Đồ án tốt nghiệp điều chế tín hiệu truyền hình số mặt đất chuẩn dvb t

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tượng tự.Trong thiết bị mã hóa biến đổi A/D tín hiệu sẽ được b

Trong kỹ thuật truyền hình tương tự để truyền đi hình ảnh và âm thanh thì tìn

hiệu hình ảnh và âm thanh phải được điều chế Sau đó, các tín hiệu điều chếkhuyếch đại để ra anten và bức xạ ra không gian Tại điểm thu, tín hiệu được giảiđiều chế khôi phục lại hình ảnh và âm thanh ban đầu Về nguyên tắc chung truyềnhình số không khác nhiều so với truyền hình tương tự nhưng về kỹ thuật thì hoàntoàn khác Chủ yếu tập trung ở phần điều chế số của máy phát hình và thu hình

Trong nhưng năm gần đây, công nghệ truyền hình đang chuyển sang một bướcngoặt mới Quá trình chuyển từ công nghệ tương tự số sang công nghệ số Trongmột số ứng dụng tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệu tượng tự vì nó cóthể thực hiện được những chức năng mà tín hiệu tương tự hầu như không thể thựchiện được Tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, đọc, ghi nhiều lần mà không giảm chấtlượng hình ảnh Tuy nhiên, không phải tất cả các trường hợp tín hiệu số đều đạthiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự pháttriển công nghệ truyền hình trên thế giới nhằm đạt được một sự thống nhất chung làmột hệ thống truyền hình kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối kênhthông tin

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra trênhình 1.1

Biến đổi A/D Mã hóa kênh Biến đổi

tín hiệu

Tín hiệu

TH số

Kênh thông tin

Biến đổi tín hiệu Giải mã hóa kênh

Biến đổi A/D Tín hiệu

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tượng tự.Trong thiết bị mã hóa (biến đổi A/D) tín hiệu sẽ được biến đổi thành tín hiệu truyềnhình số Tín hiệu truyền hình số sẽ được đưa tới thiết bị phát Sau đó qua kênhthông tin, tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tinshiệu ngược lại với quá trình xử lý tín hiệu tại phía phát

Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tínhiệu tương tự Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hóa về giải

mã tín hiệu truyền hình

Mã hóa kênh đảm bảo chống các sai xót cho tín hiệu trong kênh thông tin, thiết

bị mã hóa kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin Khi tín hiệutruyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị trên được gọi là bộđiều chế và bộ giải điều chế

Khái niệm mã hóa trong kênh được phổ biến không những phổ trong đườngthông tin mà cả trong một số khâu của truyền hình số, ví dụ như máy ghi hình số, bộđiều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số v.v…

1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN HÌNH SỐ

1.2.1 Yêu cầu về băng tần.

Yêu cầu về băng tần là một sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tín hiệu

tương tự Tín hiệu số vốn gắn liền với yêu cấu băng tần rộng hơn Ví dụ, với tínhiệu tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu gấp bốn lần tần số sóng mang màu – như đốivới hệ NTSC là 14,4 MHz, nếu thực hiện mã hóa với mã kí tự dài 8 bit, tốc độ dòngbít sẽ là 115,2 Mbit/s Độ rộng băng tần khoảng 58 MHz Trong khi đó tín hiệutương tự cần một băng tần khoảng 4,25 MHz Nếu có thêm các bit sửa lỗi yêu cầu

về băng tần phải tăng thêm nữa Tuy nhiên, trong thực tế băng tần này không chỉ sữdụng cho tín hiệu hình ảnh ngược lại, với tín hiệu số khã năng cho phép giảm độrộng tần số là rất lớn Với các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt được có thể lên đến100:1 hay cao hơn nữa Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại,khẵ năng dự báo cũng làm tăng thêm khẵ năng giảm băng tần của tín hiệu

1.2.2 Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm (S/N)

Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong

quá trình xử lý trong các khâu truyền dẫn và ghi Nhiễu tạp âm trong hệ thốngtương tự có tính chất cộng, tỷ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do tổng cộng cácnguồn nhiễu thành phần gây ra, vì vậy luôn luôn nhỏ hơn tỷ lệ S/N của khâu có tỷ lệthấp nhất

Với tín hiệu số, nhiễu là do các bit lỗi Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phụcnhờ các mạch sữa lỗi Bằng các mạch này có thể khôi phục lại dòng bit như banđầu Khi có quá nhiều lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách chelỗi Tỷ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỷ lệ lỗi BER(Bit Error Rate) quá lớn, làm cho các mạch sửa lỗi và che lỗi mất tác dụng Khi đódòng bít không còn ý nghĩa tin tức Trong khi đó, với các hệ thống tương tự, khi cónguồn nhiễu lớn tín hiệu vẫn có thể sử dụng được

Tính chất này của hệ thống số đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trìnhtruyền hính với các chức năng biên tập phức tạp cần nhiều lần đọc – ghi Vịêctruyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện thuận lợi với tín hiệu số màkhông làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình.

1.2.3 Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền.

Cũng như tỷ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghi đọc chương trìnhnhiều lần, đặc biệt với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với méo khuyếch đại visai như hệ NTSC

1.2.4 Chồng phổ (Aliasing)

Một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên có

khã năng xẩy ra chồng phổ ở cả hai hướng Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ tronghai hệ thống số và tương tự là như nhau Độ lớn của méo chồng phổ theo chiềungang phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạnNyquist Để ngăn ngừa hiện tượng méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể sửdụng tần số láy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất của hệ thống tươngtự

1.2.5 Xử lý tín hiệu

Tín hiệu số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các chức năng mà hệ thống

tương tự không làm được hoặc gặp khó khăn Sau khi biến đổi A/D, tín hiệu còn lạimột chuổi các số, bit “0” và “1”, có thể thao tác các công việc phức tạp mà khônglàm giảm chất lượng hình ảnh Khả năng này được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bittrong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh Các công việc tín hiệu số có thểthực hiện dễ dàng là: Sửa lổi gốc thời gian, chuyển đổi tiêu chuẩn, giảm độ rộng

1.2.6 Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tín hiệu truyền hình số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở

một khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống truyền hình tương tư màkhông bị nhiễu Một phần vì tín hiệu truyền hình số ít chịu ảnh hưởng của nhiễuđồng kênh, một phần là do khả năng thay thế xung xóa và xung đồng bộ bằng các từ

mã – nơi mà hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiều lỗi nhất Việc giảm khoảngcách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, cơ hội chonhiều trạm phát hình có thể phát các chương trình có độ phân giải cao HDTV

1.2.7 Hiệu ứng Ghosts (bóng ma)

Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu

theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũng giảm đi hiệntượng này trong truyền hình quảng bá

1.2.8 Ưu điểm chính của truyền hình số

Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử với sự ra đời của các vimạch cỡ lớn, các bộ xử lý tín hiệu với tốc độ cao, các bộ nhớ có dung lượng lớn vànhất là sự bùng nổ của công nghệ thông tin trong những năm gần đây, video số,truyền hình số đã hoàn toàn mang tính khả thi và từng bước trở thành hiện thực Công nghệ truyền hình số đã và đang bộc lộ thế mạnh tuyệt đối so với công nghệtương tự trên nhiều lĩnh vực:

- Tín hiệu số ít nhạy cảm với các dạng méo sảy ra trên đường truyền

- Có khã năng phát hiện lỗi và sửa sai (nếu có)

-Tính linh hoạt, đa dạng trong quá trình xử lý tín hiệu

- Hiệu quả sử dụng dải thông cao, có khả năng truyền nhiều chương trình trêncùng một kênh RF

- Tính phân cấp, ví một dòng dữ liệu có thể được sử dụng để truyền một chươngtrình có độ phân giải cao duy nhất hoặc một vài chương trình có độ phân giải tiêuchuẩn.

