398 định chiều rộng nhỏ nhất của băng tần video. Để đánh giá chiều rộng băng, chúng ta xem xét một phần của màn ảnh đen trắng như trong hình 14.6. Nếu tần số xuất hiện của các hình vuông theo chiều dọc bằng tần số xuất hiện của các hình vuông theo chiều ngang, và tỷ lệ là 4:3, thì số các hình vuông theo chiều ngang là (4/3) 525 = 700 hình vuông. Tổng số các hình vuông trong ảnh là 700 525 = 367,500 hình vuông. Nếu mỗi khung ảnh xuất hiện trong 1/60 giây thì số hình vuông xuất hiện trong một giây là 367,500 60 = 22,050,000. Tần số cơ bản của tín hiệu sóng hình vuông xuất hiện là 22,050,000/2 Hz 11 MHz. Vì vậy với hệ thống 512 dòng, dải thông tối thiểu (cho tín hiệu đen trắng) là 11 MHz. Chiều rộng dải thông được chia cho 2 là do ta đã áp dụng quét xen kẽ. Hình 14.6 Yêu cầu giải thông. Trong kỹ thuật quét xen kẽ một bức ảnh được chia làm hai tập hợp ảnh, mỗi tập hợp chứa một nửa số dòng quét trong ảnh. 512 dòng được chia trong mỗi ảnh 262 dòng. Phần dòng quét trong mỗi ảnh được cho trong hình 14.7. Các dòng quét cho ảnh thứ nhất bắt đầu từ điểm A và kéo dài đến điểm B. Nó chuyển động với tốc độ rất nhanh đến điểm C. Điểm cuối của ảnh thứ nhất là điểm D. Tại điểm kết thúc của ảnh thứ nhất, tia điện tử chuyển động rất nhanh với tốc độ rất cao đến điểm E. Ảnh thứ hai bắt đầu từ một nửa dòng và kết thúc ở một điểm cuối dòng. Trong quá trình quét ngược theo chiều dọc các dòng ngang vẫn tiếp tục được gửi đi, nhưng chúng bị loại đi bởi xung đồng bộ mành. Thông thường 21 dòng bị loại bỏ ra ở mỗi ảnh. Vì vậy số dòng quét thực sự trông thấy trong mỗi ảnh sẽ chỉ còn là 525 - (2 21) = 483 dòng. Trong quét xen kẽ, 30 khung hình được chuyển trong một giây và mắt người sẽ nhận được 60 hình ảnh trong một giây và như vậy ta sẽ không trông thấy một sự rung nào của hình ảnh. 30 khung hình/giây cho một tín hiệu có dải thông gần 5 MHz và có dạng như hình 14.6. Thực tế hệ truyền hình Mỹ dùng băng tần có dải thông là 5.25 MHz. Trong đó 1.25 MHz là phần băng tần số thấp và 4 MHz là phần băng tần số cao của tín hiệu video điều biên (AM). Vì T f 1 T 399 thế thực tế chỉ có 4 MHz được dùng cho video BW. Âm thanh được điều tần (FM) ở tần số sóng mang là 4.5 MHz cao hơn tần số sóng mang video (xem hình 14.8). Hình 14.7 Quét xen kẽ. 14.4 Tín hiệu tivi màu Vào năm 1949 RCA đề xuất một hệ truyền hình màu mà tương thích với hệ truyền hình đen trắng. Hệ thống này được phát triển bởi Uỷ ban Truyền thông Liên Bang cho hệ thống truyền hình màu năm 1953, và sau đó nó được chuẩn hoá thành hệ thống truyền hình quốc gia (NTSC). Tương tự như hệ truyền hình này, hệ thống truyền hình quét lần lượt từng màu và có nhớ (SECAM) ở Pháp và hệ thống truyền hình dòng pha luân phiên (PAL) ở Đức đã xuất hiện để khắc phục các nhược điểm của hệ NTSC. Hệ NTSC được thiết kế có dải băng thông tín hiệu là 6 MHz mang đầy đủ tín hiệu màu, tín hiệu đen trắng cũng như tín hiệu âm thanh. Để kết hợp các tín hiệu vào dải thông 6 MHz người ta phải dùng các đặc tính của phổ tần số của tín hiệu quét. Từ năm 1929 người ta đã phát hiện ra là tín hiệu đen trắng xuất hiện dưới dạng cụm năng lượng điều hoà tại tần số các dòng quét. Tần số dòng quét trong tín hiệu NTSC là 525 30 = 15,750 Hz. Một biểu diễn toán học F D B E C A B ắt đầu của ảnh 1. B ắt đầu của ảnh 2. Kết thúc của ảnh 1. Kết thúc của ảnh 2. 