Bài giảng Kỹ thuật Audio và Video số - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bài giảng Kỹ thuật Audio và Video số cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan về hệ thống thông tin số, Số hóa tín hiệu audio, Số hóa tín hiệu video. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của bài giảng.

Lời nói đầu

Tập bài giảng “Kỹ thuật audio và video số” là tài liệu tiếp theo của giáo trình

Kỹ thuật audio và video tương tự Đây là một trong những môn học chuyên nghành trong chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Tài liệu này trình bày những vấn đề cơ bản nhất về Kỹ thuật Audio và Video số, bao gồm ba chương Chương một giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin số nói chung và truyền hình số nói riêng Trong đó có nêu các đặc điểm của thông tin số, các

ảnh hưởng của kênh truyền dẫn liên tục, các ưu điểm nổi bật của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự và các chuẩn phát thanh truyền hình số

Chương hai trình bày những vấn đề cơ bản của số hóa tín hiệu audio Trong đó mô tả các bước của quá trình chuyển đổi tín hiệu audio tương tự sang tín hiệu audio số Trong phương pháp mã hóa, giới thiệu tương đối chi tiết phương pháp mã hóa theo tiêu chuẩn AES/EBU Cuối chương giới thiệu về các tiêu chuẩn nén tín hiệu audio, như MPEG-1, MPEG - 2, AC - 3 và đặc biệt là các kỹ thuật nén audio chất lượng cao MP3

và ACC

Chương ba trình bày các vấn đề cơ bản về số hóa tín hiệu vdeo Trong đó bao gồm cả số hóa tín hiệu video tổng hợp và số hóa tín hiệu video thành phần Mỗi phương pháp lại đưa ra một tiêu chuẩn lấy mẫu riêng biệt với các cấu trúc lấy mẫu tương ứng Mỗi chuẩn đều phân tích mối quan hệ giữa tín hiệu tương tự với tín hiệu số trong các dòng, mành tích cực và trong khoảng xóa dòng, xóa mành Trong chương này còn giới thiệu các kỹ thuật nén tín hiệu video, kỹ thuật điều chế số cơ sở, khái quát

về tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T và dự kiến lộ trình chuyển đổi công nghệ truyền hình số của Việt Nam Cuối chương giới thiệu về các phương pháp truyền dẫn truyền hình số

Tập bài giảng được biên soạn dựa trên những tài liệu khá tiêu biểu về kỹ thuật audio và video số như mục tài liệu tham khảo đã liệt kê Trong quá trình biên soạn tài liệu, không thể tránh khỏi các thiếu sót Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn và tiếp thu các ý kiến đóng ghóp của các đồng nghiệp và bạn đọc

Th.s Trần Thái Sơn

Mục lục

Lời nói đầu 1

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin số 5

1.1 Các đặc điểm của thông tin số 5

1.2 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số 6

1.3 Các ảnh hưởng của kênh liên tục 8

1.3.1 Hiện tượng xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI) 9

1.3.2 Méo tuyến tính 12

1.3.3 Méo phi tuyến 14

1.3.4 Pha-đing 16

1.3.5 Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền 18

1.4 Ưu nhược điểm của tín hiệu số 21

1.4.1 Ưu điểm 21

1.4.2 Nhược điểm 21

1.5 Các chuẩn phát thanh- truyền hình số 22

1.6 Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin số 22

1.7 Dịch vụ, mạng viễn thông và môi trường truyền 25

1.7.1 Các dịch vụ 25

1.7.2 Mạng viễn thông 26

1.7.3 Các môi trường truyền 28

Câu hỏi ôn tập chương 1 29

Chương 2 Số hoá tín hiệu audio 30

2.1 Khái quát về audio số 30

2.1.1 Đặc điểm 30

2.1.2 Ưu điểm của tín hiệu Audio số 31

2.1.3 Các thông số kỹ thuật 31

2.1.4 Sơ đồ khối hệ thống audio số 32

2.2 Nguyên tắc chuyển đổi A/D 33

2.2.1 Sơ đồ khối 33

2.2.2 Lấy mẫu 33

2.2.4 Mã hóa 41

2.3 Đồng bộ audio 50

2.3.1 Đồng bộ giữa các tín hiệu audio số 51

2.3.2 Đồng bộ giữa tín hiệu audio số và tín hiệu video số .52

2.4 Các chuẩn nén Audio số 57

2.4.1 Cơ sở nén audio số 57

2.4.2 Kỹ thuật nén số liệu audio 58

2.4.3 Các tiêu chuẩn nén 60

2.4.4 Các kỹ thuật nén audio chất lượng cao MP3 và ACC 68

Câu hỏi ôn tập chương 2 75

Chương 3 Số hoá tín hiệu video 76

3.1 Giới thiệu truyền hình số và ảnh số 76

3.1.1 Hệ thống truyền hình số 76

3.1.2 Đặc điểm truyền hình số 78

3.1.3 ảnh số 80

3.2 Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (A/D) 82

3.2.1 Nguyên tắc của bộ chuyển đổi A/D 82

3.2.2 Các phương pháp chuyển đổi A/D 84

3.3 Số hóa tín hiệu video 91

3.3.1 Lấy mẫu tín hiệu video 91

3.3.2 Lượng tử hoá tín hiệu video 98

3.3.3 Mã hoá 102

3.4 Số hoá tín hiệu video tổng hợp 111

3.4.1 Khái quát 111

3.4.2 Tiêu chuẩn 4fsc NTSC 112

3.4.3 Tiêu chuẩn 4fsc PAL 119

3.5 Số hoá tín hiệu video thành phần 127

3.5.1 Khái quát 127

3.5.2 Các chuẩn lấy mẫu 128

3.5.3 Lấy mẫu tín hiệu video thành phần 132

3.5.5 Cấu trúc lấy mẫu 141

3.5.6 Ghép dòng số liệu phân chia theo thời gian 144

3.5.7 Tín hiệu chuẩn thời gian 147

3.5.8 Dữ liệu phụ 151

3.5.9 Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản CCIR-601 152

3.6 Kỹ thuật nén tín hiệu video 154

3.6.1 Khái quát về nén tốc độ dòng bit 154

3.6.2 Mô hình nén video 155

3.6.3 Các tham số 155

3.6.4 Các phương pháp nén video 160

3.6.5 Các chuẩn nén video 191

3.7 Kỹ thuật điều chế số cơ sở 200

3.7.1 Kỹ thuật điều chế M-PSK 200

3.7.2 Kỹ thuật điều chế M-QAM 202

3.8 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T 204

3.8.1 Dự kiến lộ trình chuyển đổi công nghệ truyền hình số của Việt Nam 204

3.8.2 Tiêu chuẩn DVB-T 208

3.8.3 Khái quát OFDM 210

3.9 Các phương thức truyền dẫn truyền hình số 216

3.9.1 Truyền hình cáp 216

3.9.2.Truyền hình số mặt đất 217

3.9.3 Truyền hình số qua vệ tinh 218

3.9.4 Truyền hình và đa truyền thông 219

Câu hỏi ôn tập chương 3 223

Tài liệu tham khảo 225

Chương 1 tổng quan về hệ thống thông tin số

1.1 Các đặc điểm của thông tin số

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từ nơi này đến nơi khác Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần được chuyển tới) dưới dạng các bản tin Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hoặc rời rạc, tương ứng chúng ta có các nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể là một tập hữu hạn Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi là tín hiệu Có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau tuỳ theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, thí dụ như cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng Tuỳ theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền tải tin tức trong các hệ thống truyền tin là các tín hiệu tương tự (analog) hay số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin tương tự hay thông tin số

Đặc điểm căn bản của một hệ thống tín hiệu tương tự (đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với bản tin như nó đã được sản sinh

ra từ nguồn tin) là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục một giải nào đó Thêm vào đó, thời gian tồn tại của các tín hiệu tương tự là một giá trị không xác định

cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra Tín hiệu analog

có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tuỳ theo theo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian

Tín hiệu điện thoại ở lối ra của một micro là một thí dụ điển hình về tín hiệu tương tự liên tục, trong khi đó tín hiệu điều chế theo phương pháp điều biên xung (PAM: Pulse Amplytude Modulation) của chính tín hiệu từ lối ra micro nói trên là một tín hiệu tương tự rời rạc Trong trường hợp nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn (M) các tin thì các bản tin này có thể đánh số được và do vậy thay vì truyền đi các bản tin ta chỉ cần truyền đi các ký hiệu (symbol) là các con số tương ứng với các bản tin đó Tín hiệu khi đó chỉ biểu diễn các con số (các ký hiệu) và được gọi là tín hiệu số Đặc trưng căn bản của tín hiệu số là:

 Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị

 Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu là TS(viết tắt của Symbol time - interval: Thời gian của một ký hiệu)

 Tín hiệu số có thể nhận M giá trị khác nhau Trong trường hợp M = 2 ta có hệ thống thông tin nhị phân, trong trường hợp tổng quát ta có hệ thống thông tin M mức

 So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số khả năng vượt trội Thứ nhất là có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng sau từng cự ly nhất định nên tạp âm tích lũy có thể loại trừ được, nghĩa là các tín hiệu số mạnh hơn

đối với tạp âm so với tín hiệu analog; Thứ hai, tín hiệu số có tính tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại, nên có khả năng khai thác, quản lý và bảo trì hệ thống một cách tự động cao; Thứ ba, tín hiệu số có thể sử dụng để truyền tải khá dễ dàng mọi loại bản tin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho viêc hợp nhất các mạng thông tin tuyền đưa các loại dịch vụ thoại hay số liệu thành một mạng duy nhất