- Khả năng truyền tải nhiều dạng thông tin khác nhau

- Tiết kiệm năng lượng với cùng một công suất phát sống, diện tích phủ sóngrộng hơn so với công nghệ tương tự

- Khóa mã đơn giản

- Dễ dàng thích nghi với các bước phát triển tiếp theo sang truyền hình độ phângiải cao hoặc phát thanh với chất lượng CD trong tương lai

- Thị trường đa dạng, có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ cho đôngđảo khán giả hoặc nhiều cá nhân

- Chi phí khai thác thấp

- Hoàn toàn có khả năng hòa nhập vào xa lộ thông tin

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU VIDEO

Số hóa tín hiệu truyền hình thực chất là việc biến đổi tín hiệu truyền hình máu

tương tự sang số Có hai phương pháp biến đổi là:

+ Biến đổi trực tiếp tín hiệu video màu tổng hợp

+ Biến đổi riêng tng tín hiệu video màu thành phần

Việc lựa chọn phương pháp biến đổi video phụ thuộc vào nhiều yếu tố đó là yêucầu về khả năng thuận lợi khi xử lý tín hiệu yêu cầu về truyền dẫn và phát sóng …

1.3.1 Tín hiệu video số tổng hợp

Tín hiệu video số tổng hợp thực chất là sự chuyển đổi tín hiệu video tương tựtổng hợp sang video số như hình 1.2

Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu (rời rạc hóa) với tần số láy mẫu bằng 4

lần tần số sóng mang màu (4f SC ), vào khoảng 17,72 MHz đối với tín hiệu PAL Mỗi

Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa

Tín hiệu hình

tổng hợp

Đồng bộ

Tín hiệu tổng hợp số

mẫu tín hiệu được lượng tử hóa 10 bit, cho ta một chuỗi số liệu 177 Mbit/s ( trong

trường hợp 8 bit chuổi số liệu có tốc độ là 142 Mbit/s)

Hình 1.2 Biến đổ AD tín hiệu màu tổng hợp

Biến đổi tín hiệu video tổng hợp có ưu điểm về dải tần Nhưng biến đổi tín hiệu

video tổng hợp số có những nhược điểm của tín hiệu tổng hợp tương tự như hiện

tượng can nhiễu màu chói Tín hiệu tổng hợp cũng gây khó khăn trong viêc xử lý,

tạo kỹ xảo truyền hình v.v…

1.3.2 Tín hiệu video số thành phần

Tín hiệu video số thành phần là sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự thành phần

sang số, và được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế CCIR 601 ( hoặc ITU (R) – 601)

Tín hiệu video số thành phần còn quen gọi là tiêu chuẩn D-1 hoặc tiêu chuẩn

4:2:2.Hình 1.3 minh họa quá trình chuyển đổi từ tương tự sang số tín hiệu video

thành phần

Đối với tiêu chuẩn này tín hiệu chói được lấy mẫu với tần số 13,5 MHz, hai tín

hiệu màu được lấy mẫu với tần số 6,75 MHz Mỗi mẫu được mã hóa bởi 8/10 bit,

cho ta tốc độ bit bằng 216/270 Mb/s Lượng tử hgóa bởi 8 bit cho ta 256 mức và 10

bit cho ta 1024 mức với tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) cao hơn

Biến đổi tín hiệu video thành phần cho ta dòng số tốc độ bit cao hơn tín hiệu số

tổng hợp Tuy nhiên, dòng tín hiệu thành phần số cho phép xử lý dễ dàng các chức

năng ghi, dựng, tạo kỹ xảo v.v… Hơn nữa, chất lượng hình ảnh không chịu các tác

động của can nhiễu chói, màu như đối với tín hiệu tổng hợp

Lọc thông thấp Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa

EB - EY

Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các chip tốc độ cao ra đời, cho phép

truyền toàn bộ chuỗi video số thành phần nối tiếp nhau trên một dây dẫn duy nhất

Video số nối tiếp có những ưu điểm cơ bản

Hình 1.3 Biến đổi AD tín hiệu màu thành phần

 Không bị nhiễu ký sinh, không méo, tỉ số tín hiệu/tạp âm cao

 Chuyển đổi tín hiệu đơn giản

 Có thể cài tín hiệu Audio trong chuổi số liệu video số Như vậy, chỉ cần một

sợi cáp cũng có thể truyền cả tín hiệu video và audio Khâu thiết kế, lắp đặt và khai

thác thiết bị, nhờ đó đơn giản và thuận tiện hơn rất nhiều

Mặc dù cả hai phương pháp số hóa tín hiệu tổng hợp và thành phần đều được

nghiên cứu và áp dụng trong kỹ thuật truyền hình số Tuy nhiên, nhờ những tính

chất ưu việt nên phương pháp biến đổi tín hiệu thành phần được khuyến khích sử

dụng Các kỹ thuật của phương pháp này được sử dụng rộng rãi và hình thành nên

các tiêu chuẩn thống nhất cho truyền hình số

0 f0 fsa-f0 fsa fsa+f0 2fsa-f0 2fsa 2fsa-f0 3fsa-f0 3f0 3fsa+f0 tần số

Biên độ

SỐ HÓA TÍN HIỆU VIDEO VÀ AUDIO

2.1 SỐ HÓA TÍN HIỆU VIDEO

2.1.1 Lấy mẫu tín hiệu video

Lấy mẫu tín hiệu video là bước đầu tiên thể hiện thể hiện tín hiệu sang số vì các

thời điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ra tọa độ của điểm đó Quá trình biến đổi này phảitương đương về mặt tin tức – có nghĩa là tín hiệu sau khi lấy mẫu phải mang đầy đủthông tin của tín hiệu video vào Biên độ của tín hiệu video được lấy mẫu với chu

kỳ T, thu được một chuổi xung hẹp với tần số lấy mẫu được tính bằng fsa = 1/T(trong đó fsa là tần số lấy mẫu – T là chu kỳ lấy mẫu)

Quá trình lấy mẫu tương đương với một quá trình điều biên tín hiệu (f0) trênsóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu fsa Quá trình điều biên tạo ra các biên trên

và biên dưới Sóng lấy mẫu có dạng hình chữ nhật, phổ của nó bao gồm thành phầntần số lấy mẫu và các hài của nó hình 2.1

Hình 2.1 Phổ của tín hiệu lấy mẫu

Thực tế, lấy mẫu tín hiệu video dựa trên cơ sở định lý Nyquits – Shanaon:

“Tín hiệu x(t) liên tục trong khoảng thời gian có phổ hạn chế cắt tại ωc hoàn toànđược xác định bằng một dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn T = Tsa ≤1/2fC Với fC = ωc/2π”.”

