Lượng tử húa là bước tiếp theo của quỏ trỡnh biến đổi A/D. Biờn độ tớn hiệu được chia thành cỏc mức gọi là mức lượng tử. Khoảng cỏch giữa hai mức kề nhau là bước lượng tử.
Giỏ trị lượng tử Q xỏc định theo biểu thức Q = 2N
trong đú: N là số bit biểu diễn mỗi mẫu.
Tớn hiệu nhận được là một giỏ trị xấp xỉ của tớn hiệu ban đầu, nguyờn nhõn là do quỏ trỡnh lượng tử hoỏ xỏc định cỏc giỏ trị số rời rạc cho mỗi mẫu.
Tất cả cỏc giỏ trị nằm trong phạm vi của mức lượng tử đều được thiết lập một giỏ trị như nhau, đú là mức lượng tử Q.
Cú hai phương phỏp lượng tử hoỏ: lượng tử tuyến tớnh cú cỏc bưước lượng tử bằng nhau và lượng tử hoỏ phi tuyến cú cỏc bưước lượng tử khỏc nhau. Cỏc mức lượng tử đều cú biờn độ bằng nhau, quỏ trỡnh lượng tử hoỏ được gọi là lượng tử hoỏ đồng đều. Đõy là quỏ trỡnh biến đổi từ một chuỗi cỏc mẫu với vụ hạn biờn độ sang cỏc giỏ trị nhất định, vỡ vậy cỏc quỏ trỡnh này gõy ra sai số, gọi là sai số lượng tử. Sai số lượng tử là một nguồn nhiễu khụng thể trỏnh khỏi hệ thống số. Cỏc giỏ trị lượng tử cú thể chứa sai số trong phạm
lượng tử cú thể coi như một nguồn tớn hiệu khụng mong muốn (nhiễu) cộng thờm tớn hiệu trong quỏ trỡnh lượng tử. Trong hệ thống sử dụng ớt hơn 8 bit để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử sẽ ảnh hưởng nghiờm trọng đến tớn hiệu ban đầu, làm mộo dạng súng, tăng hiệu ứng viền khụng mong muốn.
ε(t) = x(t) - x’(t)
trong đú: ε(t) là sai số lượng tử.
x(t) là giỏ trị mẫu tớn hiệu trước khi lượng tử. x’(i) là giỏ trị mẫu tớn hiệu sau khi lượng tử.
Sai số ε(t) tuỳ thuộc vào tớnh thống kờ của nguồn tớn hiệu vào và độ rộng
cỏc mức lượng tử. Cú thể xem ε(t) là một loại nhiễu do quỏ trỡnh lượng tử hoỏ gõy ra gọi là mộo lượng tử.
Mộo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử. Đối với tớn hiệu video, mộo lượng tử xuất hiện ở hai dạng chớnh: hiệu ứng đường viền và nhiễu hạt ngẫu nhiờn.
Hiệu ứng đường viền xuất hiện ở những vựng cú độ sỏng thay đổi chậm
và đều theo chiều ngang, khi dú cú những sọc sỏng cố định theo chiều đứng như đường biờn. Nếu tăng số mức lượng tử, hiệu ứng đường viền sẽ giảm.
Nhiễu hạt ngẫu nhiờn xuất hiện ở vựng ảnh rộng và cú độ sỏng đồng đều, dạng hạt giống sương mự.
Quỏ trỡnh hiệu chỉnh được thực hiện bằng cỏch cộng tớn hiệu cú dạng đặc biệt - tớn hiệu "dither" vào tớn hiệu video. Tớn hiệu dither thụng thường cú dạng xung chữ nhật, cú tần số bằng 1/2 tần số lấy mẫu, biờn độ bằng 1/2 súng lượng tử.
Tớn hiệu này làm tăng gấp đụi mức lượng tử hoỏ với cỏc ảnh cú diện rộng nhưng khụng làm giảm chất lượng của ảnh cú nhiều chi tiết.
