Nghiên cứu về số hoá trong kỹ thuật truyền hình

Truyền hình đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống con người.

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH 5

CHƯƠNG I: TRUYỀN HÌNH ĐEN TRẮNG 5

1.1.Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền hình đen- trắng 5

1.2.Đặc điểm máy thu hình 6

CHƯƠNG II: TRUYỀN HÌNH MÀU 10

2.1.Nguyên lý truyền hình màu 10

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu 10

2.1.2.Sơ đồ khối máy thu hình màu 12

2.2.Các hệ truyền hình màu 14

2.2.1 Hê truyền hình màu NTSC 14

2.2.2 Hệ truyền hình màu PAL 14

2.2.3.Hệ truyền hình màu SECAM 15

CHƯƠNG III: TRUYỀN HÌNH SỐ 16

3.1 Khái niệm truyền hình số 16

3.2 Đặc điểm của thiết bị truyền hình số 18

PHẦN II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH 21

CHƯƠNG I: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU VIDEO 21

1.1 Số hoá tín hiệu video 21

1.1.1 Biến đổi tương tự sang số 21

1.1.2 Tín hiệu video và biến đổi tín hiệu video 23

1.2 Lấy mẫu tín hiệu video 24

1.2.1 Quan hệ toán học 24

1.2.2 Chọn tần số lấy mẫu: 27

1.2.3 Cấu trúc lấy mẫu 30

1.2.4 Các thông số lấy mẫu tối ưu 32

1.3 Lượng tử hoá tín hiệu video 33

1.3.1 Lượng tử hoá tín hiệu 33

1.3.2.Nhiễu do lượng tử hoá tín hiệu 34

1.4 Mã hoá tín hiệu video 35

1.4.1 Mã hoá tín hiệu rời rạc 35

1.4.2 Các loại mã 35

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO 38

2.1 Số hoá tín hiệu audio 38

2.1.1 Số hoá tín hiệu audio 38

2.1.2 Truyền tín hiệu âm thanh trong tín hiệu video 39

PHẦN III: NÉN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ 41

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NÉN 41

1.1 Mở đầu 41

1.2 Mô hình nén ảnh 42

1.3 Các đặc điểm của nén tín hiệu số 43

1.3.1.Xác định hiệu quả của quá trình nén tín hiệu số 43

1.3.2 Độ dư thừa số liệu 43

1

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

1.3.3 Sai lệch bình phương trung bình 44

1.4 Lí thuyết thông tin Entropy 44

1.5 Các phương pháp nén 45

1.5.1 Nén không tổn hao 46

1.5.2 Nén có tổn hao 47

CHƯƠNG II: CÁC DẠNG MÃ HOÁ SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NÉN 48

2.1 Mã RLC (Run Length coding) 48

2.2 Mã shannon 48

2.3 Mã huffman 48

2.4 Phương pháp mã dự đoán (DPCM) 48

2.5 Phương pháp chuyển vị 49

CHƯƠNG III: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ NÉN VIDEO 50

3.1 Nén Video công nghệ điều xung mã vi sai – DPCM 50

3.1.1 Xử lý giải tương hỗ trong công nghệ DPCM 50

3.1.2 Kỹ thuật tạo dự báo 51

3.1.3 Lượng tử hoá sai số dự báo 51

3.1.4 Khái niệm bù chuyển động (motion compensatio) và vecto chuyển động (motion vector) 52

3.1.5 Ước lượng chuyển động bằng phương pháp tìm kiếm khối tương đồng (Block matching) 53

3.1.6 Hệ thống DPCM có bù chuyển động 54

3.2 Nén video công nghệ: Mã hoá chuyển đổi 55

3.2.1 Xử lý tương hỗ trong công nghệ TC 55

3.2.2 Biến đổi cosin rời rạc (discrete cosin transform-DCT) 56

3.2.3 Lượng tử hoá các hệ số DCT 56

3.2.4 Quét các hệ số DCT 58

3.2.5 Mã hoá các hệ số DCT 59

3.2.6 Hệ thống nén video công nghệ mã hoá chuyển đổi 59

3.3 Sự kết hợp các công nghệ nén 61

CHƯƠNG IV: NÉN VIDEO THEO TIÊU CHUẨN MPEG 63

4.1 Khái quát về các tiêu chuẩn nén 63

4.2 Nén video theo MPEG -1 64

4.2.1 Các thành phần ảnh cơ bản trong chuẩn nén MPEG 66

4.2.2 Sự phân loại ảnh MPEG 70

4.2.3 Tiêu chuẩn MPEG –1 73

4.2.4 Hệ thống nén MPEG –1 75

4.3 Nén tín hiệu video theo MPEG –2 77

4.3.1 Cấu trúc dòng bit video MPEG –2 79

4.3.2 Khả năng co dãn của MPEG –2 80

4.3.3 Đặc tính và định mức (profile and level) 81

4.3.4 MPEG-2 4:2:2P@ML 84

4.3.5 MPEG –2 đối với phát sóng và SXCT 85

CHƯƠNG V: NÉN TÍN HIỆU AUDIO 86

2

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

5.1 Cơ sở của nén tín hiệu audio 86

5.1.1 Mô hình tâm lý thính giác 86

5.1.2 Sự che lấp tín hiệu audio 87

5.2 Công nghệ giảm tốc độ nguồn dữ liệu audio số 89

5.3 Tiêu chuẩn nén Audio MPEG 93

MPEG –2 94

KẾT LUẬN CHUNG 95

THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

3

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống con người Ngay từ khi ra đời truyền hình đã nhanh chóng và thực sự trở thành một ngành công nghiệp Nền công nghiệp truyền hình yêu cầu những kĩ thuật rất cao, việc nghiên cứu áp dụng các thành tựu khoa học kĩ thuật đã tao ra những thay đổi lớn Truyền hình mầu ra đời vào những năm 50, 60 của thế kỷ XX cho phép

4

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

người xem cảm nhận được hình ảnh với các mầu sắc trung thực Trong các hệ truyền hình phân giải cao-HDTV (high definition television) chất lượng âm thanh và hình ảnh được cải thiện rất nhiều so với các hệ truyền hình thông thường, góc nhìn cũng bao quát hơn… Tóm lại, tất cả các kĩ thuật được sử dụng nhằm phục vụ mục đích tối đa của con người.

Tuy nhiên, khi mà các hệ thống truyền hình còn đang dựa trên cơ sở tín hiệu tương tự thì việc giải quyết các vấn đề trên cũng như việc phát triển các chương trình truyền hình gặp phải những giới hạn khó có thể vượt qua, cho dù

đã khai thác hết tất cả các khả năng của nó Trong khi đó kĩ thuật số với sự ứng dụng trong các ngành công nghiệp truyền thông, máy tính đã thu được những thành công to lớn, không ngừng phát triển và khẳng định ưu thế cũng như chỗ đứng trong các kĩ thuật mới Truyền hình số bắt đầu được nghiên cứu và các kết quả thu được là khá khả quan Với kĩ thuật số, các hệ thống truyền hình có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề mà kĩ thuật tương tự hầu như không giải quyết được Truyền hình số thực sự là một cuộc cách mạng, từ đó mở ra cho nền công nghiệp này một giai đoạn mới đầy triển vọng.

