Đề tài ’Biến đổi AD và DA trong hệ thống truyền hình số’

Đề tài ’Biến đổi AD và DA trong hệ thống truyền hình số’

ca Lisa

DE TAI

’Bién déi A/D va D/A trong hé

thống truyền hình số°

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

cae

¬

BÀI TẬP LÓN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

LỜI NÓI ĐÀU

Giới thiệu chung về vai trò và chức năng của phép biến đổi A/D, D/A

I/BIEN DOI TIN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG SO(A/D)

IH/PHƯƠNG PHÁP CHUYÊN ĐÔI D/A

IV/KÉT LUẬN

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền hình như tên gọi của nó là hệ thống biến đổi hình ảnh và

âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện,truyền đến máy thu nơi thực hiện việc biến đổi tín hiệu này thành dạng ban đầu và hiển thị trên màn ảnh dưới dạng hình ảnh.Truyền hình dựa trên đặc điểm cảm nhận ánh sáng

của mắt người để truyền đi thông tin cần thiết,ánh sáng là các bức xạ điện

từ có bước sóng nằm trong khoảng tir 380 um dén 780 ;m.Thông tin nhìn

thấy của vật được mắt người cảm nhận phụ thuộc tính chất phản xạ của vật

Sử dụng phương pháp số trong truyền hình số để tạo lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mo ra 1 kha

năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ

truyện hình Trong một số ứng dụng ,ín hiệu sô được thay thê hoàn toàn

cho các tín hiệu tương tự vì nó có khả năng thực hiện được các chức năng

mà tín hiệu tương tự hầu như không thể làm được hoặc rất khó thực hiện

nhất là trong việc xử lý và lưu trữ tín hiệu

Để việc truyền tín hiệu đi trong truyền hình số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đường truyền thì tín hiệu trước khi truyền đi cần phải đưa qua

bộ biến đổi từ tín hiệu tương tự sang số(A/D).Khi đó tín hiệu qua các khâu mã hóa và đưa vào bộ điều chế để truyền đi.Tại phía thu,tín hiệu sẽ được qua bộ biến đổi ngược lại để biến tín hiệu trở VỆ dang ban đầu.Do

đó trong bài tập lớn: Biên đôi A/D và D/A trong hệ thông truyên hình sô" chúng ta sẽ đi sâu về vấn đề này nhiều hơn.Đẻ thấy được tín hiệu trước

khi truyền đi nó được biến đổi như thế nào và tại đầu ra khôi phục lại dạng tín hiệu ban đầu

BÀI TẬP LÓN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

Giới thiệu chung về vai trò và chức năng của phép biến déi A/D,

D/A

1.1 Chức năng của biến đỗi A/D và D/A

So với tín hiệu tương tự ,tín hiệu sé cho phép tạo ,lưu trữ,ghi đọc

nhiều lần mà không làm giảm chất lượng hình ảnh trong truyền hình

số Tuy nhiên,không phải trong tắt cả các trường hợp tín hiệu số đều đạt

hiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự

-Ngày nay,hệ thống truyền hình kỹ thuật số đã và đang được phát triển

trên toàn thế giới.tạo nên một cuộc cách mạng thật sự trong công nghiệp

truyền hình

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

Tín hiệu

tương tự

+| Biến đổi A/D Mãhóanguồn |—» Mãhóakênh |_>| Điều chế số

Kênh truyền

Tín hiệu

tương tự ¬ BiênđôiD/A sự ae | Giải mã nguôn |&—| Giải mã kênh 4 sẽ x yee Giải điêu chê ee Ấ

+Bên phát:Tại đầu vào của thiết bị là tín hiệu tương tự,khi đó bộ biến đổi

tín hiệu tương tự sang số(A/D) làm nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu truyền

hình tương tự sang tín hiệu truyền hình số Việc biến đổi này nhằm làm

giảm tác động của nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu và khi chuyển

sang tín hiệu số giúp ta có thê đạt tốc độ truyền cao,chính xác.Đồng thời

nó cũng giúp cho quá trình sửa lỗi ở phía thu được dễ dàng hơn.Sau đó

tín hiệu số được đưa qua bộ mã hóa nguồn,mã hóa kênh,điều chế

+Bên thu:Sau khi qua các bộ giải điều chế,giải mã hóa tín hiệu được đưa

tới bộ biến đổi số sang tương tự(D/A).Ở đây tín hiêu tin tức ban đầu truyền đi được khôi phục lại hoàn toàn ở phía thu(ảnh hưởng của nhiễu đến tín hiệu là ít)

