Ba yếu tố chớnh làm ảnh hưởng đến tớn hiệu tương tự là: mộo phi tuyến,
Mạch
logic D/A Lấy mẫu
Lọc thụng thõp > Xung lấy mẫu Tớn hiệu video số Tớn hiệu Video số tương tự
mộo tuyến tớnh và nhiễu do khụng ổn định thời gian. Cỏc suy hao này cú thể làm giảm nhỏ bằng cỏc phương phỏp kỹ thuật, song khụng thể loại trừ hoàn toàn được. Việc sử dụng tớn hiệu thành phần tại studio cho phộp loại bỏ được những hiệu ứng khụng mong muụn như trong tớn hiệu tổng hợp. Tuy nhiờn, thiết bị thành phần cú giỏ thành cao phức tạp.
Trong hệ thống số, cỏc suy hao này cú thể được giảm nhỏ, nhờ quỏ trỡnh biến đổi tớn hiệu A/D và D/A, tớn hiệu được gia cụng, xử lý và phõn phối theo dạng số, tớn hiệu chỉ được chuyển đổi sang tương tự đỳng 1 lần vào trước khi truyền đi trong khụng trung bằng súng VHF và UHF thụng thường. Mặc dự tớn hiệu tổng hợp đó cú được những thuận lợi, nhất là về băng tần, song xu hướng chung trong sản xuất chương trỡnh tại stdio, trờn cỏc đường truyền và phõn phối tớn hiệu qua vệ tinh cho cỏc stdio lưu động, là sử dụng tớn hiệu thành phần đầy đủ hoặc cú nộn dũng bit.
Nỗ lực chuẩn hoỏ của Bắc Mỹ và Chõu õu mà kết quả là sự ra đời của tiờu chuẩn CCIR-601, tiờu chuẩn mó hoỏ truyền hỡnh số tại stuđio. Tiờu chuẩn này phự hợp với cả hai hệ truyền hỡnh cú 525 và 625 dũng quột, và là cơ sở cho việc tạo ra cỏc tiờu chuẩn con. Ban đầu, chuẩn này xỏc định 8 bit cho mó hoỏ tớn hiệu video, tuy nhiờn, ngày nay, số bớt xỏc định cho mó hoỏ là 10 bit.
Cơ sở của tớn hiệu mó hoỏ là cỏc tớn hiệu chúi và hai tớn hiệu hiệu màu, hoặc là cỏc tớn hiệu màn cơ bản (R, G, B).
2.7.1 Cỏc chuẩn lấy mẫu
Cú nhiều tiờu chuẩn lấy mẫu tớn hiệu video số thành phần như tiờu chuẩn 4:4:4, 4:2:2, 4.2:0, 4:1:1. Điểm khỏc nhau chủ yếu là tỉ lệ tần số lấy mẫu và phương phỏp ấy mẫu tớn hiệu chúi, cỏc tớn hiệu màu. Cỏc định dạng số video cú nộn chỉ lấy mẫu cho cỏc dũng tớch cực của video.
a. Tiờu chuẩn 4:4:4
Cỏc tớn hiệu chúi (Y) tớn hiệu hiệu màu (CR, CB) được lấy mẫu tại tất cả cỏc điểm lấy mẫu trờn dũng tớch cực của tớn hiệu video. Cấu trỳc lấy mẫu là cấu trỳc trục giao. (Hỡnh 2.7a).
Tiờu chuẩn 4:4:4 cú khả năng khụi phục chất lượng hỡnh ảnh tốt, thuận tiện cho việc xử lý tớn hiệu. Tốc độ dũng bit hệ Pal của chuẩn 4:4:4 được tớnh như sau:
Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 720 + 720) x 576 x 8 x 25 = 249 Mbit/s. Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 720 + 720) x 576 x 10 x 25 = 31 1 Mbit/s.
b. Tiờu chuẩn 4:2:2
Một cỏch tuần tự, cứ 4 lần lấy mẫu Y thỡ cú 2 lần lấy mẫu CR, 2 lần lấy mẫu CB (Hỡnh 2.7b). Tốc độ dũng bit dữ liệu hệ Pal theo chuẩn này được tớnh:
Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360 + 360) x 576 x 8 x 25 = 166 Mbit/s. Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207 Mbit/s.
