Giáo trình XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO - Chương 2 docx

Còn các phần tử khác trong hệ thống số có thể có khả năng tái tạo lại một hoàn hảo tín hiệu nhưng không thể cải thiện được chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt hơn tín hiệu số hóa sau bộ

Chương 2

SỐ HÓA TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO 2.1 GIỚI THIỆU

Hầu hết các tín hiệu audio và video tự nhiên là ở dạng tương tự, nhưng hầu hết các thiết bị lưu trữ và truyền tải tín hiệu hiện nay được thực hiện dựa trên phương thức số, cho nên chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là một một yêu cầu cần thiết Chất lượng tín hiệu tối đa của một hệ thống audio và video số hầu như được quyết định toàn bộ ở bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC Còn các phần tử khác trong hệ thống số có thể có khả năng tái tạo lại một hoàn hảo tín hiệu nhưng không thể cải thiện được chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt hơn tín hiệu số hóa sau bộ ADC Hiểu được đầy đủ những hạn chế của bộ ADC là rất quan trọng trong việc thiết kế

và sử dụng các hệ thống số và đây cũng là mục đích của chương này

2.2 CÁC BƯỚC CỦA ADC

Các bước chuyển đổi bao gồm quá trìn lọc trước để loại bỏ những tần số quá cao không thể số hóa được tại đầu vào, quá trình lấy mẫu dùng để rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian, quá trình lượng tử hóa để chuyển biên độ tín hiệu tương tự sang dạng số, và cuối cùng là quá trình mã hóa để chỉ rõ cách thức biểu diễn của các giá trị số Mỗi một quá trình này được đề cập trong các phần dưới đây Ở phần cuối của một hệ thống số, tín hiệu anolog ban đầu sẽ được phục hồi từ chuỗi các mẫu nhờ bộ chuyển đổi số sang tương tự, bộ ADC có nhiệm vụ chuyển các mẫu thành các xung điều chế biên độ, sau đó bộ lọc thông thấp loại bỏ các thành phần ở tần số lấy mẫu cao hơn

Tiền lọc Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa

Tín hiệu

analog

Tín hiệu digital

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

Hình 2.1 Sơ đồ khối ADC

Như trên hình 2.1, trình bày một sơ đồ khối khái quát của khối ADC, quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa làm việc dựa trên các đặc tính trực giao của tín hiệu (thời gian và biên độ), điều này có nghĩa là chúng độc lập với nhau Vì vậy, cả hai bước này có thể được thực hiện theo cả hai trật tự, tức là có thể lượng tử hóa trước thay bằng cách lấy mẫu trước như trong hình

2.2.1 Tiền lọc và lấy mẫu

Lấy mẫu là quá trình đọc các giá trị của tín hiệu tương tự theo chu kỳ xác định Thông thường các mẫu có xu hướng nhất thời, có nghĩa là mẫu được lấy trong khoảng thời gian ngắn hơn chu kỳ của tần số lấy mẫu Độ rộng của một mẫu là số phần trăm của chu kỳ tần số lấy mẫu, trên chu kỳ này mẫu được lấy trung bình Đầu ra của quá trình lấy mẫu là một chuỗi các giá trị tương tự (các mẫu) tương ứng với các điểm ở dạng sóng, nơi diễn ra quá trình lấy mẫu Nó thường là các dạng xung ở tần số lấy mẫu, và biên độ của tần số lấy mẫu biểu thị các giá trị của mẫu

