Kỹ thuật truyền hình số

Truyền hình Television nh tên gọi của nó, là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện tơng ứng,truyền tới máy thu, nơi biến đổi các tín hiệu này thành dạn

Chơng I Tổng quan về truyền hình

I Sự ra đời của truyền hình.

Năm 1927, truyền hình lần đầu tiên xuất hiện đó là cuộc truyềnhình giữa NewYork và Washhington Sự xuất hiện của truyền hình làmchấn động thế giới

Truyền hình ( Television) nh tên gọi của nó, là một hệ thống biến

đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện tơng ứng,truyền tới máy thu, nơi biến đổi các tín hiệu này thành dạng ban đầu

Sự cuốn hút của truyền hình đối với ngời xem đã thúc dẩy nó trở thànhmột dạng dịch vụ

Thí nghiệm đầu tiên về truyền hình là các dạng quét cơ học, sau

đó là phơng pháp quét điện tử ( giữa nhhững năm 1930) Năm 1941,

Mỹ nghiên cứu hệ truyền hình 525 dòng Sau đại chiến thế giới lần thứhai, Anh tiếp tục phát sóng hệ truyền hình đen trắng 405 dòng, cónpháp dùng hệ 441 dòng Năm 1948 Mỹ sử dụng hệ 819 dòng Cuối cùngchâu âu thống nhất hệ 625 dòng .Sau đại chiến thế giới lần thứhai ,Anh tiếp tục phát sóng hệ truyền hiình đen trắng405 dòng ,cònpháp dùng hệ 441dsòng Năm 1948 Mỹ sử dụng hệ 819 dòng Cuối cùngchâu âu thống nhất hệ 625 dòng

Hệ truyền hinh màu NTCS (Mỹ) có từ năm 1953 (525dòng /60Hz )

Hệ truyền hình màu SECAM(Pháp ) có từ 1956 (265dòng /50Hz)

Hệ truyền hình màu PAL(Đức) có từ 1962(265 dòng /50Hz)

Các hệ truyền hinh màu (NTCS,PAL,SECAM)đợc phát sóng với nhiềutiêu chuẩn khác nhau (B,G, K, K1, L, M, N, H, L1),đó là truyền hình tiêuchuẩn SDTV

lu công trí lớp TC4 – NĐ1

Cuối thập niên 70 bất đầu xuất hiện có độ phân giải cao trên 1000dòng với tỷ lệ khuôn hình 16:9 thay vì (4:3 nh truyền hình tiêuchuẩn ) Đó là các hệ truyền hình có độ phân giải cao HDTV (Hỗn hợpvừa tơng tự vừa số ): HDTV 1125dòng (Nhật ),HDTV1250(Châu

Âu),HDTV 1050(Mỹ).Các hệ truyền hình HDTV này nhanh chóng đợcchuyển sang HDTV số hoàn toàn

Tín hiệu vi deo và audio tơng tự (liên tục theo thời gian )chuyển sangdạng số sẽ có tốc độ bít rất cao.Tín hiệu video đen trăng sẽ có tốc độbít 216 270Mb/s, còn tín hiệu HDTV số có tốc độ bít >1GB/s Đểtruyền các tín hiệu nóị trên, kênh truyền phải có độ rộng băng tần

định dạng nén đã xuất hiện và trở thành tiêu chuẩn nén nh MJPEG,MPEGdùng cho truyền hình Nhờ nén các tín hiệu truyền hình số cóthể đợc truyền trên các kênh cóa độ rộng băng tần thờng dùng Và từ đó

ra đời dịch vụ đa chức năng ( Multimedia) và tơng tác hai chiều( Interactive) giữa trung tâm phát hình và ngời sử dụng Nhờ côngnghệ nén số, ta có thể truyền nhiều chơng trình trên một kênh thôngthờng ( 8MHz ) hoặc một tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao

Ưu điểm của truyền hình số:

In sao nhiều lần mà gần nh chất lợng không giảm.

ổn định độ phân giải khuếch đại và đáp ứng tần số

Chống nhiễu cao, và giải quyết đợc vấn đề méo pha

Thực hiện đợc hiệu ứng truyền lớp

Cờng độ trờng phát sóng thấp

Ưu điểm của công nghệ nén video số

Tiết kiệm bộ nhớ ( ghi đợc nhiều tín hiệu )

Tiết kiệm băng tần kênh ( truyền đợc nhiều chơng trình truyềnhình)

Tuy nhiên, muốn nghiên cứu truyền hình số, công nghệ nén số, trớc tiênphải hiểu rõ cơ bản của truyền hình

II.Nguyên lý cơ bản của truyền hình:

Truyền hình là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèmtheo thành tín hiệu điện tơng ứng, truyền tới máy thu – nơi biến đổitín hiệu này trở thành dạng tín hiệu ban đầu

lu công trí lớp TC4 – NĐ3

Đồng bộ

Camera

Quét

Công suất

Điều chế

Hình 1.1: Hệ thống truyền hình cơ bản

Một hình ảnh đợc camera thu nhận, nhờ quá trình quét đợc biến

đổi thành tín hiệu điện

Quá trình quét đợc thực hiện theo hai chiều ngang từng dòng từ tráiqua phải và chiều dúng từ trên xuống dới để hoàn thành hết một ảnh

Đây chính là mọtt dạng lấy mẫu tín hiệu theo các điểm ảnh

Khoảng cách giữa hai điểm ảnh theo chiều ngang gọi là độ phângiải theo chiều ngang Khoảng cách giữa hai dòng quét liền nhau gọi là

độ phân giải theo chiều đứng

Để đạt đợc tiêu chuẩn khôi phục ảnh, việc lựa chọn tần số quét dòng

và tần số quét mành là điều kiện cần quan tâm đầu tiên Các hệtruyền hình màu đã đa ra các tiêu chuẩn của mình nh sau:

để giảm tối thiểu các hiện tợng nháy hình do tần số ảnh quá nhỏ, ngời

ta sử dụng kỹ thuật quét xen kẽ

Dòng 1, mành 1 Nửa sau

Dòng 2, mành 1 Dòng, mành 2Dòng 3, manh1

Nửa đầu

Dòng mành 2

Hình 1.3 Quét xen kẽ.

lu công trí lớp TC4 – NĐ5

Theo phơng pháp quét xen kẽ, một ảnh sẽ đợc chia ra làm hai nửa

ảnh, đợc gọi là mành và đợc lần lợt truyền đi Mành thứ nhất gồm cácdòng từ thứ 1 đến dòng thứ 313, đối với hệ 625 dòng, mành thứ hai baogồm các dòng từ thứ 314 đến dòng thứ 625 ( đối với hệ 525 dòng mànhthứ nhất gồm các dòng từ thứ 1 đến dòng thứ 263, mành thứ hai baogồm các dòng thứ 264 đến dòng thứ 525) Các dòng ở hai dòng khácnhau nằm xen kẽ với nhau Bằng cách này, khi hiển thị cho ngời xêm cảmgiác liên tục với 50 mành trong một giây Nghĩa là tần số mành bằng hailần tần số ảnh tơng ứng

Với hệ 625 dòng / 25 ảnh, tần số dòng

Fh= 25.625 = 15625Với hệ 525 dòng / 30 ảnh, tần số dòng

Fh= 30.525 = 15750Tín hiệu video thu đợc từ quá trình quet là một tín hiệu điện biến

đổi liên tục có biên độ tỉ lệ với độ sáng của hình ảnh theo thời gian

và theo không gian Vì vậy để thực hiện khôi phục đợc tín hiệu ở đầuthu một cách đợc dễ dàng thì cần phải truyền đi xung đồng bộ

hình ảnh đợc coi là dòng video tích cực Giữa các dòng video tích cực

là các xung xoá dòng và xung xoá mành

Để thực hiện phát sóng các chơng trình truyền hình, các tín hiệuhình ảnh phải đợc điều chế lên tần số cao hơn phù hợp vớitính chất đ-ờng truyền

Đối hệ truyền hình màu, các hình ảnh truyền đi cần có thêm thôngtín về màu sắc, Tuy nhiên, thông tin về màu sắc chỉ đợc truyềntrong phạm vi giải phổ có sẵn của tín hiệu truyền hình đen trắng

Kỹ thuật truyền hìnhmàu dựa trên cơ sở lý thuyết ba màu Theo đó,hầu hết các màu sắc và các tính chất đậm nhạt của chúng có thể đợctái tạo lại nhờ ba màu cơ bản theo một tỷ lệ nhất định Ba màu cơ bản

đó là R (đỏ), G ( Xanh lá cây), B (Xanh dơng) Tất cả các dạng tín hiệumàu đều đợc xây dựng lại từ các tín hiệu cơ bản ER, EG, EB Đây là cáctín hiệu tơng tự có biên độ tỷ lệ với năng lợng phổ của thành phân màucơ bản trong ảnh

Đối với tất cả các định dạng, thành phần tín hiệu chói EY đợc tạo ra bởimạch ma trận thoả mãn phơng trình:

E’Y= 0,229 E’R + 0,587 E’G +0,114E’B

Er, EG,EB là các tín hiệu màu cơ bản sau hiệu chỉnh Gama Các hệ sốcủa chúng trong chơng trình dựa trên mối quan hệ giữa độ nhạy củamắt ngời với thành phần màu cơ bản Giá trị của EY tỷ lệ với độ sángnhận đợc của hình ảnh

Tín hiệu video màu đợc chia làm hai loại: Tín hiệu tổng hợp và tínhiệu thành phần Trong dạng tín hiệu tổng hợp, thành phần tín hiệuchói và tín hiệu màu đợc tổng hợp trong một kênh truyền Cón đối với

lu công trí lớp TC4 – NĐ7

d¹ng tÝn hiÖu thµnh phÇn, tÝn hiÖu chãi vµ tÝn hiÖu mµu chiÕm c¸ckªnh riªng biÖt.

Ma trËn

Ma trËn

Ma trËn

Ma

Hệ thống truyền hình màu NTSC ( National Television SystemCommittee) là hệ thống truyền hình màu có đầu tiên trên thế giới vàonăm 1953 ở mỹ.

Các thông tin chói, màu và đông bộ đợc liên kết với nhau để truyềntrên một kênh cao tần RF 6MHz, (bảng 1.1) Hai tín hiệu băng tần hẹp

đợc truyền trong băng tần rộng của tín hiệu chói (4,2MHz)

Bộ mã hoá tín hiệu chói băng tần rộng (4,2MHz) và hai tín hiệu sốmàu có băng tần hẹp bằng nhau (B- Y, R- Yhoặc I,Qnh đặc trng gốc từnăm 1953) Độ rộng băng tần của mỗi tín hiệu hệ số màu là600Khzhoặc 1,3MHz Băng tần rộng hơn (1,3MHz) thờng dùng trong môitrờng Studio Trong môi trờng truyền dẫn phát sóng và thu nhận tínhiệu, máy thu màu sử dụng băng tần tín hiệu hệ số màu là 600KHz Mỗitín hiệu hệ số màu điêù chế một tải màu Hai tải màu có tần số giốngnhau, nhng pha vuông góc 900, do đó không gây ra can nhiễu xuyênkênh ( Crosstalk) qua lại ( Suppred – carrier quadrature amplitudemodulation) Kết quả điều biên ở đầu ra bộ điều chế

1 Toạ độ màu sơ cấp của

các màu cho đèn máy thu

hình

X YG:0,0310 0,596B:0,155 0,070R:0,630 0,340

hiệu sơ cấp bắng nhau

Chất phát sáng D65 X= 0,3127 Y= 0,3297

3 Giá trị Gramma cho đèn

máy thu hình

 = 2,2

4 Tín hiệu chói ( đã sửa ) E’Y= 0,587E’G +0,114E’B +0,229E’r

lu công trí lớp TC4 – NĐ9

Bảng 1.1 Tổng hợp đặc trng các tín hiệu NTSCTần số tài màu bằng n lần nửa tần số dòng fH, làm cho phổ của thànhphần màu và thành phần chói xen kẽ nhau (dịch nửa dòng, half – lineoffset)

có năng lợng thấp Burst có chuẩn về tần số và pha cho dải màu, gồm 9chu kỳ tải màu

