Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
91
Chương VI
DVD PLAYER ( Digital Video Disc Player )
I. PHƯƠNG PHÁP NÉN DỮ LIỆU TRONG DVD
1. Nén MPEG – 2
MPEG ( Moving picture experts group ) là nhóm chuyên gia ảnh động làm việc
trong tổ chức ISO/ IEC từ năm 1988, mục đích của nhóm là đưa ra được một chuẩn về
kỹ thuật nén audio. Năm 1993, nhóm này đã đưa ra được tiêu chuẩn đầu tiên là
MPEG-1, đây là tiêu chuẩn dùng cho nén audio và video chất lượng tương đương
VHS, tốc độ dữ liệu trong MPEG-1 ứng với tín hiệu Video là 1,5 Mb/s và audio là 192
Kb/s.
Năm 1995, nhóm MPEG đưa ra tiêu chuẩn nén MPEG 2 chủ yếu dùng cho nén
tín hiệu số video, tốc độ dữ liệu trong MPEG 2 có thể lên đến 30Mb/s
Trong kỹ thuật ảnh số, có 2 tiêu chuẩn lấy mẫu được sử dụng phổ biến là: 4:2:2
và 4:2:0
• 4:2:2: tiến hành lấy mẫu tất cả các điểm ảnh của tín hiệu chói Y trên tất cả các
dòng của một ảnh và lấy mẫu xen kẽ các điểm ảnh của hai thành phần tín hiệu
Pixel 1 2 3 n
Lấy mẫu Y Lấy mẫu U (PAL) Lấy mẫu V (PAL)
Dòng 1 Dòng 2 Dòng M
màu ( I, Q: NTSC / U, V : PAL ). Xem hình trang sau:
• Tiêu chuẩn 4:2:0
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
92
Pixel 1 2 3 n
Dòng 1 Dòng 2 Dòng 3 Dòng M
Tiêu chuẩn này lấy mẫu Y trên tất cả các pixel của tất cả các dòng và lấy mẫu
tín hiệu mà trên các pixel xen kẽ của dòng và trên các dòng xen kẽ nhau.
Theo tiêu chuẩn truyền hình CCIR; ta có N = 720 pixels và M = 576 dòng ⇒
số bit dữ liệu trong 2 chuần lấy mẫu là: ( 25 ảnh / s)( lượng tử hóa video 8 bit )
4 : 2 : 2 : 720 x 576 x 25 x 8 + 360 x 576 x 25 x (8+8) = 166 Mbit/s
4 : 2 : 0 : 720 x 576 x 25 x 8 + 360 x 288 x 25 x (8+8) = 124 Mbit/s
Phương pháp nén MPEG 2 chọn tiêu chuẩn lấy mẫu 4:2:0 với tốc độ bit 124
MS/s và dựa trên 2 kỹ thuật chính là DCT ( Discrete cosine transform: biến đổi cosin
rời rạc ) và MCP ( Motion – compensated inter- frame prediction )
a. DCT
Biến đổi DCT được thực hiện trên một khối gồm 8 pixel và 8 dòng của ảnh thật
đã lấy mẫu để cho ra một ma trận 8 x 8 với các điểm là các hệ số DCT. Các hệ số
DCT nói lên sự biến đổi tần số giữa các mẫu theo chiều ngang và dọc. Phép toàn DCT
N
1 −
1 −
2
x
2
y
π
π
được mô tả như sau:
(
(
,
cos
.cos
=
( F U V
)
( ) ( ) . C u C v
( , f x y
)
N ∑∑ .
+ 2
2 N
) 1 . u N
) v 1 . + 2 N
x
0
y
0
=
=
0
, u v
=
1 2
( ) ( ) , C u C v
0
, u v
≠
= 1
N
N
1 −
1 −
2
x
2
y
u π
v π
Phép DCT ngược hay còn gọi là IDCT :
(
(
.
,
cos
.cos
( f x y ,
)
( ) C u C v F u v
( ) .
