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

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 b

ĐỀ TÀI

’Biến đổi A/D và D/A trong hệ

thống truyền hình số’

Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện :



LỜI NÓI ĐẦU 3

I/Giới thiệu chung về vai trò và chức năng của phép biến đổi A/D, D/A 4

II/BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG SỐ(A/D) 5

III/PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI D/A 16

IV/KẾT LUẬN 19

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 đến 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 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

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

Giải điều chế Giải mã kênh

Giải mã nguồn Biến đổi D/A

Kênh truyền

Tín hiệu

tương tự

Tín hiệu

tương tự

+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( f s  2f h),vậy f s =13Mhz.Mặt khác: tốc độ truyền

8 13 104 /

s

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)

-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 T S,thu được các xung hẹp với tần số lấy mẫu :

7 0



   

Trong đó: f s-tần số lấy mẫu

T S-chu kỳ lấy mẫu

Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa

-Quá trình lấy mẫu tương đương với 1 quá trình điều biên tín hiệu f0 trên sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu f s.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 f H 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 S 21

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 f C nào đó

+Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần tần số cơ bản f S  2f C

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

2

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: f C  5MHz

+Hệ NTSC: f C  4, 2MHz

Theo đó:

+Hệ PAL: f S  10MHz

+Hệ NTSC: f S  8, 4MHz

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:

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

H 2 , V 1

Cấu trúc trực giao

H 1 , V 1

H 1 , V 2

H 2 , V 2

+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

H 1 , V 1

Cấu trúc quincunx mành

H 2 , V 1

H 1 , V 2

H 1 , V 2

+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

H 1 , V 1

Cấu trúc quincunx dòng

H 2 , V 1

H 1 , V 2

H 2 , V 2

H 3 , V 1

-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: Q 2N , trong đó:N-số bit biểu diễn mỗi mẫu

-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: Q   2a

Trong đó:+a:Mức cực đại

-a:Mức cực tiểu

:Bước lượng tử

Lỗi xuất hiện khi nhiễu làm biên bộ vượt quá ½ bước lượng tử,các phần còn lại bị triệt tiêu

-Đây là quá trình biến đổi từ 1 chuỗi các mẫu với vô hạn biên độ sang các giá trị nhất định,vì vậy quá trình này gây ra sai số gọi là sai số lượng tử hóa.Khi đó công suất trung bình của sai số lượng tử hóa(nhiễu lượng tử hóa):

2

12

E

P 

Nhận thấy:

 Nếu bước lượng tử càng lớn thì nhiễu lượng tử càng tăng.Khi đó,khắc phục bằng cách tăng mức lượng tử đồng thời tăng số bit

mã hóa

 Nếu bước lượng tử nhỏ quá trong quá trình truyền sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu.Nếu nhiễu lớn thì sẽ dẫn đến nhầm mức tín hiệu ,và các mức gần 0 sẽ quy về 0

*/Khắc phục nhiễu tích lũy của quá trình lượng tử hóa

-Ta có:Công suất nhiễu lượng tử hóa:

2

(2 )

12 12

E

a P

Q



-Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của phương pháp lượng tử hóa:S N Q/  2  1

-Công suất tín hiệu:

( 2 1) 2

12

Với:

/ ( ) 10lg( 1)

Để mã hóa Q mức thì cần b bit nhị phân:

2b

Q  ,(b log 2Q)

/ ( ) 10lg(2 b 1) 20log 2 6 ( )

Và: P E  20lg 2a 10lg12 6 (  b 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 để biểu diễn mẫu.sai số lượng tử

sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu ban đầu,làm méo dạng sóng và tăng hiệu ứng viền không mong muốn

 ( )t x t( )  x t'( )

Trong đó: ( )t -sai số lượng tử

X(t)-giá trị các mẫu tín hiệu trước khi lượng tử

X’(t)-giá trị các mẫu tín hiệu sau khi lượng tử

Ở đây, ( )t có thể xem như 1 loại nhiễu do quá trình lượng tử hóa gây

-Ta có công thức xác định:(tỷ số giữa các giá trị biến đổi đỉnh-đỉnh và căn bình phương sai số lượng tử của 1 hệ thống,nó quy định chất lượng hình ảnh được khôi phục)

w

/ ( ) 6,02 10,8 10log ( ) 20log ( )

2

q S

RMS

V f

 (*) Trong đó:n-số bit biểu diễn mẫu

f S-tần số lấy mẫu

f C-tần số cao nhất của tính hiệu video

V q-mức điện áp toàn bộ thang lượng tử

Vw-mức trắng

V B-mức đen

Với:

+hệ NTSC:Vw V B  0,714

+hệ PAL :Vw V B  0,7

-Từ công thức (*) nhận thấy:méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử.Và nó xuất hiện ở 2 dạng chính: +Hiệu ứng đường viền

+Nhiễu hạt ngẫu nhiên

 Hiệu ứng đường viền

-Xuất hiện ở những vùng có độ sáng thay đổi chậm và đều theo chiều ngang,khi đó có những sọc với độ sáng cố định chia thành nhiều đường

rõ nét theo chiều đúng như đường biên.Khi tăng số mức lượng tử,hiệu ứng đường viền sẽ giảm.Do đó với các ảnh có nhiều chi tiết ,méo lượng

tử phân bố ngẫu nhiên nên hiệu ứng đường viền xuất hiện ít

 Nhiễu hạt ngẫu nhiên

-Xuất hiện ở những vùng ảnh rộng và có độ sáng đồng đều,là dạng nhiễu các hạt giống như sương mù-khó nhận biết hơn hiệu ứng đường viền

**/Khắc phục

-Với hiệu ứng đường viền thì phương pháp tốt nhất là cộng 2 tín hiệu

‘dither’ tín hiệu xung chữ nhật biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên có biên

độ < Q/3,vào tín hiệu video

-Với nhiễu hạt ngẫu nhiên:Hiện tượng này có thể được sử dụng hiệu chỉnh chất lượng ảnh qua việc biến đổi méo từ dạng ngẫu nhiên.Quá trình hiệu chỉnh được thực hiện bằng cách cộng tín hiệu có dạng đặc biệt-tín hiệu ‘dither’ ,vào tín hiệu video(quá trình ‘dithering’).Tín hiệu’dither’ có nhiều dạng khác nhau ,thông thường là dạng xung chữ nhật,tần số bằng ½ tần số lấy mẫu,biên độ bằng ½ sóng lượng tử

-Khi lượng tử hóa tín hiệu video màu hoàn chỉnh ,có thể lấy tải màu làm nhiễu ngẫu nhiên.Méo xuất hiện là méo pha vi sai số(có thể khắc phục bằng cách tăng mức lượng tử) và méo khuếch đại vi sai số

-Do tín hiệu vào là không ổn định,cộng với các nhiễu trong quá trình sửa nên quá trình lượng tử hóa tín hiệu video cần sử dụng biên bảo hiểm.các mức cấm này cho phép tín hiệu video được an toàn trước các nguồn