Cùng với việc tăng độ phân giải và chất lượng hình ảnh số là những yêu cầu rất lớn về dải thông của thiết bị truyền hình Do vậy, trong truyền hình số nén tín hiệu Video là một công đoạn không thể thiếu Với khả năng của thiết bị hiện nay đây là một trong những kĩ thuật chủ chốt cần thực hiện Ngay từ những thời điểm ban đầu của truyền hình số, các tổ chức Quốc tế đã tập chung nghiên cứu các công nghệ nén tối ưu cũng như chuẩn hoá nó nhằm đạt được sự dễ dàng trong giao tiếp các hệ thống khác nhau.

Quá trình số hoá tín hiệu là tất yếu Ở nước ta hiện nay đã và đang có sự chuyển hoá dần dần từ truyền hình tương tự sang truyền hình số Tại các studio, các camera chuyên dụng,…của đài truyền hình Việt Nam đã sử dụng kĩ thuật số.

5

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH CHƯƠNG I: TRUYỀN HÌNH ĐEN TRẮNG 1.1.Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền hình đen- trắng

Hệ thống truyền hình là một tập hợp các thiết bị cần thiết để đảm bảo cácquá trình phát và thu các hình ảnh trông thấy Truyền hình được dùng vào nhiềumục đích khác nhau Tuỳ theo mục đích của truyền hình mà xác định chỉ tiêu kỹthuật của hệ thống cho phù hợp Yêu cầu chung là ảnh nhận được trên màn hìnhmáy thu hình phải phản ánh trung thực vật cần truyền đi Nhưng chất lượng ảnhcàng cao, thì thiết bị của hệ thống truyền hình càng phức tạp, cồng kềnh, đắttiền Do đó, khi thiết kế các hệ thống truyền hình phải dung hoà các chỉ tiêu vềchất lượng ảnh, về kích thước,về kinh tế v.v… Song, dù với bất kỳ hệ thốngtruyền hình nào cũng phải có sơ đồ khối tổng quát như sau:

Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình đen trắng

Ảnh của vật cần truyền đi qua hệ thống quang học của máy quay( camera) hội tụ trên catốt quang điện của bộ chuyển đổi ảnh tín hiệu Ở bộchuyển đổi này, ảnh quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện , tức là chuyểnđổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Ảnh vật

A

Bộ chuyển

đổi ảnh –

tín hiệu

Bộ khuyếch đại và gia công tín hiệu

Kênh thông tin

Bộ khuyếch đại tín hiệu chuyển Bộ

đổi tín hiệu - ảnh

Bộ tách song xung đồng bộ

Bộ tạo xung đồng bộ

Ống

6

Hình ảnh là tin tức cần truyền đi Tín hiệu điện mang tin tức về hình ảnhđược gọi là tín hiệu hình hay gọi là tín hiệu video Quá trình chuyển đổi ảnhquang thành tín hiệu điện là quá trình phân tích ảnh Dụng cụ chủ yếu để thựchiện sự chuyển đổi này là phần tử biến đổi quang điện, hay còn gọi là ống pháthình.

Tín hiệu hình được khuyếch đại, gia công rồi truyền đi theo kênh thôngtin ( hữu tuyến hoặc vô tuyến ) sang phía thu Ở phía thu, tín hiệu hình đượckhuyếch đại lên đến mức cần thiểt rồi đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu - ảnh Bộchuyển đổi này có tác dụng ngược lại với bộ chuyển đổi ở phía phát, nó chuyểnđổi tín hiệu hình nhận được thành ảnh quang ( chuyển đổi năng lượng điện thànhnăng lượng ánh sáng ) Quá trình chuyển đổi tín hiệu thành ảnh quang là quátrình tổng hợp ảnh hay khôi phục ảnh Dụng cụ để thực hiện sự biến đổi này làphần tử biến đổi điện – quang, còn gọi là ống thu hình

Quá trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh phải hoàn toàn đồng bộ và đồng phavới quá trình chuyển đổi ảnh – tín hiệu thì mới khôi phục được ảnh quang đãtruyền đi Để thực hiện sự đồng bộ và đồng pha, trong hệ thống truyền hình phảidùng một bộ tạo xung đồng bộ Xung đồng bộ được đưa lên bộ chuyển đổi ảnh –tín hiệu để không chế quá trình phân tích ảnh, đồng thời đưa đến bộ khuyếch đại

và gia công tín hiệu hình để cộng với tín hiệu hình rồi truyền sang phía thu, tínhiệu hình đã cộng thêm xung đồng bộ gọi là tín hiệu truyền hình

Ở phía thu, xung đồng bộ tách ra khỏi tín hiệu truyền hình và dùng đểkhống chế quá trình tổng hợp ảnh ( khôi phục ảnh )

1.2.Đặc điểm máy thu hình

Nhiệm vụ của máy thu vô tuyến truyền hình là tiếp nhận tín hiệu cao tầncảm ứng trên anten thu, khuyếch đại và biến đổi tín hiệu đó thành tín hiệu hìnhảnh và tín hiệu âm thanh, khôi phục hình ảnh và âm thanh đã phát đi

Máy thu hình có những đặc tính chung của máy thu thanh sóng cực ngắn.Tuy nhiên vì tín hiệu hình có dải tần khá rộng, việc khôi phục hình ảnh trên ốngthu đòi hỏi khá nhiều mạch phụ; bên cạnh việc thu hình lại còn có cả việc thutiếng v.v…

7

Hình 1.2: Sơ đồ khối máy thu hình đen trắng

Trên hình 1.3 cho thấy dạng phổ của tín hiệu qua các bộ phận khác nhaucủa máy thu hình theo hệ OIRT

Hệ

Bộ nguồn áp thấp

Tách sóng Khuyếch đại hình

Bộ điều

hưởng

Khuyếch đại IF

Khuyếch đại âm thanh IF Tách sóng âm

thanh Khuyếch đại audio

Nối bình thường Nối có lựa chọn

Đèn hình

Loa

An ten

S(f )

f tt t

S(f )

f mt

f mh

f ttt

6,5MH z

f tth = f ns +

f mh

S(f )

e )

d )

f

S(f )

S(f )

c)

S(f )

Hình 1.3: Phổ của tín hiệu qua các bộ phận khác nhau của máy thu hình

a) Phổ tín hiệu trước khi đổi tần

b) Phổ dao động ngoai sai ( fns : tần số ngoại sai )

c) Phổ tín hiệu sau khi đổi tần ( ftth : tần số trung tần hình).d) Phổ tín hiệu sau khi tách sóng biên độ ( fttt : tần số trung

tần tiếng )

e) Phổ tín hiệu ở lối vào tách sóng tiếng ( 6,5 MHz : tần số

hiệu số )f) Phổ tín hiệu hình sau bộ khuyếch đại tín hiệu hình

Mức tín hiệu hình qua các bộ phận khác nhau của một máy thu hình tiêubiểu được biểu thị bằng đồ thị như hình 1.4:

sóng hình

Độ khuyếch đại của bộ khuyếch đại hình cũng nên có khả năng thay đổiđược, để thay đổi mắc tín hiệu vào ống thu, làm thay đổi độ contrast (độ tươngphản ) của ảnh truyền hình Tuy nhiên, cũng có nhiều loại máy thu hình mà độkhuyếch đại của bộ khuyếch đại hình không thể thay đổi lúc đó Muốn thay đổicontrast phải thay đổi độ khuyếch đại của bộ khuyếch đại trung tần.