c. Tiờu chuẩn 4:2:0
Thực hiện lấy mẫu Y tại tất cả cỏc điểm ảnh của dũng, cũn tớn hiệu màu thỡ cứ cỏch một điểm sẽ lấy mẫu cho một tớn hiệu màn. Tớn hiệu màu được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tớn hiệu màu CR thỡ hàng lẻ sẽ lấy mẫu cho tớn hiệu CB (hỡnh 2.7c). Tốc độ dũng bit dữ liệu hệ Pal theo chuẩn này được tớnh:
Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 360) x 576 x 8 x 25 = 124,4 Mbit/s. Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 360) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s.
d. Tiờu chuẩn 4:1:1
Một cỏch tuần tự, cứ 4 lần lấy mẫu Y, thỡ điểm ảnh đầu tiờn lấy mẫu đầy đủ Y, CR, CB, ba điểm ảnh cũn lại chỉ lấy mẫu Y, khụng lấy mẫu CR, CB
(hỡnh 2.7d). Tốc độ dũng bit dữ liệu hệ Pal theo tiờu chuẩn này được tớnh: Khi lấy mẫu 8 bit: (720 + 180 + 180) x 576 x 8 x 25 = 124,4 Mbit/s. Khi lấy mẫu 1 0 bit: (720 + 1 80 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s. Số "4" ở đầu mỗi chuẩn biểu thị tần số lấy mẫu tớn hiệu chúi sa - 13,5 MHz). Với tần số lấy mẫu 13,5 MHz; tớn hiệu video số đó khụng con bị phụ thuộc vào cỏc tiờu chuẩn khỏc nhau của video tương tự. Thiết bị trong cỏc trung tõm truyền hỡnh số sẽ hoàn toàn giống nhau cho cả hai hệ thống, điều này tạo thuận lợi cho việc hợp tỏc sản xuất, trao đổi chương trỡnh giữa cỏc tổ chức truyền hỡnh.
2.7.2 Lấy mẫu tớn hiệu vodeo thành phần
Trong quỏ trỡnh số hoỏ tớn hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu phải thoả món cỏc điờu kiện như phự hợp tiờu chuẩn Nyquist, cấu trỳc lõy mẫu, là bội số của súng mang màu và tần số dũng, là tần số chung cho cả hai tiờu chuẩn truyền hỡnh 525 và 625 dũng.
Với tớn hiệu video thành phần, tần số lấy mẫu thường được biểu thị thụng qua tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tớn hiệu chúi và tần số lấy mẫu cỏc tớn hiệu hiệu màu. Vớ dụ tiờu chuẩn 4:2:2 là tiờu chuẩn trong đú tỉ số giữa tần số lấy mẫu của cỏc tớn hiệu video thành phần Y/CB/CR - 4:2:2. Và cỏc tần số lấy mẫu tương ứng với cỏc tớn hiệu thành phần bằng (ở đõy sử dụng cấu trỳc lấy mẫu trực giao):
fsa(Y) = 13,5 MHz; fsa(CB) = 6)75 MHZ, fsa(CR) = 6,75 MHz
Giỏ trị 13,5 là một số nguyờn lần tần số dũng cho cả hai tiờu chuẩn 525 và 625 dũng:
• 13,5 MHz = 864fH đối với chuẩn 625 (fh = 15625 Hz)
• 13,5 MHz = 858fH đối với chuẩn 525 (fh = 15750 Hz)
bộ lọc trỏnh chồng phổ và bộ lọc tỏi tạo tớn hiệu chúi. Đặc tuyến tần số bằng phẳng đến 5,75 MHz, để thớch hợp với cả hai tiờu chuẩn.
Hỡnh 2.8. Phổ lấy mẫu 13,5 MHz của tớn hiệu chúi
Hỡnh 2.8 vẽ phổ lấy mẫu 13,5 MHz của tớn hiệu chúi đó qua bộ lọc. Trờn hỡnh vẽ cú một khoảng hở giữa tần số lớn nhất của dải thụng cơ bản tớn hiệu chúi (5,75 MHz) và tần số Nyquist (6,75 MHz) dựng để hạn chế mức của cỏc bộ lọc trỏnh chồng phổ và bộ lọc tỏi tạo.
Đặc tuyến biờn độ tần số, đặc tuyến trễ nhúm của bộ lọc trỏnh chồng phổ và bộ lọc tỏi tạo được vẽ trờn hỡnh 2.9. Đặc tuyến tần số của cỏc tớn hiệu hiệu màu bằng phẳng đến 2,75 MHz.