Tần số lấy mẫu cao

Tần số lấy mẫu theo Nyquist

Tần số lấy mẫu thấp

Hình 2.2 Giới hạn tần số lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu được thực hiện ở một tần số ổn định, fS là tần số lấy mẫu Theo lý thuyết lấy mẫu, tần số lấy mẫu phải cao, đủ để tạo được các thành phần tần

số cần thiết cao nhất của sóng đầu vào Theo tiêu chuẩn Nyquist thì tần số lấy mẫu được xác định bởi:

fS ≥ 2 fMAX Trong đó: fMAX là tần số cao nhất phải được tạo ra

Việc lọc đầu vào được sử dụng để đảm bảo sẽ không có các thành phần tần số nào cao hơn fMAX Bởi vì các bộ lọc dốc nhọn thực tế thường mắc phải một số khó

khăn nên fS được thiết lập phần nào cao hơn tiêu chuẩn Nyquist Lấy mẫu ở 2,2 đến 2,5fH là thông dụng nhất Một vài hệ thống lấy mẫu với tần số cao hơn nhiều được gọi là lấy mẫu tần cao sẽ bàn đến trong phần 2.3.1

2f s

f s

Dải tần cơ bản

của video

Chồng phổ

Tần số lấy mẫu cao

Tần số lấy mẫu thấp

Tần số lấy mẫu theo Nyquist

Hình 2.3 Phổ lấy mẫu

Ví dụ trên hình 2.2, trình bày quá trình lấy mẫu dưới, trên và tại tần số của tiêu chuẩn Nyquist Nội dung của một chuỗi mẫu có thể được xác định bằng cách nối các đỉnh mẫu theo một đường thẳng Hình 2.2 cũng chỉ ra rằng các mẫu tạo ra tần số tín hiệu chính xác cho đến khi tần số tín hiệu vượt quá 1,5 tần số lấy mẫu Ở điểm này, tần số đầu ra sẽ tạo nên sự khác nhau giữa tần số lấy mẫu và tần số tín hiệu Đây là một kết quả sai và ngoài mong muốn được gọi là hiện tượng chồng phổ Mức

độ thiệt hại của nó phụ thuộc vào ứng dụng Ví dụ trong các hệ thống audio, tần số chồng phổ được coi như là những tần số không liên quan và vì vậy có thể loại bỏ Còn đối với video, chồng phổ gây ra các hình trên ảnh được tạo có thể thiệt hại hoặc không

Tiêu chuẩn Nyquist cũng có thể được quan sát trên miền tần số Một chuỗi các mẫu có thể được coi như là một hàm xung định kỳ ở tần số lấy mẫu mà biên độ của

nó được điều chế bởi các giá trị lấy mẫu Phổ của một xung định kỳ bao gồm một thành phần tần số lấy mẫu cộng với các thành phần cân bằng biên độ ở tần số lặp lại

và các sóng hài của nó Mỗi một thành phần có dải band tần biểu thị sự điều chế bằng các tần số tín hiệu biểu diễn trên hình 2.3 với ba điều kiện ứng với hình 2.2 Chồng phổ xảy ra khi dải band tần của thành phần tần số lấy mẫu chồng lên dải band tần của thành phần tần số lấy mẫu bằng 0 Nếu hiện tượng chồng xảy ra sẽ

không có cách nào để loại bỏ nó sau khi lấy mẫu, phải ngăn chặn ngay từ quá trình tiền lọc đầu vào Từ hình vẽ ta nhận thấy, có thể xảy ra hiện tượng chồng lắp bất cứ khi nào tần số tín hiệu tối đa cao hơn 1,5 lần tần số lấy mẫu, vì vậy đây chỉ là một cách biểu thị khác của tiêu chuẩn Nyquist

Khi cần thiết phải xử lý các tần số tín hiệu ở gần giới hạn Nyquist, yêu cầu đặt

ra cho bộ lọc đầu vào trở nên khó khăn Như trên hình 2.3b, độ dốc của bộ lọc phải nhọn để tránh xảy ra hiện tượng méo tín hiệu cần thiết trong quá trình khử các tần số gây chồng phổ