10

CHƯƠNG II: TRUYỀN HÌNH MÀU

2.1.Nguyên lý truyền hình màu

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu

Hình ảnh truyền qua camera truyền hình màu được biến đổi thành tín hiệumàu cơ bản UR, UG, UB như hình 2.1 Các tín hiệu màu cơ bản này được đưaqua các mạch hiệu chỉnh gamma, các mạch này sử dụng để bù méo gamma doống thu ở phía bên thu gây lên Các tín hiệu đã bù méo U’R, U’G, U’B được đưavào mạch ma trận tạo ra tín hiệu chói U’Y và hai tín hiệu mang màu S1, S2 Cáctín hiệu S1, S2 điều chế dao động tần số mang phụ tạo ra tín hiệu mang màu caotần UC Trong bộ cộng, các tín hiệu U’Y và UC được trộn với nhau để trở thànhtín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM = U’Y + U’C Với tín hiệu UM này đượctruyền đến bên thu bằng cáp, hệ thống viba hoặc máy thu phát vô tuyến điện

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màuQúa trình biến đổi các tín hiệu màu cơ bản UR, UG, UB thành tín hiệutruyền hình màu tổng hợp UM gọi là quá trình mã hoá tín hiệu màu

Phía bên thu, từ tín hiệu UM nhận được ( sau tách sóng video ) biến đổithành các tín hiệu màu cơ bản U’R, U’G, U’B Qúa trình biến đổi ngược đó gọi làquá trình giải mã tín hiệu màu

cộng

Bộ điều chế màu

Mạch

Ma Trận

Hiệu chỉnh gama

Bộ chọn

Bộ tách sóng màu

11

Qúa trình giải mã thực hiện trong phần tần số video của máy thu hìnhmàu Tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM nhận được sau tách sóng được lọc

ra thành tín hiệu chói U’Y và tín hiệu mang màu cao tần UC Sau bộ tách sóngmàu, ta thu được tín hiệu mang màu S1 và S2 đó là các tín hiệu hiệu số màu

Nhờ có mạch ma trận từ tín hiệu U’Y, S1, S2 tạo ra tín hiệu mang màu cơbản U’R, U’G, U’B ( hoặc tín hiệu U’R – U’Y, U’G – U’Y, U’B – U’Y ) Phần tử cuốicùng của hệ thống là ống thu, ở đây là biến đổi các tín hiệu màu thành hình ảnhphức tạp

12

2.1.2.Sơ đồ khối máy thu hình màu.

Mạch TĐT

Mạch

tự khử từ

Nguồn nuôi

Khuyếc

h đại tt hình

Tách sóng hình

Mạch tạo

dđ đồng quy

Khối đồng bộ

Kênh màu

Chỉnh lưu cao áp

Khối quét dòng

Kênh chói

Kênh đồng bộ màu

Tạo tín hiệu tt 2

Khối

điều

hành

Hình thành xung tắt tia

Mạch sửa méo gối

Khối quét mặt

M ạc

h M

a Tr ận

Đèn hình màu

Cuộn lệch

Cơ cấu đồng quy

- U R

- U B

- U G

13

Hình 2.2: Sơ đồ khối máy thu hình màu.

Sơ đồ khối cơ bản của máy thu hình màu có dạng như hình 2.2 Từ sơ đồchức năng hình 2.2 thấy rằng, trong máy thu hình màu đều có tất cả các khốinhư trong máy thu hình màu đen trắng Những khối chỉ có trong máy thu hìnhmàu là đèn hình màu, kênh màu, kênh đồng bộ màu, mạch ma trận, mạch tạodòng điện đồng quy, mạch sửa méo gối, mạch cân bằng trắng, mạch tự khử từ,mạch tự động điều chỉnh tần số dao động tại chỗ

Tín hiệu cao tần của băng sóng VHF & UHF được đưa tới khối chọnkênh tương ứng Khối chọn kênh có nhiệm vụ chọn kênh thu , khuyếch đại vàbiến đổi tần số thu thành tần số trung tần: trung tần tiếng fttt và trung tần đườnghình ftth ( trung tần mang thông tin tín hiệu tổng hợp màu UM)

Phần tử chính của máy thu màu là đèn hình màu, nó biến đổi các tín hiệumàu cơ bản thành hình ảnh màu Loại đèn hình và thông số của nó ( như góclệch tia điện tử, kích thước màn hình, đường kính cổ điển hình ) quyết định

14

mạch điện và thông số một số mạch điện của máy thu hình màu ( như tầng racủa các khối quét, mạch sửa méo gối, mạch tạo dòng điện đồng quy v.v… ).Trường hợp máy thu hình màu xây dựng theo phương thức điều chế lưới,sơ đồchức năng của nó gần giống sơ đồ hình 2.2, chỉ khác ở cấu trúc mạch ma trận

và các tín hiệu đặt lên các điện cực của đèn hình màu, hình 2.3

Hình 2.3: Phương thức điều chế đèn hình màu

đi trong toàn dải tần của hệ thống truyền hình đen trắng thông thường, Tín hiệuchói được xác định theo biểu thức :

U’Y = 0,299U’R + 0,587U’G + 0,114U’B ;

Khuyếch đại U G - Y

Khuyếch đại U R -Y

Mạch

Ma Trận

còn tồn tại nhiều nhược điểm cho nên nó không được sử dụng ở châu Âu và nơikhác.

Ưu điểm chính của hệ thống NTSC là đơn giản thiết bị mã hoá và giãi mãkhông phức tạp vì vậy giá thành thiết bị thấp hơn so với thiết bị hệ thống khác

Khuyết điểm chính của hệ thống NTSC là rất dễ bị sai màu khi hệ thốngtruyền tín hiệu màu không lí tưởng và có nhiễu

2.2.2 Hệ truyền hình màu PAL

Hệ truyền hình màu NTSC tồn tại một số nhược điểm như sự nhạy cảmcủa tín hiệu màu với méo pha và méo pha vi sai do sự biến đổi pha sóng mangphụ, làm cho màu sắc của ảnh khôi phục không được chính xác Thiết bị của hệthống đòi hỏi có độ chính xác cao Để khắc phục nhược điểm của hệ thốngNTSC , nhiều hệ truyền hình màu đã lần lượt ra đời và có nhiều khác biệt với hệNTSC Hệ truyền hình màu PAL là hệ truyền hình màu được CHLB Đức nghiêncứu và được xem là hệ tiêu chuẩn từ năm 1996 Đây là hệ truyền hình đồng thờitruyền tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu

*)Đặc điểm của hệ thống truyền hình màu PAL:

