Методическое пособие 617

Несмотря на огромный поток данных, составляющий цифровой видеосигнал, существуют предпосылки для эффективной его компрессии. Дело в том, что видеосигнал обладает очень большой избыточностью, которую следует использовать при компрессии. Некоторые методы сокращения избыточности используются еще в аналоговом видеосигнале. К таким методам можно отнести:

значительное снижение полосы частот сигналов цветности;

использование чересстрочной развертки;

удаление части спектра сигнала яркости с помощью фильтра пробки и включение в освободившуюся полосу сигнала цветности. Эти методы позволили сократить полосу частот аналогового видеосигнала и использовать один и тот же частотный диапазон как для чернобелого, так и для цветного видеосигнала. В цифровом виде для компрессии используются следующие предпосылки [3]:

когерентность областей изображения, т.е. малое изменение цвета изображения в

соседних; пикселах; избыточность в цветовых плоскостях, т.е. используется большая важность яркости изображения по сравнению с цветностью (фактически это следствие уменьшения полосы частот сигнала цветности);

подобие между кадрами, т.е. соседние кадры изменяются незначительно.

После долгого периода времени, потраченного на планирование и разработки, появился новый формат, которого все так ждали. Появление формата DVD ознаменовало собой переход на новый, более продвинутый, уровень в области хранения и использования данных, звука и видео.

Первоначально аббревиатура DVD расшифровывалась, как Digital Video Disc, это оптические диски с большой емкостью. Эти диски используются для хранения компьютерных программ и приложений, а так же полнометражных фильмов и высококачественного звука. Поэтому, появившаяся несколько позже расшифровка аббревиатуры DVD, как Digital Versatile Disc, т.е. универсальный цифровой диск - более логична.

Всвязи с этим явилось необходимым:

изучить характеристики и принципы действия современных DVD-плееров;

ознакомиться со структурой и видами DVD-дисков, а также принципами их чтения и записи;

изучить стандарт кодирования MPEG -2, его возможности и разновидности.

Домашние задания к лабораторной работе и методические указания по их выполнению

1.Ознакомиться с конструкцией DVD – плеера Rolsen RDR – 410.

2.Ознакомиться со структурой DVD – дисков и принципом их записи

3.Ознакомиться со стандартом кодирования MPEG -2

2. Описание DVD – плеера Rolsen RDR – 410

В состав лабораторного стенда, как главный его элемент, входит пишущий DVD – плеер Rolsen RDR410. Так как DVD – плеер, как устройство цифровой электроники, - весьма сложная система, состоящая как из элементов микропроцессорной техники, микроэлектроники, электромеханической частей, то рассмотрение принципа его действия

21

целесообразно проводить, опираясь не на схему электрическую принципиальную, а на функциональную (приведена в приложении).

DVD - плеер конструктивно законченная единица, обладающая определенными внутренними характеристиками, имеющая системы ввода/вывода информации для подключения к разным периферийным устройствам.

Рассмотрение его конструкции будем проводить поблочно: блок питания, загрузчик (чаще используется термин loader), основная плата и платы передней и задней панелей.

Конструкция. Конструктивное исполнение рекордера (пишущего DVD -плеера) стандартно для устройств этой категории. С точки зрения дизайна рекордер оформлен весьма не плохо (блестящие панели, крупные аскетичные клавиши, дисплей, в неактивном состоянии неразличимый с лицевой панелью), что соответствует его ценовой категории цифровых устройств воспроизведения информации.

Передняя панель оснащена набором входов, как аналоговыми (аудио и видео), так и цифровым (DV Input) аудио-видео входом Fire-Wire 1394 (наличие такого входа предоставляет возможность подключения к рекордеру, например, цифровой видеокамеры). Также на лицевой панели размещен USB – разъем, что позволяет рекордеру обмениваться информацией с различными картами памяти, жесткими дисками и прочими устройствами хранения информации, поддерживающими данный интерфейс.