Nhược điểm căn bản của hệ thống thông tin số là phổ chiếm của tín hiêụ số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so với phổ của tín hiệu tương tự Do các hạn chế về kỹ thuật hiện nay, phổ chiếm của các tín hiệu số còn tương đối lớn, tuy nhiên trong tương lai khi các kỹ thuật số hoá tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được áp dụng thì phổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục

1.2 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số

Hệ thống thông tin số là tập hợp các phương tiện bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm được sử dụng để truyền tín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo khuôn thông tin ở phần thu hệ thống thông tin số

Có rất nhiều hệ thống thông tin số khác nhau tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn như các

hệ thống truyền dẫn số qua vệ tinh viễn thông, các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất, các hệ thống vô tuyến di động, các hệ thống thông tin dùng cáp đồng trục, cáp xoắn hay cáp sợi quang học

Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin số là các tín hiệu được truyền và xử lý bởi hệ thống là các tín hiệu số, nhận các giá trị từ một tập hữu hạn các phần tử, thường

được gọi là bảng chữ cái Các phần tử tín hiệu này có độ dài hữu hạn xác định TS, trong các hệ thống thông tin số hiện nay, nói chung độ dài TS là như nhau đối với mọi phần

tử tín hiệu Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công tác, môi trường truyền dẫn Tuỳ theo loại hệ thống thông tin số thực

tế, hàng loạt chức năng xử lý tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụng nhằm thực

hiện việc truyền đưa tín hiệu số một cách hiệu quả về phương diện băng tần chiếm cũng như công suất tín hiệu

Hình 1 1 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số

Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối hệ thống (hình 1.1) Trong sơ đồ khối này, các thuật toán cơ bản xử lý tín hiệu bao gồm:

 Tạo khuôn dạng tín hiệu, thực hiện biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số thành chuỗi các bít nhị phân (có tốc độ v1 “bít/s”)

 Mã hoá nguồn tín hiệu, thực hiện nén tín hiệu nhằm giảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số (tốc độ v2v1)

 Mã hoá mật, thực hiện mã chuỗi bít theo một khoá xác định nhằm bảo mật tin tức (có tốc độ v3 = v2)

 Mã hoá kênh nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của đường truyền dẫn ( có tốc độ v4v3)

 Ghép kênh, nhằm tăng hiệu quả của đường truyền và thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn (tốc độ v5v4)

 Điều chế số, thực hiện ánh xạ chuỗi bít đầu vào thành chuỗi tín hiệu dạng sóng

để truyền đi xa

 Trải phổ, nhằm chống nhiễu và bảo mật tin tức

Đa truy nhập Máy phát

Kênh truyền

Máy thu

Đa truy nhập

Giải trải phổ

Giải

điều chế

Phân kênh

Giải mã

kênh

Giải mã

mật

Giải mã

 Đa truy nhập, cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu

 Máy phát đầu cuối, thực hiện các chức năng trộn và đưa tín hiệu lên giải tần số công tác (khuyếch đại bù đắp tổn hao, lọc để chia xẻ băng tần, chống nhiễu và bức xạ

ra môi trường truyền)

 Môi trường truyền gồm các loại: Vô tuyến hay hữu tuyến (bao gồm cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp quang)

 Đồng bộ, bao gồm đồng bộ định thời (đồng bộ đồng hồ) và đồng bộ sóng mang (đồng bộ pha sóng mang thu, phát) đối với các hệ thống thông tin liên kết

Các khối nhánh bên dưới (phần thu) thực hiện các thuật toán xử lý ngược với các khối tương ứng ở nhánh trên (phần phát)

1.3 Các ảnh hưởng của kênh liên tục

Phần trên chúng ta đã xem xét một cách tổng quan về hệ thống thông tin số trên kênh liên tục với các giả định lý tưởng Các tác động của nhiễu từ bên ngoài được bỏ qua và chỉ xét tới tác động của tạp âm nhiệt trắng chuẩn (AWGN) tồn tại một cách cố hữu trong kênh Trong thực tế các ảnh hưởng của kênh liên tục đến hệ thống truyền dẫn số, mà các tác động của chúng là rất phức tạp Trong đó những ảnh hưởng cơ bản

sẽ được đề cập tới là: Sự hạn chế về băng tần truyền dẫn, méo tuyến tính, méo phi tuyến, pha-đinh, can nhiễu và các tác động khác của đường truyền

Hình 1.2 Mô hình kênh liên tục

 

s t

T(f) s(t) fo

To(f)

Zo(t)  fo

R(f) Hc(f)

(AWGN) n(t) fo HP

Lọc phối hợp Lấy mẫu

Máy thu tối ưu

i t

s 1

  1

M i i

đặc tính đường truyền dẫn Hc(f) có thể có những ảnh hưởng đặc biệt đối với chất lượng truyền dẫn như pha-đinh chọn lọc tần số trong các hệ thống vi ba số

Các tác động cơ bản có thể kể ra là: Các tầng dãy thứ nhất gây ra méo tuyến tính (linear distortion); Bộ công suất HPA gây ra méo phi tuyến (non linear distortion); Các tầng từ dãy thứ hai trở đi sẽ phát sinh ra nhiễu, trong đó có hai loại nhiễu cơ bản, đó là nhiễu đồng kênh (CCI: Co Channel Interference) và nhiễu khác kênh (ACI: Adjust Channel Interference)

1.3.1 Hiện tượng xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI)

Như trên đã phân tích, các tín hiệu số (các symbol) truyền trên kênh được xem như không ảnh hưởng lẫn nhau với giả định băng tần truyền dẫn của kênh liên tục là vô hạn Trong phần này chúng ta sẽ xem xét những vấn đề nảy sinh khi truyền dẫn chuỗi tín hiệu số trên các kênh có băng tần hạn chế (hình 1.3) Trong thực tế, băng tần truyền dẫn không phải là vô hạn do con người chưa tận dụng được hết trục tần số để truyền tín hiệu sóng điện từ Băng tần truyền dẫn là một tài nguyên quý và hiếm hoi, buộc phải chia sẻ cho nhiều đối tượng cùng sử dụng Để hạn chế phổ tần nhằm tăng số lượng hệ thống có thể công tác trên một băng sóng cho trước, người ta sử dụng các mạch lọc

Mỗi một symbol được hình thành từ k bít và có thời gian tồn tại bằng k lần thời gian tồn tại của một bít, do vậy các dạng sóng điều chế dùng để truyền chúng cũng có

độ dài hữu hạn bằng độ dài của k bít: TS=kTb, trong đó TS và Tb lần lượt là độ dài của một symbol và của một bít Do dạng sóng có độ dài hữu hạn, phổ của chúng (nhận

được thông qua biến đổi Fourier) sẽ trải ra vô hạn trên miền tần số Giả thiết điều kiện môi trường truyền là lý tưởng Xét trường hợp đơn giản song không mất đi tính tổng quát, tín hiệu lối vào bộ lọc được cho bởi:

s(t)= K  S

Giả thiết bộ tạo xung cho ra các xung đirắc và có phổ như hình 1.4 a Các xung

đirắc này có biên độ thay đổi tuỳ theo sự thay đổi các giá trị mk qua bộ lọc phát tới kênh truyền Hàm truyền tổng cộng của hệ thống là tích hai đặc tính của hai bộ lọc phát và thu:

H     f T f R f F1 hT   t hR t

(1.2) W t  AK.tKTS  h t (1.3) =  A K ( t KT S )* ( ) h t  A h t KT K ( S )

Tại t = 0, xét K = 0 thì tín hiệu lối ra của tầng lấy mẫu sẽ là:

W(0)= A K h0  KT S A K h KT S A 0 h 0  A k ht  kT S (1.5) Như vậy, do ở đầu ra phổ tín hiệu thu được bị hạn chế bởi đặc tính lọc của hệ thống nên tín hiệu thu được của một symbol (chưa kể đến tạp âm) sẽ trải ra vô hạn về mặt thời gian Điều đó dẫn đến việc tại đầu thu các symbol truyền kế tiếp nhau sẽ chồng lấn lên nhau về thời gian và gây nhiễu lẫn nhau Hiện tượng này trong truyền dẫn tín hiệu số được gọi là xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI: Inter Symbol Interference)

và được mô tả trên hình 1.4 b Sự tồn tại của ISI làm cho tín hiệu thu bị méo và tin tức

có thể bị nhận sai Tại thời điểm lấy mẫu t = KTS giá trị của tín hiệu thu được ở lối ra mạch lấy mẫu của máy thu có thể vượt ngưỡng quyết định và tín hiệu sẽ bị quyết

định nhầm

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể truyền chuỗi tín hiệu số trên kênh có băng tần hạn chế mà không có ISI Điều kiện để truyền tín hiệu số trên kênh không có ISI là:

)0(,0

,1

KKTt

Kt

S (1.6) Biểu thức (1.6) được gọi là tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất Trong trường hợp này ta

có đồ thị như hình 1.4 c (không còn hiện tượng chồng lấn lên nhau về thời gian) Nếu mất đồng bộ sẽ sinh ra ISI Dưới tác động của ISI chòm sao tín hiệu thu xuất hiện dưới dạng M cụm điểm chứ không phải là M điểm đơn như phần phát ( và được mô tả chi tiết ở hình 1.9)