Video số thành phần được coi là phương phỏp số hoỏ được sử dụng hiện lại cũng như trong tương lai tại cỏc studio hoàn toàn số (All Digital St- dio). Tớn hiệu video số thành phần cú thể dễ dàng được xử lý, ghi, dựng trong cỏc cụng đoạn hậu kỳ tại cỏc studio, nú loại bỏ được những khiếm khuyết do súng mang màu trong tớn hiệu video tổng hợp tương tự gõy ra.
Túm lại, tần số lấy mẫu đỏp ứng được những yờu cầu trờn đó được cỏc tổ chức phỏt thanh truyền hỡnh (ABU, EBU, CCIR) thống nhất lựa chọn là: fsa = 13,5 MHz chung cho cả hai tiờu chuẩn 525 và 625 dũng. Cả hai tiờu chuẩn sử dụng cựng một tần số lấy mẫu, cựng một sổ lượng mẫu trong thời gian tớch cực của một dũng.
Thời gian một dũng của hai hệ 625 và 525 bằng 64às và 63,56 às. Nếu cả hai hệ đều lấy thời gian tớch cực bằng 52 às, thời gian xoỏ dũng tương ứng
0 Biờn độ
Túm lại, tần số lấy mẫu đỏp ứng được những yờu cầu trờn đó được cỏ tổ chức phỏt thanh truyền hỡnh (ABU, EBU, CCIR) thống nhất lựa chọn là: fsa = 13,5 MHz chung cho cả hai tiờu chuẩn 525 và 625 dũng. Cả hai tiờu chuẩn sừ dụng cựng một tần số lấy mẫu, cựng một số lượng mẫu trong thời gian tớch cực của một dũng.
Hỡnh 2.9. Chi tiết bộ lọc thụng thấp tớn hiệu chúi và tớn hiệu màu
Thời gian một dũng của hai hệ 625 và 525 bằng 64às và 63,56às. Nếu cả hai hệ này lấy thời gian tớch cực bằng 52às, thời gian xúa dũng tương ứng với từng hệ là 12 às và 11,56 às, và cỏc thụng số cơ bản đối với mỗi hệ là:
Tổng số mẫu mỗi dũng
• Hệ 625 dũng: 64 x 13,5 = 846 mẫu
• Hệ 525 dũng: 63,56 x 13,5 = 858 mẫu. Số mẫu trong thời gian tớch cực của một dũng:
• Hệ 625 dũng: 52 x 13,5 = 702 mẫu.
• Hệ 525 dũng: 52 x 13,5 = 702 mẫu. Số mẫu trong thời gian xoỏ dũng:
• Hệ 625 dũng: 12 x 13,5 = 162 mẫu.
• Hệ 525 dũng: 11,56 x 13,5 = 156 mẫu.
2.7.3 Thang lượng tử và cỏc mức lượng tử
Tớn hiệu chúi sau khi được sửa gama được biểu diễn bằng: Y’ = O,229R’ + 0,587G’ + 0,1 14B’
trong đú: R’, G’, B’ là cỏc tớn hiệu màu cơ bản sau khi sửa gama. Ta xỏc định được:
(R’ - Y’) = 0,701R’ - 0,587G’ - 0,11B’ (B’ - Y’) = -0,299R’ - 0,587G’ + 0,886B’
Bảng 2.1. Giỏ trị tớn hiệu thành phần tương ứng với cỏ trường hợp hỡnh ảnh cú màu: Trắng, đen, màu cơ bản và cỏc màu phụ trợ.
