Số hóa tín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số luận văn tốt nghiệp đại học

Quan hệ giữa các mức tín hiệu chói tương tự thành phần với thang chuẩn sọc màu 100% với giá trị các mau số tương ứng dùng 8 bit và 10 bit lượng tử..  Giá trị cực đại của tín hiệu E’R-Y

Trờng đại học vinh Khoa điện tử – viễn thông viễn thông

đồ án tốt nghiệp đại học

Đề tài:

Số HóA TíN HIệU Và Kỹ THUậT NéN ảNH Số

ứNG DụNG TRONG TRUYềN HìNH Số

Ngời hớng dẫn : KS LÊ VĂN CHƯƠNG

Sinh viên thực hiện: Trần Anh Tuấn

vinh - 05/ 2011

MỤC LỤC

Danh sách hình vẽ 3

Danh sách bảng biểu 5

Thuật ngữ viết tắt 6

Lời mở đầu……… 9

Chương 1: Tổng quan về truyền hình số 10

1.1 Truyền hình màu 10

1.2 Hệ thống truyền hình số 16

1.3.Đặc điểm của truyền hình số 17

1.4 ảnh số 19

1.5 Các phương pháp biến đổi tín hiệu video 20

1.7 Chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự 21

Kết luận 23

Chương 2: Số hóa tín hiệu video 24

2.1 Lịch sử phát triển 24

2.2 Thiết bị hộp đen video số 25

2.3 Lấy mẫu tín hiệu video số 25

2.4 Lượng tử hóa 29

2.5 Mã hóa 31

2.6 Chuyển đổi D/A 37

2.7 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần 37

2.8 CCIR 601 - tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản 49

2.9 Tín hiệu audio số 52

Kết luận 55

Chương 3: Kỹ thuật nén video số 56

3.1 Khái niệm về nén tốc độ dòng bit 56

3.2 Lý thuyết thông tin - entropy 57

3.3 Các phương pháp nén video 58

3.4 Các mã dùng trong kỹ thuật nén 60

3.5 Nén trong ảnh 65

3.6 Kỹ thuật nén liên ảnh (Inter Franme Compression) 70

3.7 Kỹ thuật nén audio 74

Kết luận 76

Kết luận 77

Tài liệu tham khảo 78

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Trộn màu theo phương pháp cộng quang học .11

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu 13

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ lập mã màu 15

Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ giải mã màu .15

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số .16

Hình 1.6 Biểu diễn ảnh bằng hàm f (x,y) .19

Hình 1.7 Biến đỏi A/D tín hiệu màu tổng hợp .20

Hình 1.8 Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần .21

Hình 1.9 Sơ đồ khối mạch đổi tương tự - số .21

Hình 1.10 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối hộp đen số .25

Hình 2.2 Phổ của tín hiệu lấy mẫu 26

Hình 2.3 Hiện tượng chồng phổ (aliasing) trong trường hợp tần số lấy mẫu thấp 27

Hình 2.4 Cấu trúc lấy mẫu .28

Hình 2.5 Mã sơ cấp 36

Hình 2.6 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự 37

Hình 2.7 Các tiêu chuẩn lấy mẫu .39

Hình 2.8 Phổ lấy mẫu 13,5 MHz của tín hiệu chói .41

Hình 2.9 Chi tiết bộ lọc thông thấp tín hiệu chói và tín hiệu màu 42

Hình 2.10 Quan hệ giữa các mức tín hiệu chói tương tự thành phần với thang chuẩn sọc màu 100% với giá trị các mau số tương ứng dùng 8 bit và 10 bit lượng tử Các số 00 và FF (8 bit) và 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF (10 bit) không được phép xuất hiện trong dòng dữ liệu video 46

Hình 2.11 Mối quan hệ giữa các từ mã video trong một dòng tích cực và xung xoá 47

Hình 3.1 Mô hình hệ thống nén video 56

Hình 3.2 Ví dụ mã Shannon – Fano 62

Hình 3.3 Cây mã Huffman .63

Hình 3.4 Nén trong ảnh (Intra Frame Compression 65

Hình 3.5 Nén trong ảnh .68

Hình 3.6 Giải mã DCT .70

Hình 3.7 Mô hình nén ảnh 70

Hình 3.8 Nén liên ảnh (ảnh dự đoán trước) .72

Hình 3.9 Nén lên ảnh (ảnh dự đoán hai chiều) .73

Hình 3.10 Hệ thống mã hoá điểm động khối số liệu audio 75

Hình 3.11 Dạng dòng số liệu của các lớp audio MPEG 75

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Giá trị tín hiệu thành phần tương ứng với các trường hợp hình ảnh

có màu: Trắng, đen, màu cơ bản và các màu phụ trợ .43Bảng 2.2 Mức tín hiệu video thành phần và giá trị số tương ứng khi lượng tử

8 bit và 10 bit .44Bảng 2.3 Chỉ tiêu truyền hình số cơ bản .50Bảng 2.4 Các tần số Lấy mẫu và số mẫu trên một khung hình trong tiêuchuẩn .54Bảng 3.1 Mã hóa với độ dài từ mã thay đổi 63Bảng 3.2 Mã hóa với độ dài từ mã cố định .64

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Uỷ ban tư vấn điện thoại vàđiện báo quốc tế

D/A Digital - to - Analogue

DCT Discrete Cosine Tranform Chuyên đổi cosin rời rạc

DFT Discrete Fourier Tranform Chuyển đổi Fourier rời rạcDPCM Differential Pulse Code

DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số

cápDVB-S DVB - Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua

vệ tinhDVB-T DVB - Ten estrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đấtEBU The European Broadcasting

Union

Uỷ ban phát thanh truyền hìnhChâu âu

FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh

HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao

HP Hig Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dùng

trong điều chế phân cấp)

ISI Inner Symbol Interference Nhiễu cùng Symbol

ISDB Intergeted Services Digital

Broadcasting - ten estrial

Hệ thống truyền hình số mặtđất sử dụng mạng đa dịch vụ(của Nhật)

Group

Nhóm chuyên gia nghiên cứu

về tiêu chuẩn hình ảnh động

Division Multiplexing Ghép đa tần trực giao

PAL Phase Altemating Linh Hệ truyền hình màu PAL

PRBS Pseudo - Ram don Binary

QAM Quadrature Amplitude

QPSK Quadrature Phase Shift

SDTV Standard Definition

VSB Vertigial Side Band Biên tần cụt

SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nạp

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đời sống của conngười ngày càng được nâng cao, các chương trình truyền hình ngày càng giữvai trò không thể thiếu trong đời sống xã hội Với sự phát triển không ngừngcủa khoa học kỹ thuật các hệ thống truyền hình cũng có nhiều sự thay đổimạnh mẽ

Trong những năm gần đây công nghệ truyền hình ở nước ta đang trảiqua một sự chuyển đổi, đó là quá trình chuyển đổi từ công nghệ Analog sangDigital Đây thực sự là một cuộc cách mạng làm thay đổi cách suy nghĩa,cách tiếp cận, phương thức sản xuất chương trình truyền hình, nâng cấp chấtlượng tín hiệu, tính linh họat và khả năng hội nhập vào môi trường thông tinchung

Ở Việt Nam công nghệ số đã và đang dần xâm nhập vào từng côngđoạn của kỹ thuật truyền hình Trong một tương lai không xa, trên thế giới nóichung và ở Việt Nam nói riêng xu thế tiến tới một hệ thống truyền hình hoàntoàn kỹ thuật số là một tất yếu

