Chương 2: Cơ sở truyền hình số độ phân giải cao HDTV
2.4 Hệ thống ghép kênh và truyền tải
2.4.3 Mã hoá hệ thống
a. Dòng cơ sở đóng gói (Packetized ES)
58
Hình 2.12 Mô hình đóng gói dòng cơ sở
Hình 2.12 chỉ ra mô hình đóng gói dòng cơ sở. Do nhu cầu thực tế dòng dữ liệu cơ sở ES mang thông tin video và audio từ mạch nén cần được chia thành nhiều gói.
Những gói dữ liệu này được nhận diện bởi tín hiệu bắt đầu Header và chứa các nhãn thời gian (time stamps) phục vụ cho việc đồng bộ.
Dòng cơ sở đóng gói PES có thể được tạo ra từ một trong hai bộ mã hoã là: Mã hoá ứng dụng và mã hoá truyền tải. Tuy nhiên dòng cơ sở đóng gói mà chúng ta xét trong phần này có nhiệm vụ truyền tải. Trong dòng cơ sở đóng gói PES, dòng dữ liệu cơ sở ES có chiều dài vô hạn được chia thành các gói có kích thước phù hợpcho từng ứng dụng. Chiều dài của gói có thể lên vài trăm Kbyte và thay đổi tuỳ theo nhu cầu. Chiều dài cực đại của nó là 216 bytes. Cú pháp dòng cơ sở đóng gói được cho trong hình 2.13 sau:
59
PES packet data PES star
code prefix Stream ID PES
header Stuffing bye PES packet
length
“10”
PES priori ty PES scrambling
control
Data alignment
indicator
Optional fields Orginal or
copy Cop
y right
7 flags
PES header data length
PTS DTS
PES extention PES
CRC Additional copy
information DSM trick
mode ES
rate ES CR
5 flags optional
PES extension
field P -STD
buffer Program
packet seq counter Packet header
field PES
private
24 8 16
n1 n2
2 2 1 1 1 1 8 8
40 48 24 8 8 16
128 8+n3 16 16 8+n4
CU PHAP DONG CO SO DONG GOI
Hình 2.13 Cú pháp dòng cơ sở đóng gói
PES star code prefix:Mã khởi đầu gói dữ liệu PES; Stream ID(indentity):Byte nhận diện dòng; PES packet length: Độ dài gói PES; PES header:Byte dữ liệu bắt đầu PES; Stuffing bye: Chèn các byte; PES packet data: Dữ liệu gói PES;
PES scrambling control: Điều khiển xáo trộn PES;PES priority: Quyền ưu tiên gói PES; Data alignment indicator: Chỉ số sắp xếp dữ liệu; PES header data length: Thông tin về số byte có trong dữ liệu bắt đầu; Optional fields: Mành tuỳ chọn; ES CR(clock reference): Xung đồng bộ chuẩn dòng cơ sở; DSM trick
60
mode( Digital storage media): Môi trường lưu trữ số; PES CRC( cyclic redundancy check): hạn chế độ dư thừa tuần hoàn trong PES; PES extention:
PES mở rộng; PES private: Dữ liệu mật trong PES;
Dòng cơ sở đóng gói bao gồm dữ liệu bắt đầu và dòng dữ liệu cơ sở có ích. Dữ liệu bắt đầu header bao gồm:
-Bốn byte trong đó ba byte dùng trong mã khởi đầu gói dữ liệu PES(PES packet start) và một byte nhận diện dòng (stream ID). Dữ liệu header có thể phân biệt được 16 chương trình video và 32 chương trình audio. Từng chương trình trong số 48 chương trình này đều có thể kèm theo dữ liệu người dùng . Dữ liệu về người dùng có thể được sự dụng cho việc quản lý theo địa chỉ các bộ set top box hoặc các chức năng khác.
-PES packet header data length cho thông tin về số byte có trong dữ liệu bắt đầu tuỳ chọn trước khi bắt đầu dòng dữ liệu có ích.
-Các flag chỉ rõ mành tuỳ chọn (option field) tồn tại hay không tồn tại, thông tin được mã hoá hay không được mã hoá, yêu cầu về bản quyền, sự có mặt hay không có mặt của Presentation time stamp (PTS) và Dcoding time stamp (DTS).
Hai thông tin sau cùng được sự dụng để đảm bảo sự đồng bộ ở mạch giải mã, DTS đảm bảo thứ tự ảnh khi giải mã còn PTS thứ tự ảnh khi hiện thị.
-Như chỉ ra trong hình trên định dạng gói PES cũng định nghĩa dòng bít sự dụng cho các ứng dụng trong môi trường lưu trữ số DSM(Digital storage medium). Mặc dù khả năng sự dụng dòng bít trong định dạng DSM không thực sự cần thiết cho phía thu, tuy nhiên nó được dùng cho các ứng dụng trong các bộ ghi băng hình VCR(Video cassette recoder).