Hình 1.4 a) Đáp ứng xung; b) Phổ tín hiệu trong trường hợp có ISI;

c) Phổ tín hiệu trong trường hợp không có ISI

(b)

0ISI

A1

=-1

(c)

0

1.3.2 Méo tuyến tính

1.3.2.1 Khái quát về méo tuyến tính

Méo tuyến tính là méo tín hiệu gây nên bởi các phần tử tuyến tính trên kênh Nhiều kênh thông tin như các kênh vô tuyến, kênh thoại có thể được đặc trưng một cách tổng quát như các bộ lọc tuyến tính có băng thông hữu hạn Các kênh này được mô tả bằng hàm truyền của chúng và được biểu diễn như sau:

H f( ) H f e( ) i f  ( ) (1.7) Trong đó H f( ) được gọi là đáp ứng biên độ còn ( ) f được gọi là đáp ứng pha Một đặc trưng khác đôi khi cũng được sử dụng thay thế cho đáp ứng pha là trễ

đường bao hay trễ nhóm được định nghĩa:

là một hàm tuyến tính của tần số (hoặc trễ đường bao D f ( ) không đổi) trong độ rộng băng chiếm bởi tín hiệu phát W Ngược lại, nếu | ( ) | H f và D f ( )không phải là hằng số trong độ rộng băng chiếm bởi tín hiệu phát, kênh sẽ gây ra méo tín hiệu Nếu | ( ) | H f

không phải là hằng số, méo được gọi là méo biên độ, còn nếu D f ( ) thay đổi, méo đối với tín hiệu đã truyền đi được gọi là méo trễ

1.3.2.2 Các nguồn gây méo tuyến tính

Các nguyên nhân gây méo tuyến tính cơ bản phải kể đến là do chế tạo các mạch lọc không hoàn hảo và do tác động của môi trường truyền dẫn

Giả sử : HT   f HR f  HRC f (1.12) Nếu: HC f 1 với fW ta có sơ đồ hệ thống như ở hình 1.5

Hình 1.5 Hệ thống truyền với mạch lọc chế tạo không hoàn hảo

Khi đó hàm truyền của tổng hệ thống là:

+ Đặc tuyến biên độ tương đối bằng phẳng

+ Đặc tuyến pha ( ) f không đổi

+ Đặc tuyến biên độ thấp dần và gợn sóng dẫn đến méo trên đường truyền + Độ trễ nhóm D(f) const làm cho các thành phần tần số có trong băng tín hiệu

sẽ tới đích vào các thời điểm khác nhau dẫn đến méo trễ do đó gây ra méo tín hiệu

2) Môi trường truyền

Khi môi trường truyền dẫn là dây kim loại thì đặc tính tổn hao lớn, tần số của tín hiệu truyền càng cao thì tổn hao càng nhiều Đối với cáp sợi quang, về mặt lý thuyết độ rộng băng tần là vô hạn, nhưng trên thực tế khi truyền ánh sáng vào sợi quang thì sẽ

H T (f) H C (f) H R (f)

n(t)

Nơi nhận tin

Nguồn

Quyết định

rộng bằng không và phổ của nó trải rộng trên miền tần số) từ đầu vào, thì ở đầu ra các xung sẽ lấn sang nhau dẫn đến việc hình thành ACI Nếu truyền trong môi trường chân không hoặc không gian tự do không có phản xạ sóng, không có chướng ngại che chắn thì băng thông được coi là vô hạn

Khi truyền trong bầu khí quyển sát mặt đất, do mật độ khí quyển giảm theo độ cao dẫn đến việc hình thành những vi lớp khí với các chỉ số chiết suất khác nhau Điều này dẫn đến hiện tượng khúc xạ làm cho sóng đi theo đường cong Do sự biến đổi theo thời gian của tầng khí quyển làm cho các tia sóng cũng bị biến đổi theo thời gian Mặt khác do có sóng phản xạ từ mặt đất, nên cả hai nguyên nhân này kết hợp lại làm cho sóng đi theo nhiều đường khác nhau, hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường Truyền sóng đa đường gây ra sự thăng giáng ngẫu nhiên của cường độ điện trường tại

điểm thu, cho nên hiện tượng này còn được gọi là pha-đinh đa đường

1.3.3 Méo phi tuyến

1.3.3.1 Nguồn gây méo phi tuyến

Hình 1.6 a) Đặc tuyến bộ khuếch đại; b) bộ trộn; c) bộ hạn biên

Méo phi tuyến là méo dạng tín hiệu gây bởi các phần tử phi tuyến trên kênh Tính phi tuyến của kênh truyền có thể gây bởi nhiều loại mạch điện trong hệ thống như các bộ khuyếch đại, các bộ trộn tần, hạn biên và nhiều loại mạch khác Từ đặc tuyến

bộ khuyếch đại trên hình 1.6 a, ta thấy các đặc tuyến không đồng đều Đối với đặc tuyến biên độ thì khi biên độ càng lớn công suất càng giảm Với đặc tuyến pha thì biên

độ càng lớn càng méo pha Đối với các bộ khuyếch đại công suất nhỏ và vừa thì độ phi tuyến không đáng kể và hoàn toàn có thể bỏ qua méo phi tuyến vì lúc này đường đặc tuyến tương đối thẳng Trong khi đó các bộ khuyếch đại công suất lớn điểm làm việc là đoạn cong, do đó không thể bỏ qua méo phi tuyến Đối với mạch trộn, đặc

cho phép bỏ qua méo phi tuyến Với mạch hạn biên, khi đặc tuyến công tác vượt quá ngưỡng thì biên độ lối ra không thay đổi cũng sẽ dẫn đến méo phi tuyến (hình 1.6 c) 1.3.3.2 Tác động của méo phi tuyến tới các loại tín hiệu khác nhau

Đối với các tín hiệu có đường bao không đổi (như M-PSK: M-ary Phase Shift Keying và M-FSK: M-ary Frequency Shift Keying) thì ít nhạy cảm với méo phi tuyến

Đôi khi người ta còn lợi dụng méo phi tuyến để nâng cao chất lượng hệ thống Ví dụ sử dụng mạch hạn biên ở đầu thu nhằm loại bỏ điều biên ký sinh gây ra bởi môi trường truyền Đối với tín hiệu có đường bao thay đổi (như M-QAM: M-ary Quadrrature Amplytude Modulation) thì méo phi tuyến gây méo tín hiệu rất trầm trọng, cụ thể là làm thay đổi sự tương quan về biên độ Do đó, dùng mạch hạn biên ở đầu thu thì sẽ làm mất thông tin Tác động thứ hai là gây méo chòm sao tín hiệu thu Do gây méo chòm sao tín hiệu thu dẫn đến làm giảm khoảng cách cực tiểu d thành d / giữa các điểm tín hiệu trong Constellation và kết quả là làm cho xác suất lỗi bit (BER: Bit error Ratio) tăng lên rất nhiều (hình 1.7)

Hình 1.7 Constellation tín hiệu thu của một hệ thống 16-QAM

dưới tác động của méo phi tuyến

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn số sử dụng HPA

Nơi nhận tin

Tác động thứ ba là gây ra ISI phi tuyến Từ sơ đồ hệ thống truyền dẫn số sử

dụng HPA trên hình 1.8 ta có:

H(f) = T(f) HC(f) R(f) ≠ HRC(f) (1.15)

Do HPA kẹp giữa các mạch lọc phát và mạch lọc thu nên nó phá vỡ việc thoả mãn

tiêu chuẩn Nyquist 1 của hệ thống, dẫn đến ISI ảnh hưởng của ISI được minh hoạ trên

hình 1.9 Đối với 4-PSK thì biểu đồ (Constellation) tín hiệu thu có dạng như hình 1.9 a,

còn đối với 16-QAM thì Constellation tín hiệu thu có dạng như hình 1.9 b, (do tính đối

xứng ở đây chỉ biểu diễn một góc phần tư thứ nhất của không gian tín hiệu)

Hình 1.9 a) Constellation của tín hiệu thu 4-PSK

b) Constellation của tín hiệu thu 16-QAM

1.3.4 Pha-đinh

Pha-đinh là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên của tín hiệu tại điểm thu đối với

các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

1.3.4.1 Pha-đinh trong các hệ thống vô tuyến

Các yếu tố gây pha-đinh đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất bao gồm:

+ Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóng ngắn

+ Sự hấp thụ bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa

+ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí

+ Sự phản xạ từ bề mặt trái đất, đặc biệt khi có bề mặt nước và sự phản xạ

sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển dẫn tới sự truyền lan đa đường

Sự phản xạ tán xạ và nhiễu từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ,

gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng

1.3.4.2 Pha-đinh đa đường chọn lọc theo tần số

Đối với các hệ thống vô tuyến số dung lượng tương đối cao (>70 Mb/s), băng tần tín hiệu khá rộng, sự phụ thuộc vào tần số của suy hao pha-đinh đa đường trong suốt độ rộng băng tín hiệu trở nên rõ rệt và do vậy được gọi là pha-đinh đa đường chọn lọc theo tần số

Méo tín hệu do pha-đinh đa đường mạnh có thể tạo ra ISI rất lớn dẫn đến gián

đoạn liên lạc (BER>10-3), thậm trí trong điều kiện không tính đến tạp nhiễu Hơn nữa, pha-đinh đa đường trên các tuyến vô tuyến chuyển tiếp số LOS (Line Of Sight) xảy ra khá thường xuyên và trở nên một nguồn chính dẫn đến gián đoạn liên lạc Loại gián