Để hiểu sâu hơn về quá trình chuyển đổi này, em đã chọn đề tài đồ án

tốt nghiệp"Số hóa tín hiệu và kỹ thuật nén ảnh số ứng dụng trong truyền hình số" Nội dung đồ án gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về truyền hình số và ảnh số

Chương 2: Số hóa tín hiệu video

Chương 3: Kỹ thuật nén video số

Trong thời gian thực tập và làm đồ án, đặc biệt được sự hướng dẫn

nhiệt tình của thầy giáo Lê Văn Chương cùng các thầy cô, em đã hoàn thành

bản đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên do thời gian ngắn, kinh nghiệm bản thân cònhạn chế chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sựchỉ bảo của các thầy cô giáo, góp ý chân thành của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Trần Anh Tuấn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ VÀ ẢNH SỐ

Truyền hình là một hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theothành tín hiệu điện, truyền đến máy thu, nơi thực hiện biến đổi tín hiệu nàythành dạng ban đầu và hiển thị lên màn hình dưới dạng hình ảnh Truyền hìnhdựa trên đặc điểm cảm nhận của ánh sáng mắt người là độ chói và màu củavật để truyền đi thông tin cần thiết Độ chói và màu của vật phụ thuộc vàocường độ và thành phần phổ của tia sáng

Trong hệ thống truyền hình, tín hiệu, mang tin tức về hình ảnh gọi là tínhiệu video, tín hiệu mang tin tức về âm thanh gọi là tín hiệu audio Các quátrình chuyển đổi tín hiệu - ảnh hay ảnh - tín hiệu phải đồng bộ và đồng phavới nhau mới đáp ứng được sự phân tích ảnh ở phía phát và sự khôi phục ảnh

ở phía thu Sự đồng bộ ở đây được thực hiện bởi một bộ tạo xung đồng bộ

Chương này sẽ trình bày về truyền hình tương tự, truyền hình số và ảnhsố

1.1.1 Lý thuyết ba màu

a Thị giác màu

Nhiều thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, có thể nhận được gần như tất cảcác màu sắc tồn tại trong thiên nhiên bằng cách trộn ba chùm ánh sáng màu

đỏ, lục, lam theo các tỉ lệ khác nhau Theo cấu tạo quang học, mắt có ba loại

tế bào nhạy cảm 3 màu cơ bản, hệ thống thị giác của người có khả năng phântích và tổng hợp màu cơ bản theo các tỉ lệ khác nhau, hình thành nên sự cảmthụ màu sắc không gian môi trường sống xung quanh con người

b Các màu cơ bản và màu phụ

Theo một quy định đã được chuẩn hóa thì 3 màu cơ bản đó là:

 Màu đỏ, ký hiệu bằng chữ R (Red), có bước sóng R = 700nm

 Màu lục, ký hiệu bằng chữ G (Green), có bước sóng G = 546,8 nm

 Màu lam, ký hiệu bằng chữ B (Blue), có bước sóng B = 435,8 nm.Đây là những màu quang phổ, bước sóng của các màu cơ bản là cácvạch phổ có trong bức xạ của hơi thủy ngân

Ba màu cơ bản phải là ba màu độc lập tuyến tính, nghĩa là trộn hai màubất kỳ trong ba màu đó trong điều kiện bất kỳ, theo tỉ lệ bất kỳ đều không thểtạo ra màu thứ ba

1.1.2 Phương pháp trộn màu

a Phương pháp trộn quang học

Phương pháp này đựa trên khả năng tổng hợp màu khi có một số bức

xạ màu sắc khác nhau tác dụng đồng thời vào mắt, thì tạo ra được một màumới Sắc độ của màu mới đó phụ thuộc vào cường độ và thời gian xuất hiệncủa các bức xạ thành phần

Hình 1.1 Trộn màu theo phương pháp cộng quang học

Nguồn sáng

R G B

lục lơ đỏ

lam

mận chín vàng trắng

b Phương pháp trộn màu không gian

Giả sử các tia sáng khi rọi vào mắt không rơi cùng vào một điểm trongmắt mà các điểm rọi nằm gần nhau thì mắt cũng có thể tổng hợp được cáckích thích để tạo thành một màu mới Kỹ thuật truyền hình ứng dụng phươngpháp này bằng cách ghép các dòng màu khác nhau hoặc các điểm màu khácnhau để tạo ra các ảnh màu phức tạp

c Phương pháp trừ

Để tạo thành màu mới, có thể dùng phương pháp lọc cắt bỏ một số màu

từ ánh sáng trắng Cho ánh sáng trắng qua một số môi trường hấp thụ hoặcphản xạ có tính chọn lọc liên tiếp trên đường lan truyền của sóng, ta sẽ thuđược màu nhất định Phương pháp này được dùng trong kỹ thuật điện ảnh vàphim màu Đặc điểm của phương pháp này là độ chói của màu được tạo rabao giờ cũng nhỏ hơn độ chói của màu trắng ban đầu

1.1.3 Méo gamma

Độ tương phản của ảnh là tỷ số độ chói của vùng sáng nhất và vùng tốinhất của ảnh Số bậc chói là số mức chói lớn nhất trong dải chói đã cho (từvùng tối nhất đến vùng sáng nhất) mà mắt người còn phân biệt được các mứcđấy Độ tương phản càng cao thì số bậc chói càng lớn, ảnh càng rõ nét

Để đảm bảo tỷ lệ số bậc chói trên hình ảnh truyền đi và hình ảnh thuđược là hằng số thì đặc tuyến truyền đạt của hệ thống là đường thẳng Tuynhiên đặc tính đạt của các bộ biến đổi quang - điện, các thiết bị đường truyền,

bộ biến đổi điện - quang thường là phi tuyến Méo gamma là méo gây ra dotính không đường thẳng của đặc tuyến truyền đạt

Trong hệ thống truyền hình cần có các mạch bù phi tuyến được gọi làmạch sửa méo gamma Mạch này được mắc tại camera và đặc tuyến đượcchuẩn hóa để phù hợp với đường truyền của máy thu

1.1.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình màu

a.Hệ thống phát tín hiệu màu b.Hệ thống thu tín hiệu màu

Hình ảnh cần truyền qua camera truyền hình màu được biến đổi thành 3

tín hiệu màu cơ bản E R , E G , E B Sau đó được đưa qua mạch hiệu chỉnh gamma

để bù méo Các tín hiệu đã bù méo E’ R , E’ G , E’ B được đưa vào ma trận tạo tín

hiệu chói E’ Y và hai tín hiệu màu S 1 , S 2 Các tín hiệu S 1 , S 2 điều chế dao độngsóng mang phụ tạo ra truyền hình màu cao tần EC Trong bộ cộng, các tín hiệuE’Y và Ec được trộn với nhau tạo thành tín hiệu truyền hình tổng hợp EM = E’y

+ Ec Tín hiệu E M được truyền đến bên thu bằng cáp, hệ thống viba hoặc máythu phát vô truyến điện Quá trình này gọi là quá trình mã hóa tín hiệu màu

Phía bên thu, tín hiệu E M nhận được thì đem đi biến đổi ngược lại với

quá trình trên để tạo thành các tín hiệu màu cơ bản E’ R , E’ G , E’ B Quá trìnhnày gọi là quá trình giải mã