Phương phỏp giải quyết hiệu ứng đường viền cú hiệu quả nhất là cộng hai tớn hiệu "dither" tớn hiệu xung chữ nhật biờn độ Q/2 và tớn hiệu ngẫu nhiờn biờn độ hiệu dụng < Q/3 vào tớn hiệu video. Với phương phỏp này, mộo lượng tử sẽ chỉ cũn ở dạng ngẫu nhiờn. Với 8 bit mó hoỏ cú thể loại bỏ hết cỏc tạp õm nhiễu do tớn hiệu video.
Do tớn hiệu vào khụng ổn định, cộng với cỏc nhiễu trong cỏc quỏ trỡnh sửa, đặc trng của cỏc mạch lọc khụng phải là lý tưởng nờn quỏ trỡnh lượng tử hoỏ tớn hiệu video cần được sử dựng biờn bảo hiểm. Cỏc mức cấm này cho phộp tớn hiệu video được an toàn trước cỏc nguồn nhiễu. Chỳng là cỏc khoảng trống phớa trờn giỏ trị cực đại và phớa dưới giỏ trị cực tiểu của tớn hiệu video. Do ảnh hưởng mộo ở mức đen nhỏ hơn ở mức trắng nờn bảo hiểm của mức trắng lớn hơn mức đen. Biờn độ tớn hiệu tương tự biến đổi trong phạm vi nhất định, đú là giỏ trị đỉnh - đỉnh (Up -p). Giỏ trị Up -p chuẩn với tớn hiệu sọc màu là 100% cho hệ NTSC là 1,22 V và PAL là 1,2335 V. Quỏ trỡnh chuyển đổi A/D khụng được làm mất thụng tin để cú thể khụi phục tớn hiệu ban đầu một cỏch trung thực.
2.5. Mó hoỏ
a. Khỏi quỏt chung
Mó hoỏ là khõu cuối của bộ biến đổi A/D. Mó hoỏ, theo quan điểm thống kờ, là một quỏ trỡnh biến đổi cấu trỳc nguồn mà khụng làm thay đổi tin tức, mục đớch là cải thiện cỏc chỉ tiờu kĩ thuật cho hệ thống truyền tin. Dữ liệu sau mó hoỏ cú ưu điểm: tớnh chống nhiễu cao hơn, tốc độ hỡnh thành tương đương khả năng thụng qua của kờnh.
Quỏ trỡnh mó hoỏ biến đổi cỏc mức tớn hiệu đó lượng tử hoỏ thành chuỗi cỏc bit "0" và "1". Độ dài tớn hiệu của dóy nhị phõn này gọi là từ mó nhị phõn. Nú phản ỏnh số lượng mức sỏng, lối, màu sắc của hỡnh ảnh được ghi nhận và biến đổi. Độ dài từ mó nhị phõn càng lớn thỡ quỏ trỡnh biến đổi càng chất lượng. Tuy nhiờn nú cũng chỉ đạt đến một giới hạn nhất định, đủ để phự
hợp với khả năng kĩ thuật của hệ thống và khả năng phõn biệt của mắt người xem. Độ dài từ mó nhị phõn tiờu chuẩn hiện nay là 8 bit/mẫu.
Cỏc mó sử dụng trong truyền hỡnh số cú thể được phõn chia một cỏch quy ước thành 4 nhúm:
• Cỏc mó để mó hoỏ tớn hiệu truyền hỡnh.
• Cỏc mó để truyền cú hiệu quả cao theo kờnh thụng tin.
• Cỏc mó thuận tiện cho việc giải mó và đồng bộ bờn thu.
• Cỏc mó để xử lý số tớn hiệu trong cỏc bộ phận khỏc nhau của hệ thống truyền hỡnh số.