400 của các tín hiệu quét được biểu diễn trong tham khảo 1 và tham khảo 2. Nó để lại một khoảng trống cho chuyển tải thông tin về màu sắc (hình 14.9). Chú ý là biên độ các phổ tần số giảm dần. Tín hiệu truyền hình đầy đủ bao gồm tín hiệu đen trắng và tín hiệu màu. Để đơn giản sự phân chia giữa tín hiệu đen trắng và tín hiệu màu, sóng mang phụ của tín hiệu màu được đặt vào cuối miền phổ tần số cao-đặc biệt đối với hệ NTSC tần số này xấp xỉ 455 lần rưỡi tần số sóng mang đen trắng, hay 3.58 MHz (thực tế nó được đặt ở tần số 3.579545 MHz). Hệ NTSC 6 MHz được cho trong hình vẽ 14.10. Hình 14.8 Chuẩn truyền hình của Mỹ. f 253 f Tín hiệu độ chói f 2 f H f |Y(f)| Sóng mang video 15,750H 31,500H z Tín hi ệu màu 3.98475MH z. 4.2MH z. f v f v f v =30 f v =T ần số quét ngang. f v =T ần số quét dọc. 5.5 4 0 1.25 Sóng mang hình. Sóng mang âm thanh. Biên đ ộ. Bên băng tần cao. Phần của bên băng tần thấp. 401 Hình 14.9 Phân phối phổ của tín hiệu đơn sắc và tín hiệu màu. 14.4.1 Tín hiệu đen trắng Tín hiệu đen trắng được tạo ra từ ba tín hiệu màu theo các biểu thức sau: Y = 0.59 G + 0.30 R + 0.11 B (14.5) Tín hiệu này còn có tên là tín hiệu chói hay tín hiệu độ sáng. Nó chiếm tần số vào khoảng từ 0 đến 4 MHz. 14.4.2 Tín hiệu màu Tín hiệu màu sắc được ghép với tín hiệu đen trắng trong tín hiệu video. Tín hiệu này gọi là tín hiệu màu hay chrominace. Để biết vai trò của thông tin trong tín hiệu này, chúng ta cần phải hiểu rõ cách con người nhận biết màu sắc. Các nghiên cứu về nhận thức về màu sắc của con người cho ta các kết quả chính sau đây: Mắt con người thấy một khoảng màu rộng khi miền hoặc đối tượng quan sát tương đối rộng. Mắt con người không thể phân biệt các màu sắc khi vật thể quan sát nhỏ. Người ta đã chứng minh được rằng ba màu riêng cần phải có đầy đủ cho một vật thể lớn, các vật thể có kích thước trung bình thì hai màu riêng có thể là tương đối đủ. Ở các miền nhỏ mắt con người trở nên mù màu và chỉ có thể nhận ra sự khác biệt về độ sáng. Các thuộc tính này được áp dụng trong hệ truyền hình NTSC. Tiếp theo, ta sẽ mô tả cách hệ NTSC truyền tin tức về màu sắc chỉ dùng một sóng mang riêng lẻ cho tín hiệu màu. Thông tin đơn sắc có tải thêm băng t ần m àu. Kêt thúc Sóng mang âm. 5.75 Sóng mang phụ 4.45 MHz. 4.83 sóng mang video đơn s ắc. 1.25 0.5 4.5 MHz 4.2 MHz 3.58 Bên băng tần th ấp. 6 5 4 3 2 1 MHz 402 Hình 14.10 Giải thông giành cho tín hiệu đơn sắc, màu và âm thanh. Tín hiệu (B-Y) và (R-Y). Thông tin về màu sắc chứa các thành phần R, G, B. Tín hiệu đen trắng hay tín hiệu chói được biểu diễn bằng tín hiệu Y. Nếu tín hiệu Y chứa giá trị của ba thành phần màu thì chỉ cần truyền đi hai tín hiệu màu. Từ nhận xét là mắt con người chỉ phân biệt màu sắc trên một miền rộng chúng ta truyền tín hiệu (R-Y) và (B-Y), ở đây tín hiệu Y đã được lọc qua một bộ lọc thông thấp với tần số cắt là 1.5 MHz (xem hình 14.11). Tín hiệu Y nguyên vẹn có dải thông từ 0 đến 4 MHz. Kỹ thuật này được phát triển từ thực tế là các chi tiết trên vật thể rộng thì nằm ở phần tần số thấp, và mắt người chỉ có thể phân biệt các màu sắc trên vật thể rộng. Để chuyển hai tín hiệu này trên một tín hiệu màu sắc, phương pháp điều chế vuông góc được dùng. Hai tín hiệu, B-Y và R-Y, được điều chế dùng hai bộ điều chế riêng biệt, với mỗi bộ điều chế dùng cùng một tần số sóng mang, 3.58 MHz cho hệ NTSC, nhưng góc pha bị lệch đi 90 0 , (xem hình 14.11). Các đặc tính nhận biết màu sắc của mắt con người cũng được đề cập đến ở đây. Thông tin của các vật thể rộng được tìm thấy ở các miền tần số dưới 0.5 MHz, và thông tin về các vật thể có kích thước trung bình tìm thấy ở miền tần số giữa 0.5 và 1.5 MHz. Nếu các vật thể rộng cần có đủ ba màu riêng, thì các vật thể có kích thước trung bình chỉ cần hai màu riêng, tín hiệu (R-Y) cho phép tần số từ 0 đến 0.5 MHz, và tín hiệu (B-Y) cho phép trong khoảng từ 0 đến 1.5 MHz. BLUE GREEN RED B ộ cộng trọng lượng B ộ lọc thông thấp. Bộ đảo. Bộ cộng. B ộ cộng. B ộ cộng. Bộ cộng. B ộ điều chế B ộ điều chế 90 0 B ộ tạo dao động. Y=0.59G+0.30R+0.11B Tín hiệu độ chói. Y Tín hiệu màu. - Y B-Y 3.58MHz R-Y Tín hi ệu hiệu màu. 403 Hình 14.11 Trộn tín hiệu màu. Tín hiệu I và Q. Các nhà thiết kế cho hệ thống NTSC nhận thấy rằng sẽ được một kết quả tốt hơn nếu chúng ta dùng hai loại tín hiệu khác là I và Q. Các tín hiệu này được định nghĩa dưới đây. Tín hiệu I là tín hiệu pha, và Q là tín hiệu vuông góc. I = 0.60 R - 0.28 G - 0.32 B (14.6) Q = 0.21 R - 0.52 G + 0.31B Tín hiệu Q có tần số từ 0 đến 0.5 MHz. Nếu sóng tải màu có tần số 3.58 MHz, dải trên Q sẽ chiếm băng con từ 3.58 MHz đến (3.58 + 0.5) = 4.08 MHz. Dải dưới của Q sẽ chiếm băng con từ (3.58 - 0.5) = 3.08 MHz đến 3.58 MHz. Tín hiệu I có tần số từ 0 đến 1.5 MHz. Dải dưới của tín hiệu I kéo dài từ (3.58 - 1.5) = 2.08 đến 3.58 MHz. Nếu toàn bộ phần trên của băng được truyền đi, nó chiếm tần số từ 3.58 MHz đến (3.58 + 1.5) = 5.08 MHz. Nếu phần trên của băng được giới hạn tại 4.2 MHz (xem hình 14.10), với chiều rộng của kênh là 6 MHz, phần trên của I chỉ cho phép 0.6 MHz. Điều này làm phần trên của I có tần số từ 3.58 đến 3.58 + 0.6 = 4.18 MHz. Phần tín hiệu sau 4.5 MHz dùng cho sóng mang âm thanh. Tín hiệu đồng bộ màu. Trong hệ thống NTSC các sóng mang phụ tải màu được nén lại trước khi truyền. Nguyên nhân của việc này là địng dạng cho tin tức nằm trong khoảng giữa sóng tải màu (3.58 MHz) và sóng mang âm thanh (4.5 MHz). Có một sự trội hơn hẳn một khoảng tần số 0.9MHz xuất hiện khi ta quét xen kẽ. Một lý do khác cho việc nén tín hiệu này là cho phép loại bỏ một cách tự động các tín hiệu màu khi cảnh là đen trắng. Cho một ảnh