1.1.5 Tín hiệu truyền hình màu

a Tín hiệu chói

Các tín hiệu truyền hình màu cơ bản đều mang tin tức về độ chói, khi

độ chói của hình ảnh cần truyền tăng hay giảm thì biên độ các tín hiệu màu cơbản cũng tăng hoặc giảm theo, nhưng tỉ lệ giữa chúng không thay đổi Biểu

Camera Hiệu chỉnh

gamma ma trậnMạch

Bộ điều chế màu

Mạch cộng

ER

EG

EB

E’RE’GE’B

thức của tín hiệu chói sau hiệu chỉnh gamma trong các hệ truyền hình màu là:

E’ y = 0,299E’ R + 0,587E’ G + 0,114 E’ B

trong đó E’ y (Y’) là điện áp hiệu chỉnh gamma tín hiệu chói của tínhiệu ảnh màu

E’ R (R’), E’ G (G’), E’ B (B’) là các điện áp hiệu chỉnh gamma ứng vớicác tín hiệu đỏ, lục, lơ khi quét phần tử ảnh đã quan

b Tín hiệu số màu

Tín hiệu màu được truyền đi là E’ R - E’ y và E’ B - E’ y Việc loại bỏ tín

hiệu E’ G = E’ y vì nguyên nhân sau:

 Với cùng cường độ ánh sáng chuẩn như nhau, E’G - E’ y có quãng biếnthiên bé nhất, chỉ có 0,41 làm cho thông tin không rõ ràng

 Mắt người khá nhạy cảm với màu lá cây, do đó đòi hỏi dải tần caohơn nhiều so với hai dải tần còn lại (chỉ khoảng 1,5 MHz)

Tại máy thu, E’ G - E’ y sẽ được suy ra từ E’ R - E’ y và E’ B - E’ y

E’ G - E’ y = - 0,509 (E’ R - E’ y ) - 0,194 (E’ B - E’ y)

c Tín hiệu thành phần và tín hiệu tổng hợp

Hệ thống truyền hình sử dụng hai dạng tín hiệu là tín hiệu video thànhphần và tín hiệu video tổng hợp để xử lý, lưu trữ và truyền phát chương trình

Có hai tập các tín hiệu video thành phần được sử dụng bao gồm tín hiệu

RGB và tín hiệu E’ y , E’ B - E’ y và E’ B - E’ y Yêu cầu của tín hiệu này là dảibăng tần phải lớn và sử dụng 3 kênh truyền tín hiệu

Tín hiệu video tổng hợp được sử dụng trong kênh truyền thông đạichúng, phát triển dựa trên cơ sở tương hợp với hệ truyền hình đen trắng Vớiloại tín hiệu này, tất cả các thông tin về tính màu của cảnh vật được xử lý, lưutrữ và truyền dẫn dưới một tín hiệu duy nhất, chỉ sử dụng một kênh truyền

1.1.6 Bộ lập mã màu và bộ giải mã màu

Ở khối bộ lập mã màu, từ ba thành phần tín hiệu màu cơ bản E’ R , E G,

E’ B được đi qua các bộ ma trận, bộ trễ, bộ lọc thông thấp, điều chế và bộ cộng

để tạo thành một tín hiệu mã hóa tại đầu ra

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ lập mã màu.

Ở khối bộ giải mã màu, các quá trình được tiến hành ngược lại, từ một

tín hiệu mã hóa ở đầu giải mã ra thành các tín hiệu màu cơ bản E’ R , E’ G , E’ B

tại đầu ra

Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ giải mã màu 1.1.7 Đo kiểm tra tín hiệu truyền hình màu

Tín hiệu kiểm tra được dùng phổ biến là tín hiệu để tạo ra ảnh kiểm tragồm 8 sọc màu dọc (ba màu cơ bản máy thu hình màu và các màu phụ của nó,màu trắng chuẩn và màu đen) được sắp xếp theo trình tự: trắng, vàng, lơ, lục,tím mận, đỏ, lam, đen Với cách sắp xếp như vậy thì giá trị tín hiệu sẽ tăngdần từ trái sang phải, thuận tiện cho việc kiểm tra, điều chỉnh hàng loạt thông

số của đường truyền (đặc biệt là đặc tuyến biên độ) và việc cân bằng trắng

Mỗi dạng sọc màu được biểu diễn bằng 4 giá trị số: mức tín hiệu màu

cơ bản khi truyền sọc tín hiệu trắng và sọc tín hiệu đen, tín hiệu màu cơ bảnkhi truyền sọc tín hiệu màu ứng với mức nhỏ nhất và lớn nhất

Một số kết luận về kiểm tra tín hiệu màu:

Trễ LPF LPF

Tín hiệu

mã hóa

Điều chế R - Y Điều chế R - Y

E’ Y E’ R-Y E’ R-Y

E’ R

E’ B

E’ G

Tạo sóng mang phụ

Trễ LPF LPF

E’ Y E’ R-Y E’ R-Y Điều chế R - Y

 Các tín hiệu E’R , E G , E’ B và E’ y là đơn cực (chỉ có một cực tính).

 Các tín hiệu màu là lưỡng cực

 Trị trung bình của các tín hiệu màu bằng "không"

 Giá trị cực đại của tín hiệu E’R-Y và E’ B-Y lớn hơn của các tín hiệu màu

xu hướng chung cho sự phát triển ngành công nghiệp truyền hình trên thếgiới, nhằm đạt được sự thống nhất toàn cầu, đó là một hệ thống truyền hìnhhoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thôngtin

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống truyền hình số.

Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hìnhtương tự Trong thiết bị mã hóa (biến đổi A/D), tín hiệu hình sẽ được biến đổithành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được

hệ thống truyền hình lựa chọn

Biến đổi A/D

Biến đổi D/A

Nén Ghép kênh

Tách kênh giải nén

Mã hóa kênh

Giải mã hóa kênh

Điều chế

Giải điều chế

Kênh thông tin

Tín hiệu truyền hình số được đưa đến thiết bị phát, sau đó qua kênhthông tin và lại được đưa tới thiết bị thu Tại thiết bị thu, tín hiệu được xử lýngược lại với quá trình xử lý tai phía phát.

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

Truyền hình số là một ngành công nghiệp phát triển rất nhanh trong 2thập kỷ qua, nó được thừa hưởng những kỹ thuật tiên tiến từ nhiều lĩnh vựckhác nhau

1.3 Đặc điểm của truyền hình số

Yêu cầu về băng tần: là một sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và tínhiệu tương tự Tín hiệu số có băng tần rộng hơn Ví dụ như đối với hệ NTSC,tần số lấy mẫu là 14,4 MHz, nếu thực hiện mã hóa với những từ mã dài 8 bit,tốc độ dòng bít sẽ là 115,2 Mbit/s, độ rộng băng tần khoảng 58 MHz Trongkhi đó tín hiệu tương tự cần một băng tần 4,25 MHz Nếu có thêm các bít sửalỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa Thực tế thì độ rộng băng tần cóthể giảm nhờ kỹ thuật nén băng tần

Tín hiệu số có ưu điểm lớn ở khả năng chống nhiễu trong quá trình xử

lý tại các khâu truyền dẫn và ghi Với tín hiệu số, nhiễu là các bít lỗi, ví dụnhư xung "on" chuyển thành xung "off" Hiện tượng nhiễu được khắc phụcnhờ các mạch sửa lỗi Bằng các mạch này các dòng bit ban đầu có thể đượckhôi phục Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảmbằng cách che lỗi Tỉ lệ S/N (Signal/Noise) của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặckhông đổi cho đến khi tỉ lệ bit lỗi BER (Bit Error Rate) quá lớn, làm cho cácmạnh sửa lỗi và che lỗi mất tác dụng Khi đó dòng bit không còn ý nghĩa tintức

Méo phi tuyến: tín hiệu số không bị ảnh hưởng trong quá trình ghi vàtruyền bởi méo phi tuyến Tính chất này rất quan trọng trong việc ghi đọcchương trình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với

các méo khuếch đại vi sai như hệ NTSC.

