > 2fc, sẽ có hiện tượng xuyên lẫn giữa phổ của tín hiệu gốc và phổ của tần số lấy mẫu. Như vậy, khi dùng mạch lọc thấp qua, một loại nhiễu sinh ra có tên gọi là aliasing noise sẽ can thiệp vào việc tái tạo tín hiệu gốc mà hệ quả là không thể chấp nhận được.
Như đã được đề cập trước đây, liên quan đến mối quan hệ fs > 2fc, thì sự khác biệt giữa fs và fc, dù lớn bao nhiêu đều được phép. Tuy nhiên, khi khối lượng thông tin gia tăng thì đặc tính mật độ ghi lại bị ảnh hưởng theo chiều ngược lại. Hơn nữa, cần phải cân nhắc việc chọn tần số fc. Tín hiệu audio tương tự có tần số fc cao nhất là 20KHz nên khi xử lý tần số lấy mẫu được chọn là 44,1KHz, tần số này đảm bảo lớn hơn hai lần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự.
Lượng tử hoá
Khi công việc lấy mẫu đã hoàn tất bước kế tiếp là lượng tử hoá. Lấy mẫu được thực hiện theo trục thời gian và sau đó một giá trị đã được lấy mẫu từ tín hiệu gốc analog được đổi thành một số có giá trị gián đoạn theo trục tung (chiều biểu diễn biên độ) là công việc của lượng tử hoá. Sau khi lượng tử hóa thì mỗi mức tín hiệu sẽ
tại các mốc thời gian t1, t2, t3 … sẽ được lượng tử bằng một mức tín hiệu có giá trị
xác định.
Biên độ càng được chia mịn bao nhiêu, độ chính xác của quá trình lượng tử
hoá càng cao bấy nhiêu. Vì một giá trị mẫu được làm tròn bằng một con số hữu dụng gồm nhiều số mã nên đã xảy ra sai số làm tròn. Trong trường hợp tín hiệu âm thanh đã được số hoá, sai số làm tròn tạo méo dạng tương ứng hay gọi là nhiễu. Nhiễu này có đặc tính hoàn toàn khác với nhiễu ở tín hiệu analog và được gọi là méo lượng tử hoá. Nhiễu lượng tử hoá là điều không thể tránh được trong công việc lượng tử hoá. Chỉ có thể làm giảm đi bằng cách tăng số bit lượng tử lên đến mức mà không gây hệ quả nghịch lên thực tế sử dụng.
Mã hoá fC fS fC fS > 2fC MHz MHz fS < 2fC fC fS MHz
Đây là qui tắc biến trị lấy mẫu đã qua giai đoạn lượng tử hoá thành số nhị phân bao gồm các chuỗi 0 và 1. Các chuổi số nhị phân này được gọi là một từ. Trình bày sau đây cho thấy cách sắp xếp của mỗi bit kiến tạo thành một từ.
1 MSB 1 2SB 1 3SB 1 4SB 1 5SB 1 6SB 0 7SB 1 LSB
Ở hệ thống xử lý tín hiệu khi ghi lên CD, người ta lượng tử hóa mỗi từ gồm 16 bit, như vậy để biểu diễn tín hiệu biến thiên từ thấp đến cao của tín hiệu tương tự thì có tất cả 216 từ được tạo ra. Với số lượng 216 từ đủ để phản ánh sự biến thiên nhỏ
nhất của tín hiệu tương tự. Theo trật tự quan trọng, bit MSB (most significant bit) là bit có nghĩa lớn nhất, đứng ở vị trí đầu tiên, bit 2SB (second significant bit) là bit có nghĩa thứ nhì, chiếm vị trí thứ hai…và cuối cùng là bit LSB (least significant bit) là bit có nghĩa nhỏ nhất xếp cuối.
4.5.1.2. Định dạng khung dữ liệu
Các tín hiệu kênh trái (Lch) và kênh phải (Rch) đều là tín hiệu đã được biến
đổi từ analog sang digital để trở thành tín hiệu số 16 bit. Các tín hiệu này chưa được ghi trực tiếp lên đĩa ngay. Chúng được sắp xếp lại thành các đơn vị gọi là khung. Mỗi khung chứa 12 từ mẫu (sample) gồm 6 từ mẫu kênh trái và 6 từ mẫu kênh phải, sau đó chúng được xử lý biến điệu cùng với mã sửa sai trước khi được ghi lên đĩa. Các khung dữ liệu sắp xếp nằm nối tiếp nhau trên các track hình xoắn ốc. Việc định dạng khung được biểu diễn ở hình 4.12. 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 symbol word = 8bit 1 sample data word = 16bit 1 Frame t L0 R0 t0 t5 Mức tín hiệu Rch Lch L0 Hình 4.13. Định dạng khung dữ liệu trên CD
Một mức tín hiệu được mã hoá với từ 16 bit được gọi là “từ dữ liệu mẫu” (sample data word). Từ dữ liệu mẫu này được phân làm hai thành phần gồm 8 bit trên và thành phần 8 bit dưới, cả hai đều được gọi là ký tự biểu tượng (symbol
word). Một khung bao gồm 6 từ dữ liệu mẫu cho kênh trái và 6 từ dữ liệu mẫu cho kênh phải, nghĩa là gồm tổng cộng 24 ký tự biểu tượng. Vì tần số lấy mẫu ở hệ
thống CD là 44,1 KHz, nên thời gian cho một khung là 1/44,100×6(s) =136,05 (μs).