đoạn liên lạc này, không thể loại bỏ được bằng cách tăng lượng dự trữ pha-đinh phẳng, tức là không thể loại bỏ bằng cách tăng công suất phát được

Trường hợp độ rộng băng tín hiệu lớn dẫn đến phổ tín hiệu nhận được bằng:

     f H f H f H  fH

Do  f 1 dẫn đến sự tồn tại của ISI và làm méo tín hiệu Như vậy khi phổ tín hiệu lớn dẫn đến pha-đinh chọn lọc theo tần số và mặc dù có AGC đi chăng nữa thì dạng phổ vẫn không phải là dạng cosine nâng dẫn đến méo tín hiệu

Trường hợp w bé thì hàm truyền kênh vô tuyến HC f xem như là phẳng vì nó thăng giáng như nhau đối với mọi thành phần tần số và có thể khắc phục dễ dàng bằng mạch AGC Vì vậy không phát sinh ra ISI

Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền sóng có thể biểu diễn được dưới dạng:

Hệ số suy hao pha-đinh A(t, f) là hàm của các biến thời gian t và tần số f Tuy nhiên trong một số trường hợp, sự phụ thuộc tần số là không đáng kể (tức là suy hao

pha-đing hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần tín hiệu dụng của tín hiệu), khi đó pha-đinh được gọi là pha-đinh phẳng (flat fading) hay pha-đinh không chọn lọc theo tần số (nonselective fading)

Trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, pha-đinh đa đường chọn lọc theo tần số là một nguyên nhân gây méo tuyến tính đặc biệt quan trọng Đặc tính thống kê của pha-đinh đa đường chọn lọc theo tần số cũng đã được nghiên cứu rất kỹ trong chừng bốn thập kỷ vừa qua Các mô hình kênh pha-đinh nhiều tia tiêu biểu là mô hình kênh ba tia tổng quát và mô hình kênh ba tia đơn giản hoá nổi tiếng, đã được chấp nhận sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế do Rummler đưa ra

1.3.5 Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền

1.3.5.1 Can nhiễu

Khi truyền dẫn tín hiệu trên kênh liên tục thì hệ thống luôn bị tác động không mong muốn của các tín hiệu lạ từ bên ngoài vào, các tín hiệu này được gọi là nhiễu Các can nhiễu thường được mô tả như một tác động của kênh truyền Sự xuất hiện của can nhiễu làm giảm chất lượng truyền dẫn Can nhiễu được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hai nguồn chính là tự nhiên và nhân tạo

Nguồn can nhiễu tự nhiên gồm nhiễu vũ trụ, xáo động khí quyển Can nhiễu nhân tạo xuất hiện từ các hệ thống truyền dẫn khác như nhiễu công nghiệp, nhiễu từ các kênh lân cận trên cùng một tuyến, nhiễu từ kênh sử dụng cùng tần số Ngoài ra, chất lượng truyền dẫn còn bị suy giảm bởi các hài của nguồn nuôi do các thiết bị có

đặc tính không hoàn hảo, các sản phẩm xuyên điều chế do méo phi tuyến

Có ba loại nhiễu quan trọng nhất tác động đến hệ thống truyền dẫn là: Nhiễu

đồng kênh, nhiễu từ các kênh lân cận và các sản phẩm xuyên điều chế

động, để tiết kiệm phổ tần thì người ta tái sử dụng các tần số ở các tế bào khác nhau Khi đó thì nhiễu giữa các tín hiệu có cùng tần số từ các tế bào này gây ra CCI Trong khi đó đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số, người ta tiết kiệm phổ bằng cách gửi đi các tín hiệu trên hai phân cực sóng khác nhau ở cùng một tần số với sự hỗ trợ của bộ triệt xuyên nhiễu phân cực chéo có độ phân biệt phân cực lớn Dưới tác động của pha-đing mạnh, độ phân biệt phân cực thường giảm khá mạnh, đây cũng là một nguyên nhân gây ra CCI

Nhiễu kênh lân cận (ACI) là nhiễu giữa các tín hiệu ở tần số lân cận nhau trong cùng một hệ thống lớn hoặc là nhiễu từ các hệ thống vô tuyến khác loại ACI có thể phân loại thành nhiễu trong băng (inband) hoặc nhiễu ngoài băng (out of band) Nhiễu trong băng là nhiễu mà thành phần tần số trung tâm của băng thông tín hiệu nhiễu rơi vào trong băng thông của tín hiệu hữu ích

Nhiễu ngoài băng là nhiễu mà thành phần tần số trung tâm của băng thông tín hiệu nhiễu rơi ra ngoài băng thông của tín hiệu hữu ích Nguyên nhân gây ra ACI là do chế tạo bộ lọc của máy thu không hoàn hảo cho phép các tần số lân cận lọt vào băng thông của tín hiệu hữu ích ACI làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp, do đó làm giảm dung lượng và chất lượng dịch vụ của hệ thống

Nhiễu xuyên điều chế (IM: Interference Modulator) được tạo ra khi hai hay nhiều tín hiệu kết hợp với nhau tạo thành các tín hiệu mới Nguyên nhân gây ra IM là

do tính phi tuyến của các mạch điện trong hệ thống truyền dẫn Giả sử phát tín hiệu gồm hai thành phần tần số là f1 và f2, các sản phẩm điều chế chéo IM tiềm năng là:

IM bậc 2 gồm các thành phần 2 ,2 ,f f f f1 2 1 2, IM bậc 3 gồm các thành phần

1, ,22 1 2,2 1 2

f f f f f f và 2f2 f f1,2 2 f f f1,3 ,31 2 Như vậy sẽ có những sản phẩm IM rơi vào trong băng tín hiệu, lượng này tương đương với một lượng tạp âm phi tuyến Dưới tác động của méo phi tuyến đến bậc ba thì phổ của tín hiệu bị mở rộng quãng ba lần và có thể gây nhiễu cho các kênh lân cận

1.3.5.2 Các tác động khác của đường truyền

Trong các hệ thống truyền dẫn số thì kênh truyền có đặc tính phức tạp nhất là kênh thông tin di động Kênh này có đặc tính biến đổi theo thời gian do sự chuyển

động của máy di động và tốc độ bít trong thông tin di động là khá nhỏ Số tia sóng truyền tới ăng-ten máy di động lớn và nói chung thường không có tia nhìn thẳng (LOS)

xuất cho kênh vô tuyến di động trong các trường hợp khác nhau Có hai tác động gây

ra bởi sự chuyển động của máy di động là: Hiệu ứng Doppler và trải trễ

1).Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu đã

được phát đi Khi máy phát và máy thu chuyển động tương đối so với nhau thì tín hiệu thu bị thay đổi tần số, lượng thay đổi này tỷ lệ với tốc độ của chuyển động và tần số sóng mang Giả sử phát một sóng mang không bị điều chế có tần số fc và máy thu chuyển động với vận tốc v, ký hiệu i là góc giữa hướng của chuyển động và tia sóng tới thứ i Khi đó, tín hiệu thu được theo tia sóng i có tần số bị dịch đi một lượng dịch tần Doppler:

mở rộng phổ của tín hiệu thu

Trong môi trường truyền sóng đa đường, các phần tử tín hiệu đến điểm thu từ các

đường khác nhau với các trễ truyền dẫn khác nhau Trải trễ được định nghĩa là sự khác nhau giữa trễ lớn nhất và trễ nhỏ nhất của các phần tử đa đường này Độ trải trễ có thể xem như độ dài của một tín hiệu thu khi một xung cực hẹp được truyền đi Nếu chúng

ta tiếp tục tăng tốc độ truyền số liệu lên thì đến một lúc nào đó mỗi ký hiệu số liệu sẽ trải hẳn sang các ký hiệu số liệu lân cận, gây ra xuyên nhiễu giữa các ký hiệu ISI

Tóm lại các ảnh hưởng của kênh truyền dẫn như xuyên nhiễu giữa các dấu, méo tín hiệu, pha-đinh, can nhiễu và các tác động khác của đường truyền như hiệu ứng

Doppler, trải trễ…đều này làm tăng tỷ số lỗi ở máy thu, làm suy giảm chất lượng của

hệ thống tuyền dẫn Do đó cần phải có các biện pháp kỹ thuật để khắc phục chúng 1.4 Ưu nhược điểm của tín hiệu số

 Có khả năng thu tốt trong truyền sóng đa đường Tránh được hiện tượng bóng

ma thường xảy ra trong hệ thống truyền hình tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường

 Tiết kiệm được phổ tần do kỹ thuật nén băng tần, tỷ lệ nén có thể lên đến 40 lần

mà hầu như người xem không nhận biết được sự suy giảm chất lượng Từ đó có thể truyền được nhiều chương trình trên một kênh sóng

 Có khả năng truyền hình đa phương tiện, tạo ra loại hình thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch giữa điểm với điểm

1.4.2 Nhược điểm

 Dải thông của tín hiệu tăng do đó độ rộng dải tần của thiết bị và hệ thống truyền lớn hơn nhiều so với tín hiệu tương tự

 Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số của kênh truyền thường phức tạp hơn