Hiện tượng chồng phổ: do một tín hiệu số được lấy mẫu theo cả chiều

đứng và chiều ngang, nên hiện tượng này có thể xảy ra theo cả hai hướng.Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tương tự là nhưnhau Theo chiều ngang, độ lớn của méo chồng phổ phụ thuộc vào các thànhphần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist, hiện tượng này có thểđược loại trừ bằng cách thực hiện sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lầnthành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự

Giá thành và độ phức tạp: các thiết bị số hiện nay có xu hướng nhỏ gọn,

dễ sử dụng và giá thành rẻ Nâng cao tính tương thích và tích hợp nhiều côngnghệ cao trong một sản phẩm

Xử lý tín hiệu: sau khi tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi A/D, tín hiệucòn lại là một chuỗi các bit "0’" và "1" nên được ứng dụng để thao tác cáccông việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh Khả năng nàyđược tăng lên nhờ việc lưu trữ các bít trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độnhanh

Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh: tín hiệu số cho phépkhoảng cách này gần nhau hơn nhiều sơ với hệ thống tương tự mà không bịnhiễu Nguyên nhân là tín hiệu số khả năng thay thế xung xóa và xung đồng

bộ bằng các từ mã nên ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh Việc giảmkhoảng cách kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu cho phép nhiều chươngtrình truyền hình được phát với độ phân giải cao HDTV như hiện nay

Hiệu ứng Ghosts (bóng ma): do tránh được nhiễu đồng kênh của hệthống số nên được hiện tượng này cũng đã giảm đi trong truyền hình quảngbá

Với những ưu điểm vượt trội về tín hiệu số, truyền hình số đang tiến tớiviệc thay thế hoàn toàn truyền hình tương tự, để phù hợp với các mạng truyềnthông và các ngành công nghiệp khác, tạo thành một thế giới thông tin số, phục

vụ con người một cách hữu hiệu

1.4 Ảnh số

Đứng trên góc độ cảm nhận của thị giác, ảnh là một sự vật đại diện chongười, sinh vật hay một đồ vật nào đó v.v Đứng trên góc độ kỹ thuật thì ảnhđược nhận biết thông qua hệ thống thị giác hai chiều ảnh động như đã thấytrên truyền hình, phim ảnh là tập hợp của rất nhiều ảnh liên tiếp Khi một ảnhđược số hóa thì nó trở thành ảnh số và ảnh số này lại là một tập hợp của cácphần tử ảnh nhỏ được gọi là điểm ảnh "pixel" Mỗi điểm ảnh lại được biểudiễn dưới dạng một số hữu hạn các bit Ta có thể chia thành 3 loại ảnh khácnhau:

Ảnh đen trắng: mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 1 bit, các ảnh này đoikhi còn được gọi là Bi - level hoặc Bi - tonal images

Ảnh Gray - scale: mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chóikhác nhau, thường thì được biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗiđiểm ảnh

Ảnh màu: mỗi điểm ảnh màu được chia ra gồm 1 tín hiệu chói và cáctín hiệu màu

Biểu diễn ảnh số

Một mẫu tín hiệu hai chiều có thể mô tả bằng một dãy hai chiều x(n 1 T v ,

n 2 T H ), kí hiệu x(n 1 , n 2 ) Trong đó n 1 , n 2 là các số nguyên, T v và T H là khoảngcách các mẫu của mành và dòng Cường độ của tín hiệu được đặc trưng bởi

độ cao của tọa độ ô (n 1 T v , n 2 T H ).

Hình 1.6 Biểu diễn ảnh bằng hàm f (x,y)

Đối với ảnh đen trắng thì ảnh được biểu diễn bằng một hàm cường độ

sáng hai chiều f(x,y), trong đó x, y là các giá trị tạo độ không gian và giá trị f

tại bất kỳ một điểm (x, y) sẽ tỉ lệ với độ sáng của ảnh tại điểm này Đôi khingười ta còn biểu diễn hàm ảnh với một trục thứ 3 là cường độ sáng

Một ảnh số là một ảnh f(x,y) được gián đoạn theo không gian và độ sáng.

Một ảnh số được xem như một ma trận với hàng và cột biểu diễn mộtđiểm trong ảnh và giá trị điểm ma trận tương ứng mức xám tại điểm đó Cácphần tử của một dãy số như thể được gọi là các điểm ảnh (pixels)

1.5 Các phương pháp biến đổi tín hiệu video

1.5.1 Tín hiệu video số tổng hợp

Thực chất là việc chuyển đổi tín hiệu video tương tự tổng hợp sangvideo số với ưu điểm hơn về giải tần, nhưng cũng có nhược điểm của tín hiệutổng hợp tương tự như hiện tượng can nhiễu, chói màu v.v

Hình 1.7 Biến đỏi A/D tín hiệu màu tổng hợp 1.5.2 Tín hiệu video số thành phần

Thực hiện sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự thành phần sang số, quen gọi là tiêu chuẩn D - 1 hay tiêu chuẩn 4:2:2 Phương pháp này cho ta bốc độ dòngbit cao hơn nhưng lại cho phép xử lý dễ dàng các chức năng ghi, dựng, tạo kỹxảo với chất lượng ảnh không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu chói

Lọc thông thấp

Hình 1.8 Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần

1.6 Chuyển đổi tương tự- số và số - tương tự

1.6.1 Các tham số cơ bản

Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào khoảng điện áp mà

bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D) có thể thực hiện chuyển đổi được

Độ chính xác của một ADC có các tham số như độ phân biệt, sai sốlệch không, sai số đơn điệu, số bít, méo phi tuyến, sai số khuếch đại NếuADC làm việc lý tưởng thì vẫn tồn tại sai số, đó là sai số lượng tử hóa Sai sốlượng tử hóa được gọi là sai số hệ thống củ ADC

Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, được

gọi là tần số chuyển đổi fC ở một số ADC có tốc độ cao thì phải trả giá bằng

độ chính xác giảm và ngược lại Tùy theo từng yêu cầu mà ta đáp ứng mộtcách cụ thể

1.6.2 Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi tương tự - số

Hình 1.9 Sơ đồ khối mạch đổi tương tự - số

Lọc thông

Mạch tạo xung đồng bộ

Lọc thông thấp

Lọc thông thấp

Lọc thông thấp

Đồng bộ

Lấy Mẫu

Lấy Mẫu

Lấy Mẫu

Lượng tử

Lượng tử

Lượng tử

Mạch lọc thông thấp: dùng để hạn chế băng tần tín hiệu vào, ngăn ngừahiện tượng méo chéo (các tín hiệu khác nhau chồng lên nhau).