1.2 Đặc điểm của tín hiệu số

-Bên cạnh những ưu điểm hơn so với tín hiệu tương tự thì việc truyền tín

hiệu số cũng phải trả giá sau:

+Độ rộng băng tần:Yêu cầu về băng tần của tín hiệu số rộng hơn rất nhiều

so với băng tần của tín hiệu tương tự.Mà băng tần là nguồn tài nguyên quý giá.(Ứng với mỗi lĩnh vực thì chỉ cho phép hoạt động trong dải tần

mà nó được phép sử dụng).Xét ví dụ sau:Xét tín hiệu (hệ NTSC)có độ rộng băng tần là 6,5Mhz,sử dụng 8 bit mã hóa.khi đó theo định luật lay

mẫu(Nyquist) thì tần số lấy mẫu phải gấp 2 lần tần số của tín hiệu cơ bản( ƒ, >2/,),vậy /, =13Mhz.Mặt khác: tốc độ truyền

R=nx ƒ, =8x13=104Mb/ s.Tương ứng với độ rộng băng tần khoảng

60Mhz.Từ đó ta thấy:độ rộng băng tần của tín hiệu số gấp khoảng 10 lần

độ rộng băng tần của tín hiệu tương tự

Chính vì thế đề đáp ứng được tốc độ truyền cao như hiện nay (đòi hỏi phải có băng tần rộng mới đáp ứng được).Tuy nhiên băng tần là tài

nguyên quý giá,do đó người ta đưa ra kỹ thuật nén băng tan,ma van dam

bảo được tốc độ truyền

+Mặc dù ngày nay công nghệ vi mạch số phát triển nên các thiết bị số được tích hợp nên kích thước nhỏ bé nhưng đòi hỏi độ chính xác và giá

thành sẽ đắt hơn các thiết bị tương tự( các thiết bị có kích thước cồng

kénh.)

+Một tín hiệu số được lấy mẫu theo chiều thẳng đứng và chiều ngang thì

có khả năng bị chồng phô.và để khắc phục tình trạng này thì việc lấy mẫu phải tuân theo định lý lấy mau(N) yquist)

Tuy nhiên tín hiệu số có rất nhiều ưu điểm hơn so với tín hiệu tương tự

như:khả năng sửa lỗi của tín hiệu số tốt hơn rất nhiều so với tín hiệu

tương tự,khả năng ảnh hưởng của nhiễu ít,việc mã hóa giải mã cũng đơn giản Chính vì vậy,hiện nay tín hiệu số đang được sử dụng ngày càng rộng rãi ở Việt nam cũng như trên thế giới

IV/BIEN DOI TIN HIEU TUONG TU SANG SO(A/D)

-Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số gồm 3 quá trình: +Lấy mẫu(Sample)

+Lượng tử hóa(quatife)

+Mã hóa (encode)

BÀI TẬP LÓN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

Analo, N Lượng tử |_, Digital

-Lấy mẫu tín hiệu tương tự: là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành 1 dãy các xung tuân hoàn ,cách đêu nhau và có độ rộng bằng nhau,có biên

độ xung bằng với giá trị của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu

-Lượng tử hóa:là quá trình xấp xỉ hóa các giá trị của các mẫu tương tự về

1 số mức nhất định,khoảng cách giữa 2 mức biên độ đó gọi là bước lượng

tử

-Mã hóa:quá trình này sử dụng các bit nhị phân để mã hóa các mức biên

độ đã được lượng tử hóa Số lượng bit nhị phân mã hóa mỗi bit lượng tử

sẽ phụ thuộc vào số mức lượng tử hóa

2.1/Lấy mẫu tín hiệu video

2.1.1 Lấy mẫu

-Lấy mẫu là bước đầu tiên chuyển tín hiệu tương tự sang só,vì các thời

điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ra tọa độ các điểm đo

Tín hiệu vào Tin hiéu roi rac

trong đó: T,: chu kỳ lấy mẫu [giây]

f, = 1/T,; tần só láy mẫu [Hz] hay tóc độ lấy mẫu [mẫu/giây]