 Mạch số có cấu trúc phức tạp nên giá thành thiết bị và hệ thống truyền cao hơn nhiều so với thiết bị tương tự Trong tương lai khi các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI (Large Scale Intergration) và rất lớn VLSI (Very large Scale Intergration) được áp dụng

sẽ làm giảm giá thành đi một cách đáng kể

1.5 Các chuẩn phát thanh- truyền hình số

 ETSI ( The Eropean Telecommunications Standards Institute – Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu)

 ATSC (The Advanced Television Systems Committee – Uỷ ban các hệ thống truyền hình tiên tiến

 DAVIC ( The Digital Audio Visual Counsil –Hội đồng kỹ thuật audio số)

 ECCA (the European Cable Communications Association – Hiệp hội cáp truyền thông Châu Âu)

 W3C (W3 Consotium – Kỹ thuật âm thanh lập thể 3 chiều)

 DVB (Digital Video Broadcasting - Truyền phát tín hiệu video số) bao gồm:

1.6 Các tham số cơ bản của hệ thống thông tin số

Các tham số chủ yếu của hệ thống thông tin số là độ chính xác trong quá trình truyền tin và tốc độ truyền tin Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin số là nhanh chóng và chính xác Tuy nhiên hai yêu cầu này luôn mâu thuẫn với nhau Vì muốn truyền tin chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền và ngược lại, truyền tin càng nhanh thì lỗi truyền tin xảy ra càng nhiều Có nhiều các tổ chức hiệp hội cũng như các uỷ ban đã xác định các tiêu chuẩn về chất lượng mạng viễn thông, về hệ thống thông tin số là:

 Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC: Federal Communications Commission) Xác định các tiêu chuẩn cho các hệ thống theo hệ Bắc Mỹ

 Hội nghị các cơ quan quản lý bưu chính viễn thông châu Âu (CEFT: European Conference of posts and telecommunications) Xác định các tiêu chuẩn hệ châu Âu

 Viện tiêu chuẩn viễn thông châu ÂU (ETSI: European Telecommunications Standards Institude) Xác định các tiêu chuẩn cho các hệ thống theo hệ châu Âu

 Các nhóm nghiên cứu (SG: Study group) của liên minh viễn thông quốc tế (ITU: International Telecommunication Union)

 Các nhóm nghiên cứu của Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế CCIR trước đây, nay

là ITU - R

Các nhóm nghiên cứu này xác lập các tiêu chuẩn dưới hình thức các khuyến nghị cho viễn thông trên toàn cầu, bao gồm cả các hệ thống của Mỹ và châu ÂU Đối với thông tin số, tham số độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỷ lệ lỗi bít (BER: Bit - Eror - Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỷ lệ này tiến tới xác suất lỗi bít Trong thực tế thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bit chỉ gần bằng với xác suất lỗi bít, tuy nhiên nhiều trường hợp thực tế người ta vẫn thường xem và gọi Ber là xác suất lỗi bít Trong nhiều trường hợp ứng với các loại dịch

vụ nhất định, các tham số phát sinh về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng, các giây bị lỗi, các phút suy giảm chất lượng Trong một số

hệ thống thông tin số sử dụng các biện pháp mã hoá hiệu quả tiếng nói như đối với

điện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin còn được thể hiện qua tham

số chất lượng tiéng nói

Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường được

đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho Tóm lại, dung lượng của một hệ thống tuỳ thuộc vào băng tần ruyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu Ngoài các yêu cầu và các tham số nói trên, các hệ thống thông tin số còn có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy

Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số cũng được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bít của hệ thống (BER) và dung lượng truyền dẫn Một tham số liên quan tới dung lượng tổng cộng của hệ thống, thường được dùng hơn để so sánh các hệ thống truyền dẫn số là B.L, với L là cự ly khoảng lặp cần thiết Trong điều kiện kỹ thuật hiện nay, tham số này là khoảng vài trăm Mb/s- km đến một vài Gb/s-km đối với

các hệ thống chuyển tiếp số hay cáp đồng trục và có thể lên tới hàng ngàn Gb/s-km hoặc hơn nữa đối với các hệ thống thông tin quang sợi

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn Khi tập các giá trị

có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bít Khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổng quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol)

Gọi giá trị của symbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk, thì đối với các hệ thống thông thường hiện nay, Tk = T và là hằng số với mọi k ở đầu thu tín hiệu khôi phục là D k và có độ rộng là Tk nếu D k  Dk thì tín hiệu thứ k được gọi là

bị lỗi, nếu Tk  T thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter (rung pha)

Các tham số kỹ thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ lỗi bít (BER) và jitter

Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi bít BER được định nghĩa là:

P với P là xác suất (1.18) Khi Tk = T + T thì  được gọi là jitter, tính theo phần trăm (1.19) Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì

đòi hỏi BER  10-3) nhờ độ dư thừa khá lớn trong ngôn ngữ tiếng nói cũng không thể truyền được Jitter được xem là lớn hơn 5% giá trị đỉnh đỉnh

Ngoài các tham số chất lượng cơ bản nói trên, đối với hệ thống truyền dẫn tín hiệu thoại thì độ giữ chậm truyền dẫn tuyệt đối là một tham số cũng có tầm quan trọng

đặc biệt Độ giữ chậm tuyệt đối càng lớn thì các khó khăn trong hội thoại càng tăng Hiện nay, các giá trị giữ chậm truyền dẫn đi- về vượt quá 400 ms được xem là không thể chấp nhận được nếu như không có những biện pháp hữu hiệu Các hệ thống vô tuyến số mặt đất có độ giữ chậm tuyệt đối nhỏ hơn so với các hệ thống cáp đồng trục,

chậm truyền dẫn đi- về gây bởi việc truyền chuyển tiếp tới quỹ đạo địa tĩnh vào khoảng

560 ms Đây là một ưu điểm nổi bật đối với hệ thống vô tuyến số

1.7 Dịch vụ, mạng viễn thông và môi trường truyền

1.7.1 Các dịch vụ

Các dịch vụ cơ bản được chuyển tải bởi bất kỳ mạng thông tin số nào thường là

điện thoại hoặc truyền số liệu hoặc video Dịch vụ điện thoại hiện được cho là loại dịch

vụ chiếm ưu thế trong hầu hết các mạng thông tin số trong nhiều năm qua và những năm tới Tiếng nói số thường được truyền bằng tín hiệu điều chế mã xung (PCM: Pulse Code Modulation) trong đó tiếng nối được lấy mẫu với tần số 48 kHz và mỗi một mẫu

được mã hoá bằng một tổ hợp mã 8 bit, dẫn đến tốc độ truyền dẫn 64 Kbit/s Các phép thử chủ quan về các sút kém trong truyền dẫn các tín hiệu thoại PCM cho thấy rằng các suy giảm chất lượng bắt đầu nhận thấy được khi tỷ lệ lỗi vượt quá giá trị vào quãng

10-6 Vì vậy giá trị giới hạn này được sử dụng rộng rãi trong các chỉ tiêu chất lượng Do tín hiệu thoại ít nhạy cảm với jitter nên có thể chịu được jitter khá cao Các dạng mã tiếng nói khác hiệu quả hơn hiện đang được đề xuất, đặc biệt là đối với các hệ thống

có băng tần rất hạn chế như các hệ thống điện thoại di động hay đối với các trường hợp chi phí truyền dẫn sẽ quá cao nếu không áp dụng các phương pháp mã hoá hiệu quả hơn như điều chế xung mã vi sai thích nghi (ADPCM: Aditive Difference Pulse Code Modulation) với tốc độ 32 Kbit/s

Truyền số liệu là dịch vụ đang phát triển nhanh chóng trong hầu hết các mạng thông tin Ngoài ra các dịch vụ fax và điện báo truyền chữ truyền thống, các nguồn lưu lượng số liệu chủ yếu có tốc độ tới 64 Kbit/s đang được sinh ra từ quá trình hình thành các mạng máy tính cá nhân, các dịch vụ chuyển khoản điện tử tại nơi bán hàng và thư tín điện tử

Một nguồn lưu lượng số liệu tốc độ 64 Kbit/s khác, có tầm quan trọng sống còn

đối với toàn mạng điện thoại, đó là các tuyến báo hiệu giữa các tổng đài số Số liệu thường được truyền dẫn theo các khối và nhiều kỹ thuật sửa lỗi có thể áp dụng được nhằm khắc phục một số nhỏ các lỗi Các lỗi truyền đã hoặc có thể phát hiện được tại máy thu số liệu, chẳng hạn nhờ việc kiểm tra mã độ dư thừa chu trình (CRQ: Cylic Redundancy Code), rồi tự động yêu cầu truyền lại (ARQ: Automatic Request) các khối dữ liệu bị lỗi, hoặc có thể sửa bằng thuật toán sửa lỗi hướng đi (FER: Forward Error

Các yêu cầu chất lượng đối với các mạch truyền số liệu thường liên quan tới một độ đo nào đó về thông lượng mạng (Network throughput) và số các giây bị lỗi (Error- free seconds) đã được chấp nhận như một tham số tiêu chuẩn Đơn vị tính một giây là thời gian được thoả thuận nhằm bao phủ toàn bộ độ dài khối số liệu cực đại hiện nay, tính tại tốc độ 64 Kbit/s Hình thức tối ưu để truyền các tín hiệu số truyền hình vẫn còn đang được tiếp tục xem xét Mã hoá số đơn giản một tín hiệu hình màu

động dẫn đến tốc độ truyền dẫn khá cao ( quãng 140 Mbit/s) Vì vậy những nỗ lực lớn