Задняя панель плеера полностью отдана для соединения с периферией, т.е. под входы/выходы. Среди них:

-для отображения видео информации: а) композитный видео вход;

б) S – Video (или S -VHS) вход;

в) композитный видео выход;

г) S – Video выходом (видео хорошего качества);

д) компонентный видео выход (видео отличного качества);

-для воспроизведения звуковых дорожек:

а) аналоговый (стереофонический) аудио вход; б) аналоговый (стереофонический) аудио выход; в) аналоговый 5.1 канальный аудио выход;

г) цифровой оптический аудио выход (SPDIF); д) цифровой коаксиальный аудио выход.

Также рекордер снабжен входами/выходами SCART для подключение его к телевизионным приемникам, спутниковым тюнерам и т.д.

DVD – плеер Rolsen RDR – 410 имеет в своем арсенале ТВ-тюнер для приема и записи программ из ТВ – эфира. Поэтому на задней панели расположены антенные вход и выход.

Функциональные возможности. DVD – плеер обладает следующими техническими характеристиками:

-цифро-аналоговый аудио преобразователь позволяет получать на выходе 24 битный звук с частотой дискретизации 192кГц;

-частотный диапазон 4-44 000 Гц (+/- 2 дБ);

-соотношение сигнал/шум (чувствительность ?другими словами) более 98 дБ;

-коэффициент гармонических искажений составляет менее 0.01%;

-амплитуда видео сигнала 1.0 Vp-p (75 Ом);

-амплитуда сигнала S – Video выхода составляет для яркостной составляющей 1.0 Vp-p (75 Ом), а для цветоразностной составляющей 0.28 Vp-p (75 Ом);

-встроенный двунаправленный транскодер позволяет получать на выходе сигнал любого стандарта (PAL или NTSC), независимо от сигнала на воде.

АЧХ нетрадиционна для DVD-плейеров, с существенным акцентированием басов, провалом на средних частотах и подъемом высоких (рис.8).

22

Рис.8. АЧХ рекордера Rolsen RDR – 410

Рис.9. Частотная характеристика нелинейных искажений

Частотная характеристика нелинейных искажений почти повторяет АЧХ (рис. 9), что говорит о целесообразности использования цифрового соединения с ресивером.

Видеотракт демонстрирует заметно лучшие характеристики — баланс белого и калибровка эталонных цветов очень точны, МЧХ (рис.10) с S-Video-выхода довольно линейна, что обеспечивает четкость примерно 530 ТВЛ при полном отсутствии муара. Единственный недостаток - шум в канале цветности.

Рис.10. Характеристики видеотракта рекордера RDR -410

23

DVD – плеер Rolsen RDR410 питается от стандартных сетей 110/240В (50/60 Гц ), потребляя при этом мощность 35Вт (в режиме ожидания 3 Вт).

2.1. Внутреннее строение DVD – плеера

DVD - плеер Rolsen RDR – 410 выполнен в блочном варианте, каждый из которых выполнен на отдельной плате. Схема соединения основных узлов плеера показана на рис.11.

Рис.11. Схема соединения отдельных узлов плеера

Источник питания. Для данного DVD плеера характерен стандартный (используется в большом спектре продукции фирм Rolsen, Rubin, который собирается на ОАО «Видофон») высокоэффективный источник питания. Принцип работы заключается в следующем:

Напряжение питающей сети 220В проходит через LC - фильтр высокой частоты, выпрямляется мостовым выпрямителем, затем фильтруется конденсатором большой ёмкости и изменяется на постоянное 300В. Далее, напряжение подается на сток транзистора Q1 через обмотку трансформатора.

Это же напряжение, после деления резистором, подается на выводы 3 и 8 микросхемы U501. С 7-го вывода микросхемы U501 на электрод затвора подаётся управляющее напряжение, тем временем трансформатор начинает работу, и появляются вторичные выходные напряжения.

Схема обратной связи, стабилизирующая напряжение состоит из микросхем и цепей их обвязки. Схема обратной связи DVD - плеера стабилизирует напряжение, контролируя уровень выходных напряжений 5В и 3.5В. Когда уровень опорного напряжения превысит 5В, ток, проходящий через светодиод внутри микросхемы U4 схемы обратной связи нарастает и увеличивается яркость его свечения, что приведет к повышению напряжения на выходе микросхемы U4. После сравнения напряжения, микросхема U501 уменьшает ширину импульса, выходящего из транзистора Q1, затем вторичные выходные напряжения уменьшаются. И то же самое наоборот, это позволяет стабилизировать напряжение.