Quá trình biến đổi này phải tương đương về mặt tin tức hay nói cách khác tín hiệu sau khi lấy mẫu phải đảm bảo mang đủ thông tin của tín hiệu

vào.Biên độ của tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ 7,,thu được

các xung hẹp với tần số lấy mẫu :

“

Trong đó: /,-tần số lầy mẫu

T,-chu kỳ lay mau

-Quá trình lấy mẫu tương đương với 1 quá trình điều biên tín hiệu 7, trên sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu /,.Quá trình này tạo ra các biên trên và biên dưới,phổ của tín hiệu lấy mẫu bao gồm thành phần tần số lấy

mẫu và các hài của nó

(HÌNH VẼ)

~Trên thực tế viêc lấy mẫu tuân theo cơ sở của định lý Nyquist(Định lý lấy mẫu):một tín hiệu thông thấp có phổ tần số không lớn hơn ta có thé được khôi phục hoàn toàn không có lỗi tại phía thu bằng các mẫu tín

hiệu,mà khoảng cách giữa các mẫu đó không lớn hơn 7, < =

H -Như vậy ,dé tin hiéu lay mau mang toan bé6 thong tin của tín hiệu gốc thì: +Tín hiệu gốc phải có băng tần hữu hạn,tức là nó không có những phần tử

có tần số nằm ngoài 1 tần số /„ nào đó

+Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần tần số cơ bản ƒ, >2ƒ

Biên độ

băng cơ — Dải biên oe dưới trên

bản dưới trên

Phô tần số lấy mẫu lý tưởng

-Đối với tiêu chuẩn tần số Nyquist,việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số

ƒ <2ƒ„ là nguyên nhân gây méo chông phô và làm giảm độ phân giải

theo chiều ngang `

Thanh phan tan sô cao nhât với các hệ truyện hình tương tự là:

+Hệ PAL: /„ =5MH:

+Hệ NTSC: ƒ =4,2MHz

Theo đó:

+Hệ PAL: f, = 10MHz

BÀI TẬP LÓN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

+Hệ NTSC: f, =8,4MHz

Các giá trị 1UMHz và 8,4MHz là các giá trị tần số lấy mẫu nhỏ nhất,đảm

bảo khôi phục hoàn toàn lại tín hiệu ban đầu Thực tế thì tần số lấy mẫu tín hiệu video cho các hệ truyền hình cao hơn

-Một trong những yêu cầu làm tăng tần số tín hiệu truyền hình là tăng khoảng bảo vệ cho mạch lọc thông thấp trước khi lấy mẫu.Mạch lọc này

là phần đầu tiên của bộ biến đổi A/D

-Để không làm xuất hiện méo tín hiệu tương tự ,mạch lọc thông thấp của

hệ thống được loại bỏ các thành phần gây chồng phổ tín hiệu.Do các mạch lọc không có đặc trưng lý tưởng ,đặc tính mạch lọc ngoài dải thông không phải là suy giảm hoàn toàn ,nên sử dụng băng tần bảo vệ cho phép

sử dụng các mạch lọc mang tính thực tÊ.Việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu

sẽ khác nhau với các thành phần tín hiệu khác nhau:Tín hiệu chói,tín hiệu màu cơ bản,tín hiệu màu và tín hiệu video màu tổng hợp

-Việc lấy mẫu có thẻ thực hiện theo 2 cách sau:

+Lấy mẫu tự nhién(Natural sampling):Ta thấy nếu tấn số lấy mẫu không thỏa mãn định lý lấy mẫu thì xảy ra hiện tượng các phổ của tín hiệu sẽ chồng chéo lên nhau.Hay đây chính là hiện tượng chồng phổ hay mập mờ

phô

Việc lấy mẫu tự nhiên thực hiện khá dễ dang,chi can 1 chuyén mach hai dau vao mét dau ra tương tự,như hình vẽ sau:

Chuyển mạch

Hình 3.3 Mạch tạo tín hiệu PAM lấy mâu tự nhiên

+Lấy mẫu tức thời(Instaneous sampling):Dé thực hiện việc lấy mẫu tức thời ta sử dụng bộ lấy và giữ mẫu như hình sau:

——————x`

Hình 3.4 Mạch lấy mâu và giữ mâu 2.1.2 Cấu trúc lấy mẫu

-Tín hiệu hình ảnh từ camera và tín hiệu được hiển thị trên màn hình chứa

thông tin về đồng bộ theo mành và dòng ,đó là các ảnh 2 chiều Vì vậy,đề khôi phục hình ảnh chính xác,tần số lấy mẫu có liên quan đến tần số dong

và qua nghiên cứu cho thấy tần số lấy mẫu phải là bội của tần số dòng -Như vậy,việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc tọa độ các điểm lấy mẫu.Vị trí các điểm lay mau hay cau tric lay mẫu được xác đỉnh theo thời gian ,trên các dòng và các mành

-Có 3 dạng liên kết vị trí các điểm lay mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video là cầu trúc trực giao,câu trúc

“quincunx’manh và “quincunx" dòng

+Cấu trúc trực giao:Các mẫu được sắp xép(trén các dòng kể nhau)thẳng hàng theo chiều đứng.Và cầu trúc này là cô định theo mành và theo 2 ảnh(hai mành).Tần số lấy mẫu thỏa mãn định lý Nyquist,sử dụng tốc độ bit lớn cho chất lượng ảnh cao

tụ Vi —e—e—e—e— 0 o_o

2.1 —@——@—@—e@—0—_@—_e-

© @ @ @ eee LV

—e—e—e—ew—e—e—e_-

e e e .e e e e

Câu trúc trực giao

+Cấu trac’quincunx’ manh: :Đối với cấu trúc này,các mẫu trên các dòng

kề nhau thuộc 1 _manh xép thing hang theo chiéu thing đứng(trực giao),nhưng các mẫu thuộc mành một lại dịch đi 1 nửa chu kỳ lấy mẫu so

với các mẫu của mành thứ 2.Cấu trúc “Quincunx” mành cho phép giảm

tần số lầy mẫu theo dòng Phổ tần cấu trúc nói trên của mành 2 so với phd mành 1 bị dịch và có thể lồng với phổ tần cơ bản, gây ra méo ở các chỉ

tiết ảnh.

BÀI TẬP LÓN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

An Ve

Cau trie quincunx manh

+Cấu trúc “quincunx°dòng:Các mẫu trên các dòng kề nhau của 1 manh sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lây mẫu,còn các mẫu trên dòng 1 mành so với các mẫu trên dòng tiêp sau(của mành sau) một nửa chu kỳ lây mẫu

Hà, Vị

He Va

Hs Va

Câu trúc quincunx dòng

-Tùy theo cấu trúc lấy mẫu ,thì sẽ xuất hiện các loại méo ảnh khác nhau

¢ V6i cau trúc trực giao:độ phân giải ảnh giảm,nhưng cấu trúc này cho chất lượng ảnh cao nhất

e _ Với cấu trúc"quincunxmành:xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh

¢ V6i cdu tric “quincunx'dòng:xuất hiện các vòng tròn theo chiều ngang(méo đường biên)

2.2 Lượng tử hóa

*/Khái niệm:Là quá trình xấp xỉ các mẫu tương tự về 1 giá trị biên độ gọi

là mức lượng tử

-Khoảng cách giữa 2 mức lượng tử gọi là bước lượng tử

Nếu gọi số mức lượng tử là:Q (q1,q2 qn)

“Ta có: Q=2Y `, trong đó:N-số bit biểu diễn mỗi mẫu

Hình 1.5 — Hàm lượng tử với bước lượng tử q = 1

-Thực tế,có 2 phương pháp lượng tử hóa:

+Lượng tử hóa tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau(lượng tử đều) +lượng tử hóa phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau(lượng tử không

đều)

“Trong hầu hết các thiết bị video ,thì tất cả các mức lượng tử đều có biên

độ bằng nhau và quá trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hóa đều Lượng tử hóa đều là phép trong đó các mức lượng tử cách đều nhau.khi

đó giới hạn biên độ tín hiệu: @.A=2z

Trong đó:+a:Mức cực đại

-a:Mức cực tiểu

A:Bước lượng tử

'Nhiễu lớn | t 3}

(a) (b)

Hình 3.9 (a) Tín hiệu lượng tử hóa vói nhiễu cộng (b) Tín hiệu sau bộ tái lượng tử hóa -Lỗi xuất hiện khi nhiễu làm biên bộ vượt quá 1⁄2 bước lượng tử,các phần còn lại bị triệt tiêu

Lt