Burst đợc truyền trong khoảng vai sau xung xoá dòng (hình1.11) Mục

đích của xung burstlaf đồng bộ cho dao động (oscillator) trong máythu hình, nhằm tạo lại tải màu cho các mạch giải điều chế đồng bộ B –

Y và R –Y để tạo lại tín hiệu hiệu số màu Pha của burst là 1800cho phachuẩn (E’B – E’Y)

Điểm chuẩn động

19chukỳ tải

màu= 10deg 9+1 chu kỳ

40IRE

Thời gian lên

300ns

Hình 1.6 Khoảng cách xoá dòng có xung burst trong NTSC

Hình 1.7 là sơ đồ khối bộ mã hoá NTSC dùng các tín hiệu R –Y/B – Y.Các tín hiệu R,G,B đến mạch ma trận trở kháng để tạo tín hiệu chói Y

và hai tín hiệu hệ số màu Mỗi tín hiệu hệ số màu đợc giới hạn băng tầntrớc khi đa đến các bộ điều chế cân bằng Tải màu 3,58 MHz đợc đavào bộ điều chế B – Y, qua mạch dịch pha 900 đến bộ điều chế R – Y.Tín hiệu chói đợc làm trễ để bù độ trẽ của thành phần màu bằng mạchlọc thông thấp Mạch cộng phối hợp thành phần chói, các biên tần tảimàu, xung đồng bộ và burst( dịch pha 1800) để tạo lại tín hiệu màutổng hợp ( Compsite)

lu công trí lớp TC4 – NĐ11

Tải màu burst

Pha của tải màu là 00 đối với thành phần tín hiệu ( B – Y), 900đốivớithnhà phần ( R –Y ) và 1800 đối với burst ( hình 1.7)

Hình 1.8 trình bày vectơ trong qua trình điều chế tải màu Vectơcho bởi tập giá trị các giá trị E’B - Y và E’R –Yđợc biểu diễn bằng hai tải

điều biên vuông pha với nhau

đồng

bộ

I.PFI.PF

900

I.PF

Burst180

0

Burst B – Y 0

Hình 1.8: Độ bão hoà màu và góc pha biểu diễn màu

Pha biểu diễn màu sắc ( hue) của Véctơ trong qua trình điều chếtải mà

Hình 1.9 Sơ đồ khối của bộ giải mã B – Y/ R – Y của hệ NTSC.

Hình 1.9 là sơ đồ khối bộ giải mã B – Y/ R – Y của hệ truyền hìnhNTSC Các băng tần màu đợc tách bằng mạch lọc thông giải và đợc đa

đến hai bộ điều chế đồng bộ và đến bộ tách xung đồng bộ màu( Burst) Đầu ra mchj tách xung burst đợc đa đến mạch PLL ( vòng khoá

Thôn

g dải

Táchsóng

Chặn

Ma Trận

900

pha ), còn xung từ mạch tạo xung khoá burst ( burst key generator) đợc

đa đến mạch tách xung burst Đầu ra của mạch PLL đồng bộ với mạchtạo tải màu cục bộ XTL Tải màu đợc đến mạch giải điều chế B – Y và

đợc dịch pha 900 để đến mạch giải điều chế R – Y Mạch điều khiểnhue ( bằng tay) cho phép điều chỉnh pha tải màu để burst có quan hệ

đúng về pha Tín hiệu màu vi sai (đợc điều chế) và tín hiệu chói (đợclàm trễ) đợc suy giảm bằng mạch lọc chặn (notch filter)

Hình 1.10 là sơ đồ khối của bộ giải mã NTSC dùng mạch lọc lợc (combfilter) Ưu điểm của bộ giải mã này là thay đổi đợc pha tải màu 1800 từdòng này đến dòng khác Tín hiệu tổng hợp một mặt đến mạch cộng,mặt khác qua mạch đảo pha 1800 và trễ một dòng (1H = 63,55s) rồi

đến đầu vào thứ hai của mạch cộng (adder) Mạch cộng sẽ triệt tiêu cácthành phần chói (cố định theo dòng) và cho ra các thành phần màu đãlọc lợc

90

0

3.58MHzXTLOSCPLL

Khoá

Burst

3,58MHz Thông dải

- - -

-Tín hiệu

COMPOSIT

Hue

Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ giải mã hoá NTSC với mạch chọn lọc

Thành phần màu và tín hiệu màu tổng hợp đợc đa đến mạch trừ(subtractor) để cho ra các thành phần chói đã lọc lợc Mạch giải mã (lọc l-ợc) có thể làm tốt với các hình ảnh có tơng quan cao theo dòng và kếtquả làm giảm đáng kể hiệu ứng xuyên màu, giảm một nửa độ phângiải màu theo mành do các hiệu ứng lấy trung bình theo dòng Mạchgiải mã (lọc lợc) sẽ không đáp ứng, nếu sự thay đổi màu không liên tục(gián đoạn) từ dòng này đến dòng khác Các bộ giải mã (lọc lợc) thíchnghi sẽ tự chuyển động chuyển mạch vào notch filter, nếu chúng xác

định sự dịch chuyển màu rõ ràng và trở lại hoạt động bình thờng (nếu

điều kiện này không xuất hiện)

Một trong những nhợc điểm chính của hệ màu NTSC là nhạy vớiméo phi tuyến do thay đổi pha của tải màu động (gọi là pha vi sai) sovới pha của tải màu tĩnh

II 2 Hệ PAL

Hệ truyền hình màu PAL đợc phát triển để tơng hợp với hệ truyềnhình đen trắng 625/50, đợc sử dụng ở châu Âu và phát sóng trên kênh

lu công trí lớp TC4 – NĐ15

7 hoặc 8 MHz (RF) với băng tần video cơ bản 5; 5,5 hoặc 6 MHz Phụthuộc vào các tiêu chuẩn phát sóng, ta có các loại PAL sau đây;

B- PAL, D- PAL, G- PAL, H- PAL, I- PAL

Điểm khác nhau chủ yếu giữa các loại tiêu chuẩn PAL là độ rộngbăng tần phát sóng tín hiệu luminance và biên trên của chrominance ởstudio chỉ có một tiêu chuẩn tín hiệu PAL chung