Hàm xác định trong khoảng (t0, t0 + Δt) sẽ hoàn toàn xác định từ các mẫu rời rạct) sẽ hoàn toàn xác định từ các mẫu rời rạcx(kΔt) sẽ hoàn toàn xác định từ các mẫu rời rạct) của nó theo biểu thức:

Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó toàn bộ lượng thông tin mang trong tín hiệu gốcnếu:

+ Tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức là không có những phần tử có tần sốnằm ngoài một tần số fc nào đó

+ Tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng hai lần fc tức là fsa ≥ 2fc

Tín hiệu video do có đặc trưng riêng nên ngoài việc thỏa mãn định lý lấy mẫuNyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thỏa mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tínhtương thích giữa các hệ thống… Quá trình này phải xác định đượctần số lấy mẫucấu trúc lấy mẫu nhằm thỏa mãm được các chỉ tiêu về chất lượng hình ảnh, tínhtương thích giữa các hệ thống truyền hình, tốc độ bit thích hợp và các mạch thựchiện đơn giản

2.1.2 Lượng tử hóa tín hiệu video

Bước tiếp theo trong quá trình biến đổi A/D là lượng tử hóa Trong quá trìnhnày, biên độ tín hiệu được chia thành các mức gọi là mức lượng tử Các mẫu cóđược từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử Giá trị lượng tử Qđược xác định theo biểu thức Q = 2N trong đó N là số bít biểu diễn mỗi mẫu Tínhiệu nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu nguyên nhân do quá trìnhlượng tử hóa xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu

Có hai phương pháp lượng tử là lượng tử hóa tuyến tính có các bước lượng tử

n n+1 n+2 n+3 n+4 n+5

T

Q

Thời gian Biên độ

Hình 2.2 Quá trình lượng tử hóa

Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio tất cả các mức lượng tử đếu

có biên độ bằng nhau, và quá trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hóa đồng đều.Đây là quá trình biến đổi từ một chuổi các mẫu với vô hạn biên độ sang các giá trịnhất định vì vậy quá trình này gây ra sai số, gọi là sai số lượng tử Sai số lượng tử làmột nguồn nhiễu không thể tranh khỏi trong các hệ thống số Biên độ tín hiệu videobiến đổi theo thời gian Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong phạm vi (1/2)Q.Trong đó, Q là bước lượng tử Trong các hệ thống số sử dụng 8 bit (hay hơn 8 bit)

để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử có thể coi như một nguồn tín hiệu không mongmuốn cộng thêm vào tín hiệu trong quá trình lượng tử Trong các hệ thống sử dụng

it hơn 8 bit để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tínhiệu ban đầu, làm méo dạng sóng, tăng hiệu ứng viễn không mong muốn

2.1.3 Mã hóa

Mã hóa là khâu cuối cùng của bộ biến đổi A/D Mã hóa theo quan điểm thống kê

là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tin tức, mục đích làcải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thống thông tin Dữ liệu sau mã hóa có ưuđiểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tương đương khả năng thôngqua của kênh

Về nguyên tắc độ dài của từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càngchất lượng và nó được xem như là độ phân giải của quá trình số hóa Tuy nhiên, độphân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định là đủ thỏa mãn khã năng kỹ thuậtcủa hệ thống hiện nay, cũng như khã năng phân biệt của mắt người xem Độ phângiải tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit/ mẫu.

Các mã được sử dụng trong truyền hình số có thể được phân chia một cách quyước thành 4 nhóm đó là:

 Các mã để mã hóa tín hiệu truyền hình

 Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin

 Các mã thuận tiện cho việc giải mã và đồng bộ bên thu

 Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thốngtruyền hình số

Để đáp ứng mã hóa tín hiệu truyền hình và sau đó tạo lại ở bên thu, người tathường dùng một loại mã, còn đối với truyền chống nhiễu theo kênh thông tin thìdùng loại mã khác Trong các trường hợp riêng đôi khi sử dụng đường thông tin vớiviệc truyền có tính chất xác thực cao như ống dẫn sóng và cáp quang học, chúng ta

có thể không tiếp nhận cá số đo đặc biệt để chống sai số và dẫn đến việc truyềnchính loại mã đã được sử dụng để mã hóa tín hiệu truyền hình Khi chọn các loại mãcho các tín hiệu của các thiết bị truyền hình số cần thiết thứ nhất là sự lập mã (cấutrúc toán học) gồm các số cần thiết cho việc giải quyết bài toán đã đặt ra, thứ hai làcác phương pháp mã hóa và giải mã các mã được chọn mà có thể thực hiện trongcác thiết bị Về cấu trúc toán học có thể chia thành mã không chính xác sơ cấp và

mã hiệu chỉnh, nghĩa là sửa cgữa lại sai số khi truyền> Trong các khâu của truyềnhình số, mã sơ cấp được sử dụng chủ yếu để mã hóa tín hiệu truyền hình, ghi hình

từ tính, biểu diễn tín hiệu thông tin phụ và các mục đích bổ xung khác Các mã hiệuchỉnh sai số được sử dụng trong trường hợp khi tín hiệu số bị méo khi truyền theođường thông tin

2.1.4 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp

Trong truyền hình lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp, điều kiện đầu tiên là

phải chú ý đến tải tần màu (sóng mang màu) fsc, khi chọn tần số lấy mẫu fsa có thểxuất hiện các trường hợp sau:

- fsa gấp nhiều lần fsc ví dụ fsa = 2fsc; fsa = 3fsc hoặc fsa = 4fsc dùng cho hệ NTSC

và hệ PAL vì hai hệ này chỉ dùng một tần số fsc Hệ SECAM dùng hai tần số mangmàu Nên không thể dùng một tần số fsa cho các tín hiệu số màu

- fsa không có quan hệ trực tiếp với fsc Trong trường hợp này sẽ xuất hiện (ngoài các thành phần tín hiệu có ích) thêm các thành phần tín hiệu phụ do liên hợpgiữa fsa và fsc hoặc hài của fsc trong phổ của tín hiệu lấy mẫu Đặc biệt thành phần tínhiệu (fsa – 2fsc) sẽ gây méo tín hiệu video (tương tự) được khôi phục lại Loại méonày có tên gọi là méo điều chế Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằmtrong kênh màu sẽ tạo trên màn hình các “hình đồng màu”, thể hiện rất rỏ trong cácảnh có nền đồng màu và độ bảo hòa màu cố định Độ ổn định các hình đồng màutrên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fsa và tần số quét dòng và quét mành.Méo điều chế chéo không xuất hiện trong trường hợp lấy mẫu và mã hóa riêng tínhiệu chói và các tín hiệu số màu

Như vậy, để tránh méo gây ra do các hài của fsc trong phổ của tín hiệu lấy mẫu gọi là méo điều chế chéo – thông thường chọn tần số lấy mẫu bằng bội số của tần sốsóng mang màu Điều này, ở hệ NTSC và PAL do sử dụng sóng mang màu, nênviệc chọn giá trị tần số fsa tối ưu sẽ đơn giản hơn Thường thí fsa được chọn bằng hàibậc ba tần số tải màu:

-fsa/PAL = 13,3085625MHz > 2fsc/PAL; fc/PAL = 5 hoặc 5,5 MHz

fsa/NTSC = 10,738635MHz > 2fc/NTSC = 4,2 MHz

Nếu chọn fsa = 4fsc thì sẽ cho chất lượng hình ảnh khôi phục rất tốt Tuy nhiên nó

sẽ làm tăng tốc độ bit tín hiệu dẫn đến lãng phí dải thông Đối với hệ SECAM tần sốlấy mẫu fsa không thể chọn bằng hài bậc cao của tải màu fsc Bởi vì hệ SECAM sữ

dụng điều tần Việc chọn fsa ở đây có nhiều khó khăn hơn, kết quả nghiên cứu chothấy khi tần số lấy maũu tiến gần đến phạm vi 13 MHz, chất lượng ảnh sẽ khôi phụcrất tốt Nếu tần số lấy mẫu nhỏ hơn 13 MHz thì chất lượng ảnh rảm rỏ rệt đối vớilấy mẫu tín hiệu video tổng hợp.

