Đề tài ’Biến đổi A/D và D/A trong hệ thống truyền hình số’ pdf

BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH  ĐỀ TÀI ’Biến đổi A/D và D/A trong hệ thống truyền hình số’ Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện :  1 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH 2 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH 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 từ 380 m µ đến 780 m µ .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 mở ra 1 khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ truyền hình .Trong một số ứng dụng ,tín hiệu số được thay thế 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 về dạng ban đầu.Do đó trong bài tập lớn:’Biến đổi A/D và D/A trong hệ thống truyền hình số’ chúng ta sẽ đi sâu về vấn đề này nhiều hơn.Để 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. 3 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH I/Giới thiệu chung về vai trò và chức năng của phép biến đổi A/D, D/A 1.1 Chức năng của biến đổi A/D và D/A So với tín hiệu tương tự ,tín hiệu số 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 tất 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: +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 thể 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…. Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Biến đổi A/D Điều chế số Giải điều chếGiải mã kênhGiải mã nguồn Biến đổi D/A Kênh truyền 4 Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH +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 lấy mẫu(Nyquist) thì tần số lấy mẫu phải gấp 2 lần tần số của tín hiệu cơ bản( 2 s h f f≥ ),vậy s f =13Mhz.Mặt khác: tốc độ truyền 8 13 104 / s R n f Mb 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 để 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 tần,mà vẫn đảm 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 kềnh.) +Một tín hiệu số được lấy mẫu theo chiều thẳng đứng và chiều ngang thì có khả năng bị chồng phổ.và để khắc phục tình trạng này thì việc lấy mẫu phải tuân theo định lý lấy mẫu(Nyquist). 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. II/BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG SỐ(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) 5 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH -Lấy mẫu tín hiệu tương tự: là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành 1 dãy các xung tuần hoàn ,cách đều 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 số,vì các thời điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ra tọa độ các điểm đo. 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 S T ,thu được các xung hẹp với tần số lấy mẫu : 7 0 ( ). ( ) (2 1) (2 1) ( , ) ( , ). os . os 4 16 16 i C u C v i u i u F u v f i j c c = + Π + Π = ∑ Trong đó: s f -tần số lấy mẫu S T -chu kỳ lấy mẫu Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa Analog Digital 6 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH -Quá trình lấy mẫu tương đương với 1 quá trình điều biên tín hiệu 0 f trên sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu s f .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 H f có thể 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 1 2 S H T f ≤ . -Như vậy ,để tín hiệu lấy mẫu mang toàn bộ thông 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 C f nào đó. +Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần tần số cơ bản 2 S C f f≥ . -Đối với tiêu chuẩn tần số Nyquist,việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số 2 S H f f< là nguyên nhân gây méo chồng phổ và làm giảm độ phân giải theo chiều ngang. Thành phần tần số cao nhất với các hệ truyền hình tương tự là: +Hệ PAL: 5 C f MHz= +Hệ NTSC: 4,2 C f MHz= Theo đó: +Hệ PAL: 10 S f MHz= 7 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH +Hệ NTSC: 8,4 S f MHz= Các giá trị 10MHz 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 tế.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 thể thực hiện theo 2 cách sau: +Lấy mẫu tự nhiên(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 phổ. Việc lấy mẫu tự nhiên thực hiện khá dễ dàng,chỉ cần 1 chuyển mạch hai đầu vào một đầu ra tương tự,như hình vẽ sau: +Lấy mẫu tức thời(Instaneous sampling):Để thực hiện việc lấy mẫu tức thời ta sử dụng bộ lấy và giữ mẫu như hình sau: 8 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH 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,để khôi phục hình ảnh chính xác,tần số lấy mẫu có liên quan đến tần số dòng 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 lấy mẫu hay cấu trúc lấy mẫu được xác đinh theo thời gian ,trên các dòng và các mành. -Có 3 dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video là cấu trúc trực giao,cấu trúc ‘quincunx’mành và ‘quincunx’ dòng. +Cấu trúc trực giao:Các mẫu được sắp xếp(trên các dòng kề nhau)thẳng hàng theo chiều đứng.Và cấu trúc này là cố 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. +Cấu trúc’quincunx’ mành:Đối với cấu trúc này,các mẫu trên các dòng kề nhau thuộc 1 mành xếp thẳng hàng theo chiều thẳng 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 lấy mẫu theo dòng. Phổ tần cấu trúc nói trên của mành 2 so với phổ mành 1 bị dịch và có thể lồng với phổ tần cơ bản, gây ra méo ở các chi tiết ảnh. 9 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH +Cấu trúc ‘quincunx’dòng:Các mẫu trên các dòng kề nhau của 1 mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu,còn các mẫu trên dòng 1 mành so với các mẫu trên dòng tiếp sau(của mành sau) một nửa chu kỳ lấy mẫu. -Tùy theo cấu trúc lấy mẫu ,thì sẽ xuất hiện các loại méo ảnh khác nhau. • Với cấu trúc trực giao:độ phân giải ảnh giảm,nhưng cấu trúc này cho chất lượng ảnh cao nhất. • Với cấu trúc’quincunx’mành:xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh • Với cấu trúc ‘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: 2 N Q = , trong đó:N-số bit biểu diễn mỗi mẫu. 10 [...]