Nghiên cứu chi tiết, ta thấy hệ PAL có nhiều thông số giống hệNTSC Điểm khác nhau cơ bản giữa 2 hệ này là pha tải màu cho thànhphần R-Y đảo ngợc theo từng dòng trong mối mành (field) Nguyên nhânchính về sự phát triển hệ PAL là nhằm khắc phục sai pha tải màu (độ

di pha tải màu hệ PAL cho phép nằm trong một phạm vi rộng hơn nhiều

so với hệ NTSC) khi tín hiệu đi qua thiết bị hệ thống studio và truyềndẫn phát sóng Hệ PAL đợc các kỹ s Châu Âu, đứng đầu là giáo s WalterBruch (ngời Đức) nghiên cứu và cho ra đời vào đầu những năm 1960.Bảng 1.2 là các thông số của tín hiệu PAL-B-D-G-H và I

Bộ mã hoá PAL xử lý tín hiệu luminance băng rộng (≥ 5MHz) và haitín hiệu hiệu số màu băng hẹp có cùng độ rộng Các tín hiệuchrrominance có tên là E’u và E’ v giống với E’B-Y và E’ R-Y của NTSC Cựctính của E’ v đảo ngợc theo từng dòng (xem thành phần thứ 3 trong ph-

2 Toạ độ màu với các tín hiệu Màu D65: x = 0,3127; y = 0,3290

Bảng 1.2 Các đặc trng của tín hiệu PAL

Sự luân phiên về pha theo dòng của tín hiệu E’V thể hiện trongcác thành phần phổ màu tại các khoảng fH/2 (=7,8125KHz) của cácthành phần phổ E’uk Sự chênh lệch (offset) 1/2fH giữa luminance vàchrominance (trong NTSC) gây ra xuyên kênh giữa các thành phần phổE’v và của phổ luminance Để khắc phục hiện tợng này, hệ PAL sự dụngphối hợp chênh lệch 1/4fH với chênh lệch ảnh (frame) Tần số tải màu cógiá trị:

lu công trí lớp TC4 – NĐ17

ở trong khoảng xoá mành có 11 dòng không có xung burst Phân xoámành có một chuỗi đặc trng (gọi là khoảng xoá Burst – tên giáo s, tácgiả hệ PAL) nhằm đảm bảo xung burst thứ nhất sau khi kết thúc khoảngxoá có burst với pha là +1350.

Vai trò của xung burst là đồng bộ cho dao động cục bộ của máythu, cung cấp cho các bộ giải điều chế đồng bộ U và V cũng nh chuyểnmạch theo trục V Dao động tạo tải màu cung cấp tải màu (khôi phục lại)cho các bộ giải điều chế u và V để tạo lại các tín hiệu số màu Pha củaburst đợc tạo lại có giá trị +1800 so với vectơ chuẩn U

Các tín hiệu R,G,B (đã sửa gamma) đợc cung cấp cho ma trận tạotín hiệu luminance y và hai tín hiệu số màu Mỗi tín hiệu số màu đợcgiới hạn độ rộng băng tần đến 1,2 MHz trớc khi đến các bộ điều chếcân bằng Tải màu 4,43 MHz cung cấp cho bộ điều chế U, và qua mạchdịch pha 900 cung cấp cho bộ điều chế V Nh vậy là burst tải màu đợchình thành khi đi qua chuyển mạch pha +1350 Chuyển mạch pha tảimàu cho U và burst xảy ra tại tần số fH/2 = 7.812,5Hz (PAL trigger) Tínhiệu chói Y đợc làm trễ của chrominance do sử dụng các mạch lọc thôngthấp đối với tín hiệu hệ số màu Mạch cộng liên kết tín hiệu luminance,các biên chrominance, xung đồng bộ tổng hợp và burst tải màu thànhtín hiệu màu tổng hợp Sơ đồ khối mạch mã hoá PAL đợc cho tronghình 1.11

Hình 1.11 là sơ đồ khối bộ giải mã PAL

Các biên của chrominance đợc tách ra bằng bộ lọc thông dải và đợc

đa vào các mạch giữa điều chế chrominance và mạch tách xung burst

Mạch tách burst tạo cổng bằng một khoá burst từ xung đồng bộ dòng Đầu ra của nó đồng bộ với bộ tạo lại tải màu cục bộ dùng thạch anh

có điều khiển bằng PLL (phase – locked loop) Pha của burst thay đổi

từ dòng này sang dòng kia, luân phiên ± 1350 so với chuẩn U

Tải màu đợc tạo có pha ± 1800 so với chuẩn U Đầu ra mạch chọn lọc thông dải đợc đa đến dây trễ 1H (= 64s), bộ cộng và bộ trừ Đầu ra

bộ cộng là các tín hiệu có các biên U Tín hiệu đầu ra của bộ trừ là các biên ± V (luân phiên) Hai tín hiệu này dẫn đến hai bộ giải điều chế

đồng bộ Pha của tải màu đến bộ giải điều chế U là cố định

lu công trí lớp TC4 – NĐ19

MaTrận

Tr

Tạo

đồngbộ

18

TÝn hiÖu NOTCH DELAY

COMPOSITE

4,43MHz

Gi¶i ®/c V Gi¶i ®/c U

Ma trËn

4,43MH z XTLOS C

T¸ch

mã Có nhiều biến thể của mạch lọc đợc (comb filter) đợc dùng trong bộgiải mã PAL.

là nhạy cảm với méo phi tuyến, tạo ra pha vi sai Quá trình PAL làmbiến đổi pha vi sai (làm thay đổi tông màu – color hue) thànhkhuyếch đại vi sai (làm thay đổi độ bão hoà màu không lớn)

II.3 Hê SECAM

SECAM (sesquentiel couleurs a mesmoire – sequential color withmemory) chủ yếu là một hệ thống truyền dẫn Nhiều nớc sử dụng tínhiệu cômpnent video hoặc tín hiệu PAL trong studio, sau đó chuyển