Во вторичной цепи, напряжение +5В выпрямляется однополупериодным выпрямителем, сглаживается LC - фильтром. Другие выходные напряжения образуются

24

таким же образом. Напряжения +12В и –12В используются платой декодирования, +5В нужно для платы декодирования и платы передней панели, 3.5В постоянного тока нужно! для декодирующей части, 3.5В переменного тока и –27В нужны! для передней панели.

Распределением необходимых значений напряжений между элементами основной платы занимается специальный контроллер POWER/GND.

Основные составные части импульсного блока питания показаны на функциональной схеме плеера (приложение 1).

Загрузчик (loader).Термин «загрузчик» (loader) может применяться и к механизму загрузки (помещения) диска на шпиндель двигателя вращения диска, так и ко всей системе привода диска. Вся система состоит из:

-лотка загрузки диска с двигателем и механизмом перемещения лотка;

-двигателя вращения диска в двух направлениях со столиком и прижимной конструкцией (иногда магнитной);

-лазерной оптической системы (optical pick-up unit - OPU);

-системы радиального перемещения OPU.

Последние две системы иногда объединяются в одно целое и называется оно mechadeck, по аналогии с лентопротяжным механизмом кассетных приводов.

Основной системой, влияющей на потребительские свойства загрузчика, является OPU. Для DVD загрузчиков применяются OPU с двумя лазерными диодами: один для CD и один для DVD. В OPU расположена также система фокусировки лазерного луча, наведения его на дорожку и шесть датчиков отражённого луча. Эти датчики маркируются как A, B, C, D, E, F и служат для снятия сигнала с диска, а также для отслеживания дорожки диска.

При наличии в загрузчике микросхем управления и интерфейса ATA/ATAPI, такой загрузчик называется ATA/ATAPI DVD-drive (именно таким и является рассматриваемый загрузчик DVD – рекодера Rolsen RDR - 410).

На микросхему управления передаются сигналы о наличии (Disc In) или отсутствии (Disc Eject) диска. При наличии диска он фиксируется механическим способом на лотке, срабатывает механизм перемещения диска, который перемещает диск в «рабочую» зону. Далее диск раскручивается до необходимых оборотов, и система радиального перемещения лазерной оптической системы подводит и наводит оптическую головку на необходимую дорожку. Начинается процесс считывания информации, которая передается на ATAPI интерфейс и дальше через хост-контроллер на обработку и декодирование.

Во время считывания процесс наведения системы лазерных головок на необходимую дорожку не прекращается за счет системы светодатчиков, которые постоянно отслеживают ее положение.

Процесс записи проходит также: с хост – контроллера поступает поток данных (который ранее помещается и хранится во flash памяти) на микросхему управления ATAPI. Далее этот поток поступает на лазерную оптическую систему и записывается на диск с использованием того или иного лазера (CD или DVD). Процесс записи несколько отличается от процесса считывания информации и будет рассмотрен более подробно далее (п. 2.1).

Основная плата рекордера. На основной плате DVD – плеера, согласно приведенной функциональной схеме, можно выделить:

-аудио буффер;

-видео буфер;

-модуль синхронизированной с частотой работы видео процессора динамической памяти DDR SDRAM;

-тюнер приема аналогового/цифрового сигнала;

-хост – контроллер с модулем быстро перезаписываемой flash памяти;

-контроллер управления режимами питания всех элементов платы.

Аудио буфер. Аудио буфер состоит из совокупности цифровых (аналоговых) аудио входов/выходов, цифро-аналогового аудио преобразователя, усилителя, цифрового аудио процессора и аналого – цифрового аудио преобразователя.