Ưu điểm

- Hệ PAL có méo pha nhỏ hơn hẳn so với hệ NTSC

- Hệ PAL không có hiện tượng xuyên lẫn màu

- Hê PAL thuận tiện cho việc ghi băng hình hơn hệ NTSC

Nhược điểm

- Máy thu hình hệ PAL phức tạp hơn vì cần có dây trễ 65µs và yêu cầu

dây trễ nay có chất lượng cao

- Tính kết hợp với hệ truyền hình đen trắng kém hơn hệ NTSC

2.2.3.Hệ truyền hình màu SECAM

Hệ truyền hình màu SECAM ( Sequentiel Couleur A’ Me’moire ) là hệtruyền hình màu đồng thời - lần lượt Là hệ truyền hình màu của Pháp Trênkênh sóng OIRT : 6,5MHz Nhưng thực tế là 6,2 MHz Năm 1965 Liên Xô vàPháp đã cải tiến thành SECAM IIIB hay còn gọi là SECAM tối ưu Hệ SECAMIIIB có tính chống nhiễm tương đối cao, kém nhạy với méo pha, méo pha _ visai, méo biên độ vi sai

*)Đặc điểm của hệ truyền hình màu SECAM

16

- Truyền lần lượt từng dòng 12 tín hiệu màu DR & DB.

- Điều tần 2 tín hiệu màu vào 2 sóng mang màu riêng rẽ

- Tín hiệu video màu SECAM có 8 tin tức:

+ Tín hiệu hình

+ Tín hiệu tiếng

+ Tín hiệu đồng bộ ngang

+ Tín hiệu đồng bộ dọc

+ Tín hiệu hiệu màu DR

+ Tín hiệu hiệu màu DB

17

CHƯƠNG III: TRUYỀN HÌNH SỐ 3.1 Khái niệm truyền hình số

Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chươngtrình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi chocác thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ truyền hình đã được nghiên cứutrước Trong một số ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho tín hiệutương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng mà tín hiệu tương tựhầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện, nhất là trong việc xử lý tínhiệu và lưu trữ

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiềulần mà không làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, không phải tất cả các trườnghợp, tín hiệu số đều đạt được kết quả cao hơn so với tín hiệu tương tự ( bộ lọc làmột ví dụ cụ thể ) Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự phát triển công nghiệptruyền hình trên thế giới nhằm đạt được một hệ thống nhất chung là một hệthống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phốitrên kênh thông tin Hệ truyền hình kỹ thuật số đã và đang được phát triển trêntoàn thế giới, tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong công nghiệp truyềnhình

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ranhư trên hình 3.1 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệutruyền hình tương tự Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số A/D sẽ biếnđổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số, các tham số vàđặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn.Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hoánguồn, tại đây tín hiệu truyền hình số có tốc độ dòng bit cao sẽ được nén thànhdòng bit có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ứng dụng Dòng bit tại đầu ra bộ

mã hóa nguồn được đưa tới thiết bị phát ( mã hoá kênh thông tin và điều chế tínhiệu ) truyền tới bên thu qua kênh thông tin

18

Hình 3.1:Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền hình số

Khi truyền qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh

Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho các tín hiệu trong kênh thông tin.Thiết bị mã hóa kênh phân phối đặc tính cuả tín hiệu số với kênh thông tin Khitín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổitrên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế

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

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình

xử lý tại phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệutruyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số sẽtrực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình

Thiết bị phát

Thiết bị thu

Biến đổi D/A

Mã hoá nguồn

Giải mã hoá nguồn

Mã hoá kênh

Giải mã hoá kênh

Điều chế số

Giải điều chế số

Kênh thông tin

19

3.2 Đặc điểm của thiết bị truyền hình số.

Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền chương trình truyền hình là thiết

bị nhiều kênh Ngoài tín hiệu truyền hình , còn có các thông tin kèm theo gồmcác kênh âm thanh và các thông tin phụ, như các tín hiệu điện báo, thời gianchuẩn, tần số kiểm tra, hình vẽ tĩnh, Tất cả các tín hiệu này được ghép vào cáckhoảng trống truyền nhờ bộ ghép kênh

Truyền tín hiệu truyền hình số được thực hiện khi có sự tương quan giữacác kênh tín hiệu, thông tin đồng bộ sẽ được truyền đi để đồng bộ các tín hiệuđó

Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống đokiểm tra tương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểmtra tín hiệu chuẩn Sau đây là một số đặc điểm của thiết bị truyền hình số so vớitruyền hình tương tự

a, Yêu cầu về băng tần

Yêu cầu về băng tần là sự khác nhau rõ nét nhất giữa tín hiệu truyền hình

số và tín hiệu truyền hình tương tự Tín hiệu truyền hình số vốn gắn liền với yêucầu băng tần rộng hơn Ví dụ với tín hiệu video tổng hợp, yêu cầu tần số lấymẫu bằng bốn lần tần số song mang phụ - hệ NTSC là 14,4 MHz, nếu thực hiện

mã hoá với những từ mã dài 8 bit, tốc độ dòng bit sẽ là 115,2 Mbit/s, khi đó độrộng băng tần khoảng 58 MHz Nếu có thêm các bit sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽphải tăng thêm nữa Trong khi đó tín hiệu tương tự chỉ cần 1 băng tần 4,25 MHz

là đủ

Tuy nhiên với dạng số, khả năng cho phép giảm độ rộng tần số là rất lớn.Với các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt được có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa( tất nhiên với mức độ nén này có thể gây ảnh hưởng xấu cho chất lượng hìnhảnh ) Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dựbáo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băng tần tín hiệu

b.Tỉ lệ tín hiệu/ tạp âm ( Signal/ Noise)

Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chốngnhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi

20

Nhiều tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỉ lệ S/N của toàn

bộ hệ thống là do tổng cộng các nguồn nhiễu thành phần gây ra, vì vậy luôn luôn

nhỏ hơn tỉ lệ S/N của khâu có tỉ lệ thấp nhất

Với tín hiệu số, nhiễu là các bit lỗi – ví dụ xung “ on” chuyển thành “off “ Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi Bằng các mạchnày có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu

Khi có quá nhiều lỗi bit, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằngcách che lỗi Tỉ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỉ

lệ bit lỗi BER ( Bit Error Rate ) quá lớn, làm cho các mạch sửa lỗi và che lỗi mấttác dụng Khi đó dòng bit không còn có ý nghĩa tin tức Trong khi đó , đối vớicác hệ thống tương tự khi có nguồn nhiễu lớn tín hiễu vẫn có thể sử dung được( tất nhiên chất lượng kém đi rất nhiều )

Tính chất này của hệ thống sẽ đặc biệt có ích cho việc sản xuất chươngtrình truyền hình và các chức năng biên tập phức tạp cần nhiều lần ghi đọc Ghibăng bằng tín hiệu số đã được sử dụng rộng rãi trong các năm gần đây Việctruyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số

mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình

Tuy nhiên trong truyền hình quảng bá, tín hiệu số phải gặp vấn đề khókhăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm ở trên kênh truyền Tại đâycần phải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số Đây là một công việc có khốilượng lớn và phức tạp

c.Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi vàtruyền Cũng như đối với tỉ lệ S/N, tính chất này cũng rất quan trọng trong việcghi đọc chương trình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạycảm với các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC

d Chồng phổ ( Alisasing )