đổi sang SECAM trớc khi truyền dẫn và phát sóng Hệ SECAM sử dụngphơng pháp truyền thông tin màu qua kênh truyền tín hiệu đen trắng,hoàn toàn khác với hệ PAL và NTSC (PAL gần với NTSC) Hệ SECAMtruyền thông tin màu lần lợt, còn hệ PAL, NTSC thì truyền đồng thời.Trong khi PAL và NTSC truyền đồng thời thông tin luminance vàchrominance bằng phơng pháp ghép kênh theo tần số FDH, thì SECAMtruyền lần lợt thông tin luminance và hai tín hiệu số màu từ dòng đếndòng Kết quả độ phân giải màu theo chiều đứng bằng một nửa độphân giải của luminance (SECAM) Hệ SECAM sử dụng hai tín hiệu amù

điều tần (FM) với hai tải màu (hai tần số khác nhau) Tải màu cho tínhiệu hiệu số màu D’R có tần số là fOR=4,4MHz, còn cho tín hiệu D’B cótần số là 4,25MHz Đặc trng của các tín hiệu SECAM đợc cho trong bảng1.3

Mạch mã hoá SECAM xử lý một tín hiệu luminance băng rộng(>5MHz) và hai tín hiệu hiệu số màu băng hẹp (1,5MHz) có cùng độrộng băng tần:

lu công trí lớp TC4 – NĐ21

D’B = 1,5(E’B- E’Y) vàD’R = -1,9 (E’R- E’Y)Dấu trừ (-) trong D’R biểu diễn các giá trị âm của (E’R- E’Y) để làmtăng độ di tần dơng khi tải màu di tần Giống nh các tín hiệu điều tần,các tín hiệu điều chế chổminance của SECAM đợc gây méo trớc(preemphasis) SECAM sử dụng hai loại gây méo trớc khác nhau:

- Gây méo trớc (hay tiền nhấn – preemphasis) các tín hiệu số màutrớc khi chúng điều chế tải màu (hàng 6, bảng 1.3), kết quả làm tăngSNR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) cho tín hiệu chrominance

- Gây méo trớc tải màu đợc điều chế hàng 11 Loại gây méo trớcmàu có tên là đồ thị Bell, kết quả làm giảm độ nhìn thấy tải màu

Các tần số tải màu (hai loại ) không cần di tần có giá trị gấp nhiềulần chẵn tần số quét dòng fH = (15,625MHz) Do không có nhiều tần sốxen kẽ các thành phần phổ luminance và chrominance nh trong hệ PAL

và hệ NTSC Tình trạng này sẽ phức tạp do các tải màu đợc điều tần.Hai tải màu và các biên phụ có phổ băng tần cơ bản nằm giữa 3 và6MHz Để giảm độ nhìn thấy tải màu kênh luminance trong bộ giải mãSECAM sử dụng một mạch lọc thông thấp có các cực (poles) đợc suy giảmmạnh tại hai tần số tải màu (không di tần hoặc tải màu tĩnh) fOB và fOR.Tín hiệu SECAM với một luminance 3,5MHz và các tải màu tĩnh (không

di tần) Quét (sweep) đợc suy giảm từ trên 3,2 MHz, nhằm làm cho mạchmã hoá không cho luiminance qua ở đoạn trên tần số này

Toạ độ màu cho các tín

hiệu sơ cấp bằng nhau

Giá trị gramma cho đèn

D’B=1,505(E’B-E’Y);D’R1,902(E’B- E’Y)

=-D’B=ABF(f)D’B’; D’R=ABF(f)D’R

EM=E’Y+Gcos2Π(fOB+ΔfOB.fO.DB.dl)hoặc

EM=E’Y+Gcos2Π(fOR+ΔfOR.fO.DR.dl)Luân phiên theo dòng

FM

fOB=4.250000±2000

FOR=4.406.250±2000Quan hệ với tần số dòng fH

FOB=272fH; fOB= 282fH

lu công trí lớp TC4 – NĐ23

Đồng bộ tải màu G=M0[(1+j16F)/(1+j1,26F)]

Với F=(f/f0)-(f0/f)

F0= 4286KHz2M0- Biên độ đỉnh đỉnh 2M0=23% biên độ luminance

đỉnh đỉnhChuẩn tải màu ở vai sau xungxoá dòng (trờng hợp không di tần)Bảng 1.3 Đặc trng tín hiệu SECAM

Tải màu

Tiêu chuẩn dòng5.6à+250ns

For or FobTải chuẩn màu

Hình 1.13 Chi tiết tải màu trong thời gian xoá dòng của hệ SECAM

Vì hai dòng liên tiếp lần lợt truyền tải các tín hiệu chrominance,cần nhận dạng chúng, nên một tải màu tĩnh đợc truyền trong vai trò sau(backporch) của xung xoá dòng Khác với NTSC và PAL (dùng chung một

burst), trong hệ SECAM, tải đợc truyền liên tục suốt thời gian của dòng

và chỉ đợc xoá trong thời gian đồng bộ dòng và trong thời gian xoámành Nên thiếu thông tin chrominance, biên độ của nó cố định trongsuốt thời gian dòng hình Hình 1.13 biểu diễn các chi tiết về thời gianxoá trong hệ SECAM

Hình 1.14 là sơ đồ khối của mạch mã hoá hệ SECAM Các tín hiệu

đã sửa gramma G,B,R đợc cấp cho mạch ma trận để tạo tín hiệuluminance Y và hai tín hiệu số màu Mỗi tín hiệu số màu đợc giới hạnbăng tần đến 1.5MHz, đợc gây méo trớc (preemphasized) và cung cấpcho mạch điều chế cho tần số (điều tần FM) Đầu ra của bộ điều chế

FM đợc sắp xếp thành chuỗi trên cơ sở dòng đến dòng bằng mạch

đóng mở (switch), đợc điều khiển bằng tín hiệu nhận dạng SECAM(identification) với tần số 1/2fH = 7,8125KHz, rồi sau đó cấp cho mạchchọn lọc Bell Tín hiệu Y đợc làm trễ để bù với độ trễ tín hiệuchrominance Mạch cộng liên kết luminance và tải màu: điều chế tần vớicác biên độ của nó và tín hiệu đồng bộ tổng hợp để cho tín hiệu màutổng hợp