Trong một thời gian rất dài rất nhiều các khái niệm, sản phẩm và các thiết bị điện

tử được phát triển cho các ứng dụng số Các thiết bị này làm việc ở các tần số lấymẫu khác nhau, số bít biễu diễn mẫu khác nhau, số mức lượng tử khác nhau>Chúng được phát triển phục vụ yêu cấu sản xuất và được thiết kế phù hợp với cácstudio sản xuất chương trình với tín hiệu video tổng hợp tương tự

Xu hướng phát triển của các studio hoàn toàn kỹ thuật số yêu cầu chuẩn hóacông nghiệp cho các thiết bị video số Các tiêu chuẩn video số tổng hợp được xâydựng để hướng tới mục tiêu đó Phù hợp với yêu cầu công nghệ, hai hệ thông số hóatín hiệu video tổng hợp đã được phát triển rộng rãi Đó là:

- Tiêu chuẩn 4f sc NTSC

- Tiêu chuẩn 4fsc PAL

Tín hiệu video tổng hợp tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng 4 lần tần số sóngmang phụ (4fsc) Số bit biểu diễn mẫu đóng vai trò quan trọng trong việc xác địnhchất lượng ảnh và tính kinh tế của thiết bị Thông thường các thiết bị sử dụng 8 bithoặc 10 bit

2.1.5 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần

2.1.5.1 Các chuẩn lấy mẫu

Có nhiều chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỉ

lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu

Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu mầu đỏ CR Điểm lấy mẫu mầu lam CB

laays mẫu cho các dòng tích cực video Để nắm được ý nghĩa của các chuẩn lấymẫu ta tìm hiểu phương thức của từng phần

a) Tiêu chuẩn 4 : 4: 4

Mẫu tín hiệu chỉ được lấy với các phần tử tích cực của tín hiệu video Với hệ PAL

màn hình được chia thành 625 × 720 điểm (pixel)

Các tín hiệu chói (Y), tín hiệu màu (CR, CB) được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấymẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video Cấu trúc lấy mẫu là cấu trúc trực giao vịtrí lấy mẫu như hình 2.3

Hình 2.3 Tiêu chuẩn 4 : 4 : 4

Theo tiêu chuẩn 4 : 4 : 4 có khả năng khôi phúc chất lượng hình ảnh tốt, thuậnlợi cho việc xử lý tín hiệu Các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế đã thống nhất về chỉ tiêulấy mẫu cho truyền hình số theo tiêu chuẩn này với tên gọi là CCIR – 601

Với tiêu chuẩn 4 : 4 : 4 tốc độ dòng dữ liệu (ví dụ cho hệ PAL) được tính nhưsau:

Khi lấy mẫu 8 bit : (720 + 720 + 720) × 576 × 8 × 25 = 248 Mbit/s

Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 720 + 720) × 576 × 10 × 25 = 311 Mbit/s

b) Tiêu chuẩn 4 : 2 : 2

Theo hình 2.4 thì trên một dòng tích cực:

 Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ trên ba tín hiệu: chói (Y) và hiệu màu (CR, CB)

Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu mầu đỏ CR Điểm lấy mẫu mầu lam CB

Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu mầu đỏ CR Điểm lấy mẫu mầu lam CB

 Điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu tín hiệu chói (Y), còn hai tín hiệu hiệu màukhông lấy mẫu Khi giải mã màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước

 Điểm sau nữa lại lấy đầy đủ cả ba tín hiệu Y CR, CB

Tuần tự như thế cứ bốn lần lấy mẫu tín hiệu Y thì có hai lần lấy mẫu CR, hai lầnlấy mẫu tín hiệu CBtạo nên cơ cấu 4 : 2 : 2

Hình 2.4 Tiêu chuẩn 4 : 2 : 2

Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau:

+ Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360 + 360) × 576 × 8 × 25 = 166 Mbit/s

+ Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360 + 360) × 576 × 10 × 25 = 207 Mbit/s

c) Tiêu chuẩn 4 : 2 : 0

Hình 2.5 Tiêu chuẩn 4 : 2 : 0

Theo hình 2.5 lấy mẫu tín hiệu Y tại tất cả các điểm ảnh của dòng, còn tín hiệu màu thì cứ cách một điểm sẽ lấy mẫu cho một tín hiệu màu Tín hiệu màu được lấy xen kẽ mỗi hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu màu CR thì hàng lẻ lấy mẫu cho tín hiệu

CB

Điểm lấy mẫu tín hiệu chói Điểm lấy mẫu mầu đỏ CR Điểm lấy mẫu mầu lam CB

+ Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 720) × 576 × 10 × 25 = 155,5 Mbit/s

Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu Y, có một lần lấy mẫu CR, một lần lấy mẫu

CB đây là cơ cấu 4 : 1 : 1

Đối với hệ PAL tốc độ dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau:

+ Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 180 + 180) × 576 × 8 × 25 = 124,4 Mbit/s

+ Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 180 + 180) × 576 × 10 × 25 = 155,5 Mbit/s

Số “4” ở đầu mổi chuẩn biểu thị tần số lấy mẫu tín hiệu chói (fsa = 13,5 MHz) tuykhông bằng 4 lần tần số sóng mang như trước (4fsc) Các số khác biểu thị tỷ lệ lấymẫu tín hiệu màu so với tín hiệu chói Tần số 13,5 MHz là tần số duy nhất trongkhoảng 12 MHz đến 14 MHz có giá trị bằng số nguyên lần tần số dòng cho cả haitiêu chuẩn (525 và 625 dong) và do vậy cho một số nguyên lần số mẫu đối với cảhai hệ

Với tần số lấy mẫu 13,5 MHz, tín hiệu video số đã không còn phụ thuộc vào cáctiêu chuẩn khác nhau của video tương tự Thiết bị trong các trung tâm truyền hình

số sẽ hoàn toàn giống nhau cho cả hai hệ thống, điều này sẽ tạo thuận lợi cho việchợp tác sản xuất, trao đổi chương trình giữa các tổ chức truyền hình.

2.1.5.2 Lấy mẫu tín hiệu video thành phần

Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thông qua tỉ

lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu tín hiệu màu

Ví dụ: 14 : 7 : 7 là tỉ lệ lấy mẫu tương ứng giữa tín hiệu chói là 14 MHz đối vớihai tín hiệu màu là 7 MHz Hệ thống dùng tiêu chuẩn 14 : 7 : 7 với 8 bit/mẫu cho tatốc độ bit bằng 224 Mbit/s lớn hơn tốc độ bít hệ 14 : 4 : 4 là 40% và hệ 12 : 6 : 6 là17% 4 : 2 : 2 là tiêu chuẩn trong đó tỉ số giữa tần số lấy mẫu tín hiệu video thànhphần Y/CB/CR = 4 : 2 : 2 và các tần số lấy mẫu tương ứng với các tín hiệu videothành phần bằng (ở đây sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao):

Fsa(Y) = 13,,5 MHz; fsa(CB) = 6,75 MHz; fsa(CR) = 6,75 MHz

Giá trị 13,5 là một số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn 525 và 625dòng :

13,5 MHz = 864fH đối với chuẩn 625 (fH = 15625 Hz)

13,5 MHz = 858fH đối với chuẩn 525 (fH = 15750 Hz)

Hình 2.7 minh họa đặc tuyến biên độ tần số và đặc tuyến trể của bộ lọc tránhchồng phổ và bộ lọc tái tạo tín hiệu chói Đặc tuyến tần số bằng phẳng đến 5,75MHz để thích hợp với cả hai tiêu chuẩn

Hình 2.8 vẽ phổ lấy mẫu 13,5 MHz của tín hiệu chói đã qua bộ lọc Trên hình vẽ

có một khoảng hở giữa tần số lớn nhất của dải thông cơ bản tín hiệu chói (5,75MHz) và tần số Nyquist (6,75 MHz) dùng để hạn chế mức của các bộ lọc tránhchồng phổ và bộ lọc tái tạo Tần số lấy mẫu tín hiệu màu được lấy từ tần số lấy mẫutín hiệu chói qua bộ chia hai Đặc tuyến biên độ tần số, đặc tuyến trễ nhóm của bộlọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo được vẽ trên hình 2.9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -40