25

Принцип работы аудио буфера: снимаемый с аналоговых входов, размещенных как на лицевой, так и на задней панели DVD – плеера, поток данных поступает и обрабатывается звуковым АЦП, переводящим его в цифровой вид. Далее цифровой поток попадает напрямую на аудио процессор, где проходит процесс «оцифровки» (подробнее этот процесс будет рассмотрен в п. 2.3), заключающаяся в дискретизации (частота дискретизации как правило используется в пределах 32 - 44 кГц) по времени и квантованию по уровню (используется обычно 16 Бит)). Оцифрованный звуковой поток возможно, если к плееру подключены устройства с цифровыми аудио входами, сразу передать на один из выходов плеера: коаксиальный или оптический (SPDIF). Когда же на выходе плеера имеются только аналоговые стереофонические или системы объемного звучания 5.1, то необходимо цифровой поток вновь перевести в аналоговую форму, чем и занимается аудио ЦАП. Звуковой поток разделяется на 6 составляющих (по две фронтальных и тыловых, центральную и сабвуфер) и усиленный подается на соответствующие выходы. Параллельно преобразуется стереофонический звук.

Звуковое сопровождение, снимаемое со входа SCART, подается на АЦП и оцифровывается. После «оцифровки» оно преобразуется в аналоговую форму и усиленное возвращается на выход SCART.

С цифрового 1394 Fire-Wire входа звук подается и обрабатывается сразу звуковым процессором.

Видео буфер. Видео буфер плеера состоит из следующих основных частей:

-совокупность цифровых (аналоговых) видео, S-Video, SCART, 1394 Fire-Wire входов/выходов;

-аналогово – цифрового видео преобразователя;

-микросхемы разделения видео потока (TVP 5150 Vin);

-видео декодера, поддерживающего такие стандарты кодирования семейства MPEG;

-контроллера управления потоками данных с видео входов/выходов, Fire-Wire и USB. Так же в состав видео буфера можно включить и тюнер, который является

поставщиком аналогового сигнала из ТВ – эфира, и систему тюнер – BTSC, которая принимает видео сигнал, передаваемый по ТВ – эфиру дискретным способом (то есть от цифрового телевидения).

Взависимости от источника сигнала (DVD/CD – диск, тюнер, цифровой/аналоговый видео вход или через USB - интерфейс) процесс обработки будет несколько отличаться.

- Источник сигнала - тюнер (либо любой другой аналоговый вход, например, композитный или SCART).

Вданном случае аналоговый видео сигнал отделяется от звуковой дорожки и попадает на микросхему TVP 5150 Vin, которая разделяет его на 2 части (подробнее в п.3). Далее видео поток оцифровывается в видео АЦП и подается на вход декодера (процесс декодирования будет рассмотрен отдельно в п. 3). Декодированный сигнал через контроллер управления потоками данных распределяется между видео выходами.

- Источник сигнала – цифровой видео вход 1394.

Вданном случае поток уже имеет цифровую форму, поэтому может сразу кодироваться

впоток, например, MPEG – 2.

- Источник сигнала – устройство, подключенное через USB - интерфейс.

Втаком случае видео поток так же имеет цифровую форму. Сначала видео информация отделяется от звуковой и через контроллер управления потоками данных попадает на декодер. После процесса декодирования видео поток тем же путем возвращается и распределяется на видео выходы.

- Источник сигнала – вход SCART.

Вданном случае процесс кодирования информации аналогичен первому варианту (сигнал с тюнера).

- Источник сигнала – СD/DVD диск.

26

Вданном случае процесс декодирования самый долгий. Сначала идет процесс считывания информации с диска. Далее она через ATAPI - интерфейс попадает на хост – контроллер и помещается во flash – памяти. Далее видео и звук разделяются и обрабатываются отдельно. Видео информация обрабатывается декодером MPEG и распределяется по выходам.

Вслучае необходимости записи информации на диск, обработанный видео и звуковой поток объединяются и поступают на временное хранение в flash – память, сулжащую при записи буфером, откуда записываемая информация постепенно считывается и записывается.

DDR SDRAM. Данный вид памяти используется в исполнении 2, 4 или 8 Мб для нужд видео и аудио процессоров (а именно для хранения временных данных).