Mạch tạo xung đồng hồ: dùng để lấy mẫu và đồng bộ tất cả các khâutrong mạch ADC

Mạch lấy mẫu: lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những điểm khác nhau,cách đều nhau và giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổitrong quá trình chuyển đổi tiếp theo

Mạch lượng tử hóa: làm nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu về mặt biên độ.Mạch mã hóa: kết quả lượng tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luậtnhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi

1.6.3 Các phương pháp chuyển đổi tương tự - số

Để tổng quát tốc độ chuyển đổi, người ta phân loại về mặt thời gianthành 4 phương pháp chuyển đổi sau đây:

Biến đổi song song: tín hiệu được so sánh cùng một lúc bvới nhiều giátrị chuẩn, các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra

Biến đổi nối tiếp theo mã đếm: quá trình so sánh được thực hiện lầnlượt theo từng bước quy định của mã đếm, kết quả chuyển đổi được xác địnhbằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệutương tự cần chuyển đổi

Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân: các đơn vị chuẩn dùng để so sánhlấy các giá trị giảm dần theo quy luật nhị phân, do đó các bít được xác địnhlần lượt từ bít có nghĩa lớn nhất (MSB) đến các bít có nghĩa nhỏ nhất (LSB)

Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp: qua mỗi bước so sánh có thể xácđịnh được tối thiểu là 2 bít đồng thời

1.6.4 Phương pháp chuyển đổi số - tương tự

Chuyển đổi số - tương tự DAC là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ

N bit đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử LSB.Chuyển đổi số - tương tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổitương tự - số vì không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trìnhlượng tử hóa

Hình 1.10 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự

Mạch cơ bản của DAC bao gồm:

 Mạch số (đa hài loại D) với nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào

 Mạch giải mã số - tương tự: biến tín hiệu số thành tín hiệu rời rạctương ứng dưới dạng các xung biên độ thay đổi

 Mạch tạo xung đồng bộ: đồng bộ các quá trình trong DAC

 Mạch lọc thông thấp: tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu

 Khuếch đại tín hiệu video

Kết luận

Chương 1 đã trinh bày tổng quan về truyền hình số và ảnh số, đã nêu rađược sự khác biệt của truyền hình số so với truyền hình tương tự Chương nàycũng đã nêu ra các phương pháp chuyển đổi tương tự- số và số- tương tự

Mạch

Xung lấy mẫu

Video

số

Video số tương tự

U m

CHƯƠNG 2

SỐ HOÁ TÍN HIỆU VIDEO

Video số là phương tiện biểu diễn dạng sóng video tương tự dưới dạngmột dòng dữ liệu số Thiết bị làm việc với video số có các ưu điểm sau đây:

 Tín hiệu video số không bị méo tuyến tính, méo phi tuyến và không

bị nhiễu (noise) gây ra cho quá trình biến đổi tương tự số (ADC) và số tương tự (DAC) Điều này có thể hoàn toàn thực hiện được bằng cách xử lý

-và phân phối tín hiệu dưới dạng số

 Thiết bị video số có thể hoàn toàn hoạt động của một cách có hiệuquả và kinh tế hơn so với thiết bị video tương tự

 Tín hiệu video số có thể tiết kiệm bộ lưu trữ thông tin nhờ nén tínhiệu

2.1 Lịch sử phát triển

Công nghệ video số trong studio đã được bắt đầu sử dụng từ thập niên

70 Lúc đầu công nghệ số được coi như là các "hộp đen số" Một hộp đen số

là một thiết bị mà đầu vào là tín hiệu tương tự và đầu ra là tín hiệu số Ví dụnhư bộ sửa thời gian gốc TBC, bộ đồng bộ frame

Đến thập niên 80 thì xuất hiện máy ghi hình DVR (Digital VideoRecorder) dùng băng từ dựa trên cơ sở khuyến cáo của CCIR Tuy nhiên cónhiều dạng hộp đen số hoạt động với nhiều tiêu chuẩn, không tương quan,không tương thích dẫn đến việc kết nối giữa các hộp đen số với thiết bị tương

tự hoặc thiết bị số đầu vào/đầu ra tương tự trở nên khó khăn và không thựchiện được Ví dụ như máy tạo kỹ xảo video DVE (Digital Video Fffects), hệthống đồ họa GS (Graphic System)

Trong những năm 1990, nổi bật lên vấn đề tiêu chuẩn hóa về video số.Với sự tham gia tích cực của tổ chức SMPTE (the Society of Motion Pictureand Television Engineers) của Mỹ, nhiều tiêu chuẩn số đã ra đời Ví dụ tiêu chuẩnvideo số tổng hợp (4fSC) và tiêu chuẩn nối kết số bit - nối tiếp

2.2 Thiết bị hộp đen video số

Hình 2.1 Sơ đồ khối hộp đen số

Hình vẽ 2.1 là sơ đồ khối hộp đen số tiêu biểu Tín hiệu vào là tín hiệutương tự, được hạn chế băng tần bằng mạch lọc thông thấp LPF, rồi biến đổitương tự - số ADC (thường gọi là bộ mã hóa Coder) Tín hiệu số (sau ADC)được đưa đến bộ xử lý số DP (Digital Processor) Tín hiệu số sau DP đượcdẫn đến bộ biến đổi số - tương tự (DAC), sau đó qua bộ lọc thông thấp LPF

để loại bỏ các thành phần phổ cao tần và chỉ cho phép tín hiệu video tương tự

đi qua (thường gọi là bộ giải mã Decoder) ở đầu ra ta chỉ có dạng tín hiệutương tự

2.3 Lấy mẫu tín hiệu video số

2.3.1 Lấy mẫu

Lấy mẫu tín hiệu tương tự là quá trình gián đoạn (rời rạc hóa) tín hiệu

theo thời gian bằng tần số lấy mẫu fsa, kết quả cho ta một chuỗi các mẫu Tínhiệu sau khi lấy mẫu phải mang đủ thông tin của dòng tín hiệu vào Biên độtín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ T thì thu được một chuỗi các xunghẹp với tần số mẫu được tính:

fsa = 1/T

trong đó: f sa là tần số lấy mẫu; T là chu kỳ lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu tương đương với một quá trình điều biên tín hiệu (f 0)

trong sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu (f sa) Quá trình điều biên tạo

ra các biên tần thấp và cao Dạng sóng lấy mẫu là hình chữ nhật, phổ của nóbao gồm các thành phần tần số lấy mẫu và các bài của nó

Lọc chống

Lọc khôi phục Video tương

Hình 2.2 Phổ của tín hiệu lấy mẫu.