Tớn hiệu hỡnh ảnh
R’ G’ B’ Y’ R’ - Y’ B’ - Y’
Điện ỏp 1 Trắng Đen R (đỏ) G(lục) B(lam) Vàng Xanh lơ Tớm hồng 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0,299 0,578 0,144 0,886 0,701 0,413 1 0 0,701 -0,577 -0,144 0,144 -0,701 0,587 1 0 -0,299 -0,587 0,886 -0,886 0,299 0,587
Nếu biờn độ lớn nhất là IV, thỡ giỏ trị biờn độ của mức trắng, đen và cỏc màu cơ bản (bóo hoà mầu) được cho ở bảng 2.1. Ta thấy giỏ trị cỏc tớn hiệu nằm trong cỏc giới hạn sau:
• Tớn hiệu chúi Y’ nằm trong khoảng: 0 ± 1
• Tớn hiệu (R’ - Y’) nằm trong khoảng: ± 0,701
• Tớn hiệu (B’ - Y’) nằm trong khoảng: ± 0,886
Để giới hạn phạm vi biờn độ cỏc tớn hiệu hiệu so màu đến 1 (từ -0,5 đến + 0,5), ta thực hiện nhõn tớn hiệu hiệu số màu với hệ số. Khi đú cỏc tớn hiệu hiệu số cú giỏ trị:
C’R = KR(R’ - Y’) = 0,713(R’ - Y’) = 0,500R’ - 0,419G’ - 0,081B’ C’B = KB(B’ - Y’) = 0,564(B’ - Y’) = -0,169R’ - 0,331G’ + 0,500B' trong đú: CB, CR là cỏc mẫu của cỏc tớn hiệu hiệu số màu trước khi lượng tử hoỏ.
Bảng 2.2. Mức tớn hiệu video thành phần và giỏ trị số tương ứng khi lượng tử 8 bit và 10 bit
8 bit 10 bit + Mức biờn bảo vệ + Mức lượng tử cực đại + Mức đỉnh trắng + Mức xung xúa + Mức lượng tử thấp nhất + Mức biờn bảo vệ FF FE EB 10 01 00 3FC, 3FD, 3FE, 3FF 3FB 3AC 040 004 000, 001, 002, 003
Với 10 bit biểu diễn tớn hiệu chúi, ta cú được 1024 mức lượng tử (210) từ 0 đến 1023 (hay từ 000 đến 3FF hệ Hex). Cỏc mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF được dựng làm chuẩn thời gian. Cũn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ số 4 đến 1019 để biểu diễn tớn hiệu chúi. Xung xoỏ được thiết lập ở mức 64 (040 hex). Đỉnh trắng được thiết lập tại mức 940 (hay 3AC hệ hex). Cỏc khoảng phũng vệ phớa trờn và phớa dưới bao gồm từ mức 4 đến mức 64 (004 đến 040) và
từ mức 940 đến 1019 (3AC đến 3FB). Phần đồng bộ của tớn hiệu chúi khụng được lấy mẫu. Khoảng phũng vệ cho phộp mức tớn hiệu tương tự cú thể thay đổi.
Với giỏ trị n = 10 bit biểu diễn mẫu, fs = 13,5 MHz, fmax = 5,75 MHz, VQ = 0,8174 V, VW - VB - 0,7 V ta tớnh được S/Qrms = 70,35 dB.
Trong trường hợp dựng mó tuyến tớnh 8 bit, thang lượng tử chứa 28 = 256 (từ 0 ữ 255) mức và cú cỏc khoảng cỏch đều nhau. Đối với tớn hiệu chúi người ta chỉ sử dụng 220 mức. Cỏc mức cũn lại: 36 mức được dành cho khoảng bảo vệ và tớn hiệu đụng bộ.
Với hệ thống 8 bit, khi đú giỏ trị S/Qrms tớnh được bằng: S/Qrms = 58,3 dB .
Cỏc mức tớn hiệu của cỏc thành phàn tớn hiệu hiệu màu CB và CR theo chuẩn sọc màu 100/0/100/0 và cỏc giỏ trị tương ứng của tớn hiệu số CB và CR biểu diễn bằng hệ Hex được biểu diễn trờn bảng 2.2 cho hệ thống 8 và 10 bit. Cỏc tớn hiệu hiệu màu là lỡng cực, và nh vậy, chỳng cần phải dịch chuyển 0 350 mV để phự hợp với bộ chuyển đổi A/T), vốn dĩ yờu cầu tớn hiệu đơn cực.
Trong hệ thống sử dụng 10 bit biểu diễn mẫu, cú 1016 mức lượng tử từ đến 1019 (hay từ 004 đến 3FB hệ hex) để biểu diễn tớn hiệu hiệu màu CB và CR. Xung xoỏ được thiết lập tại mức 512 hay (200 hệ hex). Mức dương cực đại của tớn hiệu tương tự được xỏc định tại mức 960 hay 3CO Hex. Cỏc khoảng phũng vệ phớa trờn và phớa dưới bao gồm từ mức 4 đến mức 64 (004 đến 040) và từ mức 940 đến 1019 (3AC đến 3FB). Phần đồng bộ của tớn hiệu chúi khụng được lấy mẫu. Khoảng phũng vệ cho phộp mức tớn hiệu tương tự cú thể thay đổi.