2.2.1.1 Quá trình lấy mẫu trong mảng hai chiều

Sóng video analog thu được từ quá trình quét sẽ được lấy mẫu theo từng dòng quét Quá trình lấy mẫu này trong bộ ADC biển diễn một mảng hai chiều (chi tiết dòng) Nó có thể được quan sát trong giới hạn của ảnh như chỉ ra trong hình 2.4 Để tránh nhiễu, tần số lấy mẫu thường được đồng bộ với tần số quét dòng Nếu đây là một mối quan hệ có tính chính xác thì quá trình lấy mẫu sẽ xảy ra tại các điểm giống nhau trong mỗi dòng (còn gọi là lấy mẫu trực giao) như hình 2.4a

Hình 2.4a minh họa quá trình lấy mẫu quincunx, quá trình này được thực hiện bằng cách lấy tần số lấy mẫu là một bội số lẽ của hai lần tần số quét dòng Các ảnh trong quá trình lấy mẫu khác nhau có thể xảy ra với những mối quan hệ phức tạp hơn, và trên ảnh sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu nhiều hơn

Hình 2.4 Mô hình lấy mẫu không gian

Quá trình lấy mẫu quincunx có nhiều ưu điểm do tạo ra độ phân giải cao ở mọi hướng, nhưng lại không được sử dụng nhiều bởi ví nó làm cho quá trình xử lý số của các tín hiệu trở nên khó khăn hơn

2.2.1.2 Hiện tượng chồng phổ trong mảng hai chiều

Hình 2.5 biểu diễn dạng của chồng phổ trên một đường chéo đen với nền màu trắng Hình 2.5a biểu diễn một đường ảnh bị che bởi một hình lấy mẫu trực giao, và Hình 2.5b biểu diễn kết quả lấy mẫu khi đầu ra chỉ dựa vào màu sắc (đen hay trắng) tại thời điểm lấy mẫu Đây là dòng nhọn quen thuộc thường xuất hiện trên màn hình máy tính khi hiển thị các dòng kề ngang, kề dọc hoặc các biên

Hình 2.5 Hiện tượng chồng phổ

Hình 2.5c biểu diễn hiệu ứng của hiện tượng tránh chồng phổ, tại đó các giá trị của đầu ra được dựa vào số lượng của các vùng lấy mẫu chứa dòng (một hình chữ nhật biểu thị ở chu kỳ lấy mẫu sẽ cộng ra trong mỗi mảng và đưa về trung tâm của điểm lấy mẫu) Nếu hình ảnh được quan sát từ khoảng cách xa thì người ta có thể nhận thấy dòng được tránh chồng phổ dễ chịu hơn các các dòng nhọn

Khi sử dụng một bộ lọc đặt trước bộ lấy mẫu, thì kết quả cho như hình 2.5c

Từ khi bộ lọc loại bỏ các thành phần tần số trên giới hạn Nyquist, thì các biên của dạng sóng tín hiệu sẽ bị dốc tại điểm thời gian tăng lên xấp xỉ bằng một chu kỳ lấy mẫu Quá trình lấy mẫu tức thời của biên dốc này sẽ tự động tạo ra các biên độ trung gian chính xác cho các điểm ảnh tại các biên của ảnh

2.2.1.3 Độ rộng lấy mẫu

Việc lấy trung bình giá trị các mẫu trên phần trăm có nghĩa của chu kỳ lấy mẫu gây ra sự giảm sút biên độ mẫu ở những tần số cao, như đã chỉ ra trong hình 2.6 Phạm vi lấy mẫu được biểu thị bằng vùng bóng trên hình, việc lấy trung bình trên

độ rộng này cho ra các giá trị được biểu diễn bằng dòng chấm, giá trị này nhỏ hơn các giá trị được đọc bởi mẫu tức thì lấy tại đỉnh của sóng tín hiệu Đây được gọi là hiệu ứng góc mở, nó xảy ra trong nhiều quá trình xử lý video