(
)
= ∑∑
2 N
) 1 + 2 N
) 1 + 2 N
u
0
v
0
=
=
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
93
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Trong đó:
x,y : là tọa độ của ảnh gốc
u,v : tọa độ của hệ số DCT
8bit
11bit
Ngang
DCT
IDCT
Dọc
8x8 mẫu ảnh gốc
N : kích thước ma trận thực hiện phép biến đổi
• Lượng tử hóa ma trận DCT
Độ lớn của mỗi mẫu ảnh thật được dùng 8 bit để mô tả trong khi ở ma trận
DCT dùng đến 11 bit để mô tả độ lớn ⇒ không có lợi về mặt tốc độ bit khi truyền,
chính vì vậy mà ma trận DCT sẽ được ước lượng giá trị như sau:
Start
12 6 3 6 4
Ví dụ: cho 1 DCT
Khi truyền các hệ số DCT, MPEG thực hiện theo các đường zig-zag:
12, 6, 6, 0, 4, 3, 0, 0………, 0
Việc lượng tử hóa được thực hiện theo 2 bước:
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
94
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Bước 1: nhóm các hệ số khác 0, các hệ số đi theo số 0 và các hệ số ∅
(12), (6), (6), (0,4), (3), (0,…,0)
,
,
,
,
,
V V V V V EOB 1 4
2
3
5
Bước 2: tiến hành truyền các nhóm:
Như vậy thay vì truyền 64 hệ số thì hệ thống chỉ truyền 6 hệ số của DCT
• Mã hóa VLC ( Vaniable Length Code ):
Các hệ số DCT sau khi được lượng tử hóa sẽ không được truyền đi mà phải
được mã hóa với độ dài mã thay đổi ( VLC ) trước khi truyền.
Bảng tham chiếu mã VLC:
Độ dài hệ osố chạy theo zero Hệ số DCT & Từ mã VLC Số bit
(length of num of zero) zero
00 0000 0000 1101 12 0
0010 0001 0 6 0
0000 0011 000 4 1
0010 10 3 0
10 - EOB
Suy ra được chuỗi bit truyền.
Length of run of zeros 0 0 1 0 EOB
Value of non-zero coefficient 12 6 4 3 -
Variable-length codeword 0000 0000 1101 00 0010 0001 0 0000 0011 000 0010 10 10
b. Motion – Compensated Inter – Frame Prediction
Bộ dự báo có nhiệm vụ dự báo một ảnh nguồn trên cơ sở một ảnh đã mã hóa.
Ảnh sau khi dự báo sẽ lưu lại làm cơ sở để dự báo cho ảnh kế tiếp.
Việc dự báo sẽ rất khó khăn nếu ảnh chuyển động với tốc độ cao ( ảnh sau khác
với ảnh trước nhiều ), do đó phương pháp MCP sẽ bù thêm giá trị để tạo ảnh nguồn
đúng trên cơ sở của ảnh tham chiếu.
• Cấu trúc của hệ thống mã hóa và giải mã MPEG 2 tín hiệu Video
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
95
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Video In
Bit stream
DCT
VLC
Q (quantization)
IQ
IDCT
MCP
Bit stream
Video Out
VLC
IQ
IDCT
IQ
Hình 6.1 Mã hóa & giải mã MPEG2 tín hiệu video
Quantized DCT 1 block 8x8 (DCT VLC)
mode
Y block C block
Q valve Motion vection
Coded block pattern
Macro block ADD
1
Slide ADD
Q valve Macro block Þ
Macro block n-1
• Cấu trúc bit stream MPEG 2 Video
Slide Þ
Slide 1
Slise m-1
Start code
Picture flags
Picture Þ
Picture 1
Slise m-1
Sequence parameters
Q weight matrix
Profile & level
Start code
Chỉ ra phân lọai của MPEG2 để khi giải nén sẽ thực hiện đúng với lọai khi mã hóa
Start code
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
96
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Mã hóa đường bao phổ tần audio
Audio PCM IN
BPF & phân tích
Chỉ định bit
Bit stream
Lượng tử hóa
Audio lấy mẫu - 48 KHz - Q = 16 bit
Định dạng khung AC-3
2. Mã hóa Dolby AC-3
1994
1995
1996
1997
1998
1999
SD
DVD
MMCD
DVD Video block
DVD –R book (3,95GB) DVD-RAM book (2,6GB)
SGH blue Digital LD
DVD-Audio book DVD-R (4,7G) DVD-RAM (4,7G) DVD RW (4,7GB
II. DVD
SGH blue được đọc bằng blue laser và được phát triển bởi poineer đây là đĩa
được phát triển từ digital LD ( laser digital )
Sau 1 thời gian, pioneer hợp tác với Toshiba ⇒ digital SD, loại đĩa này sử
dụng tia red laser có khả năng ghi đa kênh thông tin. Cũng trong thời gian này Sony
và Phillips hợp tác cho ra đời loại đĩa MMCD.
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
97
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Tháng 8/ 1996 tiêu chuẩn đĩa DVD đầu tiên ra đời, trong đó nhấn mạnh cho
việc sử dụng phương pháp biến độ 8 tới 16 modulation trong việc ghi thông tin số lên
đĩa và cùng thời gian này đĩa DVD chính thức được phát hành.