-30 -20 -10

0

-12 dB

-40 dB

0.05 dB dB

MHz 5,75 MHz

6,75 MHz

0 0,05

-0,05

0,1 dB 0,05 dB

0 1 2 3 4 5 6 MHz

5,75 MHz

db

0 5

Như vậy với tần số lấy mẫu như trên, bề rộng dải phổ của tín hiệu thành phần

theo lý thuyếnt sẽ bằng 6,75 MHz đối với tín hiệu chói và 3,375 đối với tín hiệuhiệu màu CB, CR

Video số thành phần được coi là phương pháp số hóa được sữ dụng hiện tạicuãng như trong tương lai tại các studio hoàn toàn số Tín hiệu video số thành phần

có thể dễ dàng được xử lý, ghi, dựng trong các công đoạn hậu kỳ tại các studio Tínhiệu video số thành phần loại bỏ được các khiếm khuyết do sóng mang màu trongtín hiệu video tổng hợp tương tự gây ra

Tóm lại, tần số lấy mẫu đáp ứng được các yêu cầu trên đã được các tổ chức phátthanh truyền hình thống nhất lựa chọn là fsa = 13,5 MHz chung cho cả hai tiêu chuẩn

525, 625 dòng Cả hai tiêu chuẩn sử dụng cùng một tần số lấy mẫu, cùng một sốlượng mẫu trong thời gian tích cực của một dòng

Thời gian một dòng của hai hệ 625 và 525 bằng 64μs và 63,5μs, trong khi đós và 63,5μs và 63,5μs, trong khi đós, trong khi đóthời gian tích cực của một dòng trong hệ 625 là 52μs và 63,5μs, trong khi đós Nếu cả hai hệ đều lấy thờigian tích cực bằng 52μs và 63,5μs, trong khi đós, thời gian xóa dòng tương ứng với cả hai hệ là 12μs và 63,5μs, trong khi đós và11,56μs và 63,5μs, trong khi đós

2.2 SỐ HÓA TÍN HIỆU AUDIO

2.2.1 Biến đổi thuận ADC

Microphone và loa là các linh kiện điện tử hoạt động với các tín hiệu tương tự

(liên tục theo thời gian) Bộ biến đổi ADC có ảnh hưởng lớn đến chất lượng audio

số Nó có thể gây ra hạn chế dải động, méo tín hiệu audio khôi phục (tương tự).ADC thực hiện ba quá trình:

2.2.1.1 Lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu thưch hiện việc nhân tín hiệu audio tương tự với chuổi xung có

Điều chế biên độ

Biên độ

t

t Biên độ

Hình 2.10 Quá trình lấy mẫu (PAM) trong miền thời gian

Hình 2.11 Phổ của dãy PAM sau điều chế biên độ tại số nguyên lần tần số lấy

mẫu (trong miền tần số)

Theo lý thuyết Nyquist, với f s ≥ 2f max (fs - tần số lấy mẫu, fmax - tần số audio cực

đại thì các biên phụ thuộc không chồng lên nhau (aliasing), có nghĩa là: f max ≤ 1/2 f s

Trước khi thực hiện ADC phải giới hạn băng tần audio đến 1/2fs, nếu không có thể

t Biên độ

000 001 010 011 100 101 110 111

Xung lấy mẫu phải có thời gian hẹp bằng một chu kỳ lấy mẫu (1/fs) Trong thực

tế bộ ADC, giá trị biên độ xung của mỗi mẫu được giữ cho đến khi nào đạt mẫu tiếptheo Đáp ứng tần số của quá trình giữ mẫu là phép biến đổi Furier của xung lấymẫu Nó làm suy giảm các tần số cao, gọi là sai số aperture Đường bao suy giảm

giống như bộ lọc có đáp ứng tần số là hàm sinx/x Nội dung của phổ tín hiệu lấy

mẫu có giá trị khác 0 tại các vị trí n.fs

Hình 2.12 Thời gian lấy mẫu và quá trình lượng tử hóa 3 bit

+ Tín hiệu tương tự có biên độ thấp được lượng tử hóa với rất ít mức rời rạc.Việc này sẽ gây ra sai số lượng tử Muốn giảm sai số lượng tử phải tăng số mức rờirạc Hệ thống 3 bit sẽ cho khoảng lượng tử hóa là 7 Bộ tương tự hóa 16 bit có thểlàm tăng 65535 (216 – 1) khoảng lượng tử Với hệ thống ADC 20 bit sẽ có độ chínhxác cao Một phương pháp làm giảm sai số lượng tử là tăng tần số lấy mẫu(oversampling - lấy mẫu cao, khi đó tần số lấy mẫu sẽ là bội của tần số lấy mẫu tiêuchuẩn 48 KHz)

+ Nếu biên độ audio tương tự vượt qua vùng lượng tử, khi đó quá trình cắt số sẽđược thực hiện (digital clipping)

Sai số lượng tử hóa phụ thuộc vào tín hiệu Nếu nhiễu nhẹ tồn tại trong tín hiệugốc thì nó sẽ cộng vào các thành phần ngẫu nhiên Sai số lượng tử hóa sẽ coi nhưnhiễu cộng vào tín hiệu gốc và nó làm cho chất lượng âm thanh “thô” hơn

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) là tỷ số tín hiệu dạng sin cực đại (dưới mức cắt)trên giá trị RSM (căn bình phương trung bình) của sai số lượng tử hóa (e) Với cácADC n – bit, một nữa số khoảng lượng tử hóa 2n – 1được dùng cho một cực tính củasóng sin Giá trị sóng sing với RMS cực đại được tính như sau:

1

2 2

n Q V





Trong đó: Q: độ lớn khoảng lượng tử hóa

2n – 1: một nữa số mức lượng tử hóa

Tín hiệu audio có phổ rộng và các giá trị biên độ cao sẽ tạo sai số lượng tử hóa

có xác suất bằng nhau với bất kí một giá trị nào giữa + Q/2 và – Q/2 như được chỉ

ra trên hình 2.13 Có những giá trị ngẫu nhiên Q trong một khoảng lượng tử, từ đóphổ của lỗi lượng tử bằng phẳng và giá trị xác suất bình quân là 1/Q Giá trị RMScủa tạp âm lượng tử được biểu diễn bởi căn bình phương tổng trung bình của lỗibình phương, ta có:

+ Tổng các lỗi bình phương:

/ 2 2 / 2

/ 2

12

1 Q

Q

e de Q

n Q Q



=2 1,5n SNR (dB) = 6,02n + 1,76

Với bộ: ADC 16 bit: SNR = 98 dB

ADC 20 bit: SNR = 122 dB

Các giá trị trên sẽ không đúng nếu tín hiệu tương tự dạng sin ở mức thấp

2.2.1.3 Mã hoá

Mỗi giá trị lượng tử hoá nhị phân càng phải được mã hoá để phù hợp với loại tín

hiệu lấy mẫu, truyền dẫn và ghi âm Hệ thống mã hoá dùng là PCM (điều xungmã),PMW (điều chế theo độ rông xung), ADM (điều chế delta thích nghi), DPCM(điều chế xung visai) điểm di động (floating point)

PCM là hệ thống mã hoá tín hiệu được dùng rộng rải và phổ biến nhất, nhưng lại

có hiệu quả thấp nhất Toàn bộ mức lượng tử đều của PCM là cố định và được tínhbình quân vùng biên độ tín hiệu Độ phân giải chính xác của một hệ thống biến đổi

AD (chẳng hạn 18 bit) xác định số mức lượng tử ( nghĩa là 218 = 262144) sẵn sàng

để mã hoá biên độ tín hiệu audio tương tự Tất cả các mức lượng tử hoá được gắnbằng các từ mã theo một trật tự logic

2.2.2 Biến đổi ngược DAC

Trong bộ biến đổi D/A, các từ nhị phân là phần bù của 2 trước hết được giải mã

để tìm ra giá trị nhị phân biểu diễn chúng Sau đó các giá trị nhi phân được biến đổithành tín hiệu audio nguyên thuỷ có biên độ là giá trị điện áp thu được tương ứngvới các giá trị nhi phân