-Định dạng gói PES trong lớp truyền tải là một tập hợp con trong phần định nghĩa tổng quát của chuẩn MPEG 2. Sự lựa chọn chúng sẽ cho phép máy thu hình số vận hành một cách đơn giản. Đồng thời nó cũng cho phép khôi phục các tín hiệu lỗi trên đường truyền.
b. Ghép kênh dòng chương trình (Program stream MUX)
61
Mô hình ghép kênh dòng chương trình chỉ ra trong hình 4.5. Một dòng chương trình hình 4.6 là kết quả ghép kênh của một vài dòng cơ sở sự dụng cùng một hệ thống xung nhịp thời gian. Dòng chương trình có thể là một dòng video có kèm audio hoặc một chương trình nhiều kênh audio.
Dòng video cơ sở được chia thành các đơn vị truy cập AU (acces unit). Mỗi AU chứa dữ liệu đã được nén của một ảnh. Các ảnh này phân biệt bởi ảnh I, P hoặc B. Mỗi video AU là một gói chương trình (program stream packet), các gói này thay đổi về kích thước. Ví dụ gói ảnh I lớn hơn nhiều gói ảnh B tuy nhiên đối với các đơn vị truy cập audio số (DAA Digital audio access) thường có cùng kích thước và vài DAA tạo thành một dòng chương trình.
Hình 2.14: Ghép kênh dòng chương trình
Hình 2.15: Dòng chương trình
62
Tóm lại dòng chương trình bao gồm các gói PES có độ dài thay đổi, được thiết kế để truyền trong môi trường không có tạp nhiễu và sai nhầm. Ví dụ như trong các ứng dụng CD-ROM. Vì môi trường truyền dẫn phát sóng mà chúng ta quan tâm luôn có tạp nhiễu và sai nhầm nên không thể dùng dòng chương trình mà phải dùng dòng truyền tải.
c. Ghép kênh dòng truyền tải (transport stream MUX)
Hình 2.16: Ghép kênh dòng truyền tải
Mô hình ghép kênh dòng chương trình chỉ ra trên hình 2.16. Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi (Mỗi gói TS được bắt đầu bằng các TS header và thường có chiều dài 188 byte ) và truyền các gói này đi sau khi cộng với dòng bít điều khiển dùng để mô tả chương trình (cũng được đóng gói thành các gói truyền tải) ta sẽ có dòng truyền tải TS như hình 4.8 sau:
63
Hình 2.17: Dòng truyền tải
Đòng truyền tải được thiết kế để truyền trên các kênh truyền có nhiễu, như kênh truyền thông thường.
d. Cấu trúc gói truyền tải
• Gói truyền tải có kích thước cố định và bằng 188 byte, được chia thành dữ liệu bắt đầu và dữ liệu có ích (hình 4.9). Dữ liệu bắt đầu có độ dài tối thiệu là 4 byte và chứa những thông tin sau:
• SYNC byte :byte đồng bộ, byte này sẽ nhận biết bởi bộ giải mã.
• Transport Error indication :chỉ thị này thông báo khi tỉ lệ sai nhầm bít BER vượt quá giá trị cho phép.
• Packet indentifcation (PID): Mã 13 bít này được dùng để phân biệt các loại gói khác nhau. Các dòng bít cơ sở đóng gói PES và dòng bít điều khiển như dã nói ở trên con gọi là ánh xạdòng cở sở, được nhận biết bởi PID duy nhất của chúng trong giá trị đầu của mành.
• Continuity couter : Mã 4 bít này được gia tăng trị số tại mạch mã hoá mỗi khi có một gói mới được truyền đi. Sự dụng mã này để phát hiện khi có gói dữ liệu nào đó bị mất hoặc lặp lại.
64
header payload header payload header payload
Transpo rt error indicator Sync
byte
Start indicator
Adaptati on field control Scrambling
control PID
Transpo rt priority
Continuty couter
Adapt ation field
payload
Adaptation field length
Disconti nuty indicator
Radom access indicator
ES priority indicator
5 flags Optional field
Stuffing bytes
PCR OPCR Splice
coundown
Transport private data
Adaption field extension
8 1 1 1 13 2 2 2 n1
8 1 1 1 5 n2
48 48 8 8+n3 8+n4
188 bytes
CAU TRUC GOI TRUYEN TAI
Hình 2.18: Cấu trúc gói truyền tải
e. Hệ thống ghép kênh các dòng truyền tải.