LPF

DELAY PLEEM P

Tách sóng FM

bel l LPF

Đồng

bộ

Cộn g PLEEM

P

Tách sóng FM

Đồng bộ COMPOSTTE

Hình 1.14 Sơ đồ khối mạch mã hoá SECAM

Hình 1.15 là sơ đồ khối của mạch giải mã SECAM Tín hiệuluminance đợc tạo bằng cách cho tín hiệu tổng hợp qua mạch lọc thôngthấp có các cực (poles) suy giảm cao tại 4,25 và 4,40MHz Tín hiệuchrominance và các biên tần của nó có thể đợc tạo bằng cách cho tínhiệu tổng hợp đi qua mạch lọc thông giải và mạch lọc ngợc Bell Tín hiệu

ra đợc đa trực tiếp vào bộ chuyển mạch dòng 2x2 và dây trễ 1H(=64às) Bộ chuyển mạch đợc điều khiển bằng xung 7,8125KHz (tạobằng cách giải điều chế các tải tần tĩnh ở vai sau xung xoá dòng) Bộchuyển mạch bảo đảm tải điều tần đợc cấp chính xác theo dòng chomạch giải điều chế tải màu Các tải màu đợc hạn biên và cấp cho bộtách sóng biến đổi tần số (discriminator), và cùng với các tín hiệuluminance có trễ cung cấp cho mạch ma trận để tạo lại các tín hiệu sơcấp gốc

Hệ thống truyền hình màu SECAM tơng đối không nhạy với méophi tuyến vốn có trong các mạch tích cực Vì vậy nó rất thích hợp choviệc truyền dẫn qua mạng đờng dây ngầm dới đất và phát sóng trênmặt đất

ở trong studio, nói chung cần hạn chế việc chuyển mạch giữa cácnguồn tín hiệu Đó là vì các tải điều tần nằm trong tín hiệu videotổng hợp

Hình 1.15 Sơ đồ khối mạch giải mã SECAM

Kỹ thuật sản xuất hiện đại dùng tín hiệu SECAM đòi hỏi giải điềuchế thành các tín hiệu thành phần tơng tự, không giống nh PAL vàNTSC (có thể sử lý trong định dạng tổng hợp) Các tiêu chuẩn composite

số (lấy mẫu tại nhiều tần cố định đợc dùng phổ biến với PAL và NTSC,nhng hạn chế đối với SECAM, nếu dùng nó làm phơng tiện sản xuất ch-

ơng trình truyền hình (các tải tần thay đổi theo thời gian)

Chơng ii: số hoá tín hiệu video

I Tại sao phải số hoá tín hiệu truyền hình

Tín hiệu truyền hình tơng tự (từ khâu tạo, truyền dẫn phát sóng

đến khâu thu) chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố (nhiễu và can nhiễu từnội bộ hệ thống và từ bên ngoài) làm giảm chất lợng hình ảnh

Tín hiệu video số đợc tạo từ tín hiệu video tơng tự Tín hiệu video

số có hai trạng thái logic “0” và “1” Tập hợp tất cả các giá trị logic “0” và

“1” biểu diễn tín hiệu video số

MaTrận

Số hoá tín hiệu truyền hình là một điều tất yếu mà chúng ta cầnphải thực hiện càng sớm càng tốt vì công nghệ truyền hình số đã và

đang bộc lộ những u thế mạnh tuyệt đối hơn so với truyền hình tơng

tự trên nhiều lĩnh vực:

- Tính chống nhiễu cao

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

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

- Hiệu qủa sử dụng dải thông cao, có khả năng truyền nhiều

ch-ơng trình trên cùng một kênh RF

- Tính phân cấp, ví dụ một dòng dữ liệu đợc sử dụng để truyềnmột chơng trình truyền hình có độ phân giải cao duy nhất hoặc mộtvài chơng trình truyền hình có độ phân giải tiêu chẩn

- Khả năng truyền tải nhiều thông tin khác nhau

- Tiết kiệm năng lơng với cùng một công suất phát sóng, diện phủsóng rộng hơn đối với truyền hình tơng tự

- Khoá mã đơn giản

- Dễ dàng thích nghi với các bớc tiến triển tiếp theo sang truyềnhình độ phân giải cao hoặc phát thanh với chất lợng CD tơng lai

- Thị trờng đa dạng có khả năng cung cấp nhiều loại cho đông

đảo khán giả hoặc cho từng tác nhân

- Chi phí khai thác thấp

II Quá trình biến đổi tơng tự sang số.

Quá trình biến đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số gồm 3 giai

đoạn hình 2.1

- Lấy mẫu tín hiệu tơng tự: là quá trình gián đoạn (rời rạc hoá)theo thời gian bằng tần số lấy mẫu flm

- Lợng tử hoá: đó là quá trình rời rạc hoá theo biên độ tín hiệu, cónghĩa là chia biên độ ra nhiều khoảng (mức) khác nhau và mỗi mức đợcgần bằng một trị (biên độ).

- Mã hoá tín hiệu đã lợng tử háo: có nghĩa là biến đổi nó thành tínhiệu số bằng việc sắp xếp cho mỗi mức tín hiệu (hệ đếm thập phân)sang hệ đếm nhị phân (“0” và “1”)

U

t

MẫuU’

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t T

Chu kỳ lấy mẫu

U

7 6 5

1 0

111 110 101 100 011 010 001 000

Hình 2.1 Biến đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số

Các số thập phân luôn có thể biểu diễn bằng tổng các số nhịphân (binary) nh sau:

Bảng 2.1: Biểu diễn các số thập phân theo nhị phân

Số 0 và 1 đợc biểu diễn bằng số bít Bít là đơn vị nhỏ nhất củathông tin rời rạc, biểu diễn một trong hai trạng thái; có xung (“1”) hoặckhông có xung (“0”) Tín hiệu số đợc biểu diễn bằng một chuỗi xung

“1” và xung “0”, để truyền tín hiệu cần phải dùng mã (code)