Để đỏp ứng mó hoỏ tớn hiệu truyền hỡnh và san đú tạo lại nú ở bờn thu, người ta thường đựng một loại mó, cũn đối với việc truyền chống nhiễu theo kờnh thụng tin thỡ dựng loại mó khỏc. Khi chọn mó cho cỏc tớn hiệu của thiết bị truyền hỡnh số, cần chỳ ý tới sự lập mó (cấu trỳc toỏn học) và phương phỏp mó hoỏ, giải mó cỏc mó đó được chọn.
Về cấu trỳc toỏn học, cỏc mó được chia thành cỏc mó khụng chớnh xỏc sơ cấp và mó hiệu chỉnh để sửa chữa sai số khi truyền. Trong cỏc khõu truyền hỡnh số, cỏc mó sơ cấp được sử dụng chủ yếu để mó hoỏ tớn hiệu truyền hỡnh, ghi hỡnh từ tớnh, biểu diễn tớn hiệu thụng tin phụ và cỏc mục đớch bổ xung khỏc. Cỏc mó hiệu chỉnh sai số được sử dụng trong trường hợp tớn hiệu số bị mộo khi truyền theo đường kờnh thụng tin.
b. Cỏc đặc tớnh cơ bản của mó
Quỏ trỡnh biến đổi rất nhiều cỏc điểm đếm lượng tử hoỏ của tớn hiệu thành tổ hợp cỏc ký hiệu khỏc nhau gọi là sự mó hoỏ, trong đú cỏc nhúm ký hiệu thụng tin cỏc điểm mó hoỏ gọi là mó.
Mó đều đặn là cỏc mó mà tổ hợp của nú bao gồm một số cỏc ký hiệu như nhau. Nếu tổ hợp của nú bao gồm một số cỏc ký hiệu khỏc nhau thỡ được gọi là mó khụng đều đặn.
• Nghiờn cứu cỏc cấu trỳc mó mà nú nõng cao độ chớnh xỏc của việc truyền theo kờnh thụng tin cú nhiễu (như cỏc mó chống sai số, cỏc mó hiệu chỉnh).
• Nghiờn cứu cấu trỳc mó triệt tiờu độ dư của tớn hiệu đó mó hoỏ trong kờnh khụng nhiễu.
Hai hướng nghiờn cứu này đúng vai trũ đặc biệt trong truyền hỡnh số, sự phối hợp hiệu quả giữa cỏc hướng nghiờn cứu khỏc nhau cho phộp làm giảm căn bản độ dư của tớn hiệu truyền hỡnh và tạo ra cỏc đặc tớnh ứng dụng quan trọng trong truyền hỡnh số.
Trường mó là trường chứa đựng một số hữu hạn cỏc phần tử q, được gọi là trường Galua, ký hiệu là GF(Q), trong đú q là cơ số. Thiết bị mó hoỏ dựng cỏc bộ ghi dịch để tạo nờn cỏc mó, cỏc tổ hợp mó được biểu diễn một cỏch thuận tiện dưới dạng đa thức ((x) từ một biển x và cỏc hệ số xỏc định từ trường GF(X) nào đấy:
f(x) = a0 + a1x1+ a2x2 + ... + anxn
Bậc của đa thức tương ứng với bậc lớn nhất của x trong số cỏc hạng thức với hệ số khỏc khụng. Đa thức mà nú khụng thể phõn chia thành đa thức khỏc cấp thấp hơn với cỏc hệ số thuộc cựng một trường được gọi là đa thức bất khả quy. Số bậc trong một tổ hợp mó được gọi là trọng số tổ hợp toàn bộ cỏc tổ hợp mó được gọi là bảng từ mó. Đụi với mó đều đặn thỡ độ dài bảng từ mó bằng {A}- qn, trong đú q là cơ số mó, n là trọng số của nú.
Mó hiệu chỉnh sai số được sử dụng trong tớn hiệu số bị mộo khi truyền theo đường thụng tin. Trong mó hoỏ hiệu chỉnh, bảng mó xuất xứ phải nhỏ hơn bảng mó kờnh, việc truyền thụng tin đũi hỏi cần phải cú phần tổ hợp toàn bộ cỏc từ mó kờnh. Cỏc tổ hợp mó được sử dụng này được gọi là tổ hợp mó cho phộp, phần cũn lại là tổ hợp mó bị cấm.