Hình 2.17 mới chỉ ra quá trình ghép các gói PES audio video data …tạo thành gói truyền tải TS. Để tăng hiệu quả các dòng truyền tải có thể ghép lại với nhau tạo thành dòng truyền tải ghép kênh cấp hệ thống ( System level multiplex) hình 4.10.
Hệ thống ghép kênh hình 4.10 được định nghĩa là một quá trình ghép các dòng truyên tải khác nhau. Trong quá trình cộng các dòng bít truyền tải (với các PID tương ứng ) sẽ tương ứng với việc cộng các chương trình riêng biệt và dòng bít điều khiển cấp hệ thống -được định nghĩa với PID =0.
65
Hình 2.19: Ghép kênh dòng truyền tải cấp hệ thống
f. Đặc điểm của dòng truyền tải MPEG 2
Dòng truyền tải MPEG 2 với độ dài TS cố định có một số những ưu điểm nổi bất sau:
- Cấp phát dung lượng động: Các gói TS với độ dài cố định tạo khả năng linh hoạt trong việc cấp phát dung lượng kênh giữa các số liệu video audio cũng như các số liẹu phụ. Mỗi gói TS được nhận dạng bởi số PID có trong TS header. Dung lượng toàn bộ của kênh cũng có thể được cấp phát lại khi phân phối số liệu. Khả năng này có thể được ứng dụng để phân phối các khoa mã trong từng giây đến từng người xem trong các chương trình truyền hình thu tiền.
- Khả năng co giãn: Một kênh có dải thông rộng hơn có thể được khai thác tối đa bằng cách sự dụng nhiều dòng sơ cấp ES tại đầu vào bộ ghép kênh hoặc ghép kênh thêm các dòng cơ bản ES này vào dòng bít ban đầu tại một bộ ghép kênh thứ hai. Tính chất này có giá trị khi phân phối tren mạng cũng như cung cấp khả năng liên vận hành. Tại mức truyền tải khả năng liên vận hành của dòng bít truyền hình là một đặc tính quan trọng của hệ thống truyền hình số. Khả năng liên vận hành thể hiện ở hai điểm sau:
• Dòng truyền tải MPEG 2 có thể được truyền trên tất cả các hệ thống thông tin.
66
• Hệ thống truyền tải MPEG 2 cũng có thể truyền các dòng bít đã được tạo ra bởi các hệ thống thông tin khác.
-Khả năng mở rộng: cấu trúc dòng truyền tải cho phép mở rộng được khả năng phục vụ các dịch vụ tương lai. Các dòng bít cơ sở mới có thể được ghép vào dòng bít truyền tải mà không cần sửa đổi cấu tạo phần cứng phía phát, mà chỉ càn gán thêm các PID mới. Khả năng tương hợp ngược vẫn đảm bảo nghĩa là bộ giải mã hệ thống hiện nay vẫn giải mã được dòng truyền tải tương lai nhưng bỏ qua các gói tương ứng với các PID mới. Khả năng này có thể được ứng dụng để đưa vào
“các dạng thức 1000 dòng quét liên tục “ hay “3D-HDTV” bằng cách gửi thêm số liệu theo tín hiệu cơ bản.
-Khả năng chống lỗi và đồng bộ: Các gói TS có độ dài không đổi tạo nền tạng cho việc kiểm soát lỗi gây ra bởi đường truyền và việc khôi phục lại đồng bộ.
Trong dòng truyền tải các chương trình khác nhau có thể được sắp đặt ở những vị trí khác nhau và không nhất thiết phải đồng bộ với nhau. Kết quả dòng truyền tải phải có những hệ thống đồng bộ riêng cho mỗi chương trình. Phương pháp đồng bộ này còn được gọi là Program Clock reference –PCR.
-Thiết bị thu rẻ tiền: Các gói TS có độ dài không đổi cũng cho phép chế tạo bộ giải mã hệ thống đơn giản và rẻ tiền.
g. Tính linh hoạt của dòng truyền tải
Dòng truyền tải MPEG 2 rất linh hoạt thể hiện dưới hai khía cạnh sau:
-Các chương trình được định nghĩa như là bất kì sự kết hợp nào của dòng bit cơ sở. Một dòng bít sơ cấp có thể xuất hiện trong một hay nhiều chương trình khác nhau. Ví dụ hai dòng bít video khác nhau có thể cùng kết hợp với dòng bít audio để tạo ra hai chương trình khác nhau. Các chương trình cũng có thể được sửa đổi để phù hợp với mốt số yêu cầu đặc biệt. Ví du như một chương trình truyền hình nhưng phần audio lại được thay đổi theo từng vùng ngôn ngữ khác nhau.
-Nhiều chương trình khác nhau có thể được ghép kênh trong cùng một hệ thống truyền tải. Tại phía (giải mã) thu từng chương trình riêng rẽ được tách ra dễ dàng.