Hỡnh 2.10. Quan hệ giữa cỏc mức tớn hiệu chúi tương tự thành phần với thang chuẩn sọc màu 100% với giỏ trị cỏc mau số tương ứng dựng 8 bit và
10 bit lượng tử. Cỏc số 00 và FF (8 bit) và 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF (10 bit) khụng được phộp xuất hiện trong dũng dữ liệu video.
Với cỏc thụng số n = 10 bit biểu diễn mẫu, fs = 6,75 MHz, fmax 2,75 MHz, VQ = 0,7992 V, VW - VB = 0,7 V ta tớnh được giỏ trị S/Qrms = 70,74 dB. Trong hệ thống 8 bit, giỏ trị S/Qrms = 58,7 dB.
2.7.4 Cấu trỳc lấy mẫu
Trong tiờu chuẩn số hoỏ tớn hiệu thành phần sử dụng cấn trỳc lấy mẫu trục giao. Tớn hiệu video tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần số quột dũng, tạo ra một cấu trỳc cỏc mẫu được xệp lần lượt theo cỏc dũng và theo cỏc mành.
Số cỏc mẫu tớn hiệu chúi trờn một dũng được tớnh bằng fsa/fh, trong đú fsa
13,5 MHz và fh là tần số quột dũng. Số cỏc mẫu của tớn hiệu chúi trờn một dũng theo tiờu chuẩn 525/60 được tớnh bằng 858, đỏnh số từ 0 đến 857 và theo tiờu chuẩn 625/50 là 864, đỏnh số từ 0 đến 863.
Với tần số lấy mẫu tớn hiệu hiệu màu fsa = 6,75 MHz, số cỏc mẫu của tớn hiệu hiệu màu trờn một dũng theo tiờu chuẩn 525/60 được tớnh bằng 429, đỏnh số từ 0 đến 428 và theo tiờu chuẩn 625/50 là 432, đỏnh số từ 0 đến 431.
Tương ứng sẽ cú 720 mẫu tớn hiệu chúi đỏnh số tự 0 đến 719, và 360 mẫu đỏnh số từ 0 đến 359 của mỗi tớn hiệu hiệu màu CR và CB trờn một dũng tớch cực cho cả hai tiờu chuẩn.
Khoảng xoỏ dũng gồm 138 mẫu, từ mẫu số 720 đến mẫu số 857 (tiờu chuẩn 525/60) và 144 mẫu từ mẫu số 729 đến mẫu số 863 (tiờu chuẩn 625/50).
2.7.5. Ghộp dũng số liệu phõn chia theo thời gian
Tuỳ thuộc vào cỏc ứng dụng, cỏc mẫu của tớn hiệu chúi và tớn hiệu hiệu màu cú thể được xử lý riờng biệt hoặc được ghộp theo thời gian. Số mẫu tổng cộng sau khi ghộp trờn một dũng là 1716 mẫu, đỏnh số từ 0 đến 1 7 1 5 (theo tiờu chuẩn 525/60) và 1728 mẫu (theo tiờu chuẩn 625/50), đỏnh số từ 0 đến 1727.
Dũng số tớch cực bao gồm 720 mẫu tớn hiệu Y và 360 mẫu tớn hiệu CR, 360 mẫu tớn hiệu CB đối với cả hai tiờu chuẩn. Như vậy, dũng số tớch cực sẽ bao gồm 1440 mẫu, được đỏnh số từ 0 đến 1439. Số cỏc từ trong khoảng thời gian xoỏ sẽ là 276, đỏnh số từ 1440 đến 1715 (đối với chuẩn 525/60) và 288, đỏnh số từ 1440 đến 1727 (đối với chuẩn 625/50). Hỡnh 2.11a và 2.11b miờu tả mối quan hệ của cỏc từ mó video trong 1 dũng tớch cực với xung xoỏ dũng cho hai tiờu chuẩn.
2.7.6 Tớn hiệu chuẩn thời gian.
Tiờu chuẩn số hoỏ tớn hiệu thành phần khụng thực hiện lấy mẫu cỏc xung đồng bộ. Để đồng bộ dũng tớn hiệu video, tại đầu và cuối mỗi dũng số