1. Đĩa DVD – R và DVD – RW
Thông số kỹ thuật đĩa:
Thông số DVD DVD – Rom DVD – R DVD – RW
1 lớp
Độ dài sóng tia laser 635 / 650 Nm /CD: 780nm
Độ tương phản 18 → 30% 45 → 85%
Hình dạng track data Hình xoắn ốc
Khoảng cách giữa các track 0,74 mµ // 1,6 mµ
Biến điệu data 8 to 16 modulation
Phương pháp dò lỗi Dùng mã Reed – solomon
Tốc độ bit / kênh 26,16 Mbp/s
Tốc độ quét 3,49 m /s
Dung lượng 4,7 Gbyte
Cấu trúc của đĩa DVD –R và DVD – RW hoàn toàn giống nhau, tuy nhiên vật
liệu chế tạo mặt đĩa khác nhau cho nên với DVD- R chỉ cho phép ghi một lần còn với
Vùng kẹp đĩa Vùng thông tin đĩa Vùng lead in Vùng data Vùng Lead - Out
DVD – RW cho phép ghi / xóa khoảng 1000 lần.
Hình 6.2 cấu tạo đĩa DVD&DVD rewrite
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
98
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Land
Track ghi
Việc truy xuất thông tin trên đĩa DVD
groover
là tuần tự không truy xuất ngẫu nhiên.
2. DVD –RAM:
Định dạng track ghi:
Land
Việc ghi thông tin trong DVD – RAM
được tiến hành trên cả các land và các
groove
Track ghi
Vật liệu chế tạo đĩa này có khả năng
nhạy cảm với nhiệt độ.
Khi dùng tia laser với cường độ chiếu
lên các track ghi sẽ làm vật liệu này
nóng chảy và sau đó đông đặc lại nhanh
rãnh
chóng và tạo thành các lớp vật liệu
không kết tinh ở dạng tinh thể. Khi ở
trạng thái này thì DVD – RAM được
xem như xóa trắng, lúc cần ghi data sử dụng tia laser có cường độ trung bình chiếu lên
các vị trí của track làm các điểm này kết tinh lại ⇒ độ phản chiếu tia sáng laser ở
những đọan kết tinh và không kết tinh là khác nhau ⇒ có thể lưu thông tin.
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
99
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
a. Thông số kỹ thuật DVD – RAM Version 1.0
Thông số kỹ thuật DVD –RAM
Bước sóng ghi 650nm
Phương pháp biến điệu 8 to 16 modulation
Kích thước 1 sector 2kb
Kích thước 1 block 32kb
Số vùng dữ liệu 24 35
Độ dài bit 0,28 mµ / bit 0,41 mµ / bit
0,615 mµ Khoảng cách giữa các track ghi 0,74 mµ
Tốc độ dữ liệu 11,08 Mbit / s 22,16 Mbps
Dung lượng đĩa 2,6 Gbytes 4,7 Gb
b. Thông số kỹ thuật DVD – RAM Version 1.0
Thông số kỹ thuật DVD – RAM
0, 28
/m bit
µ
Số vùng dữ liệu 35
0, 615 mµ
Độ dài bit ghi
22,16Mbps
Khoảng cách giữa các track
Tốc độ dữ liệu
Dung lượng đĩa 4,7 Gbytes
Các thông số khác Giống version 1.0
sector
Zone n-1
6 K 2
N=24/35
Zone 2 Zone 1
Lead in
Trong DVD – RAM dữ liệu được truy xuất ngẫu nhiên
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
100
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
1 sector
Header
2048 byte
4 byte 2 byte 6 byte
ID
Header 2048 byte EDC
ID error detection
Copy protection
2064 byte
EDC Erro detection Code, 4 byte
Hàng 1
172 byte
1 sector
12 hàng
Hàng 2
172 byte
Hàng 12
172 byte
172 byte
16 sector
192 hàng
172 byte
172 byte
16 sector
172 byte
208 hàng
192 hàng
Parity cho sector 1
172 byte
Parity cho sector 16
172 byte
16 hàng Parity
182 byte
172 byte
182 byte
12 hàng
172 byte
182 byte
208 hàng
Parity
182 byte
172 byte
3 byte syns
3 byte syns
91 byte
91 byte
10 byte kiểm tra parity
3 byte syns
3 byte syns
13 hàng
91 byte
91 byte
8 to 16 modulation
IiI. MÃ HÓA DỮ LIỆU TRƯỚC KHI GHI Data
Hình 6.3 sơ đồ mã hóa dữ liệu trước khi ghi DVD
DVD
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
101
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Dram 1M
SPM
PUH
RF Amp
Data processor
Tray motor
Sled motor
PUH Driver & Motor driver
DAC
Audio Out
8M
EEROM
Main CPU
Video driver
Vidoe Out
SD RAM 1M
MPEG2 AC-3 Decoder
EEROM (24C04)
Dram 1M
SW Power supply
Display & keyboard
IV. SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT DVD
Hình 6.4 Sơ đồ khối tổng quát DVD
PUH : Pick up Head
SPM : Spindle Motor: động cơ quay đĩa
Sled motor : động cơ di chuyển đầu đọc
Tray motor : động cơ điều khiển khay đĩa
PUH driver & Motor driver : điều khiển các cuộn focus và tracking; điều khiển
tốc độ quay của động cơ spindle và di chuyển đầu đọc đến track mong muốn.