Giá trị trung bình

Độ rộng mẫu

Hình 2.6 Độ rộng mẫu

Trên thực tế, độ giảm có dạng sin(x)/x và được biểu thị trên hình 2.7 Tham số

độ rộng W là số phần trăm của chu kỳ lấy mẫu

Độ giảm này có ý nghĩa đối với độ rộng mẫu cực đại (W=100), tại giới hạn Nyquist, đặc tuyến giảm xuống còn 63,6% Tuy nhiên, hình 2.7 chỉ ra rằng độ rộng của mẫu ít hơn 20% có thể được bỏ qua

0 10 20 30 40 50

W=20

W=50

W=100

Hình 2.7 Lấy mẫu hiệu ứng góc mở

2.2.1.4 Mẫu và lưu trữ

Khi thực hiện quá trình lấy mẫu trước khi lượng tử hóa, người ta thường sử dụng một mạch lấy mẫu và lưu trữ các giá trị mẫu trong một thời gian đủ để bộ lượng tử hóa thực hiện chức năng của mình Mạch này, như trên hình 2.8, thu mẫu bằng cách đóng mạch trong một thời gian ngắn để nạp các giá trị cả mẫu cho tụ Khi mạch hở, tụ sẽ lưu giá trị của mẫu cho đến khi có xung lấy mẫu tiếp theo Vì vậy, các mạch của bộ lượng tử gần như có được toàn bộ chu kỳ của tần số lấy mẫu để hoạt động đúng logic của mình

Tín hiệu

đầu ra

Xung lấy mẫu

Hình 2.8 Mạch lấy mẫu và lưu trữ

2.2.2 Lượng tử hóa

Lượng tử hóa là quá trình chuyển đổi một vùng liên tục của các giá trị tương tự thành một bộ giới hạn các giá trị rời rạc Với định nghĩa này, quá trình lấy mẫu có thể được coi như là lượng tử hóa theo trục thời gian bởi vì các mẫu biểu thị các giá trị tín hiệu chỉ ở các thời điểm thời gian rời rạc nơi diễn ra quá trình lấy mẫu Tất cả các giá trị tín đầu vào giữa các điểm lấy mẫu đều bị loại bỏ trong quá trình lấy mẫu Như mô tả trong hình 2.5, quá trình lượng tử hóa theo thời gian này sẽ gây ra hiện tượng nhiễu, biểu thị bằng các đường răng cưa Dù vậy, thuật ngữ lượng tử hóa vẫn được sử dụng rộng rãi với ý nghĩa tạo ra tín hiệu rời rạc chỉ với trục biên độ Đây cũng là cách hiểu về lượng tử hóa trong cuốn sách này

Tín hiệu thoải

Mức luợng tử

Hình 2.9 Lượng tử hóa: a) phạm vi biên độ chia thành lượng tử, b) tín hiệu đã được lượng

tử hóa, c) lỗi lượng tử hóa

Đầu ra của bộ lấy mẫu là một chuỗi xung rời rạc theo thời gian, nhưng biên độ vẫn liên tục Các giá trị biên độ phải được lượng tử hóa để nó có thể biểu thị dưới dạng số trong một số bit xác định Hình 2.9 biểu diễn hiệu ứng lượng tử hóa, không lấy mẫu Hình 2.9a chỉ rõ, dải biên độ được chia ra thành từng vùng và bộ lượng tử

áp dụng cùng giá trị với bất kỳ biên độ nào trong phạm vi mỗi vùng Do vậy, với một đầu vào tuyến tính, đầu ra của bộ lượng tử sẽ thực hiện từng bước tuần tự từ

một giá trị lượng tử tới giá trị tiếp theo Tất cả các giá trị trung gian của tín hiệu đầu vào bị mất Ví dụ này là lượng tử hoá tuyến tính bởi vì tất cả các giá trị lượng tử có cùng kích thước

