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 (Tmin) và tối đa (Tmax) giữa các bước chuyển của trạng
thái dữ liệu trong kênh truyền. Giá trị Tmin 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 Tmax 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 Tmin 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