Khoảng cỏch mó được định nghĩa bằng số bậc mó, nú đặc trng cho khả năng sử dụng mó để phỏt hiện và sửa chữa sai số truyền. Khi sửa chữa mó sai
quy ước là độ dư từ mó. Độ dư từ mó làm cho từ mó tỏng lờn, tốc độ truyền thụng tin giảm đi. Độ dư từ mó được xỏc định nh sau:
Rk - 1 - log2Np/log2N0
trong đú: Rk là độ dư của mó. Np là số tổ hợp mó cho phộp. N0 là số tổ hợp mó cú thể cú.
Để phục vụ yờu cầu ghi, truyền tớn hiệu video, mó hoỏ được sử dụng trong cỏc trường hợp:
Mó hoỏ sơ cấp: dựng để tạo tớn hiệu số ở studio.
• Mó bảo vệ và sửa sai: tăng khả năng chịu đựng của tớn hiệu trong kờnh cú nhiễu.
• Mó truyền tuyến tớnh: tăng khả năng truyền dẫn.
Đầu tiờn tất cả cỏc tớn hiệu video số được mó hoỏ sơ cấp, sau đú mó hoỏ chuyển đổi (transcode). Mó sơ cấp là mó cơ sở mà từ đú hỡnh thành mó bảo vệ.
Mó sơ cấp cú dạng tớn hiệu nhị phõn liờn tục, cỏc bit "0" "1" cú thể biểu diễn bằng nhiều phương phỏp khỏc nhau, được phõn biệt bằng thời gian tồn tại, cực tớnh, mức pha. Biểu diễn cỏc bit cú thể là tuyệt đối hoặc tương đối.
Mó cú cấu trỳc tuyệt đối: sự biến đổi cỏc bit kốm theo sự biển đổi cỏch biểu diễn, mỗi tớn hiệu của mó được ký hiệu tương ứng với tớn hiệu điện đó được xỏc định.
Mó cú cấu trỳc tương đối: sự biến đổi cỏc bit tương ứng cú thể biến đổi hoặc khụng biến đổi cỏch biểu điển, sự thay đổi của cỏc tham số biểu diễn dóy tớn hiệu xảy ra chỉ khi xuất hiện ký hiệu 1 (hoặc ký hiệu 0) trong dóy thụng tin.
c. Cỏc mó sơ cấp
Cỏc mó sơ cấp chủ yếu được sử dụng để mó hoỏ tớn hiệu truyền hỡnh, sử lý số, trong cỏc thiết bị stdio của trung tõm truyền hỡnh số v.v. .
• NRZ (Non Retm to Zero): khụng trở Lại mức "0".
• RZ (Retum to Zero): trở lại mức "0".
• BiPH (Bi Phase): hai pha.
Trong cỏc mó khụng cú trọng số, cỏc bậc của cỏc tổ hợp mó khụng cú trọng số xỏc định. Thuộc về cỏc mó khụng cú trọng số là mó phản xạ, trong số đú cú mó Gray. Tớnh chất cơ bản của mó phản xạ là hai tổ hợp mó bất kỳ kề nhau chỉ được phõn biệt bằng một bậc. Vỡ vậy khi bị sai số, sự tạo lại của tổ hợp mó sẽ giữ làm sai 1 bậc. Mó Gray cú khoảng cỏch bằng 1, ớt làm sai số thiết bị, kết hợp với việc phỏt hiện sai số cỏc khối thụng tin cú bậc kề nhau. Mó Gray được sử dụng rộng rói trong việc mó hoỏ ma trận của tớn hiệu truyền hỡnh dựng ống tia điện tử cũng nh khi truyền tớn hiệu truyền hỡnh số bằng phương phỏp điều pha nhiều vị trớ tương đối.