Nhóm các bít ký hiệu tín hiệu số, biểu diễn các mẫu đã lợng tử hoá

sẽ tạo ra từ mã (code word) Giá trị tín hiệu biểu diễn mỗi thông tin tạimột thời điểm bằng một từ mã Mỗi mẫu tín hiệu tơng tự đợc biểu diễnbằng một số nhị phân, gồm n bít (biểu diễn số khoảng lợng tử cho biên

độ cho mẫu cho trên) Số bít biểu diễn mẫu n có quan hệ chặt chẽ với

m khoảng lợng tử: m = 2

Lợng thông tin truyền trong một đơn vị thời gian đợc gọi là tốc độbít (bít rate), có đơn vị là bít/giây Tốc độ bít C bằng tích phân sốlấy mẫu flm và số bít biểu diễn mẫu tín hiệu tơng tự n Tốc độ C phụ

lu công trí lớp TC4 – NĐ31

thuộc vào độ rộng băng tần kênh truyền (W) và tỷ số tín hiệu trênnhiễu (S/N) theo Shannon nh sau:

Hình 2.2: Biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự

Trong thực tế, công thức Shannon cho biết: để truyền tín hiệu số

có tốc độ bít C [bit/s], cần độ rộng băng tần kênh truyền W ≥ 3/4C[Hz]

ở phía thu, tín hiệu số sẽ đợc biến đổi ngợc lại thành tín hiệu

t-ơng tự Quá trình biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tt-ơng tự đợc cho

ở hình 2.2 ngợc lại với hình 2.1

II.1 Cấu trúc lấy mẫu

Nếu coi hình ảnh số là tập hợp các con số thì việc sắp xếp, bố tríchúng theo một quy luật nào là lợi nhất Mục đích của vấn đề là giảmtối thiểu các hiện tợng viền, bóng và nâng cao độ phân tích của hình

X: là khoảng cách giữa các mẫu theo dòng;

Y: là khoảng cách giữa các mẫu theo mành;

T: là chu kỳ mành;

N: là số dòng;

K: là số mẫu mành;

M: là số mành

Phổ của các tín hiệu rời rạc xS (x, y, t) đợc biểu hiện:

Với: Fx là tần số lấy mẫu theo dòng;

lu công trí lớp TC4 – NĐ33

FY là tần số lấy mẫu theo mành;

F là số lẫy mẫu;

D là hệ số biên độ

Phổ của các tín hiệu ra là chuỗi vô hạn của các tín hiệu vào, màcác tâm của chúng cánh nhau 1/X theo dòng, 1/Y theo mành và 1/T = ftheo trục tần số Các thành phần phổ quan hệ với biên độ theo biểuthức

Dx = Anx; Dy = Any; Dt = Ant

Các hệ số An giảm dần khi k, n, m tăng, có nghĩa là biên độ phổ

kề nhau (đối xứng qua trục O) sẽ giảm dần, còn vị trí của chúng là bấtbiến

Sau đây ta xét hai trờng hợp lấy mẫu tín hiệu có phổ tần hạn chế(ứng với fghx, fghy, và fgh):

1./ fx ≥ 2fghx, fy ≥ 2fghy, f ≥ 2fgh tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần tần số giớihạn theo chiều x, y, t Trong trờng hợp này, các phổ tín hiệu XS(x, y, t),

Xa(x, y, t) sẽ giống nhau trong phạm vi:

Để tạo lại tín hiệu vào không méo, cần phảI lựa chọn tần số thíchhợp theo cả ba chiều (x, y, t) Nếu lấy mẫu tín hiệu video theo tiêuchuẩn xác định theo chiều đứng (625 dòng) và theo thời gian (25 ảnh/giây), sẽ hạn chế khả năng lựa chọn Y(fy) và T(f) Các đại lợng này cóquan hệ chặt chẽ với vị trí các mẫu trong mặt phẳng cấu trúc mẫu.

Ta giả thiết là các điểm (có các mẫu đợc biểu diễn theo các đại ợng (x, y, t) cần phảI xác định chính xác vị trí ở các dòng kề nhau vàcác mành kề nhau, có nghĩa là phảI chọn cấu trúc lấy mẫu thích hợp

l-Về mặt lý thuyết có nhiều kiểu liên kết về vị trí các mẫu, nhng trongthực tế thì chỉ có thể chọn đợc một số để thực hiện, ví dụ cấu trúctrực giao, quincunx mành (4 điểm nằm ở 4 góc và điểm thứ 5 nằm ởtâm hình chữ nhật), quincunx dòng Cấu trúc trực giao (hình 2.3)

Phổ tần tín hiệu ra ở tâm (giao nhau của trục fx và fy) bao gồmchuỗi vô hạn phổ cách tâm một khoảng 1/X và 1/Y (ngoài phổ tần cơbản của tín hiệu vào) Phổ cách tâm phổ tín hiệu một khoảng ± k1/Y

lu công trí lớp TC4 – NĐ35

là do kết quả của cấu trúc dòng ảnh, còn phổ của tâm cách ± k1/X là

do kết quả lấy mẫu theo dòng (n, k là các số tự nhiên)

Trong trờng hợp này tần số lấy mẫu thoả mãn định lý Nyquist và do

đó cần sử dụng tốc độ bít rất lớn Cấu trúc Quincunx mành (hình 2.4)

ảnh có các sọc hoặc các đờng thẳng đứng)

Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau mộtnửa chu kỳ lấy mẫu, còn các mẫu trên dòng một mành lệch so với cácmẫu trên dòng tiếp theo (của mành sau một nửa chu kỳ lấy mẫu0.

đợc phổ tần tín hiệu số

II.2 Tần số lấy mẫu.

Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tơng tựsang tín hiệu số là lấy mẫu (có nghĩa là rời rạc tín hiệu hoá tơng tựtheo thời gian) Do đó, tần số lấy mẫu là một trong những thông số cơbản của các hệ thống kỹ thuật số Có nhiều yếu tố quyết định việc lựachọn tần số lấy mẫu Tần số lẫy mẫu cần đợc xác định sao cho hình

ảnh nhận đợc có chất lợng cao nhất, tốc độ truyền có tốc độ bit nhỏnhất, độ rộng băng tần nhỏ nhất và mạch thực hiện đơn giản

Số hoá tín hiệu truyền hình có nghĩa là biến đổi tín hiệu videotơng tự thành tín hiệu video số từ nguồn tín hiệu (ví dụ camêra),

lu công trí lớp TC4 – NĐ37

truyền dẫn cho đến phát sóng và thu (phân tích và tổng hợp hình

ảnh bằng phơng pháp số) Do đó để chọn tần số lấy mẫu thì chúng taphải dựa vào dạng tín hiệu video

II.2.1 Tín hiệu video tổng hợp (cômpsite video signal).