Đối với lượng tử hóa, số lượng N bit trên một mẫu thì số mức lượng tử hoặc giá trị lượng tử sẽ là (2N), được chọn đủ lớn để không nhận thấy hay nghe thấy tính rời rạc của các mức Giá trị cơ bản là 8bit/mẫu cho tín hiệu video và 16 bit/mẫu cho audio, mặc dù các giá trị khác có thể được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt Bản chất sai số lượng tử có thể được quan sát trên hình 2.9c Lỗi này là sự khác nhau giữa tín hiệu dốc thoải trong hình 2.9a và dạng bậc thang trong hình 2.9b,

nó có dạng răng cưa mà biên độ đỉnh-đỉnh của nó chính là độ rộng Q của một mức lượng tử Chú ý rằng, sai số này sẽ giảm tuyến tính khi tăng số mức lượng tử

2.2.2.1 Các mạch của bộ lượng tử

Các bộ lượng tử được thiết kế dựa vào mạch bộ so, bộ này so sánh giá trị tín hiệu của đầu vào với mức điện áp chuẩn Nó phát ra tín hiệu số bằng 0 khi giá trị tín hiệu nhỏ hơn giá trị chuẩn, và bằng 1 khi giá trị tín hiệu trên mức chuẩn Giá trị chuẩn này đôi khi còn được gọi là ngưỡng của bộ so Các bộ so phải rất ổn định, chính xác (ở phía đầu vào, đây là các bộ so sánh tương tự) và phải ngắt từ 0 đến 1 đối với sự thay đổi rất nhỏ của các giá trị đầu vào

Hình 2.10 chỉ ra cách nối bộ so được sử dụng cho lượng tử hoá Trên mỗi mức giá trị lượng tử của một bộ so, tín hiệu đầu vào được sử dụng cho tất cả các bộ so, một thang điện trở sẽ thiết lập các giá trị chuẩn của mỗi bộ so tới một mức cao hơn Bởi vì phương pháp này lấy 2N bộ so, nó chỉ thực hiện với khoảng N= 8 đến 10 bit (tất nhiên tất cả các bộ so đều được tích hợp trong IC)

Có 2N đầu ra từ thang bộ so như trong hình 2.10, toàn bộ đầu ra là 1 cho đến tận mức giá trị lượng tử của tín hiệu đầu vào và sẽ bằng 0 khi mức giá trị lượng tử cao hơn Cần thêm vào một bộ logic nhằm giảm số đầu ra từ các bộ so còn N đầu ra

Bộ logic này gọi là bộ mã hóa ưu tiên và nó được tích hợp trong IC ADC

Kiến trúc của bộ so trên hình 2.10 thực hiện lượng tử hoá trước quá trình lấy mẫu, quá trình lấy mẫu xảy ra trong bộ mã hóa ưu tiên Đây được gọi là một ADC tốc độ cao, một trong những loại ADC nhanh nhất

Những kiến trúc khác được sử dụng trong các bộ lượng tử khoảng hơn 10 bit

do số bộ so cho một ADC tốc độ cao không hoạt động được Một phương pháp phổ biến hơn là sử dụng bộ lượng tử xấp xỉ liên tục, nó chỉ có một bộ so dùng để so sánh điện áp đầu ra với điện áp đầu vào của bộ DAC Tín hiệu số vào bộ DAC được điều chỉnh bởi vòng hồi tiếp cho đến khi đầu ra của bộ so có giá trị bằng 0 Vì vậy, tín hiệu tại đầu ra bộ DAC trở thành tín hiệu đầu vào bộ ADC Phương pháp này rất

chính xác với số bit cao (ví dụ, N= 16) nhưng lại rất chậm do vòng hồi tiếp phải đi qua N phép lặp để đạt tới giá trị đầu ra cho mỗi mẫu Nó vẫn có thể đủ độ áp dụng cho audio nhưng không dùng được cho video

