Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông - Chương VI: DVD PLAYER ( Digital Video Disc Player )

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.

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 màu ( I, Q: NTSC / U, V : PAL ) Xem hình trang sau:

• Tiêu chuẩn 4:2:0

Lấy mẫu Y

Lấy mẫu U (PAL) Lấy mẫu V (PAL)

Pixel 1 2 3 n

Dòng 1

Dòng 2

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 được mô tả như sau:

( ) ( )

1 1

0 0

2

1

N N

x y

u v

C u C v

u v

− −

= =

=



= 



∑∑

Phép DCT ngược hay còn gọi là IDCT :

( ) 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

0 0

2

N N

u v

− −

= =

Pixel 1 2 3 n Dòng 1

Dòng 2

Dòng 3

Dòng M

Trong đó:

x,y : là tọa độ của ảnh gốc

u,v : tọa độ của hệ số DCT

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:

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:

Ngang

Dọc

11bit 8bit

DCT

IDCT

8x8 mẫu ảnh gốc

Start

12 6 3

6 4

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)

Bước 2: tiến hành truyền các nhóm:

1 , 2 , 3 , 4 , 5 ,

V V V V V EOB

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

(length of num of zero)

Hệ số DCT &

zero

Từ mã VLC Số bit

0

0

1

0 EOB

12

6

4

3

-

0000 0000 1101

0010 0001 0

0000 0011 000

0010 10

10

00

Suy ra được chuỗi bit truyền

Length of run of zeros

Value of non-zero coefficient

Variable-length codeword

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

• Cấu trúc bit stream MPEG 2 Video

Bit stream

IQ

IDCT

MCP Video In

Hình 6.1 Mã hóa & giải mã MPEG2 tín hiệu video

IQ

Bit stream

Video Out

Quantized DCT 1 block 8x8

(DCT VLC)

Macro block

ADD mode Q valve Motion vection Coded block pattern Y block C block

Start

code Slide ADD Q valve Macro block Þ 1 Macro block n-1

Start

code

Picture

flags

Slide Þ Slide 1 Slise m-1

Start

code

Sequence

parameters

Q weight matrix

Picture 1 Slise m-1 Profile &

level

Picture Þ

Chỉ ra phân lọai của MPEG2 để khi giải nén sẽ thực hiện đúng với lọai khi mã hóa

2 Mã hóa Dolby AC-3

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

BPF & phân tích

Mã hóa đường bao phổ tần audio

Lượng tử hóa

Chỉ định bit

Định dạng khung AC-3

Bit stream

Audio PCM

IN

Audio lấy mẫu

- 48 KHz

- Q = 16 bit

SD MMCD

DVD

DVD Video block

DVD –R book (3,95GB) DVD-RAM book (2,6GB)

SGH blue

DVD-RAM (4,7G) DVD RW (4,7GB

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:

1 lớp

DVD – R DVD – RW

Hình dạng track data Hình xoắn ốc

Khoảng cách giữa các track 0,74 µm // 1,6 µm

Phương pháp dò lỗi Dùng mã Reed – solomon

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 DVD – RW cho phép ghi / xóa khoảng 1000 lần

Vùng kẹp đĩa Vùng thông tin đĩa

Vùng lead in Vùng data Vùng Lead - Out

Hình 6.2 cấu tạo đĩa DVD&DVD rewrite

Việc truy xuất thông tin trên đĩa DVD

là tuần tự không truy xuất ngẫu nhiên

2 DVD –RAM:

Định dạng track ghi:

Việc ghi thông tin trong DVD – RAM được tiến hành trên cả các land và các groove

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 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

Track ghi

groover

Land

Track ghi

rãnh

Land

a Thông số kỹ thuật DVD – RAM Version 1.0

Phương pháp biến điệu 8 to 16 modulation

Kích thước 1 sector 2kb

Số vùng dữ liệu 24 35

Độ dài bit 0,41 µm/ bit 0,28 µm / bit

Khoảng cách giữa các track ghi 0,74 µm 0,615 µm

b Thông số kỹ thuật DVD – RAM Version 1.0

Số vùng dữ liệu 35

Khoảng cách giữa các track 0,615 mµ

Trong DVD – RAM dữ liệu được truy xuất ngẫu nhiên

Lead in

Zone 1 Zone 2

Zone n-1

sector

N=24/35

IiI MÃ HÓA DỮ LIỆU TRƯỚC KHI GHI

Data

1 sector Header

ID

ID error detection

Copy protection

Header 2048 byte EDC

2064 byte

EDC Erro detection Code, 4 byte

172 byte

172 byte

Hàng 1 Hàng 2

172 byte Hàng 12

1 sector

12 hàng

172 byte

172 byte

16 sector

192

hàng

172 byte

192

hàng

172 byte

172 byte

Parity cho sector 1

16

hàng

208

hàng

182 byte

172 byte

172 byte

172 byte

208

hàng

10 byte kiểm tra parity

182 byte

182 byte

182 byte

12 hàng

Parity

91 byte

3 byte syns

91 byte

3 byte syns

91 byte

3 byte syns

91 byte

3 byte syns

13 hàng

8 to 16 modulation

IV 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

EEROM

EEROM

(24C04)

Main CPU

Dram 1M

SW Power

supply

SD RAM 1M

MPEG2 AC-3 Decoder

Video driver DAC

Display &

keyboard

8M

Vidoe Out

Audio Out

PUH Driver

& Motor driver

Sled motor

PUH

Tray motor

Amp

Data processor

Dram 1M

Hình 6.4 Sơ đồ khối tổng quát DVD

a Khối PUH: gồm 1 diode laser, hệ thống thấu kính, cuộn focus, cuộn

tracking và hệ thống diode cảm quang ( sensor )

b Khối PUH Driver và Motor Driver ( servo control )

Tracking

Focus Vật

kính

F D

C B

Bộ cảm quang gồm 6 diode cảm quang

Mặt đĩa

Thấu kính trực chuẩn

Kính nhiễu xạ

Laser diode

Vật kính

Gương rẻ hướng chùm tia phản xạ

Bộ cảm

quang

Hình 6.5 Khối PUH

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

RF Amp Digital servo

processor

Servo DSP

Driver

Xử lý data

Cảm

quang

Focus coil PULL in Tracking error Skew error Focus coil Tracking coil spindle Slled motor Skew compensated

Hình 5.6 Khối PUH driver & motor driver

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

c 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

Demultiplexer Memmory

interface

MPEG audio

PCM AC-3

Video decoder

Audio decoder

Mixer

Clock control

CPU interface

Audio channel

Video channel

SDRAM 16M

On screen display

DVD stream

CD stream

27MHz

Hình 6.7 Khối AV decoder

PCI buffer

DSI decoder

DSI buffer

PCI decoder

buffer Demulti

plexer

Video buffer

Video decoder

Audio buffer

Audio decoder

Sub-picture buffer

Sub-picture decoder

Bit

stream

26.16

Mbits

~12,08M bps

~10,08M bps

Error correction EFD+

~13,08M

bps

Hình 6.8 Đường đi của dòng bit trong DVD