Một tín hiệu truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng vàchiều ngang, nên có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng Theo chiềuthẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tương tự như nhau Độ lớn củaméo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt quatần số lấy mẫu giới hạn Nyquist Để ngăn ngừa hiện tượng méo do chồng phổtheo chiều ngang, có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hailần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự

21

e, Giá thành và độ phức tạp

Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn các mạch tương tự Khi mới xuấthiện , giá thành các thiết bị số cao hơn nhiều so với các thiết bị tương tự Thêmnữa việc thiết lập, sử dung và duy trì chúng còn khá bỡ ngỡ đối với những ngườilàm chuyên môn Tuy nhiên, các vấn đề này đã nhanh chóng được thực hiện dễdàng nhờ sự phát triển của công nghiệp truyền thông số và công nghiệp máytính Các nghành công nghiệp này đã thúc đẩy sự phát triển của lực lượng nòngcốt trong lĩnh vực kỹ thuật số Các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI ( Large ScaleIntergation ) và rất lớn VLSI ( Very Large Scale Intergation ) xuất hiện làmgiảm giá thành trang thiết bị số Kết quả là nhiều hệ thống này đã có giá thành rẻhơn hệ thống tương tự cùng chức năng

f Xử lý tín hiệu

Tín hiệu số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các chức năng mà hệthống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn Sau khi biến đổi A/D,tín hiệu còn lại một chuỗi các số,bit “ 0 “ và “ 1”, có thể thao tác các công việcphức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Khả năng này được tăng lênnhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh Cáccông việc tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng là : sửa lỗi thời gian gốc, chuyểnđổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần v.v…

g Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một khoảngcách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bi nhiễu Một phần

vị tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh,một phần là do khả năngthay thế xung xoá và xung đồng bộ bằng các từ mã nơi mà trong hệ thống truyềndẫn tương tự gây ra nhiễu lớn nhất

Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảmbăng tần tín hiệu, tạo cơ hội cho nhiều trạm phát hình có thể phát ra các chươngtrình với độ phân giải cao HDTV như hệ truyền hình hiên nay

h Hiện tượng bóng ma ( ghosts )

Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máythu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh cuả hệ thống số cũng làmgiảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá

22

PHẦN II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH

CHƯƠNG I: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU VIDEO

1.1 Số hoá tín hiệu video.

Thông tin ảnh là một lĩnh vực rất quan trọng, có đặc thù riêng, đang đượcphát triển mạnh mẽ Một trong những mục tiêu đặt ra đối với truyền hình là hìnhảnh có chất lượng cao, do vậy số hoá tín hiệu video đã được các nhà khoa học để

ý Do tín hiệu số có nhiều ưu

điểm hơn tín hiệu tương tự

Mà nó thể hiện dưới đây

1.1.1 Biến đổi tương

tự sang số.

Quá trình biến đổi tín

hiệu tương tự sang số

lấy mẫu fsa Kết quả thu

được là chuỗi các mẫu

 Lượng tư hoá:

Là quá trình rời rạc

hóa tín hiệu theo biên

độ tín hiệu (đã dược rời

rạc hoá theo thời gian)

Nghĩa là chia biên độ ra

7 6 5 4 3 2 1 0

Mẫu

Chu kỳ lấy mẫu

7 6 5 4 3 2 1 0

1 0

a)

b)c)

d)

e)

23

Tín hiệu lượng tử hoá được chuyển thành tín hiệu số bằng việc sắp xếpcho mỗi mức tín hiệu (hệ thập phân) theo hệ đếm nhị phân.

Các quá trình được biểu diễn ở hình sau:

a) Tín hiệu tương tự

b) Tín hiệu lấy mẫu

c) Tín hiệu lượng tử hoá

d) Mã hoá tín hiệu

e) Xung biểu diễn tín hiệu mã hoá

Số “0” và “1” được biểu diễn bằng số bit (binary digit) bit là đơn vị nhỏnhất của thông tin rời rạc, biểu diễn một trong hai trạng thái: có xung “1” hoặckhông có xung “0” Tin hiệu số được biểu diễn bằng chuỗi các xung “1” và “0”

Để truyền tín hiệu cần phải dùng mã (code) Trong đó số bit của mã phụ thuộcvào loại thông tin (tín hiệu) Mã một bít (1 hoặc 0) có thể truyền thông tin đơngiản nhất Mã hai bit có thể truyền 4 thông tin khác nhau (00, 01, 10, 11) Mã 3bit có thể truyền 8 thông tin khác nhau (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111).Tín hiệu càng phức tạp (tín hiệu video ) đòi hỏi số bit biểu diễn càng cao

Nhóm các bit ký hiệu (symbol) tín hiệu số, biểu diễn các mẫu đã lượng tửhoá, tạo ra từ mã (code word) Từ mã có số bit dùng trong mã Giá trị tín hiệubiểu diễn mỗi thông tin tại mỗi thời điểm bằng một từ mã Mỗi mẫu tín hiệutương tự được biểu diễn bằng số nhị phân, gồm n bit N bit biểu diễn mẫu cóquan hệ chặt chẽ với m khoảng lượng tử: m=2n

Lượng thông tin truyền trong một đơn vị thời gian (còn gọi là thông tin)được gọi là tốc độ bit (bit rate), có đơn vị là bit/giây Tốc độ bit C được tính dựatheo công thức Shannon:

C=W × log2 (bit/s)

C=fsa.nVới: C:Tốc độ bit[bit/s]

W: Độ rộng kênh truyền

S/N: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Thực tế công thức shannon cho biết để truyền tín hiệu có tốc độ bit C [bit/s] cần có độ rộng băng tần kênh truyền:

24

Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được thực hiện ở phíađài phát Ở phía thu thực hiện quá tình ngược lại Quá trình ngược lại được thựchiện bởi các hình sau:

1.1.2 Tín hiệu video và biến đổi tín hiệu video.

Tín hiệu video ở các hệ truyền hình mầu tương tự có 3 tín hiệu chính: tínhiệu chói Y và hai tín hiệu hiệu mầu R-Y, B-Y Ta có thể lựa chọn các phươngpháp số hoá tín hiệu video

-Biến đổi số với tín hiệu mầu hoàn chỉnh (NTSC, PAL, SECAM)

-Biến đổi số các tín hiệu video thành phần chói Y thành phần (R-Y) và(B-Y) một cách độc lập

-Biến đổi số một cách độc lập với các tín hiệu mầu cơ bản R, G, B

Thực tế nghiên cứu cho thấy phương pháp biến đổi tín hiệu video thànhphần cho chất lượng hình ảnh thu được cao hơn tại cung tần số lấy mẫu và cùng

số bit biểu diễn mẫu

1 0

110110111 11010

1 010 001 010 100

a)

111 110 101 100 011 010 001 000

7 6 5 4 3 2 1 0

b)