... hiệu truyền hình dùng ống tia điện tử 15 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH Mật độ phổ-PSD NRZ BiPh RZ 2 fc 3 fc Tần số -f Hàm phân bố năng lượng phổ tần số của các mã sơ cấp -Trong truyền hình số ,mã NRZ thường dùng cho các thiết bị studio và thiết bị truyền các thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình. Còn mã RZ thì được dùng trong 1 số trường hợp truyền tín hiệu hình đi xa.Mã BiPh được dùng trong. .. ra bộ biến đổi D/A 18 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH Biên độ Băng tần cơ bản Biên dưới Biên trên fS Tần số Phổ tín hiệu tại đầu ra bộ biến đổi D/A IV/KẾT LUẬN -Qua những nghiên cứu và tìm hiểu về các quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang số (A/D) và từ tín hiệu số sang tương tự ta thấy:Việc biến đổi sang tín hiệu số sẽ giảm được ảnh hưởng của nhiễu tác động trong quá trình truyền và giúp cho... cao -Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được phân giải 1 cách quy ước thành 4 nhóm: +Các mã để mã hóa tín hiệu truyền hình +Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin +Các mã thuận thiện 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 thống truyền hình số -Khi chọn mã cho các tín hiệu của thiết bị truyền hình số cần chú ý 1 số điểm... PHÁP CHUYỂN ĐỔI D/A 3.1 Khái niệm 16 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH -Quá trình chuyển đổi số-tương tự (D/A) ,là quá trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu được truyền đi,từ N số hạng (N bit) đã biết tín hiệu số với độ chính xác là 1 mức lượng tử 3.2 Sơ đồ khối - Mạch logic D/A Lấy mẫu LPF > Tín Video -Mạch logic số:nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào hiệu biến đổi D/A: Nhiệm vụ biến đổi tín hiệu... THUẬT TRUYỀN HÌNH -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... +Các phương pháp mã hóa và giải mã các mã được chọn có thể thực hiện trong các thiết bị Ngoài ra,việc chọn mã còn ảnh hưởng đến tốc độ truyền của thông tin 2.3.2 Các đặc tính của mã 2.3.3 Các loại mã sơ cấp -Các loại mã sơ cấp chủ yếu được sử dụng trong mã hóa tín hiệu truyền hình, xỷ lý số ,trong các thiết bị tổ hợp studio của trung tâm truyền hình số… là: +Mã NRZ(No Return Zero) :Trong mã này được chia... độ thay đổi mẫu -Mạch tạo xung lấy mẫu:Tạo ra các xung lấy mẫu và đồng bộ các quá trình còn lại trong D/A -Mạch lấy mẫu thứ cấp có nhiệm vụ khử nhiễu xuất hiện do chuyển mạch nhanh ở đầu ra của mach D/A -Mạch logic số:Tạo lại tín hiệu số đầu vào -Mạch giải mã số-tượng tự:Biến đổi tín hiệu số thành các tín hiệu rời rạc tương ứng dưới dạng các xung có biên độ thay đổi -Mạch tạo xung lấy mẫu và xung đồng... chiều tương đối lớn và khó khôi phục xung nhịp(Clock),điều này gây khó khăn cho bên thu khi thu tín hiệu hình ảnh ⇒ Mất đồng bộ.Với mã RZ thì thành phần 1 chiều nhỏ hơn mã NRZ ,và thành phần tại tần số f cl ≠ 0 nên khả năng khôi phục xung Clock dễ dàng hơn NRZ,do đó loại mã này có thể được dùng trong 1 số trường hợp truyền tín hiệu đi xa.Tuy nhiên cả 2 loại mã này,đều khó đồng bộ khi ta truyền 1 dãy các... 1) = b.20 log 2 = 6b( dB) Và: PE = 20 lg 2a − 10 lg12 − 6b(dB) ,khi S/N tăng thì công suất giảm đi 6dB Nhận thấy: +S/N phụ thuộc vào số bit được dùng để mã hóa +Gán mức điện áp thấp cho các bước lượng tử lớn +Gán mức điện áp cao cho các bước lượng tử nhỏ.(Việc làm này tránh ảnh hưởng của nhiễu tác động trong quá trình truyền) */Xét ảnh hưởng của méo lượng tử -Trong các hệ thống sử dụng ít hơn 8 bit... sẽ rộng hơn so với truyền tín hiệu tương tự Khi phân tích ta cũng thấy được,ứng với mỗi một hệ màu thì tần số lấy mẫu cũng khác nhau.Tần số lấy mẫu càng cao thì càng dễ cho việc sử dụng các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo .Và để tín hiệu không bị hiện tượng chồng phổ thì tần số lấy mẫu phải tuân theo định lý lấy mẫu (Nyquist).Quá trình lượng tử hóa và mã hóa trong bộ biến đổi tương tự sang số . LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH  ĐỀ TÀI ’Biến đổi A/D và D/A trong hệ thống truyền hình số’ Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện :  1 BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH 2 BÀI TẬP. bài tập lớn :’Biến đổi A/D và D/A trong hệ thống truyền hình số’ chúng ta sẽ đi sâu về vấn đề này nhiều hơn.Để thấy được tín hiệu trước khi truyền đi nó được biến đổi như thế nào và tại đầu ra. KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH 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