Một bộ biến đổi D/A đơn giản được tạo thành từ các điện trở chính xác kết hợpvới nguồn dòng điện tạo ra từ một bộ chuyển mạch theo xung nhịp của từ mã nhịphân Hình 2.13, minh hoạ một bộ biến đổi D/A cơ bản n bit Khi đó, cần điều khiển

Điện

áp ra + (V) R

R 2R

bit 0 1

bit 1 0

bit 2 1

bit 3 1

bit 4 0

bit n 0

Từ dữ liệu nhị phân (n bit)

Nguồn điện áp chuẩn

Hình 2.13 Biến đổi số - tương tự

Tín hiệu audio tương tự Lọc tránh chồng phổ

Lấy mẫu Lượng tử Mã hoá Tín hiệu PCM

Giải mã Khôi phục mẫu Lọc và bù méoTín hiệu audio tương tự

n bộ chuyển mạch Tại vị trí on hay off của chuyển mạch số sẽ tương ứng với các

giá trị 1 hay 0 của tín hiệu số

Theo sơ đồ hình 2.13, ta có công thức tổng quát tính điện áp đầu ra bộ biến đổi

D/A (v) theo điện áp chuẩn (Vref) và giá trị các bit trong từ mã đầu vào:

Trong quá trình biến đổi D/A sự chuyển mạch không đều xuất hiện trong quá

trình biến đổi tín hiệu Mặt khác các mạch giữ mẫu được thêm vào để lấy mẫu tại

đầu ra bộ biến đổi D/A

2.2.2.1 Bộ lọc thông thấp

Hình 2.14 Mã hoá và giải mã PCM

Tại đầu ra bộ lọc thông thấp, các hài bậc cao trên (fsa/2) đã bị loại bỏ sau khichúng xuất hiện trong quá trình lấy mẫu Bộ lọc này cũng được gọi là bộ lọc tránhnhiễu cho hình ảnh, loại bỏ các thành phần tần số cao trong tín hiệu bậc thang tạiđầu ra mạch lấy lại mẫu

Hiệu ứng aperture được cải thiện bằng việc nâng một lượng nhỏ các tần số ngay

dưới tần số fsa/ 2, nhưng phải trả giá bằng việc tỉ số SNR giảm xuống Do tạp âmtăng lên dọc theo vùng tần số cao của tín hiệu Hình 2.14 giới thiệu về quá trình mãhoá và giải mã PCM

2.2.2.2 Lấy mẫu ở tần số cao

Lấy mẫu ở tần số cao (oversampling) được dùng cho ADC và DAC nhằm nâng

cao chất lượng (giảm méo lượng tử háo và thành phần chồng phổ)

Với sự thay đổi lớn biên độ tín hiệu audio tương tự (lấy mẫu tần số cao), cácmức lượng tử hoá rời rạc phụ được cộng vào kết quả làm giảm sai số lượng tử hoá

Tại các biên độ có mức biến đổi thấp thì không có sự cải thiện, bởi vì trong thờiđiểm lấy mẫu này mức lượng tử được giữ nguyên Tuy nhiên, việc kết hợp với quátrình oversampling đã tạo ra các bộ biến đổi A/D có độ phân tích cao hơn như trong

hệ thống 18 bit Nếu đem chia các mức lượng tử của nó cho các mức lượng tử của

bộ lượng tử hoá 16 bit ta được kết quả là 4 Điều này cho phép bộ biến đổi có độphân tích cao hơn giảm mức lỗi lượng tử 4 lần và làm tăng khã năng khôi phục cáctín hiệu mức thấp của hệ thống

Hệ thống lấy mẫu gấp 2 lần, phổ của tạp âm lượng tử rộng hơn hai lần dải thôngbình thường, cải thiện tỉ số SNR lên 3 dB Giá trị đỉnh SNR đối với tín hiệu dạngsin được tính theo biểu thức:

Audio tương tự Lọc chống chồng phổ Lấy mẫu Lượng tử hoá Digital LPF Hạ tần

4fsfs

Nâng tần Digital LPF

DAC Analog LPF

Audio tương tự

Tín hiệu PCM

Đường truyền 4fs

SNR(dB) = 6,02n + 1,76 + 10log10d

Trong đó: n - số bít trên mỗi mẫu đã lượng tử hoá

D - hệ số oversimpling (lấy mẫu tần số)

Hình 2.15 Hệ thống ADC/DAC với tần số lấy mẫu gấp 4 lần

Với tần số lấy mẫu tăng 4 lần tần số tiêu chuẩn 48 KHz thì tỉ số SNR tăng 6dB,

tức là tương đương với việc thêm một bit vào quá trình lượng tử hoá

Mạch lọc số dùng cho ADC/DAC nhằm loại bỏ các thành phàn tần số không

mong muốn trong phổ của tín hiệu trước bộ DAC và tiết kiệm các mạch lọc tránh

chồng phổ (điểm cắt sắc nhọn) và mạch lọc khôi phục

Mạch lọc số có các hoạt động như nhân, làm trể, cộng các số nhị phân (thực hiện

bằng phần mềm máy tính) có độ chính xác cao (rẻ và dẽ thực hiện)

Số phần tử trễ quyết định bậc của mạch lọc số Bậc càng cao thì có khã năng tạo

ra các đặc tuyến càng sắc nét và không gây ra méo pha

2.2 3 Đồng bộ audio

Các tín hiệu audio số được tạo thành từ các mẫu rời rạc Các quá trình như trộn

chèn hay ghép các tín hiệu audio từ các nguồn khac nhau, dòi hỏi phải có tín hiệu

đồng bộ của mỗi mẫu từ nguồn chuẩn Tín hiệu đồng bộ ở đây gồm cả đồng bộ về

pha và tần số

Hai thiết bị độc lập được đặt cùng một studio có thể sinh ra hiện tượng trể theotrong các mẫu theo thời gian tại hai đầu ra Đối với tín hiệu video, hiện tượng nàyđòi hỏi tốc độ lấy mẫu theo thời gian phải được lấy từ một bộ phát trung tâm hoặc

từ một thiết bị này tới một thiết bị khác Đối với nguồn bên ngoài tín hiẹu audio,không thể có được nguồn phát trung tâm Và như vậy, sẽ tồn tại trễ thời gian giữanội bộ bên trong và bên ngoài của nguồn tín hiệu Do đó, để giải quyết vấn đề này,tín hiệu audio cần phải được bổ xung nhằm tạo ra một tín hiệu audio số đầy đủ,trong đó không còn các sự cố như tiếng lách cách hay tiéng ồn trong tín hiệu Sựphức tạp của bộ đồng bộ hoá có thể thay đổi tuỳ ý theo vấn đề quan tâm là đồng bộgiữa các nguồn tín hiệu audio hay giữa nguồn tín hiệu audio và video

a) Đồng bộ giữa các tín hiệu audio số

Đồng bộ hoá giữa các nguồn tín hiệu audio khác nhau được thực hiện theo hai

bước:

- Thời gain chuẩn của các đồng hồ lấy mẫu hay đồng bộ về tần số

- Khung chuẩn của các tín hiệu audio hay đồng bộ về pha

Tiêu chuẩn AES11 – 1991 đã chỉ rỏ khã năng đồng bộ hoá cả tần số và pha củacác thiết bị vận hành trong studio Các máy phát chuyên dụng có thể phân phối cáctín hiệu chuẩn rất ổn định phục vụ cho việc đồng bộ hoá tần số và tạo điều kiệnthuận lợi cho các chương trình audio lớn Trong trường hợp này toàn bộ thiết bị sảnxuất là các thiết bị con còn các máy chuẩn là máy chủ Trong các studio nho cỏ thểdùng tín hiệu ra của một thiết bị làm tín hiệu chuẩn để cung cấp và phân phát chocác thiết bị khác thông qua bộ khuyếch đại và phân phối tín hiệu số