đã được thực hiện nhằm phát triển các bộ mã hoá hiệu quả về tốc độ, lợi dụng độ dư thừa trong các tín hiệu video Đối với hệ tiêu chuẩn châu Âu, tốc độ truyền dẫn tín hiệu truyền hình màu là 34 Mbit/s dựa trên các bộ mã hoá tốc độ bít suy giảm và tốc độ 45 Mbit/s là tiêu chuẩn đối với hệ Mỹ nhờ sử dụng phương pháp điều chế xung mã vi sai (DPCM: Diffrential Pulse Code Modulation) kết hợp với mã sửa lỗi

Tác động của các lỗi trong truyền dẫn truyền hình hiển nhiên phụ thuộc vào cả

kỹ thuật mã hoá được ứng dụng lẫn cảm nhận chủ quan của người xem về chất lượng hình ảnh Tỷ lệ lỗi cho phép nằm trong một giải rộng từ 10-4 đến 10-9, tuy vậy các cụm lỗi trầm trọng hoặc các gián đoạn ngắn tới 500 s lại có thể gây ra suy giảm chất lượng hết sức trầm trọng do mất đồng bộ khung hình Nhìn chung các tín hiệu truyền hình rất nhạy cảm với jitter Hầu hết các mạng thông tin hiện nay đều được thiết kế nhằm hỗ trợ cho các loại dịch vụ, vì vậy nhất thiết phải đạt được một sự dung hoà nào đó giữa việc đáp ứng mọi yêu cầu ngặt nghẽo nhất đối với từng loại dịch vụ trong mạng

thế được thiết lập và ấn định với yêu cầu nhằm đáp ứng các cuộc liên lạc từ đầu cuối tới đầu cuối Phần kết nối quốc tế có thể bao gồm cáp đồng trục, cáp sợi quang học (thí

dụ hệ thống thông tin quang quốc tế TAT8 xuyên lục địa dài 7500 Km), vệ tinh viễn thông (Intelsat V) và các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp tốc độ số từ vừa đến lớn Việc thiết kế các hệ thống thực hiện các mạch quốc tế đạt tới các chỉ tiêu chất lượng tối đa trong điều kiện thực tiễn cho phép, thường cho tính kinh tế cao do kế hoạch truyền dẫn trong phần này của kết nối được sử dụng rất hiệu quả Phần quốc tế do đó được xác

định là phần cao cấp

Các hệ thống được sử dụng trong mạng quốc gia giữa các tổng đài nội hạt với nhau và với tổng đài cổng quốc tế có thể cộng tác tại các tốc độ truyền dẫn từ thấp tới cao Các mạng quốc gia này thường bao gồm nhiều tổ hợp khác nhau của các hệ thống truyền dẫn cáp (bao gồm các cáp xoắn đôi, cáp đồng trục, cáp quang) và các hệ thống truyền dẫn vô tuyến ở các nước nhỏ, chất lượng truyền dẫn thường không đồng đều trên toàn mạng quốc gia và chất lượng của mạng quốc gia do đó được xem là trung cấp ở các nước lớn, chất lượng của kết nối quốc gia thường được ấn định bởi các mạch cao cấp tạo nên chất lượng cao cấp đối với toàn mạng quốc gia

Mạng nội hạt bao gồm nhiều kết nối với các cự ly thường ngắn hơn 10 Km Phần này của mạng đòi hỏi đầu tư cơ bản lớn nhất, song lại được sử dụng kém hiệu quả nhất, do đó các hệ thống truyền dẫn chất lượng cấp nội hạt cần phải thấp về giá thành

và đơn giản trong thiết kế Chính do vậy, một tỷ trọng lớn các suy giảm chất lượng truyền dẫn có thể chịu đựng được (tính từ đầu cuối đến đầu cuối) được phân bổ cho mạng nội hạt nhằm tạo điều kiện để có mức chi phí thiết kế và xây dựng thấp nhất

Hiện tại hệ thống truyền dẫn trong mạng nội hạt thường được thực hiện bằng các đôi dây kim loại, do đó xuyên nhiễu giữa chúng làm hạn chế tốc độ cũng như chất lượng truyền dẫn, một khi các đôi dây đó được tái sử dụng để truyền dẫn tín hiệu số Những cơ hội và ứng dụng mới đối với truyền dẫn nội hạt bằng vô tuyến số đang được hình thành mặc dù cho tới nay chúng vẫn chưa cho được hiệu quả giá thành cao hơn

Các hệ thống vô tuyến số điểm tới điểm và điểm tới đa điểm hiện đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn nhằm cung cấp các dịch vụ tốc độ số cao hơn, trực tiếp tới các thuê bao, với kế hoach phát triển thuê bao mềm dẻo hơn và thời gian cung cấp dịch vụ ngắn hơn so với việc phải đặt các cáp mới

1.7.3 Các môi trường truyền

Ba loại môi trường truyền dẫn số sẽ chiếm ưu thế trong các mạng truyền dẫn tương lai là các hệ thống dùng sợi quang đơn, vô tuyến chuyển tiếp mặt đất và vô tuyến qua vệ tinh Cùng với các hệ thống cáp xoắn đôi và cáp đồng trục, các hệ thống cáp sợi quang học thuộc về lớp các hệ thống hữu tuyến cũng đang được sử dụng Các hệ thống sợi quang thường được thiết kế để làm việc với mức vài dB so với ngưỡng do các đặc tính truyền dẫn của sợi biến đổi ít trong một thời gian khá lớn Điều này dẫn đến các

đặc tính chất lượng lỗi từ ngày này qua ngày khác hầu như hoàn toàn đồng đều Các công nghệ hiện nay đã cho phép giảm giá thành cáp sợi quang, nâng cao dung lượng và khoảng cách các trạm lặp, do đó đã làm cho các hệ thống truyền dẫn quang sợi trở nên hấp dẫn hơn

Các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số thường có mức dự trữ pha-đing lớn nên việc truyền dẫn hầu như không có lỗi diễn ra trong hầu hết thời gian Song các suy giảm chất lượng trong một vài trường hợp hay xảy ra pha-đinh sâu trong qúa trình truyền sóng Tuy nhiên trong một tương lai gần vẫn đáp ứng được một phần quan trọng các đòi hỏi về truyền dẫn của mạng quốc gia, thậm chí còn được phát triển hơn nữa

Khác với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp mặt đất, chất lượng truyền dẫn số qua vệ tinh có xu hướng được đặc trưng bởi một tỷ lệ lỗi nền thấp xuất hiện trong phần lớn thời gian và xác định được thông qua tỷ số sóng mang trên tạp âm của tuyến vệ tinh Tỷ lệ lỗi nền này suy biến lúc này lúc khác theo các khoảng thời gian tiêu hao

đường truyền lớn quá mức và trong các điều kiện tuyền sóng bất thường, khi mức nhiễu từ các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hay các hệ thống vệ tinh khác tăng lên Các khác biệt cơ bản giữa các đặc tính chất lượng của cả ba loại môi trường này đã được xét đến trong các khuyến nghị thích hợp của CICT và CCIR

Câu hỏi ôn tập chương 1

1 Vẽ sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số Phân tích nhiệm vụ của từng khối

2 Phân tích các ảnh hưởng của kênh liên tục trong hệ thống thông tin số

3 Phân tích ảnh hưởng của ISI trong hệ thống thông tin số

4 Khái quát về méo tuyến tính Nêu các nguyên nhân gây ra méo tuyến tính

5 Nêu các nguyên nhân gây ra méo tuyến tính Phân tích ảnh hưởng của méo phi tuyến tới chất lượng thu tín hiệu

6 Phân tích hiện tượng can nhiễu trong quá trình truyền dẫn Thế nào là nhiễu

đồng kênh, nhiễu từ các kênh lân cận và các sản phẩm xuyên điều chế?

7 Phân tích nguyên nhân sinh ra hiệu ứng doppler và trải trễ

8 Nêu các ưu, nhược điểm của tín hiệu số

9 Liệt kê các chuẩn phát thanh truyền hình số

10 Nêu các tham số cơ bản của hệ thống thông tin số

Chương 2

Kỹ thuật audio số

2.1 Khái quát về audio số

2.1.1 Đặc điểm

Vào đầu năm 1980, các thiết bị audio số dần chiếm lĩnh và thay thế các thiết bị audio tương tự trong phát sóng và sản xuất Một tiêu chuẩn audio số ra đời với sự kết hợp giữa Hiệp hội kỹ thuật audio (AES- Audio Engineering Society) và Hiệp hội truyền thanh truyền hình châu Âu (EBU- European Broadcasting Union) đã xây dựng nền tảng cho sự phát triển các thiết bị ghi âm và các thiết bị studio, nơi tín hiệu được

xử lý và phân phối hoàn toàn số

Thiết bị audio số có đặc điểm tín hiệu vào và ra là tương tự, dùng thay thế trực tiếp các thiết bị số và hoạt động trong môi trường tương tự Tuy nhiên trong kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn có xu hướng sẽ tiến tới số hoá toàn phần, đó là toàn bộ quá trình ghi, xử lý và truyền dẫn đều làm việc trong môi trường số Cuối cùng một giao thức cho toàn bộ quá trình truyền dẫn, được chỉ rõ trong các tài liệu về tiêu chuẩn AES/EBU

đã phát triển và được thừa nhận trong các thiết bị audio số từ phía phát đến phía thu