7 6 5 4 3 2 1 0

c)

Hình 1.2: Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự

25

1.2 Lấy mẫu tín hiệu video.

Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu

số là lấy mẫu Do đó tần số lấy mẫu là một trong những thống số cơ bản của hệthống kĩ thuật số Có nhiều yếu tố quyết định việc lựa chọn tần số lấy mẫu Tần

số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình ảnh nhận được có chất lượng caonhất, tín hiệu truyền với tốc độ bit nhỏ nhất, độ rộng băng tần nhỏ nhất và mạchđiện thực hiện đơn giản

Biến đổi fourrier hàm số Xs(t) sang miền tần số

X s (t)= {X a (f)+A 1 [X a (f-fa)+X a (f+fa)]+ A 2 [X a (f-2fa)+X a (f+2fa)+]+Λ }

Trong đó:X a (t): phổ tín hiệu (vào) tương tự

Ta nhận thấy (2-2) là phổ tín hiệu rời rạc , là một chuỗi vô hạn các phổ tín

hiệu vào nằm ở khoảng cách tần số f sa = , có các thành phần nhân với hệ số

biên độ An (Tức là= × A n), hình 1.3 trong trường hợp lí tưởng, An=1 Trongthực tế, biên độ các phổ kế tiếp nhau (đối xứng qua f=0) sẽ giảm dần

Ta xét phổ lấy tín hiệu mẫu trong các trường hợp sau:

1)f sa =  2f gh Tần số lấy mẫu bằng hoặc lớn hơn 2 lần tần số cực đạicủa tín hiệu tương tự Xa(t) Trong miền –fgh f +fgh, phổ các tín hiệu Xs(t) và

Xa(t) giống nhau Phổ tín hiệu Xa(t) có thể tách ra được từ bộ giải mã phổ tínhiệu rời rạc một các đơn giản (nhờ mạch lọc thông thấp có fgh là tần số giới hạn)

26

2) fsa= < 2fgh Tần số lấy mẫu < 2lần tần số cực đại của tín hiệu tương

tự (fgh) Trong trường hợp này, phổ tín hiệu rời rạc lồng vào nhau Ta gọi hiệntượng này là “chồng phổ” (aliasing) Trong trường hợp này, ta không thể tái tạolại tín hiệu Xa(t) một cách chính xác

a) Tín hiệu tương tự b) >2fgh c) =2fgh d) <2fgh

Như vậy muốn tạo lại tín hiệu Xa(t) một cách hoàn hảo thì điều kiện cần làfsa≥2fgh.

Tần số lấy mẫu fsa=2fgh gọi là tần số Nyquist Tần số lấy mẫu fsa<2fgh gọi

là tần số dưới Nyquist (Under Nyquist ).x(t)

Hình 1.4: Lấy mẫu có nhớ a) Tần số lấy mẫu thấp b) Tần số lấy mẫu

cao

X s (f) -f gh 0 +f gh

0

0

0

+f gh -f gh +2f sa -2f sa

Trước khi lấy mẫu, cần giới hạn phổ tín hiệu tương tự đến fgh bằng cáchdùng mạch lọc thông thấp ở đầu vào (có tần số biên bằng fgh) trong trường hợplấy mẫu lý tưởng với xung vuông lý thuyết (có thời gian xung vuông nhỏ vôcùng), thì các mạch lọc thông thấp được sử dụng phải là mạch lọc lý tưởng.Trong thực tế dạng và thời gian xung lấy mẫu có ảnh hưởng không lớn đến việctạo lại một cách đúng đắn tín hiệu tương tự Về mặt lý thuyết có thể sử dụngxung vuông có độ rộng xung hẹp cho hai lý thuyết xung (xung dirac ) và xung

có dạng khác nữa Sau khi xác định giá trị các mẫu, người ta có lưu các giá trịnày trong toàn khoảng lấy mẫu Tsa bằng cách lấy mẫu có nhớ

Các mạch lọc thông thấp thực tế không có đặc trưng lý tưởng (giới hạngiữa băng tần thông và băng tần chặn không rõ ràng) Các thành phần phổ củacác tần số lớn hơn fgh ở đầu vào sẽ gây ra việc lồng phổ và gây méo tín hiệutương tự (được khôi phục lại )

Để loại trừ hiện tượng này, người ta sử dụng băng tần bảo vệ (vùng giữafgh và fsa- fgh, có độ rộng cần thiết ), trong đó không có các thành phần phổ

Trong trường hợp này, fsa phải > tần số dưới Nyquist một giá trị nhấtđịnh, để cho đặc trưng tần số mạch tự lọc suy giảm nằm ở vùng [fgh-(fsa-fgh)].Tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số thành phần phổ không đáng kể có tần số >fgh,

[x(f)] [H(f)] - Đặc trưng mạch lọc

-f sa -f gh 0 +f sa f sa -f gh f sa

Băng tần bảo vệ Hình 1.5: Tạo lại tín hiệu ở miền tần số.

28

tồn tại tại đầu ra mạch lấy mẫu, vì độ suy giảm băng tần chặn của mạch lọc cógiá trị nhất định.

1.2.2 Chọn tần số lấy mẫu:

Để cho việc lấy mẫu không méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu fsa≥ 2fgh

(fgh=6MHz, theo tiêu chuẩn truyền hình PAL ) có nghĩa là fsa>12MHz

Trong trường hợp fsa<2fgh, sẽ xuất hiện các thành phần phụ (aliasingcompnent) và sẽ xuất hiện méo Méo có thể xuất hiện dưới dạng “lưới” trên mànhình (các tín hiệu vô ích nằm ngoài tín hiệu video ), méo sườn xung tín hiệu,làm nhoà biên ảnh (hiệu ứng “bậc thang”).(Hình 1.6 trang bên)

Hình 1.6: Ảnh hưởng hiệu ứng “lồng” trên các phần tử ảnhGây xê dịch sườn xung trong trường hợp:

a) fsa quá nhỏ

b) fsa chuẩn

A- Biên độ trước khi lấy mẫuB- Biên độ sau khi lấy mẫuTần số fsa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp Tín hiệu chói, tín hiệumầu cơ bản R, G, B các tín hiệu hiệu số mầu, tín hiệu video tổng hợp Bên cạnh

đó nó còn phụ thuộc vào hệ thống truyền hình mầu

Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video mầu tổng hợp, phải chú ý đếntần tải mầu, khi chọn fsa có thể xuất hiện các trường hợp như sau:

Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằm trong kênh mầu sẽtạo trên màn hình các hình đồng mầu, thể hiện rõ trong các hình ảnh có nềnđồng mầu hoặc độ bão hoà mầu cố định (ví dụ ảnh kiểm tra các sọc mầu ) Độ

ổn định các hình đồng mầu trên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fsa và cáctần số quét dòng, quét mành

Méo điều chế chéo sẽ không xuất hiện trong trường hợp tấy mẫu và mãhoá riêng tín hiệu chói và các tín hiệu hiệu số mầu

30

Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video mầu tổng hợp cho hệ NTSC,PAL, thì việc chọn tần số fsa tối ưu đơn giản hơn Thường thì fsa được chọn bằnghài bậc 3 tần số tải mầu fsc:

fsa/PAL=13.30085625 MHz >2fgh/PAL, fgh/PAL=5 hoặc 5.5 MHz

fsa=(2n+1)fH/2 với (n=1,2,3…) thì tín hiệu khôi phục có có thể tách tínhiệu có băng tần cơ bản va tín hiệu có các biên phụ (biên cụt) bằng mạch lọclược

Thành phần vòng tròn Thành phần vòng tròn

f

Biên độ

nf H (n+1)f H (n+2)f H (n+3)f H

f

Biên độ

nf H (n+1)f H (n+2)f H (n+3)f H

Muốn tổng hợp (khôi phục) hình ảnh đúng đắn, trong thực tế có thể chỉcần truyền đồng thời thông tin về phân tích lần lượt các điểm ảnh (pixel) và ởphía tỏng hợp ảnh có cùng trình tự (tức là đồng bộ dòng và đồnng bộ mành).