Хост – контроллер. Хост – контроллер занят в процессах организации связи между отдельными частями основной платы и «загрузчиком». Так же он организует управление всем плеером через инфракрасный приемник, через пульт дистанционного управлениия.

Шина данных и шина синхронизации. Эти шины необходимы для передачи потоков данных между контроллерами, процессорами и памятью платы и организации их синхронной работы.

2.2. Структура DVD-дисков и принцип их записи

Основой записи и хранения данных на дисках DVD–RAM и DVD-RW является технология изменения фазового состояния вещества. При записи и считывании информации используется различие отражательной способности поверхности в зависимости от того, находится ли она в кристаллическом или аморфном состоянии.

При считывании информации с диска измеряется различие между темными аморфными и яркими прозрачными зонами. Эту технологию вполне можно назвать оптической - для чтения и записи достаточен всего лишь лазер. Послойная структура одной половины диска показана на рис.12.

Рис.12. Послойная структура одной половины диска

Сегодняшний стандарт DVD позволяет реализовать несколько различных конструкций диска. Это односторонние или двусторонние диски, с одним или двумя несущими информацию слоями на каждой стороне. Один слой толщиной 0,6 мм может уместить до 4,7 Гб информации, а весь диск – до 17 Гб.

27

Возможны четыре разновидности DVD дисков:

1. DVD-5 - это первая рыночная версия DVD диска: односторонний диск с однослойной записью и емкостью 4,7 Гб.

DVD состоит из 0,6 мм пленки, покрытой алюминием и наклеенной на чистую подложку. Технология напыления та же, что используется при изготовлении обычного CD. Алюминиевая пленка имеет толщину 55 нанометров, как и для аудио-CD и CD-ROM. Структура DVD-5 показана на рис.13.

Рис.13. Конструкция диска DVD-5

DVD-9 - это двухуровневый односторонний диск с емкостью 8,5 Гбайт. Для производства такого диска необходимо создать полупрозрачный слой, который отражает 1830% лазерного излучения. Этого достаточно, чтобы можно было считывать информацию с верхнего слоя. И в то же время полупрозрачный слой будет пропускать достаточно излучения, чтобы сигнал от нижнего уровня с высокой отражательной способностью тоже читался. Информационные уровни разделяет высокооднородный клей (толщина клеевой прослойки составляет 40-70 микрон), используемый для соединения двух половин диска. Это расстояние необходимо, чтобы различить сигнал, отраженный от одного и другого уровней. Структура DVD-9 показана на рисунке.

Использование полупрозрачного слоя диктует более жесткие требования к материалу и используемой технологии:

Высокий коэффициент пропускаемости

UV прозрачность

Однородность уровня не ниже 1,5%

Высокая прочность

Низкие издержки производства

Содной стороны, оптимальным материалом для полупрозрачного слоя является золото.

Сдругой стороны, применение вместа золота другого материала поможет сократить издержки производства на 70%. Сегодня в качестве альтернативы золоту используются кремниевый и серебряный сплавы.

28

Рис.14. Конструкция диска DVD-9

DVD-10 – однослойный двух сторонний диск емкостью 9,4 Гб. В принципе это двойной DVD-5 без чистой подложки. Два диска, покрытых металлическими пленками, соединены вместе. Чтобы считывать информацию с двух сторон диска, используется один лазер. Следующий рисунок показывает структуру DVD-10.

Рис.15. Конструкция диска DVD-10

DVD-18 - двусторонний двухуровневый диск. Структура в принципе та же самая, как у DVD-9, но DVD-18 может читаться с обеих сторон. Результат – двойная емкость по сравнению с DVD-9. Принципиальная структура диска на рис.16.

29

Рис.16. Конструкция диска DVD-18

Принцип работы заключается в следующем: луч лазера вызывает кристаллографические изменения в активном слое оптического диска (а именно, в результате облучения вещество меняет свое состояние с кристаллического на аморфное и наоборот).

Рис.17. Запись информации

Запись аморфных областей показана на этом графике (рис.17.). Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал (температура нагрева превышает температуру плавления материала, T > Tплав). Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации (Tкрист).

Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации. таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в аморфном состоянии.

30