Có hai lý do cho thấy xử lý tín hiệu âm thanh theo công nghệ số là thực sự cần thiết: Thứ nhất là chất lượng tái tạo của hệ thống audio số không phụ thuộc vào phương tiện mà chỉ phụ thuộc vào chất lượng của quá trình chuyển đổi A/D và ngược lại; Thứ hai là việc chuyển đổi audio sang số mở ra rất nhiều cơ hội mà tín hiệu analog không

đáp ứng được

Nếu kỹ thuật ghi audio số đảm bảo được chất lượng cho bộ chuyển đổi thì mọi nhược điểm của kỹ thuật ghi analog sẽ bị loại bỏ Hiện nay các nghiên cứu đều tập trung mở rộng thiết kế cho bộ chuyển đổi và cần phải sử dụng linh hoạt những phần của hệ thống xử lý dữ liệu Méo, xuyên âm, tạp âm điều chế, lỗi phương vị, lỗi pha trong kênh, sẽ chỉ còn là vấn đề của kỹ thuật tương tự Khi một bản ghi số được sao chép, các số như nhau sẽ xuất hiện trên bản copy Nếu không xảy ra suy giảm thì bản sao chép sẽ không khác với bản gốc Các bản ghi số có thể sử dụng để sao chép nhiều lần mà không bị suy giảm chất lượng

Xử lý tín hiệu audio số có hiệu quả cao khi :

o Thiết bị không phức tạp

o Tín hiệu có thể được truyền đi dưới các định dạng phù hợp

2.1.2 Ưu điểm của tín hiệu Audio số

 Một trong những ưu điểm mạnh nhất của tín hiệu audio số là giá thành thấp Nếu quá trình sao chép không có lỗi thì thiết bị ghi không cần phải sửa lỗi

 Độ méo tín hiệu nhỏ một cách lý tưởng (0,01%)

 Dải động âm thanh lớn gần ở mức tự nhiên (>90 dB)

 Đáp tuyến tần số bằng phẳng ( 0,5 dB)

 Việc tìm kiếm dữ liệu nhanh chóng, dễ dàng

 Cải thiện chất lượng ghi và xử lý tín hiệu âm thanh

 Đáp ứng được nhu cầu lưu trữ và các hệ thống sản xuất chương trình bằng máy tính

 Chất lượng tái tạo của hệ thống audio số không phụ thuộc vào phương tiện mà chỉ phụ thuộc vào chất lượng của quá trình chuyển đổi A/D và ngược lại

2.1.3 Các thông số kỹ thuật

 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) là tỷ số giữa mức điện áp hữu ích trên mức điện

áp tạp âm đo bằng dB Tạp âm thường sinh ra ngay trong các linh kiện điện tử Những

điện áp tạp âm này phân bố suốt dải âm tần, từ thấp lên cao Khi nghe, ta thường có cảm giác tạp âm chỉ xuất hiện ở vùng tần số cao Mặt khác, khả năng cảm thụ của tai người còn phụ thuộc vào tần số, vì vậy giá trị điện áp tạp âm còn đo theo đặc tuyến tần

số của thính giác

 Dải động của kênh truyền dẫn cho biết tỉ lệ giữa mức điện áp ra cực đại và cực tiểu mà không bị ảnh hưởng của tạp âm, biểu thị bằng dB Giá trị cực đại phụ thuộc vào khả năng điều chế hệ thống, còn giá trị cực tiểu phụ thuộc vào tạp âm của toàn kênh Một kênh truyền dẫn có dải động hẹp thì tín hiệu đầu ra bị ép lại

 Tín hiệu truyền đi thường bị giới hạn trong một dải tần số tùy thuộc vào chất lượng của kênh Tín hiệu tần số thấp và thành phần điện áp một chiều cũng như tần số rất cao thường không được truyền tải đầy đủ hoặc bị mất hoàn toàn

 Trên một kênh truyền lý tưởng, tín hiệu đầu ra phải biến đổi tuyến tính với tín hiệu đầu vào, nếu không sẽ xuất hiện méo tín hiệu Thông thường có hai loại méo là: méo tuyến tính và méo phi tuyến Méo tuyến tính xuất hiện khi đặc tuyến tần số biên

Chuyển

đổi song song-nối tiếp

Chuyển

đổi nối tiếp-song song

Tạp âm trong dữ liệu bị loại bỏ

độ của hệ thống truyền không bằng phẳng Méo phi tuyến xuất hiện khi đặc tuyến công tác của linh kiện điện tử không tuyến tính

 Tín hiệu audio tương tự khi truyền qua một số thiết bị như máy ghi băng từ tính hoặc máy quay đĩa có thể phải chịu sự biến đổi tần số do sự chuyển động cơ học không

đồng nhất của băng và đĩa Điều này được xác định bởi thông số méo sai tốc âm tần và phách động (W/F) Trong hệ thống số, W/F phụ thuộc vào sự ổn định của đồng hồ lấy mẫu trong bộ chuyển đổi A/D và D/A

2.1.4 Sơ đồ khối hệ thống audio số

Hình 2.1 là hai bộ chuyền đổi A/D và D/A nối với nhau bằng một đường truyền dẫn nối tiếp Hệ thống này chưa có mạch lọc để loại bỏ tạp âm trên đường lấy xung

đồng hồ, gây ra jitter (rung pha) ở máy thu

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hai bộ chuyển đổi không có bộ lọc jitter Tín hiệu audio tương tự đi qua bộ ADC tạo thành các mẫu, các mẫu này được trình bày dưới dạng số nhị phân Một mẫu tiêu biểu thường có độ dài 16 bit, được tải song song tới thanh ghi dịch Thanh ghi dịch chuyển với tốc độ bằng 16 lần tần số lấy mẫu Dữ liệu sau đó được truyền nối tiếp tới cuối dòng, tại đó bộ cắt sẽ loại bỏ tạp âm thu ở tín hiệu Dữ liệu này được dịch chuyển xuống tới thanh ghi dịch thu với với một

đồng hồ bit Cứ mỗi 16 bit, thanh ghi dịch lại chứa một mẫu hoàn chỉnh và sau đó đồng

Chuyển

đổi song song- nối tiếp

Chuyển

đổi nối tiếp-song song

Đồng bộ

Đầu vào

Tạp âm Dữ liệu

Dữ liệu

Tạp âm trong dữ liệu bị loại bỏ

Đồng hồ không có jitter Vòng khoá pha

Đầu ra analog

hồ tần số lấy mẫu sẽ đọc hoặc đưa tới bộ chuyển đổi số -tương tự để chuyển các mẫu ngược về điện áp tương tự

Vấn đề jitter sẽ được giả quyết bằng cách lắp thêm một vòng khoá pha (hình 2.2) Thực chất đây là một máy tạo dao động sóng đồng bộ với tần số trung bình của

đồng hồ đếm từ, nhưng lọc jitter ngay lập tức Các mẫu sau đó được cung cấp cho bộ ADC với khoảng cách đều nhau và sự suy yếu sẽ không còn nghe thấy được nữa

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hai bộ chuyển đổi nối tiếp có bộ lọc jitter 2.2 Nguyên tắc chuyển đổi A/D

2.2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ mã hoá và giải mã PCM

Một yếu tố chính trong quá trình chuyển đổi A/D là mức độ chất lượng tín hiệu audio

số nhận được có thể đạt được Nó cũng giới hạn vùng dải động âm thanh và độ méo âm trong quá trình khôi phục tín hiệu âm thanh tương tự Các bước của quá trình chuyển đổi A/D tín hiệu audio được minh hoạ trên hình 2.3 Hệ thống biến đổi A/D và D/A hay được sử dụng là

điều chế xung mã PCM ở đầu vào bộ A/D thường có bộ lọc thông thấp hay còn gọi là

bộ lọc tái tạo, có tác dụng loại bỏ các hài bậc cao (trên fsa/2) để chúng không xuất hiện trong quá trình lấy mẫu Còn ở đầu ra mạch D/A của máy thu bộ lọc này có tác dụng chống nhiễu, sửa méo dạng tín hiệu và loại bỏ các thành phần tần số cao trong tín hiệu bậc thang

2.2.2 Lấy mẫu

2.2.2.1 Lấy mẫu lý tưởng

Nguyên tắc lấy mẫu là quá trình lấy biên độ của dạng sóng tương tự tại từng thời điểm theo một chu kỳ nhất định Việc lấy mẫu chính xác phụ thuộc vào tần số lấy mẫu, giá trị này là sự thoả hiệp giữa quá trình lấy mẫu chính xác cao với độ phức tạp của thiết bị Thực chất của quá trình lấy mẫu là việc nhân các tín hiệu tương tự với một chuỗi xung truyền lặp đi lặp lại theo thời gian có tần số bằng tần số lấy mẫu Để diễn giải quá trình này, chúng ta sẽ tìm hiểu trường hợp lấy mẫu lý tưởng với khoảng thời gian xung lấy mẫu gần bằng 0 Quá trình này sẽ cho ra một dãy xung điều chế biên độ (PAM- Pulsse Amplytud Modulation), được biểu diễn trong miền thời gian (hình 2.4)

Hình 2.4 Lấy mẫu và kết quả dãy PAM sau điều chế biên độ xung

Cả hai quá trình đều có đặc điểm giống như quá trình điều chế biên độ Tuy nhiên trong miền tần số, tập hợp các tần số lấy mẫu (hoặc sóng mang) nằm trong băng tần của chúng là do sóng mang không có dạng hình sin ngoại trừ dãy xung tại tần số lấy mẫu Dạng tín hiệu này được vẽ trong miền tần số bao gồm tập hợp của các thành phần tần số là bội của tần số lấy mẫu(hình 2.5) Theo định lý Nyquist thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc ít nhất là bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu audio tương

tự (fsa≥ 2faudio max) hay nói một cách khác chu kỳ lấy mẫu phải nhỏ hơn hai lần chu kỳ