Quan hệ fsa và fH có thể đặc trưng bằng sự đồng bộ với:

Kết quả trên ảnh sẽ xuất hiện các biên ảnh Méo sẽ giảm đáng kể nếu fsa

bằng bội lần fH Điều đó có nghĩa là các mẫu là hàm số không chỉ của thời gian(T) mà còn là vị trí điểm ảnh (x,y)

1.2.3 Cấu trúc lấy mẫu.

Các mẫu là hàm của t,x,y cho nên ở lối ra mạch lấy mẫu có tín hiệu xs:

Xs(x,y,t)= Xa(x,y,t)× S(x,y,t)

Trong đ ó: Xa(x,y,t) tín hiệu vào tương tự

S(x,y,t) hàm lấy mẫu, chỉ khác 0 ở các vị trí và thời gian lấymẫu

Ta giả thiết là các điểm ( có các mẫu được biểu diễn bằng 3 đại lượngx,y,t) cần xác định vị trí chính xác, vị trí ở các dòng kề nhau và các mành kềnhau Nghĩa là phải lựa chọn cấu trúc thích hợp

Trong thực tế có nhiều kiểu liên kết về vị trí các mẫu Nhưng ta chỉ chọnmột số: Cấu trúc trực giao, cấu trúc quincux mành, cấu trúc quincux dòng

1.2.3.1 Cấu trúc trực giao.

32

Hình 1.8: Cấu trúc trực giao

Các mẫu được sắp sếp (trên các dòng kề nhau ) thẳng hàng theo chiềuđứng Cấu trúc này là cố định theo mành và theo ảnh Phổ tần tín hiệu ra (giaonhau của trục fx và fy ) bao gồm chuỗi vô hạn cách tâm một khoảng 1/X và 1/Y(ngoài phổ tần cơ bản của tín hiệu vào ) Phổ cách tâm phổ tín hiệu cơ bản mộtkhoảng là do kết quả cấu trúc dòng ảnh, còn phổ cách tâm một khoảng

là kết quả lấy mẫu theo dòng

Trong trường hợp này tần số lấy mẫu thoả mãn tần số Nyquist Tuy nhiêntheo cấu trúc này, nó cho tốc độ bit rất cao

33

gây ra méo ở các chi tiết ảnh (khi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳngđứng).

1.2.3.3 Cấu trúc quincux dòng.

Hình 1.10: Cấu trúc quincux dòng

Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau một nửa chu

kỳ lấy mẫu Còn các mẫu trên dòng mành 1lệch so với các mẫu trên dòng mành

2 một nửa chu kỳ lấy mẫu

Sự phân bố phổ của hai mành là giống nhau Trong đó chúng bị dịch trêntrục x một giá trị Do đó, ở đây chúng không bị lồng phổ chính và không bịméo Điều đó cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ hơn 25% tần số Nyquist vàtiết kiệm được độ rộng phổ của tín hiệu số

1.2.4 Các thông số lấy mẫu tối ưu.

Chọn thông số lấy mẫu là công việc quan trọng trong truyền hình số Nóquyết định chất lượng hình ảnh thu được tốt hay xấu Bằng lý thuyết và thựcnghiệm, cho thấy: chất lượng hình ảnh mầu thu được phụ thuộc vào tần số lấymẫu và cấu trúc lấy mẫu

Đối với hệ truyền hình NTSC, PAL việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu đơngiản hơn Tuy nhiên nếu fsa tiến gần đến 13MHz, chất lượng hình ảnh rất tốt.Nếu fsa nhỏ hơn 13MHz, chất lượng hình ảnh giảm rõ rệt (lấy mẫu tín hiệu videomầu tổng hợp)

34

Chất lượng hình ảnh giảm biểu hiện như giảm độ nét Conture, các chi tiếtảnh theo chiều đứng, chuyển động theo các biên đứng.

Trường hợp lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu mầu riêng biệt Nếu giảmtần số lấy mẫu tín hiệu chói sẽ làm giảm một phần độ phân giải Tuy nhiên nóảnh hưởng không nhỏ đến người xem Nếu giảm tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu sốmầu (bằng fsa tín hiệu chói) xuống còn fsa Nó có thể gây ra méo dưới dạngdòng nhấp nháy hoặc xuất hiện các vòng theo dòng

Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu mầu tổng hợp SECAM Nếu ta giảm

fsa, chất lượng ảnh mầu thu được sẽ giảm rất nhiều

Dựa vào khảo sát trên, nếu lấy mẫu các tín hiệu mầu (chói và hiệu sốmầu) sẽ cho chất lượng ảnh mầu tốt hơn Về kỹ thuật, người ta chọn

fsa=13.5MHz cho tín hiệu chói và fsa=6.75MHz cho hai tín hiệu hiệu mầu

Tuỳ thuộc vào loại cấu trúc lấy mẫu mà xuất hiện các loại méo khác nhau.Cấu trúc trực giao có méo dưới dạng giảm độ phân giải, cấu trúc quincux

mành gây nhấp nháy các điểm ảnh (cũng làm giảm độ phân giải ), cấu trúcquincux dòng tạo ra các nấc (hiệu ứng bậc thang ) Các loại méo xuất hiện rõ rệtnếu giảm tần số lấy mẫu

Về lý thuyết và thực nghiệm, thì cấu trúc trực giao có tốc độ bit lớn nhưngcho chất lượng hình ảnh tốt

Tuy nhiên về kỹ thuật, người ta vẫn chọn cấu có tốc độ bit nhỏ nhưnghình ảnh chấp nhận được

1.3 Lượng tử hoá tín hiệu video.

1.3.1 Lượng tử hoá tín hiệu

Lượng tử hoá là quá trình chia biên độ ra thành nhiều mức Mỗi mứcđược xắp xếp bằng một giá trị.Các khoảng chia có thể đều hoặc không đều đượcgọi là tuyến tính và không tuyến tính

Tất cả các mẫu có cùng mức ,sẽ được biểu hiện cùng một số và sau khigiải mã các mẫu được khôi phục lại với cùng một chiều cao(biên độ)

Quá trình lượng tử hoá là quá trình biến đổi chuỗi các mẫu với một sốhữu hạn biên độ Khi đó ở đầu ra DAC,tín hiệu không đồng nhất với tín hiệu banđầu (tín hiệu tương tự).Mỗi mẫu đều có kèm theo sai số trong khoảng 0÷Q/2(Q-khoảnh lượng tử)

35

Ta có quan hệ: Sin(t) = Sout(t) + Sq

Trong đó :

Sin(t) - tín hiệu ban đầu

Sout(t) - tín hiệu sau lượng tử

Sq - méo lượng tử

1.3.2.Nhiễu do lượng tử hoá tín hiệu.