đen trắng, I và Q là bằng không, và nếu sóng mang màu được nén lại thì không có sự xuất hiện của tín hiệu màu nào tại phía thu. Dù có như vậy đi chăng nữa, thì vẫn cần thiết phải tạo ra sóng mang phụ tải màu ở nơi nhận cho các chức năng giải điều chế. Việc tạo ra các sóng mang phụ tải màu này phải chính xác về tần số và pha với sóng mang phụ tại nơi phát. Để đảm bảo việc này, một sóng ngắn gọi là color burst được cộng vào để chuyển tín hiệu. Các xung burst theo sau các xung dòng và được xác định vào vị trí phía sau của mỗi xung đồng bộ 404 dòng (xem hình 14.2). Các tín hiệu burst màu chứa ít nhất là 8 chu kỳ của sóng mang phụ tải màu được chuyển đi. Tại nơi nhận, tín hiệu này được dùng để đồng bộ tần số và pha của dao động 3.58 MHz. Tín hiệu burst có độ khuyếch đại thấp hơn độ khuyếch đại của sóng mang tải màu và vì vậy không gây nhiễu cho các tín hiệu được đề cập trước đây. Hình 14.12 Tín hiệu video tổng hợp. Lựa chọn tần số sóng mang phụ. Người ta đã tìm ra rằng sự ảnh hưởng giữa các tín hiệu xảy ra ít nếu tần số quét dòng và một bội số của tần số sóng mang âm thanh, cụ thể K f H = 4.5 MHz. Cho K = 286 chúng ta rút ra tần số quét dòng là Hzf H 26.734,15 286 5.4 Để tín hiệu màu sắc không ảnh hưởng tới tín hiệu đơn sắc, sóng mang phụ tải màu được lựa chọn như là một bội số lẻ của một nửa tần số quét dòng. Hệ số 455 được lựa chọn để tính ra sóng mang phụ tải màu có tần số gần 3.6 MHz, chẳng hạn, MHzf color 579545.3 2 26.734,15 455 Vì có 525 dòng và tỷ lệ quét xen kẽ là 2:1, nên tần số quét mành sẽ là Hzf däc 94.59 1 26.734,15 525 2 14.5 Bộ lọc răng lược Quét xen kẽ các tín hiệu màu và các tín hiệu đen trắng là một cách để tối thiểu hoá dải rộng băng và tương thích với các tivi đen trắng. Tại phía thu, tín hiệu này được chia thành hai tín hiệu quét xen kẽ. Trong hệ thống thu TV màu, một bộ lọc thông dải được dùng cho chức năng này. Nếu tín hiệu Y được giới hạn là 3.2 MHz thay thế cho tín hiệu 4.2 MHz, chiều rộng băng có dạng gốc như đã được phát đi (xem hình 14.10). Một phương pháp nội suy là dùng bộ lọc răng lược. Một sơ đồ đơn giản cho loại bộ lọc này và đáp ứng tần số của nó cho trong hình 14.13. Đây là kiểu bộ lọc răng lược trễ 1H. Bộ lọc răng lược cho phép khôi phục lại đầy đủ băng thông 4.2 MHz của tín hiệu chói, điều này làm cho tăng độ phân giải dòng lên 25 phần trăm (chi tiết nét hơn). Từ hình 14.13 chúng ta có thể viết: 1 1 )( )( z zV zV in L (14.7) Ở đây Hj ez 1 . hình ảnh trong một gi y và như v y ta sẽ không trông th y một sự rung nào của hình ảnh. 30 khung hình/gi y cho một tín hiệu có dải thông gần 5 MHz và có dạng như hình 14. 6. Thực tế hệ truyền. một bức ảnh được chia làm hai tập hợp ảnh, mỗi tập hợp chứa một nửa số dòng quét trong ảnh. 512 dòng được chia trong mỗi ảnh 262 dòng. Phần dòng quét trong mỗi ảnh được cho trong hình 14. 7. Các. mang phụ 4. 45 MHz. 4. 83 sóng mang video đơn s ắc. 1.25 0.5 4. 5 MHz 4. 2 MHz 3.58 Bên băng tần th ấp. 6 5 4 3 2 1 MHz 40 2 Hình 14. 10 Giải