Tín hiệu xung

Hình 2.5 Biểu diễn tín hiệu điều biên xung trong miền tần số

Khi lấy mẫu không tuân theo định lý Nyquist sẽ là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng méo chồng phổ (hình 2.6) Phổ băng tần thấp sẽ bị chồng lên phổ băng cơ bản audio Kết quả là tín hiệu âm thanh gốc được mô tả như một kiểu âm thanh lẫn tiếng kim khí

Hình 2.6 Méo do chồng phổ trong miền tần số khi fsa 2fmax

2.2.2.2 Lấy mẫu thực tế

Quá trình lấy mẫu lý tưởng giả thiết khoảng thời gian xung lấy mẫu gần bằng không Tuy nhiên trên thực tế, trong thời gian cho phép của bộ chuyển đổi A/D, giá trị biên độ xung cho mỗi mẫu sẽ được duy trì đến tận thời gian mẫu tiếp theo được lấy Vì vậy tín hiệu tương tự sau khi lấy mẫu có dạng bậc thang như hình 2.7 Khoảng thời

f

Phổ tín hiệu audio lấy mẫu Biên độ

Biên độ

Tần số Phổ cơ bản

fmax (fsa-fmax)

Biên tần dưới

(fsa+fmax)

Hình 2.7 Lấy mẫu thực tế trong miền thời gian

Hình 2.8 Lấy mẫu thực tế trong miền tần số

Hình 2.8 là quá trình lấy mẫu thực tế trong miền tần số Đặc tuyến tần số trong quá trình này là kết quả từ quá trình giữ các xung mẫu đã được chuyển đổi Fourier Nó làm suy yếu thành phần tần số cao và được xem như là méo độ mở Sự suy giảm hình bao này giống như đặc tuyến tần số của bộ lọc sinx/x

2.2.2.3 Các tần số lấy mẫu

Hiện nay trên thế giới có ba tần số lấy mẫu tín hiệu audio được xem là các tần số

Điều chế Biên độ

Xung lấy mẫu

Tín hiệu đã lấy mẫu

T sa

Tần số 32 kHz (dùng cho truyền dẫn): Tín hiệu audio số lấy mẫu theo tiêu chuẩn này được lựa chọn dùng trong phát thanh số FM

Tần số 44,1 kHz (áp dụng cho khách hàng): Tần số lấy mẫu này được chọn sử dụng cho quá trình ghi băng video (VTVs) các hệ PAL và NTSC với điều chế PCM nhằm lưu trữ và phát tín hiệu audio số Sau này VTVs được sử dụng trong lĩnh vực đĩa CDs và tần số 44,1 kHz trở thành tần số tiêu chuẩn cho các ứng dụng máy ghi âm số chỉ đọc R-DAT

Tần số 48 kHz (dùng cho tạo nguồn, xử lý, trao đổi vật liệu chương trình và

được áp dụng phổ biến trong truyền hình số): Tần số này có mối quan hệ với tần số lấy mẫu 32 kHz và là tiêu chuẩn thuận tiện cho quá trình chuyển đổi A/D Tần số lấy mẫu này chấp nhận được tín hiệu audio tương tự với độ rộng dải tần trên 22 kHz và được áp dụng cho các máy chuyên dụng trong studio cho chất lượng cao cả khi ghi và khi phát 2.2.3 Lượng tử hoá

Hình 2.9 Biểu diễn tín hiệu với 4 bit lượng tử hoá

Từng mẫu của tín hiệu tương tự nguyên thuỷ được ấn định cho một giá trị mã

số nhị phân bởi một thiết bị, còn gọi là bộ lượng tử hoá Trong hệ thống tuyến tính 4 bit, sẽ có 16 giá trị nhị phân( từ 0000 đến 1111) để mã hoá mức biên độ xung cho mỗi mẫu Trong ví dụ chỉ ra trên hình 2.9 a, tín hiệu audio nguyên thuỷ có dạng sóng sin

được lấy mẫu tại các thời điểm cách nhau một chu kỳ mẫu Vì chỉ có 16 giá trị mã nhị phân thể hiện 16 giá trị biên độ cho mỗi mẫu, do đó các giá trị biên độ trong thực tế có

110 1

độ nào nhất sẽ được chọn Quá trình này làm phát sinh lỗi lượng tử, tương ứng với sự khác nhau giữa dạng sóng sin của tín hiệu audio nguyên thuỷ với dạng bậc thang của tín hiệu audio sau lấy mẫu (hình 2.9b)

Hình 2.10 Hệ thống mã nhị phân 20 bit

Hình 2.10 là một ví dụ khác của quá trình lượng tử hoá trong trường hợp mã hoá

20 bit Từ ví dụ này có thể rút ra một số kết luận như sau:

 Vùng giá trị nhị phân được miêu tả không đối xứng với các chuyển dịch dương

và âm của tín hiệu audio gốc Một giá trị số nhị phân được biểu diễn là phần bù của 2

sẽ được dùng để biểu diễn các giá trị âm Bít có trọng số lớn nhất (MSB) của giá trị các mẫu được chỉ ra trong hình 2.10 Đây là hệ thống 20 bit, biên độ lớn nhất được giới hạn bởi các giá trị (số HEX) 7FFFF và 80000

 Tín hiệu audio tương tự có biên độ thấp được lượng tử hoá với rất ít các mức rời rạc Điều này gây nên các lỗi lượng tử của các tín hiệu vào mức thấp Vì vậy để giảm

độ lớn của lỗi lượng tử có thể tăng số mức rời rạc Một bộ biến đổi A/D có độ chính xác cao sẽ đạt được khi số bit lượng tử là 20 bit

Một phương pháp khác để giảm độ lớn lỗi lượng tử là tăng tần số lấy mẫu Phương pháp này có tên là oversampling (lấy mẫu tần số cao, khi đó tần số lấy mẫu sẽ

là bội của tần số lấy mẫu tiêu chuẩn 48 kHz)

Giới hạn phần âm của tín hiệu

Biên độ

LSB MSB

Chu kỳ lấy mẫu

Q Mức bit nhị phân Lỗi lượng tử (error)

 Nếu biên độ tín hiệu audio tương tự vượt quá vùng lượng tử, quá trình cắt số sẽ

được thực hiện Lỗi lượng tử có giá trị lớn nhất khi biên độ mẫu nằm giữa các bước lượng tử và giảm dần khi điểm lấy mẫu gần vị trí của các mức bit nhị phân Bộ lượng tử hoá sẽ lấy giá trị nhị phân gần nhất như được minh hoạ trên hình 2.11 Tại chu kỳ mẫu

T1, giá trị mẫu nằm giữa hai mức lượng tử Trong trường hợp này, lỗi lượng tử là quá lớn và bộ lượng tử hoá sẽ phát ra giá trị nhị phân bên dưới hoặc bên trên giá trị đo Lỗi lượng tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như một lượng nhỏ tạp âm sinh ra trong quá trình xen âm giữa các thành phần tín hiệu đầu vào ngẫu nhiên tạo ra, đặc biệt là khi giá trị lấy mẫu nằm nửa vời giữa hai mức lượng tử Kết quả là các mẫu gây ra có thể thấy rõ khi tạp âm bị lẫn vào tín hiệu gốc làm chất lượng tín hiệu từ khâu sản xuất kém, nhiều khi gây ra hiện tượng chất lượng âm thanh bị chói hay gợn âm Có thể thừa nhận rằng, không dự đoán trước được mối liên hệ giữa lỗi của một mẫu và lỗi của mẫu tiếp theo Kết quả là phổ của lỗi lượng tử bằng phẳng khi năng lượng được cân bằng trên toàn bộ dải tần, đây chính là đặc điểm của tạp âm trắng

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) được biểu diễn bằng tỷ số của giá trị sai lệch bình phương trung bình trung bình (RMS- Root Mean Square)của tín hiệu sóng sin lớn nhất trên giá trị RMS của lỗi lượng tử hoá Để thực hiện chuyển đổi từ tương tự sang

số của bộ A/D n bit, một nửa số mức lượng tử được dùng để lượng tử một cực tính của

Hình 2.12 Xác suất bình quân của lỗi lượng tử

Một tín hiệu audio tương tự với phổ tần rộng và giá trị biên độ lớn thì lỗi lượng tử hoá có xác suất bình quân nằm giữa hai giá trị là +Q/2 và -Q/2 như được minh hoạ trên hình 2.12 Có những giá trị ngẫu nhiên Q trong một khoảng lượng tử, từ đó phổ của lỗi lượng tử bằng phẳng và giá trị xác suất bình quân là 1/Q Giá trị RMS của tạp âm lượng tử được biểu diễn bởi căn bình phương tổng trung bình của lỗi bình phương:

/ 2 2 / 2

Q Q

e d e

  (2.2)

/ 2 2 / 2

Q

e d e

Q  (2.3) + Căn bình phương trung bình:

/ 2 2 / 2

1

1 2

Q Q

n

n

S N R  N   Q  (2.5) + Tính theo dB ta có:

SNR (dB) = 6,02n + 1,76 (2.6)

Xác suất

Error 1/Q