Đối với tín hiệu video màu tổng hợp khi lấy mẫu ta càng cần phảichú ý đến tải tần màu (sóng mang màu fSC) để chọn tần số sao chothích hợp Do đó, khi chọn tần số lấy mẫu (fSC) có thể xảy ra các trờnghợp sau:

- fSC gấp nhiều lần fSC ví dụ fSa = 2 fSC , 3 fSC hoặc 4 fSC dùng cho hệthống NTSC và PAL vì hai hệ này chỉ dùng một tần số Hệ SECAM dùnghai tải tần mầu nên không dùng đợc một tần số fSC cho các tín hiệu sốmàu

- fSa không có quan hệ trực tiếp fSC Trong trờng hợp này sẽ xuất hiện(ngoài các thành phần tín hiệu có ích) thêm các thành phần tín hiệuphụ do liên hợp giữa fSa và fSC hoặc hài của fSC trong phổ tín hiệu lấymẫu Đặc biệt thành phần tín hiệu (fSa - fSC) sẽ gây méo tín hiệu video(dạng tơng tự) sẽ xuất hiện lại Loại méo này có tên gọi là méo điều chếchứo (intermodulation) Các thnàh phần tín hiệu điều chế chứo có tần

số nằm trong kênh mầu sẽ tạo trên màn hình các (hình đồng màu), thểhiện rất rõ trong những hình ảnh có nền đồng màu và có độ bão hoàmàu cố định (ví dụ ảnh kiểm tra các sọc màu) Độ ổn định các hình

đồng màu trên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fSa và các tần sốquét dòng và mành Mạch điều chế sẽ không xuất hiện trong trờng hợplấy mẫu và mã hoá riêng tín hiệu chói và các tín hiệu số màu

Trong trờng hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp cho hệ NTSC,PAL thì việc chọn giá trị tần số lấy mẫu fSa tối u sẽ đơn giản Thờng thìtần số fSa chọn bằng hàm bậc ba của tần số fSC:

fSC/PAL = 3 fSC = 13,3085625MHz > 2 fgh/PAL; fgh/PAL = 5 hoặc5,5MHz

fSa/NTSC = 3 fSC = 10,738635MHz > 2 fgh/NTSC; fgh/NTSC = 4 hoặc4,2MHz

Nếu chọn fSa = 4 fSC thì sẽ cho chất lợng hình ảnh khôi phục rất tốt.Tuy nhiên nó sẽ làm tăng tốc độ bit tín hiệu số, dẫn đến lãng phí dảithông (W > 3/4C)

Đối với hệ SECAM tần số lấy mẫu fSa không thể bằng hài cao của tầnmàu fSC bởi vì hệ SECAM sử dụng phơng pháp điều tần FM Việc chọntần số fSa ở đây có nhiều khó khăn hơn

Tín hiệu video số tổng hợp màu còn mang đầy đủ những khiếmkhuyết của tín hiệu video tơng tự, nhất là hiện tợng can nhiễu chóimàu Do đó, trong những năm sau này, ngời ta thờng sử dụng phơngpháp số hoá tín hiệu video thành phần

Nhiều cuộc tranh luận về tiêu chuẩn video số trong đó có việc xác

định giá trị tần số lấy mẫu đã xảy ra tại Hội nghị Quốc tế về phátthanh truyền hình trong những năm 1972 đến 1981 Tần số lấy mẫucàng tăng thì chất lợng video càng cao Tuy nhiên, tần số lấy mẫu càngtăng thì đòi hỏi thiết bị, đờng truyền phải có dải thông rộng và các bộnhớ dung lợng lớn Chi phí toàn hệ thông do vậy tăng lên nhiều lần Quanghiên cứu và thực nghiệm ngời ta rút ra tần số lấy mẫu thích hợp nằmtrong khoảng từ 12MHz đến 14MHz

lu công trí lớp TC4 – NĐ39

Số hoá tín hiệu video số tổng hợp có u điểm là tốc độ bit thấp sovới phơng pháp số hoá tín hiệu video thành phần, điều này có nghĩa làlợng băng từ sử dụng trong máy ghi hình hạn chế hơn Tuy nhiên tínhiệu số tổng hợp còn bộc lộ nhiều nhợc điểm trong quá trình xử lý số,tạo kỹ xảo, dựng hình.

II.2.2 Tín hiệu video thành phần (Componet Video Signal).

Với tín hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thờng đợc hiển thịthông qua tỷ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu chói và tần số lấy mẫu cáctín hiệu màu Ví dụ 14:7:7 là tỷ lệ lấy mẫu ứng với tần số lấy mẫu tínhiệu chói là 14MHz và hai tín hiệu màu là 7MHz Hệ tín hiệuống dùngtiêu chuẩn 14:7:7 với 8bit/mẫu cho ta tốc độ bit bằng 244 Mbps lớn hơntốc độ bit hệ 12:4:4 là 40% và 12:6:6 là 17%

4:2:2 là tiêu chuẩn trong đó tỷ số giữa tần số lấy mẫu của các tínhiệu video thành phần Y/CB/CR = 4:2:2 Theo quy định (EBU tech, 3267)các tần số lấy mẫu tơng ứng với các tín hiệu thành phần bằng (ở đây

sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao):

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

13,5MHz = 864fH đối với chuẩn 525 dòng (fH = 15750Hz)

Tần số lấy mẫu quyết định tối đa của dải phổ tín hiệu TheoShannon và Nyquist, tần số lấy mẫu tối thiểu phải bằng hai tần số caonhất của tín hiệu Nh vậy với tần số lẫy mẫu nh trên bé rộng của các dải