Quá trình lấy mẫu được thực hiện theo định lý Nyquist: Với một tín

hiệu có băng tần f 0 thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số f c

Một trong những yêu cầu làm tăng tần số tín hiệu truyền hình là tăngkhoảng bảo vệ cho mạch lọc thông thấp trước khi lấy mẫu Mạch lọc này làthành phần đầu tiên của bộ biến đổi AD Để không làm xuất hiện méo tín hiệutương tự, mạch lọc thông thấp của hệ thống loại bỏ các thành phần gây chồngphổ tín hiệu Do các mạch lọc không có được đặc trưng lý tưởng nên phải sửdụng băng tần bảo vệ để các mạch lọc mang tính thực tế hơn Vì vậy mà tần

số lấy mẫu thường lớn hơn 2f c

0 f 0 f sa -f 0 f sa f sa +f 0 2f sa -f 0 2f sa 2f sa +f 0 3f sa -f 0 3f sa 3f sa +f 0 Tần số Biên độ

Hình 2.3 Hiện tượng chồng phổ (aliasing) trong trường hợp tần số lấy mẫu

thấp

Việc chọn tần số mẫu tối ưu sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệukhác nhau: tín hiệu chói, tín hiệu màu cơ bản, tín hiệu màu và tín hiệu videotổng hợp Tần số lấy mẫu cũng phụ thuộc vào các hệ thống truyền hình màu

Tín hiệu video tổng hợp được lấy mẫu với tần số bằng bội số cua tần số

sóng mang phụ Khi tần số lấy mẫu bằng 3f c, hệ NTSC có tần số lấy mẫu là

10,7 MHz, hệ PAL là 13,3 MHz Khi tần số lấy mẫu bằng 4f c, NTSC tươngứng có tần số lấy mẫu là 14,3 MHz, hệ PAL là 17,7 MHz Tấn số lấy mẫucàng cao, càng dễ dàng cho việc sử dụng các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọctái tạo cũng được mã hóa thành tín hiệu thành phần, sau đó được số hóa riêngbiệt Các tín hiệu video thành phần tương tự được lấy mẫu tại tấn số bằng bội

số của tần số dòng quét

2.3.2 Cấu trúc lấy mẫu

Để khôi phục chính xác hình ảnh, tấn số lấy mẫu phải là bội của tần sốdòng Với quan hệ này, điểm lấy mẫu trên các dòng sẽ kề nhau sẽ thẳng hàngvới nhau và tránh được các hiệu ứng méo đường biên gây ra Việc lấy mẫukhông những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc vào tạo độ các điểmlấy mẫu Tần số lấy mẫu phụ thuộc vào cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khôiphục hình ảnh tốt nhất

Có 3 dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến chocấu trúc lấy mẫu tín hiệu video tĩnh là: cấu trúc trực giao, cấu trúc "quincunx"mành, cấu trúc "quincunx" dòng.

Phân bố phổ tần của các cấu trúc quincunx mành rất có ý nghĩa đối vớimành một, nó cho phép làm giảm tần số lấy mẫu theo dòng Phổ tần cấu trúcnói trên của mành hai so với phổ mành một bị dịch và có thể lồng với phổ tần

cơ bản, gây ra méo ở các chi tiết ảnh (khi hình ảnh có các sọc hoặc các đườngthẳng đứng)

c Cấu trúc " quincunx" dòng

Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳlấy mẫu, các mẫu trên dòng của hai mành kế tiếp sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấymẫu

Cấu trúc này không xảy ra trường hợp các phổ biên với phổ chính làkhông bị méo Điều này cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ hơn 25% tần sốNyquist, tiết kiệm được độ rộng của tín hiệu số.

Tùy theo cấu trúc lấy mẫu sẽ xuất hiện loại méo ảnh đặc trưng Với cấutrúc trực giao, độ phân giải ảnh sẽ giảm Đối với cấu trúc " quincunx" mành

sẽ xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh Cấu trúc " quincunx" dòng sẽ xuất hiệncác vòng tròn theo chiều ngang (méo đường biên)

Tóm lại, cấu trúc trực giao có nhiều ưu điểm hơn, nó cho chất lượngảnh cao nhất vì đối với mắt người độ phân giải giảm dễ chịu hơn hai loại méonêu trên

2.4 Lượng tử hóa

Lượng tử hóa là bước tiếp theo của quá trình biến đổi A/D Biên độ tínhiệu được chia thành các mức gọi là mức lượng tử Khoảng cách giữa haimức kề nhau là bước lượng tử

Giá trị lượng tử Q xác định theo biểu thức

Q = 2N

trong đó: N là số bit biểu diễn mỗi mẫu

Tín hiệu nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu, nguyênnhân là do quá trình lượng tử hoá xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu

Tất cả các giá trị nằm trong phạm vi của mức lượng tử đều được thiếtlập một giá trị như nhau, đó là mức lượng tử Q

Có hai phương pháp lượng tử hoá: lượng tử tuyến tính có các bưướclượng tử bằng nhau và lượng tử hoá phi tuyến có các bưước lượng tử khácnhau Các mức lượng tử đều có biên độ bằng nhau, quá trình lượng tử hoáđược gọi là lượng tử hoá đồng đều Đây là quá trình biến đổi từ một chuỗi cácmẫu với vô hạn biên độ sang các giá trị nhất định, vì vậy các quá trình nàygây ra sai số, gọi là sai số lượng tử Sai số lượng tử là một nguồn nhiễu khôngthể tránh khỏi hệ thống số Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong phạm

vi 1/2 Q Hệ thống số sử dụng 8 bit hoặc lớn hơn 8 bit đê biểu diễn mẫu, sai số

lượng tử có thể coi như một nguồn tín hiệu không mong muốn (nhiễu) cộngthêm tín hiệu trong quá trình lượng tử Trong hệ thống sử dụng ít hơn 8 bit đểbiểu diễn mẫu, sai số lượng tử sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu banđầu, làm méo dạng sóng, tăng hiệu ứng viền không mong muốn.

(t) = x(t) - x’(t)

trong đó: (t) là sai số lượng tử

x(t) là giá trị mẫu tín hiệu trước khi lượng tử

x’(i) là giá trị mẫu tín hiệu sau khi lượng tử

Sai số (t) tuỳ thuộc vào tính thống kê của nguồn tín hiệu vào và độrộng

các mức lượng tử Có thể xem (t) là một loại nhiễu do quá trình lượng

tử hoá gây ra gọi là méo lượng tử

Méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử Đối với tín hiệu video,méo lượng tử xuất hiện ở hai dạng chính: hiệu ứng đường viền và nhiễu hạtngẫu nhiên

Hiệu ứng đường viền xuất hiện ở những vùng có độ sáng thay đổichậm

và đều theo chiều ngang, khi dó có những sọc sáng cố định theo chiềuđứng như đường biên Nếu tăng số mức lượng tử, hiệu ứng đường viền sẽgiảm

Nhiễu hạt ngẫu nhiên xuất hiện ở vùng ảnh rộng và có độ sáng đồngđều, dạng hạt giống sương mù

Quá trình hiệu chỉnh được thực hiện bằng cách cộng tín hiệu có dạngđặc biệt - tín hiệu "dither" vào tín hiệu video Tín hiệu dither thông thường códạng xung chữ nhật, có tần số bằng 1/2 tần số lấy mẫu, biên độ bằng 1/2 sónglượng tử

Tín hiệu này làm tăng gấp đôi mức lượng tử hoá với các ảnh có diệnrộng nhưng không làm giảm chất lượng của ảnh có nhiều chi tiết

Phương pháp giải quyết hiệu ứng đường viền có hiệu quả nhất là cộng

hai tín hiệu "dither" tín hiệu xung chữ nhật biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên

biên độ hiệu dụng < Q/3 vào tín hiệu video Với phương pháp này, méo lượng

tử sẽ chỉ còn ở dạng ngẫu nhiên Với 8 bit mã hoá có thể loại bỏ hết các tạp

âm nhiễu do tín hiệu video

Do tín hiệu vào không ổn định, cộng với các nhiễu trong các quá trìnhsửa, đặc trng của các mạch lọc không phải là lý tưởng nên quá trình lượng tửhoá tín hiệu video cần được sử dựng biên bảo hiểm Các mức cấm này chophép tín hiệu video được an toàn trước các nguồn nhiễu Chúng là các khoảngtrống phía trên giá trị cực đại và phía dưới giá trị cực tiểu của tín hiệu video