Méo xuất hiện trong quá trình lượng tử hoá gọi là hiệu ứng méo lượng

tử Hiệu ứng méo lượng tử phụ thuộc loại điều chế Nếu sử dụng PCM tuyếntính ,méo lượng tử xuất hiện dưới dạng hiệu ứng đường viền (contureeffect).Méo lượng tử xuất hiện dưới dạng răng cưa Nếu ta tăng số khoảng lượng

tử ,hiệu ứng méo lượng tử sẽ giảm rõ rệt

Méo lượng có dạng như nhiễu hạt tự nhiên (lưới có kích thước nhỏ ,giốngsương mù ),xuất hiện ở các vùng ảnh rộng và có độ sáng đồng đều

Hiệu ứng đường viền ở các ảnh không chuyển động có dạng nhiễuhạt ,khi lượng tử hoá 32÷62 mức Đối với ảnh chuyển động Hiệu ứng này thểhiện rõ hơn nhiều

Hiệu ứng đường viền sẽ giảm ,nếu tín hiệu tương tự chứa nhiều tín hiệuchi tiết và méo lượng tử phân bố ngẫu nhiên Méo lượng tử giống như trườnghợp tín hiệu tương tự có nhiễu ngẫu nhiên và tải mầu Do đó mức sẽ ít hơn ,nếulấy mẫu và lượng tử hoá tín hiệu video màu tổng hợp

Để giảm nhiễu hạt ngẫu nhiên Người ta cộng tín hiệu video với một tínhiệu “dither” đặc biệt Tín hiệu “dither” thường gặp có dạng xung chữ nhật cótần số bằng nửa tần số fy 28 mẫu và biên độ bằng nửa khoảng lượng tử hoá

Có một loại dither khác là nhiều ngẫu nhiên có phân bố Gauss và trị hiệudụng không nhỏ hơn Q/3

Muốn giải quyết hiệu ứng méo đường viền thì ta cộng đồng thời hai tínhiệu dither trên (tín hiệu xung chữ nhật có biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên cóbiên độ 0.18Q) vào tín hiệu video

Một loại méo xuất hiện khi lượng tử hoá tín hiệu video mầu hoàn chỉnh

Nó có dạng là méo pha vi sai và méo khuếch đại vi sai Nó có đặc điểm giốngvới méo vi sai trong hệ thống tương tự Ảnh hưởng méo vi sai số lên hình ảnh sẽ

36

nhận biết rõ rệt Nó sẽ tăng nếu tần số nếu tăng tần số lấy mẫu Loại méo nàyphụ thuộc vào biên độ tín hiệu mầu (giảm nếu biên độ tín hiệu tăng ) Nếu tăng

độ chính xác lượng tử hoá (khoảng lượng tử , số bit biểu diễn mẫu), sẽ giảmđược méo vi sai

1.4 Mã hoá tín hiệu video

1.4.1 Mã hoá tín hiệu rời rạc.

Mã hoá tín hiệu là biến đổi tín hiệu đã lượng tử hoá thành tín hiệu số bằngcách sắp xếp số nhị phân cho các mức lượng tử hoá và ánh xạ các mức nàythành tín hiệu có hai mức (0và 1) Để giải quyết méo, trong PCM tuyến tính phảidùng mã 8 bit (256 mức lượng tử ) Số nhị phân đặc trưng cho tín hiệu video baogồm khoảng giới hạn từ 00000000 đến 11111111

Mã không cân bằng là các mã 2 trong đó các liên kết mã liên tục không có

sự cân bằng Ví dụ mã phản hồi

Mã của tín hiệu là mã có

cấu trúc Cấu trúc của mã có thể

là tuyệt đối hoặc tương đối Mã

có cấu trúc tuyệt đối là mã có sự

thay đổi thông số đặc trưng cả mã

xảy ra đồng thời sự thay đổi

symbol Mã có cấu trúc tương đối

là mã mà sự thay đổi thông số mã

đặc trưng chỉ xảy ra khi xuất hiện

Zero – không trở lại mức 0)

Mã NRZ có độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng bộ Mức logic

0 ứng với điện áp thấp nhất, mức điện áp cao nhất ứng với mức logic 1

UNRZ(t) = U(t) – U(t-T)

Mã NRZ có hai loại Mã NRZ gián đoạn tích cực, và mã NRZ gián đoạnthụ động Mã NRZ gián đoạn thụ động thì mức symbol ứng với 0 V, mã NRZgián đoạn tích cực điện áp âm ứng với mức 0 điện áp dương với mức 1

Các loại biến thứ của NRZ:

NRZ – M (NRZ-Mark ) hay NRZ – 1, NRZ –S (NRZ space) hay là NRZ– 0

 mã NZ (return zero)

Độ rộng mỗi xung bằng ½ hoặc một phần thời gian xung của chu kỳ đồnghồ

URZ(t) = U(t) – U(t-0.5T)

Các biến thứ của RZ: RZ-P, RZ-U

 Mã BiPh (Binary phace )

Mã NRZ

Mã NRZ-M

Mã S

Mã P

Mã S

BiPh-Từ mã 1 0 1 1 0 1 0 0

Hình 1.11: Mã sơ cấp

38

Mã có đặc điểm là có đôi xung bổ trợ nhau với điện áp RZ trong mỗi chu

kỳ đồng hồ

UBiPh(t) = U(t) – 2U(t-0.5T) + U(t-T)

Các biến thứ của BiPh: BiPh-M & BiPh-S

Trong thiết bị truyền hình số, mã NRZ thường được dùng cho thiết bịstudio và các thiết bị thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình Mã RZ được dùngtrong một số trường hợp truyền tín hiệu số với khoảng cách xa Mã BiPh dùngtrong quá trình ghi tín hiệu số trên băng từ

39

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO 2.1 Số hoá tín hiệu audio.

Tín hiệu audio thường đi kèm tín hiệu video trong truyền hình Để có chấtlượng âm thanh tốt người ta tìm cách nén tín hiệu audio

2.1.1 Số hoá tín hiệu audio.

Để biến tín hiệu audio sang tín hiệu số, người ta dùng PCM đơn giản Tínhiệu âm thanh thường có băng tần 40Hz15KHz Nếu theo Nyquist,

Trong tín hiệu âm thanh, các mức có giá trị lớn ít hơn nhiều các mức cógiá trị nhỏ Nên có thể mã hoá với độ chính xác thấp

Đặc tuyến nén thích hợp được biểu diễn dưới đây:

1

-1

1

-1

40