4.5.1.3. Đan xen dữ liệu theo qui tắc Reed-solomon
Sau công đoạn tạo khung, dữ liệu ghi sẽđược thực hiện đan xen với nhau theo một trật tự nhất định gọi là đan xen dữ liệu theo qui tắc Reed-solomon. Việc đan xen dữ liệu như vậy là nhằm để phân tán các lỗi kép thành các lỗi đơn để tiến hành sửa sai tín hiệu khi phát lại. Bởi vì bình thường khi có một lỗi xuất hiện trên CD ví dụ như một đường trầy xướt trên đĩa thì cũng làm cho vô số các từ dữ liệu bị sai đi, lúc đó các lổi kép sẽ xuất hiện, mà các lỗi kép sẽ không sửa được. Để sửa các lỗi như vậy thì cần phải phân tán chúng thành các lỗi đơn, và tiến hành sửa lỗi theo nguyên tắc tương quan dữ liệu. Đó chính là quy tắc đan xen Reed-solomon.
Trong hệ thống xử lý tín hiệu ở CD, khi ghi được thực hiện đan xen chéo (cross interleve), và khi phát lại dữ liệu được sắp lại theo đúng trình tự ban đầu trong hệ thống phát lại được gọi là giải đan xen (de-interleave) tức là quá trình ngược lại đan xen để tái tạo lại dữ liệu. Ví dụ sau đây trình bày nguyên lý đan dữ
liệu gồm các bước như sau:
Chuỗi dữ liệu được chia thành từng khối nối tiếp nhau và một loại mã sửa lỗi phần tử có một ký tự cân bằng P và Q được đưa vào.
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * . . . A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f g h I k l m n o p q r s t u v w x y z . . . Dữ liệu ở mỗi khối được sắp lại thành 6 hàng trên cùng một cột thẳng đứng. B H O U 0 6 b h o u C I P V 1 7 c k p v D K Q W 2 8 d l q w E L R X 3 9 f m r x F M S Y 4 a g n s y G N T Z 5 b h o t z
Dữ liệu ở hàng thứ hai được dịch sang phải một cột dữ liệu hàng thứ ba dịch đi hai cột,…, và hàng thứ sáu dịch đi là 5 cột. . . . B H O U 0 6 b h o u C I P V 1 7 c k p v D K Q W 2 8 d l q w E L R X 3 9 f m r x F M S Y 4 a g n s y G N T Z 5 b h o t z
Sau đó, các hàng dữ liệu theo chiều đứng trên cùng một cột được sắp lại thành các khối mới theo chiều ngang của chuỗi dữ liệu mới.
. . . . 6 1 W R M G b 7 2 X S N h c 8 3 Y t o k d 9 4 Z u p l f a 5 . . .
Dữ liệu được sắp trả lại đúng trình tự ban đầu bởi mạch giải đan xen. Vào giai đoạn này, lỗi kép xảy ra liên tục trên nhiều bit trở thành những lỗi đơn phân tán trên các khối khác nhau.
. . . . 6 1 W R M G b 7 2 X S N h c 8 3 Y t o k d 9 4 Z u p
l f a 5 . . .
Nguyên lý đan xen dữ liệu trên đã phân tán các lỗi kép xuất hiện trên các ký tự
thành các lỗi đơn, các lỗi đơn này sẽ được tiến hành sửa sai theo nguyên tắc tương quan dữ liệu. Tuy nhiên, đây chỉ là ví dụ áp dụng đối với lỗi kép có độ dài giới hạn,
để sửa những lỗi dài hơn, cần phải thêm các kiểu sửa lỗi khác.
* * * * *
*
Như vậy khi đưa mã cân bằng P và Q vào trong khung dữ liệu, thì trong mỗi khung dữ liệu có 4 ký tự P và 4 ký tự Q như vậy tổng số ký tự trong khung là 32 ký tự, mỗi ký tự vẫn là 8 bit .
4.5.1.4. Mã hóa tín hiệu điều khiển và hiển thị
Tín hiệu điều khiển và hiển thị C&D được đặt ở đầu mỗi khung dữ liệu để hiển thị các thông tin về dữ liệu khi phát lại. Tín hiệu C&D là một ký tự 8 bit, đặt tên cho các bit này là P, Q, R, S, T, U, V, W. Như vậy khi đưa tín hiệu điều khiển và hiển thị C&D vào trong khung thì số ký tự trong khung tăng thêm 1 ký tự tức là 33, và một ký tự vẫn là 8 bit.
4.5.1.5. Biến điệu EFM
Một khung được thành lập bởi 33 ký tự (symbol), mỗi ký tự này gồm 8 bit, gồm 24 ký tự của data, 8 ký tự sửa sai P và Q, 1 ký tự dành cho tín hiệu C&D (control anh display). Khi định dạng khung các ký tự này được ghép nối lại với nhau thì lúc đó có thể xuất hiện một chuổi các bit 0 hoặc một chuổi các bit 1 làm cho thành phần DC có thể xuất hiện trong quá trình xử lý tín hiệu và làm giảm thành phần xung nhịp làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Để khắc phục các hiện tượng này dữ liệu trong khung sẽ được thực hiện điều chế EFM (Eight to Fourteen bit Modulation) tức mỗi ký tự 8 bit sẽđược điều chế thành ký tự 14 bit và ký tự 14 bit này phải thỏa qui luật EFM (qui luật 2-10).
Qui luật FEM “ số lượng từ 2 đến 10 bit 0 được chèn giữa các kênh bit 1”. Tại sao phải điều biến EFM ký tự 8 bit thành ký tự 14 bit. Ta thấy rằng trong ký tự 8 bit thì có tất cả là 28 =256 ký tựđược tạo ra, còn ký tự 14 bit thì ta có tất cả
các ký tự còn lại thì không thỏa. Nên 267 ký tự này đủđể biểu diển cho 256 ký tự