Hình 2.16 minh họa quá trình đồng bộ các tín hiệu số từ tín hiệu chuẩn audio số.Tiêu chuẩn EAS – 11 chỉ rỏ các tín hiệu audio số phải cùng pha với tín hiệu chuẩn,

độ lệch pha cho phép của khung audio tại đầu phát là ± 5% và ± 25% tại đầu thu.Các điểm chuẩn được chọn trong thời điểm tại đỉnh của từ đồng bộ X hoặc Z

Z Kênh A Y Kênh B X Kênh A Y Kênh B

Điều chuẩn (X hoặc Z)

Tín hiệu chuẩn audio số (DARS) AES/EBU

Giá trị sai pha cho phép: ± 5%

(phát) và ± 25% thu

Tín hiệu chuẩn audio số (DARS) AES/EBU

Hai tín hiệu audio số có tần số lấy mẫu khac nhau hoặc không thể đồng bộ cùngnhau thì các bộ chuyển đổi tốc độ lấy mẫu và đồng bộ được sử dụng Quá trìnhđồng bộ thực hiện được khi tốc độ của cả hai dòng dữ liệu được kiểm soát và cómối quan hệ với nhau thông qua tỉ số giữa chúng và các số nguyên Độ phức tạp vàgiá thành thiết bị cao hơn rất nhiều khi quá trình đồng bộ không thực hiện được, bởi

vì khi đó các mẫu tín hiệu từ nguồn phát và các tín hiệu thu được sẽ không có mốiliên hệ tạm thời nào

Hình 2.16 Đồng bộ tín hiệu audio số AES/EBU từ DARS

b) Đồng bộ giữa tín hiệu audio số và tín hiệu video

Trong môi trương truyền hình, tín hiệu âm thanh số chuẩn cần phải được đồng

bộ với tín hiệu video chuẩn nhằm ngăn chặn hiện tượng trể giữa tín hiệu audio vàtín hiệu video, cho phép mạch giữa tín hiệu audio và video không có tiếng láchcách

Trong các hệ thống 625/50, số lượng các mẫu audio trên một khung vido được

quy định chính xác Mối quan hệ về pha giữa tín hiệu audio và video được duy trì

dễ dàng, như đã định nghĩa trong tiêu chuẩn EBU R83 – 1996 và được minh họatrên hình 2.17 Tín hiệu âm thanh audio AES3 có thể giữ đồng bộ với tín hiệu videobởi tín hiệu chuẩn 48 KHz nhận được từ tín hiệu video chuẩn trong hệ thông 625dòng

Tín hiệu audio AES chuẩn

Chuyển đổi tốc độ audio

Hình 2.17 Đồng bộ tín hiệu audio số trong sản xuất studio

Trong đó, 33366,67µs là khoảng thời gian tồn tại khung video và 20,8333µs làkhoảng thời gian tồn tại một khung audio Sau 5 khung video ta thu được các mẫuaudio là 1601,6 × 5 = 8008 mẫu

Hình 2.19 đưa ra lần lượt 5 pha tín hiệu audio số đồng bộ với tín hiệu video

chuẩn, số các mẫu audio trên mỗi khung video là:

A 1920 B 1920 A 1 B 1 A 2 A 3 B 3 A 4 B 4

Pha = 0±5%(phát) ±25%(thu) Một khung audio 20,83µs

Dòng 1, tất cả các khung

Độ lệch thời gian (timing) trong tín hiệu video

Từ đồng bộ X hoặc Z Timing = tỉ lệ theo % chu kỳ lấy mẫu

- Pha của khung video thứ nhất trùng với các từ đồng bộ Z hoặc X thứ tự trongdòng AES

Hình 2.18 Đồng bộ tín hiệu video và tín hiệu audio số trong hệ thống truyền

hình 625 dòng

Tần số lấy mẫu tín hiệu video số thành phần

13,5 MHz

×8008 5

1144

Tần số lấy mẫu tín hiệu audio số

Hình 2.19 Mối quan hệ giữa các tần số lấy mẫu tín hiệu video và audio số

- Pha của khung video thứ hai đối với thứ tự đồng bộ gần nhất các từ đồng bộ Z

2.2.4 Mã hóa kênh truyền

Mã hóa kênh truyền được dùng trong các hệ thông ghi và truyền số nhằm làmcho một số đặc trưng dữ liệu mã hóa phù hợp với các đặc trưng ghi và kênh truyền(các bộ code dùng mã NRZ và BPM) Mã hóa kênh cải thiện dữ liệu gốc để dạt mật

độ dòng bit cao nhất trong giới hạn độ rộng băng tần kênh (thành phần DC và tần sốthấp không đi qua biến áp) Để truyền dữ liệu không có sai số cần một tốc độchuyển dịch thông tin thấp hơn dung lượng kênh Nếu thời gian truyền hoặc độ rộng

Analog audio ADC

1 0 1 1 0 1 0

Các từ 16 bit song song

Các từ 16 bit nối tiếp

băng tần kênh tăng, thì xu thế mất thông tin sẽ giảm Do đó để truyền dữ liệu cầnphải mã hóa kênh

Đặc trưng giải thông kênh truyền thường gây ra méo tín hiệu băng tần cơ bản ởphần tần số cao và phần tần số thấp Cho nên vấn đề chính trong mã hóa kênh là tạodạng phổ tín hiệu số và tối thiểu hóa méo

Có nhiều dạng mã hóa khác nhau, phụ thuộc vào từng ứng dụng Có thể táchxung đồng hồ (clock) và dữ liệu từ dạng sóng, tín hiệu chuyển dịch phải theo chu kỳđồng bộ với xung đồng hồ ở phần giải mã

Tiêu chuẩn truyền audio đã được cho trong AES3 – 1992,ANSI – S4.40 – 1992hoặc IEC-958 Môi trường truyền dẫn là dây dẫn có độ rộng băng tần cao, truyềnnối tiếp các từ dữ liệu song song từ các bộ chuyển đổi A/D Các từ dữ liệu songsong từ 16 dến 20 bit được chuyển thành nối tiếp bằng cách gửi đi các bit đầu tiên

có trọng số bé nhất (LSB) Dữ liệu clock được cộng vào để nhận dạng điểm bắt đầutừng mẫu trong quá trình giải mã Kết quả của dòng dữ liệu là mã BMP

Hình 2.20 Sơ đồ khối bộ mã hóa AES/EBU và biến đổi từ mã song song nối tiếp

Nguồn Biểu diễn thuận lợi Lượng tử hóaGán từ mã Kênh xử lý Giải từ mãGiải L.T.H Video khôi phục

Biểu diễn thuận lợi

nhỏ của sự mô tả này Trong cách biểu diễn có hiệu quả, chỉ có phần nhỏ của dữliệu là cần thiết để truyền cho việc tái tạo lại tín hiệu video.