Do ảnh hưởng méo ở mức đen nhỏ hơn ở mức trắng nên bảo hiểm của mứctrắng lớn hơn mức đen Biên độ tín hiệu tương tự biến đổi trong phạm vi nhấtđịnh, đó là giá trị đỉnh - đỉnh (Up -p) Giá trị Up -p chuẩn với tín hiệu sọc màu là100% cho hệ NTSC là 1,22 V và PAL là 1,2335 V Quá trình chuyển đổi A/Dkhông được làm mất thông tin để có thể khôi phục tín hiệu ban đầu một cáchtrung thực

2.5 Mã hoá

a Khái quát chung

Mã hoá là khâu cuối của bộ biến đổi A/D Mã hoá, theo quan điểmthống kê, là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tintức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kĩ thuật cho hệ thống truyền tin Dữ liệusau mã hoá có ưu điểm: tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tươngđương khả năng thông qua của kênh

Quá trình mã hoá biến đổi các mức tín hiệu đã lượng tử hoá thànhchuỗi các bit "0" và "1" Độ dài tín hiệu của dãy nhị phân này gọi là từ mã nhịphân Nó phản ánh số lượng mức sáng, lối, màu sắc của hình ảnh được ghinhận và biến đổi Độ dài từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càngchất lượng Tuy nhiên nó cũng chỉ đạt đến một giới hạn nhất định, đủ để phù

hợp với khả năng kĩ thuật của hệ thống và khả năng phân biệt của mắt ngườixem Độ dài từ mã nhị phân tiêu chuẩn hiện nay là 8 bit/mẫu.

Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được phân chia một cách quy ước thành 4 nhóm:

 Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình

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

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

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

Để đáp ứng mã hoá tín hiệu truyền hình và san đó tạo lại nó ở bên thu,người ta thường đùng một loại mã, còn đối với việc truyền chống nhiễu theokênh thông tin thì dùng loại mã khác Khi chọn mã cho các tín hiệu của thiết

bị truyền hình số, cần chú ý tới sự lập mã (cấu trúc toán học) và phương pháp

mã hoá, giải mã các mã đã được chọn

Về cấu trúc toán học, các mã được chia thành các mã không chính xác

sơ cấp và mã hiệu chỉnh để sửa chữa sai số khi truyền Trong các khâu truyềnhình số, các mã sơ cấp được sử dụng chủ yếu để mã hoá tín hiệu truyền hình,ghi hình từ tính, biểu diễn tín hiệu thông tin phụ và các mục đích bổ xungkhác Các mã hiệu chỉnh sai số được sử dụng trong trường hợp tín hiệu số bịméo khi truyền theo đường kênh thông tin

b Các đặc tính cơ bản của mã

Quá trình biến đổi rất nhiều các điểm đếm lượng tử hoá của tín hiệuthành tổ hợp các ký hiệu khác nhau gọi là sự mã hoá, trong đó các nhóm kýhiệu thông tin các điểm mã hoá gọi là mã

Mã đều đặn là các mã mà tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệunhư nhau Nếu tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu khác nhau thì đượcgọi là mã không đều đặn

Lý thuyết mã hoá có hai hướng nghiên cứu:

 Nghiên cứu các cấu trúc mã mà nó nâng cao độ chính xác của việctruyền theo kênh thông tin có nhiễu (như các mã chống sai số, các mã hiệuchỉnh).

 Nghiên cứu cấu trúc mã triệt tiêu độ dư của tín hiệu đã mã hoá trongkênh không nhiễu

Hai hướng nghiên cứu này đóng vai trò đặc biệt trong truyền hình số,

sự phối hợp hiệu quả giữa các hướng nghiên cứu khác nhau cho phép làmgiảm căn bản độ dư của tín hiệu truyền hình và tạo ra các đặc tính ứng dụngquan trọng trong truyền hình số

Trường mã là trường chứa đựng một số hữu hạn các phần tử q, được

gọi là trường Galua, ký hiệu là GF(Q), trong đó q là cơ số Thiết bị mã hoá

dùng các bộ ghi dịch để tạo nên các mã, các tổ hợp mã được biểu diễn một

cách thuận tiện dưới dạng đa thức ((x) từ một biển x và các hệ số xác định từ trường GF(X) nào đấy:

f(x) = a 0 + a 1 x 1 + a 2 x 2 + + a n x n

Bậc của đa thức tương ứng với bậc lớn nhất của x trong số các hạngthức với hệ số khác không Đa thức mà nó không thể phân chia thành đa thứckhác cấp thấp hơn với các hệ số thuộc cùng một trường được gọi là đa thứcbất khả quy Số bậc trong một tổ hợp mã được gọi là trọng số tổ hợp toàn bộcác tổ hợp mã được gọi là bảng từ mã Đôi với mã đều đặn thì độ dài bảng từ

mã bằng {A}- q n , trong đó q là cơ số mã, n là trọng số của nó.

Mã hiệu chỉnh sai số được sử dụng trong tín hiệu số bị méo khi truyền theo đường thông tin Trong mã hoá hiệu chỉnh, bảng mã xuất xứ phảinhỏ hơn bảng mã kênh, việc truyền thông tin đòi hỏi cần phải có phần tổ hợptoàn bộ các từ mã kênh Các tổ hợp mã được sử dụng này được gọi là tổ hợp

mã cho phép, phần còn lại là tổ hợp mã bị cấm

Khoảng cách mã được định nghĩa bằng số bậc mã, nó đặc trng cho khảnăng sử dụng mã để phát hiện và sửa chữa sai số truyền Khi sửa chữa mã saitrên đường truyền, nhất thiết phải có thời gian phụ Thời gian phụ đó người ta

quy ước là độ dư từ mã Độ dư từ mã làm cho từ mã táng lên, tốc độ truyềnthông tin giảm đi Độ dư từ mã được xác định nh sau:

Mã hoá sơ cấp: dùng để tạo tín hiệu số ở studio

 Mã bảo vệ và sửa sai: tăng khả năng chịu đựng của tín hiệu trongkênh có nhiễu

 Mã truyền tuyến tính: tăng khả năng truyền dẫn

Đầu tiên tất cả các tín hiệu video số được mã hoá sơ cấp, sau đó mã hoáchuyển đổi (transcode) Mã sơ cấp là mã cơ sở mà từ đó hình thành mãbảo vệ

Mã sơ cấp có dạng tín hiệu nhị phân liên tục, các bit "0" "1" có thể biểudiễn bằng nhiều phương pháp khác nhau, được phân biệt bằng thời gian tồntại, cực tính, mức pha Biểu diễn các bit có thể là tuyệt đối hoặc tương đối

Mã có cấu trúc tuyệt đối: sự biến đổi các bit kèm theo sự biển đổi cáchbiểu diễn, mỗi tín hiệu của mã được ký hiệu tương ứng với tín hiệu điện đãđược xác định

Mã có cấu trúc tương đối: sự biến đổi các bit tương ứng có thể biến đổihoặc không biến đổi cách biểu điển, sự thay đổi của các tham số biểu diễn dãytín hiệu xảy ra chỉ khi xuất hiện ký hiệu 1 (hoặc ký hiệu 0) trong dãy thôngtin

c Các mã sơ cấp

Các mã sơ cấp chủ yếu được sử dụng để mã hoá tín hiệu truyền hình,

sử lý số, trong các thiết bị stdio của trung tâm truyền hình số v.v .