RF Amp: phân tích các tín hiệu RF, TE ( tracking error ) và FE ( focus error ),
pull –in
Data processor : giải biến điệu 8 to 16 modulation để tạo lại khung tín hiệu gốc
audio và video.
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
102
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
a. Khối PUH: gồm 1 diode laser, hệ thống thấu kính, cuộn focus, cuộn
Focus
Tracking
B
A
E
F
Vật kính
C
D
Bộ cảm quang gồm 6 diode cảm quang
Mặt đĩa
Vật kính
Thấu kính trực chuẩn
Gương rẻ hướng chùm tia phản xạ
Bộ cảm quang
Kính nhiễu xạ
Laser diode
tracking và hệ thống diode cảm quang ( sensor )
Hình 6.5 Khối PUH
b. Khối PUH Driver và Motor Driver ( servo control )
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
103
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
LPF
Xử lý data
RF processor
RF Amp Digital servo
Servo DSP
Cảm quang
Focus coil PULL in Tracking error Skew error
Driver
Focus coil Tracking coil spindle Slled motor Skew compensated
Hình 5.6 Khối PUH driver & motor driver
PULL – in DVD 1 layer / 2 layer
Tracking error : Đúng tracking CD/DVD
• Điều khiển focus: DVD player nhận biết tình trạng focus thông biên biên độ
của tín hiệu RF. Khi mất hội tụ ⇒ biên độ tín hiệu RF nhỏ ⇒ xuất tín hiệu
điều khiển cuộn focus.
• Điều khiển tracking: dựa trên thông tin nhận được từ E và F: E – F = 0 ⇒ đang
đọc đúng track, E – F ≠ 0: sai track ⇒ điều khiển cuộn tracking.
• Phân biệt dĩa DVD và CD : Dựa trên điện áp sai lệch TE = E – F ( Tracking
error ) để ⇒ lọai đĩa. Nếu điện áp TE thấp ( ≈ 0.4 V ) ⇒ đĩa là DVD, đối với
đĩa CD thì điện áp TE khoảng 2V
• Pull in: là tín hiệu tạo ra tử bộ cảm quang ABCD. Nếu đọc đĩa DVD 1 lớn ⇒
cường độ tia phản xạ mạnh ⇒ Pull in ∼ 1V, ngược lại với đĩa DVD 2 lớp ⇒
cường độ phản xạ yếu ⇒ VPull in ∼ 0,5V.
• Điều khiển Skew : độ nghiêng mặt đĩa. Một số DVD player dùng thêm 2 bộ
cản quang G và H để đo mặt nghiêng của đĩa. Nếu đĩa bị cong vật lý ⇒ chùm
tia tới mặt đĩa sẽ cho cường độ tia phản xạ bị sai số ⇒ bù góc nghiêng.
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
104
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
Ngoài ra khối Servo còn có nhiệm vụ điều khiển tốc độ động cơ quay đĩa
spindle motor để đảm bảo sao cho tốc độ đọc đĩa ổn định từ trong ra ngoài. Khối này
cũng điều khiển đầu đọc từ trong ra ngoài thông qua động cơ trượt sled motor.
SDRAM 16M
Demultiplexer
MPEG audio
Memmory interface
DVD stream CD stream
AC-3
Audio channel
Audio decoder
27MHz
PCM
Clock control
CPU interface
Mixer
Video channel
Video decoder
On screen display
c. Khối AV decoder
Hình 6.7 Khối AV decoder
d.Đường đi của dòng bit trong DVD
Dòng bit trong DVD gồm 5 thành phần cơ bản
• PES audio ( packetized elementary stream )
• PES Video
• PES Subpicture: dòng ảnh phụ
• PCI : Presentation Control Information
DSI : Data Search Information •
Th.S Trần Viết Thắng, chủ biên; Ths. Võ Đình Tùng
105
Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông
DSI buffer
DSI decoder
PCI buffer
PCI decoder
Video buffer
Video decoder
buffer
Demulti plexer
Error correction
Audio buffer
Audio decoder
~10,08M bps
~13,08M bps
~12,08M bps
Sub- picture buffer
Sub- picture decoder
EFD+
Bit stream 26.16 Mbits