Hoạt động thứ hai của bộ mã hóa là lượng tử hóa, giúp rời rạc hóa thông tinđược biểu diễn Để truyền tín hiệu video qua một kênh số, những thông tin biểudiễn được lượng tử hóa thành một số hữu hạn các mức

Hoạt động thứ ba là gán các từ mã Các từ mã này là một chuổi các bit dùng đểbiểu diễn các mức lượng tử hóa Các quá trình sẽ ngược lại trong bộ giải mã video

Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa trong tín hiệu video và tận dụng sựgiới hạn của hệ thống nhìn của mắt người Nhờ loại bỏ phần dư thừa các thông tingiống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền đi Những thông tin

bỏ đi mà không ảnh hưởng đến việc nhìn cũng sẽ không được truyền đi

Video số

DCT DCT DCT Loại bỏ khoảng xóa Mẫu con DPCM Lượng tử hóa

JPEG MPEG-1 MPEG-2

3.1.2 Các kỹ thuật giảm dữ liệu video

Các hệ thống nén số liệu là sự phối hợp của rất nhiều các kỹ thuật xử lý nhằm

giảm tốc độ bít của tín hiệu số mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh phù hợp với mộtứng dụng nhất định

Nhiều kỹ thuật nén mất và không mất thông tin đã được phát triển trong nhiềunăm qua Chỉ có một số ít chúng có thể áp dụng cho nén video số Hình 3.2 minhhọa các kỹ thuật nén được sử dụng để tạo thành các tín hiệu JPEG (JointPhotographic Expert Group) Ngoài ra còn có các kỹ thuật khác như KLT WHTC(Walsh – Hadamard Transform) lượng tử hóa vectơ, kỹ thuật fracal…

Sử dụng các kỹ thuật này một cách riêng rẽ, thực tế không đưa lại một kết quảnào về giảm tốc độ dòng tín hiệu Tuy nhiên, phối hợp một số kỹ thuật này sẽ đemlại những hệ thống nén vô cùng hiệu quả như hệ thống nén JPEG, MPEG-1 vàMPEG-2

Hình 3.2 Sự phối hợp các kỹ thuật trong JPEG và MPEG

3.1.2.1 Giảm tốc độ dữ liệu không tổn hao

Nén không mất thông tin cho phép phục hồi lại đúng tín hiệu ban đầu sau khigiải nén Đây là một quá trình mã hóa có tính thuận nghịch Hệ số nén phụ thuộcvào chi tiết ảnh được nén Hệ số nén của phương pháp không mất thông tin nhỏ hơn

2 : 1, các kỹ thuật nén không tổn hao bao gồm:

a) Mã hóa với độ dài (của từ mã) thay đổi (VLC): Phương pháp này còn được

gọi là mã hóa Huffman và mã hóa entropy, dựa trên khã năng xuất hiện của các biên

độ trùng hợp trong một bức ảnh và thiết lập một từ mã ngắn cho các giá trị có tầnxuất suất hiện cao nhất và từ mã dài cho các giá trị còn lại Khi thực hiện giải nén,các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tạo lại tín hiệu ban đầu Mã hóa vàgiải mã Huffman có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng cách sử dụng bảng tìmkiếm

b) Mã hóa với độ dài rộng (RLC): Phương pháp này dựa trên sự lặp lại của cùng

giá trị mẫu để tạo nên các mã đặc biệt biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trịđược lặp lại Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hóa Số mẫu có giá trịbăng không sẽ được truyền đi dọc theo cùng dòng quét Cuối cùng các chuổi khôngđược tạo ra bằng quá trình giải tương quan giữa phương pháp DCT hay DPCM

c)Sử dụng khoảng xóa dòng và mành: vùng thông tin xóa được loại bỏ khỏi

dòng tín hiệu truyền đi vùng thông tin tích cực của ảnh Theo phương pháp đó,thông tin xóa dòng và xóa mành sẽ không được ghi và truyền đi Chúng được thaybằng các dữ liệu ngắn hơn tùy theo các ứng dụng

d) Biến đổi cosin rời rạc (DCT): quá trình DCP thuận nghịch được coi là không

mất thông tin nếu độ dài từ mã hệ số là 13 hoặc 14 băng tần đối với dòng video sửdụng 8 bit biểu diễn mẫu Nếu độ dài từ mã hệ số của phapé biến đổi DCP nhỏ hơnquá trình này trở nên mất thông tin

Trong truyền hình phương pháp nén không tổn hao được kết hợp trong các

phương pháp nén có tổn hao sẽ cho tỉ lệ nén tốt mà không gây mất mát về độ phângiải

3.1.2.3 Giảm tốc độ dữ liệu có tổn hao

Nén có tổn hao chấp nhận mất mát một it thông tin để gia tăng hiệu quả nén, rấtthích hợp với nguồn thông tin là hình ảnh và âm thanh Như vậy, nén có tổn haomới thật sự có ý nghĩa với truyền hình Nó có thể cho tỷ lệ nén ảnh cao để có thểtruyền dẫn, phát sóng Đồng thời cho một tỷ lệ nén thích hợp cho xử lý và lưu trữảnh trong studio

Nén có tổn hao thường được thực hiện theo ba bướcc liên tục Bước thứ nhất làbiến đổi tín hiệu từ miền thời gian (không gian) sang miền tần số bằng cách sữ dụngcác thuật toán chuyển vị như biến đổi cosin rời rạc DCT Bước này thực hiện giảm

độ dư thừa của pixel trong ảnh, tuy nhiên quá trình này không gây tổn hao Bướcthứ hai là thực hiện lượng tử hóa các hệ số DCT Số liệu được làm trơn bằng cáchlàm tròn Việc mất mát số liệu xảy tra ở giai đoạn làm trơn này Bước thứ ba là nén

số liệu đã biến đổi và làm trơn bằng cách mã hóa entropy, ở đây sử dụng các mãkhông tổn hao như Huffman RLC…

3.1.3 Các phương pháp nén

3.1.3.1 Nén trong ảnh

Nén trong ảnh là loại nén nhằm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không

gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không tổn hao để giảmbớt dữ liệu trong ảnh Quá trình này không sử dụng các ảnh trước và sau các ảnhđang xét

Nguồn ảnh Tiền xử lý DCT thuận Lượng tử hóa Mã hóa entropy Mạch trộn Khuyếch đại điên Tín hiệu ảnh nén

Bảng lượng tử

Điều khiển tốc độ bit

Thuật ngữ “ảnh” ở đây cần được hiểu một cách chính xác, bởi vì trong kỹ thuậtnén ảnh cho phép sử dụng mành (field) hoặc ảnh (frame) như một ảnh gốc Nếu kỹ

thuật nén ảnh dùng mành thì nén trong ảnh sẽ tạo ra hai ảnh trong một ảnh Vì vậy,

khi bàn về thuật ngữ ảnh không luôn luôn đồng nghĩa với thuật ngữ ảnh trong lĩnh

vực truyền hình Hình 3.3 là sơ đồ nguyên lý kỹ thuật nén trong ảnh

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của quá trình nén trong ảnh

Trong sơ đồ ta thấy sử dụng phương pháp biến đổi DCT Phương pháp chuyển

đổi tối ưu cho mã chuyển vị là phương pháp đạt được bình phương của lỗi trong quátrình xây dựng lại ảnh với một số bit đã cho là nhỏ nhất Người ta đã nghiên cứu vàchứng minh rằng phương pháp chuyển đổi tối ưu là chuyển đổi KL (Karhunen –

Loeve) Chuyển đổi này thông qua một ma trận chuyển đổi làm giảm trật tự tươngquan của một quá trình xử lý ngẫu nhiên liên tiếp dưới dạng đường chéo Nhưng khi

sử dụng phương pháp chuyển đổi KL, sẽ gặp vấn đề là chuyển đổi KL không có

một thuật toán biến đổi nhanh tổng quát, hay nói cách khác là nó không thông dụngcho tất cả các ứng dụng của việc nén ảnh số

Do phương pháp biến đổi tối ưu không thông dụng người ta nghiên cứu và đưa

ra phương pháp chuyển đổi gần tối ưu để thay thế Những phương pháp chuyển đổinhư vậy được sử dụng cho việc nén ảnh số, phương pháp thông dụng nhất là biến

đổi DCT (Discrete cosine Transform)

3.1.3.2 Nén liên ảnh (interframe compression)

Một tính chất nữa của tín hiệu video là có chứa thông tin dư thừa trong miền thời

gian Điều này có nghĩa là, với một chuổi liên tục ảnh lượng thông tin chứa trong