255

255

255

255

255

255 +

_

Ngắt

8 bit

Bộ

mã hoá

f s

VREF

Đầu vào

analog

Bộ chia biên độ

Bộ so sánh

Hình 2.10 ADC tốc độ cao

2.2.2.2 Thiết lập phạm vi biên độ

Một bộ lượng tử không thể cung cấp đầu ra cao hơn (hoặc thấp hơn) đầu ra được xác định bởi giới hạn của phạm vi mức lượng tử Nếu như tín hiệu đầu vào vượt quá phạm vi này, thì các giá trị đầu ra phải bão hòa tại giá trị tối đa (hoặc tối thiểu) Trong thuật ngữ của hệ thống analog, được gọi là xén, nó biểu thị hiện tượng méo nghiêm trọng cần phải tránh Sẽ có thể phải tạo ra mạch vào phụ bởi vì hầu hết các thiết bị số chỉ đơn giản là chuyển đổi chu kỳ đến giá trị bằng không khi vượt quá giá trị số tối đa, điều này thậm chí còn tệ hại hơn cả hiện tượng bão hòa

Do sự điều khiển tín hiệu không bao giờ chính xác tuyệt đối nên hầu hết các tiêu chuẩn số hóa đều cho rằng các mức tín hiệu phải được thiết lập để không phải

sử dụng hết phạm vi lượng tử Điều này cho phép bỏ qua lượng giảm nhỏ này Ví dụ hình 2.11 đưa ra các tiêu chuẩn mức cho số hóa tổng hợp là SMPTE 224M và số hóa thành phần SMPTE 253M Cần lưu ý rằng trong hầu hết các mạch video, mức

chích xác của đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của ảnh sẽ xê dịch xung quanh độ chói trung bình của ảnh bởi vì thành phần DC của tín hiệu không xuất hiện trong mạch

Để duy trì đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của tín hiệu ở một mức số xác định, thành phần DC phải được lưu trữ ở trong ADC, điều này được thực hiện nhờ ghim mức tín hiệu Đây đơn giản chỉ là một mạch điều khiển mức đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của ảnh và điều chỉnh hệ thống giữ được mức ổn định này

Đỉnh mức

trắng

Mức đen

Xung

đồng bộ

Tín hiệu hình trên dòng

Bust màu

Khoảng

xóa dòng

255

200

60

0

Hình 2.11 Các mức lượng tử tín hiệu video SMPTE 244M NTSC tổng hợp

Trong trường hợp số hóa tín hiệu audio, hiệu ứng thụ cảm do quá trình xén thậm chí còn kém hơn ở tín hiệu video, và các mức audio khó điều khiển hơn Kết quả là, các hệ thống audio số thường sử dụng các mức điều khiển tự động hoặc các phương tiện hạn chế để tránh xảy ra hiện tượng tràn, và chúng vẫn có thể hoạt động được khi sử dụng biên bảo vệ là 3dB hoặc hơn nữa Khi các tín hiệu audio không có thành phần DC thì không cần thiết phải sử dụng quá trình ghim

2.2.2.3 Tỷ lệ SNR

Khi tín hiệu chiếm hết dải lượng tử, sai số lượng tử có thể được coi như tạp âm lẫn vào tín hiệu ở đó tạp âm là ngẫu nhiên với giá trị đỉnh-đỉnh (p-p) của một bước lượng tử và là một hàm mật độ xác suất đồng nhất (pdf) Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) có thể xác định một cách đơn giản đối với trường hợp tín hiệu là sóng sin nhờ phép phân tích sau đây:

Giả sử một tín hiệu hình sin chiếm hết dải lượng tử có L mức (L=2N, trong đó

N là số bit/mẫu) Khi sai số lượng tử có giá trị p-p của một mức lượng tử hoặc 1/L, SNR dựa trên các giá trị p-p bằng L Nếu sử dụng cho audio, SNR được xác định là

tỷ số rms của tín hiệu trên rms của tập âm, và phân tích trên sẽ đúng chỉ khi tỷ số

p-p trên rms của tín hiệu và tạp-p âm là như nhau, nhưng điều này lại không xảy ra Đối với một tín hiệu sóng sin, giá trị rms là 0,354sp-p, nhưng đối với tạp âm lượng tử (giả