Mã sơ cấp trong truyền hình là mã đồng đều, vơi, có cấu trúc tuyệt đối:

 NRZ (Non Retm to Zero): không trở Lại mức "0".

 RZ (Retum to Zero): trở lại mức "0".

 BiPH (Bi Phase): hai pha.

Trong các mã không có trọng số, các bậc của các tổ hợp mã không cótrọng số xác định Thuộc về các mã không có trọng số là mã phản xạ, trong số

đó có mã Gray Tính chất cơ bản của mã phản xạ là hai tổ hợp mã bất kỳ kềnhau chỉ được phân biệt bằng một bậc Vì vậy khi bị sai số, sự tạo lại của tổhợp mã sẽ giữ làm sai 1 bậc Mã Gray có khoảng cách bằng 1, ít làm sai sốthiết bị, kết hợp với việc phát hiện sai số các khối thông tin có bậc kề nhau

Mã Gray được sử dụng rộng rãi trong việc mã hoá ma trận của tín hiệu truyềnhình dùng ống tia điện tử cũng nh khi truyền tín hiệu truyền hình số bằngphương pháp điều pha nhiều vị trí tương đối

Dạng mã là dạng biểu diễn của cùng một mã sơ cấp nào đó được xácđịnh bởi dạng của tín hiệu Hình 2.5 đưa ra các đồ thị thời gian của dãy nhịphân 1011 0100, trong đó các mã nhị phân đã được biểu diễn theo các dạngkhác nhau

 Các dạng mã NRZ là một dãy xng có độ rộng mỗi xung bằng thờigian chu kỳ đồng hồ :

U(t) = U(t) - U(t- T)

trong đó: T là thời gian chu kỳ đồng hồ

Mức logic 0 ứng với mức điện áp thấp nhất, mức logic 1 ứng với mứcđiện áp cao nhất Người ta chia mã NRZ thành hai loại: NRZ gián đoạn tíchcực (NRZ - P) có mức logic 0 ứng với điện áp âm (cùng giá trị), điện áp âmứng với logic 1 , NRZ gián đoạn thụ động (phụ thuộc vào mức điện áp ứngvới mức tín hiệu thấp nhất) có mức logic 0 ứng với mức điện áp 0

Các biến thể của NRZ là mã NRZ-M Mark) và NRZ-S Space)

(NRZ-Hình 2.5 Mã sơ cấp

 Các mã dạng RZ khác với mã NRZ là xung điện áp 1 nửa hay cả phầnphạm vi nhịp T:

U(t) - U(t) - U(t - 0,5 T)

Có xung ứng với mức logic 1, không có xung ứng với mức logic 0.Trong trường hợp logic 1, biên độ tín hiệu thay đổi 2 lần, còn mức logic 0 thìbiên độ tín hiệu không đổi Đối với mã RZ gián đoạn tích cực (RZ-P), xung

âm độ rộng bằng một phần hoặc 1/2 thời gian xung đồng hồ, biên độ bằng biên

độ xung dương ứng với mức logic 1 Một biến thể của RZ gián đoạn tích cực

là RZ-U, loại mã trong đó mức logic 0 ứng với xung dương có biên độ nhỏ

hơn xung ứng với mức logic 1 Mã RZ có khả năng tạo lại tín hiệu đồng hồ

từ chuỗi tín hiệu mã thu được

 Các mã dạng BiPh được tạo thành nhờ các cặp xung phụ RZ trong

mỗi phạm vi nhịp:

U(t) = U(t) - 2 U(t - 0,5 T) + U(t - T)

Các loại mã xuất phát từ BiPh bao gồm: BiPh-M (Bi Phase Mark) vàBiPh-S (Bi Phase Space)

Trong truyền hình số, mã NRZ thường được sử dụng cho các thiết bịstudio và thiết bị truyền các thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình Mã RZđược dùng trong một số trường hợp truyền tín hiệu truyền hình số ở khoảngcách xa Mã BiPh dùng trong quá trình ghi tín hiệu số trên bảng từ

2.6 Chuyển đổi D/A

Hình 2.6 Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự

Bộ biến đổi số - tương tự (D/A) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ

N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử

(1 LBS) Chuyển đổi D/A không phải là phép nghịch đảo của quá trình A/B vì

không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hoá

Đầu ra của một bộ biến đổi D/A là một chuỗi các xung hình chữ nhật

có biên độ bằng biên độ các tín hiệu số, độ rộng các xung là T = 1/f, phổ của

một xung chữ nhật có độ rộng T được xác định bởi hàm số:

 

x

Sinx log

20 dB

trong đó : x = fv/fsa

fv là tần số tín hiệu video

fsa là tần số lấy mẫu.

2.7 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video thành phần

Ba yếu tố chính làm ảnh hưởng đến tín hiệu tương tự là: méo phi tuyến,

Tín hiệu video

Video

số tương tự

méo tuyến tính và nhiễu do không ổn định thời gian Các suy hao này có thểlàm giảm nhỏ bằng các phương pháp kỹ thuật, song không thể loại trừ hoàntoàn được Việc sử dụng tín hiệu thành phần tại studio cho phép loại bỏ đượcnhững hiệu ứng không mong muôn như trong tín hiệu tổng hợp Tuy nhiên,thiết bị thành phần có giá thành cao phức tạp.

Trong hệ thống số, các suy hao này có thể được giảm nhỏ, nhờ quátrình biến đổi tín hiệu A/D và D/A, tín hiệu được gia công, xử lý và phân phốitheo dạng số, tín hiệu chỉ được chuyển đổi sang tương tự đúng 1 lần vào trướckhi truyền đi trong không trung bằng sóng VHF và UHF thông thường Mặc

dù tín hiệu tổng hợp đã có được những thuận lợi, nhất là về băng tần, song xuhướng chung trong sản xuất chương trình tại stdio, trên các đường truyền vàphân phối tín hiệu qua vệ tinh cho các stdio lưu động, là sử dụng tín hiệuthành phần đầy đủ hoặc có nén dòng bit

Nỗ lực chuẩn hoá của Bắc Mỹ và Châu âu mà kết quả là sự ra đời củatiêu chuẩn CCIR-601, tiêu chuẩn mã hoá truyền hình số tại stuđio Tiêu chuẩnnày phù hợp với cả hai hệ truyền hình có 525 và 625 dòng quét, và là cơ sởcho việc tạo ra các tiêu chuẩn con Ban đầu, chuẩn này xác định 8 bit cho mãhoá tín hiệu video, tuy nhiên, ngày nay, số bít xác định cho mã hoá là 10 bit

Cơ sở của tín hiệu mã hoá là các tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu,hoặc là các tín hiệu màn cơ bản (R, G, B)

2.7.1 Các chuẩn lấy mẫu

Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video số thành phần như tiêu

chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4.2:0, 4:1:1 Điểm khác nhau chủ yếu là tỉ lệ tần số lấy

mẫu và phương pháp ấy mẫu tín hiệu chói, các tín hiệu màu Các định dạng sốvideo có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của video

a Tiêu chuẩn 4:4:4

Các tín hiệu chói (Y) tín hiệu hiệu màu (CR, C B ) được lấy mẫu tại tất cả

các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video Cấu trúc lấymẫu là cấu trúc trục giao (Hình 2.7a)