Dạng mó là dạng biểu diễn của cựng một mó sơ cấp nào đú được xỏc định bởi dạng của tớn hiệu. Hỡnh 2.5 đưa ra cỏc đồ thị thời gian của dóy nhị phõn 1011 0100, trong đú cỏc mó nhị phõn đó được biểu diễn theo cỏc dạng khỏc nhau.
• Cỏc dạng mó NRZ là một dóy xng cú độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng hồ :
U(t) = U(t) - U(t- T)
trong đú: T là thời gian chu kỳ đồng hồ.
Mức logic 0 ứng với mức điện ỏp thấp nhất, mức logic 1 ứng với mức điện ỏp cao nhất. Người ta chia mó NRZ thành hai loại: NRZ giỏn đoạn tớch cực (NRZ - P) cú mức logic 0 ứng với điện ỏp õm (cựng giỏ trị), điện ỏp õm ứng với logic 1 , NRZ giỏn đoạn thụ động (phụ thuộc vào mức điện ỏp ứng với mức tớn hiệu thấp nhất) cú mức logic 0 ứng với mức điện ỏp 0.
Cỏc biến thể của NRZ là mó NRZ-M (NRZ-Mark) và NRZ-S (NRZ- Space).
Hỡnh 2.5. Mó sơ cấp
• Cỏc mó dạng RZ khỏc với mó NRZ là xung điện ỏp 1 nửa hay cả phần phạm vi nhịp T:
U(t) - U(t) - U(t - 0,5 T)
Cú xung ứng với mức logic 1, khụng cú xung ứng với mức logic 0. Trong trường hợp logic 1, biờn độ tớn hiệu thay đổi 2 lần, cũn mức logic 0 thỡ biờn độ tớn hiệu khụng đổi. Đối với mó RZ giỏn đoạn tớch cực (RZ-P), xung õm độ rộng bằng một phần hoặc 1/2 thời gian xung đồng hồ, biờn độ bằng biờn độ xung dương ứng với mức logic 1 . Một biến thể của RZ giỏn đoạn tớch cực là RZ-U, loại mó trong đú mức logic 0 ứng với xung dương cú biờn độ nhỏ hơn xung ứng với mức logic 1 . Mó RZ cú khả năng tạo lại tớn hiệu đồng hồ từ chuỗi tớn hiệu mó thu được.
mỗi phạm vi nhịp:
U(t) = U(t) - 2 U(t - 0,5 T) + U(t - T)
Cỏc loại mó xuất phỏt từ BiPh bao gồm: BiPh-M (Bi Phase Mark) và BiPh-S (Bi Phase Space).
Trong truyền hỡnh số, mó NRZ thường được sử dụng cho cỏc thiết bị studio và thiết bị truyền cỏc thụng tin phụ trong tớn hiệu truyền hỡnh. Mó RZ được dựng trong một số trường hợp truyền tớn hiệu truyền hỡnh số ở khoảng cỏch xa. Mó BiPh dựng trong quỏ trỡnh ghi tớn hiệu số trờn bảng từ.
2.6. Chuyển đổi D/A
Hỡnh. 2.6. Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tương tự
Bộ biến đổi số - tương tự (D/A) là quỏ trỡnh tỡm lại tớn hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đó biết của tớn hiệu số với độ chớnh xỏc là một mức lượng tử (1 LBS). Chuyển đổi D/A khụng phải là phộp nghịch đảo của quỏ trỡnh A/B vỡ khụng thể thực hiện được phộp nghịch đảo của quỏ trỡnh lượng tử hoỏ.
Đầu ra của một bộ biến đổi D/A là một chuỗi cỏc xung hỡnh chữ nhật cú biờn độ bằng biờn độ cỏc tớn hiệu số, độ rộng cỏc xung là T = 1/f, phổ của một xung chữ nhật cú độ rộng T được xỏc định bởi hàm số:
( ) x Sinx log 20 dB A = 10 trong đú : x = πfv/fsa fv là tần số tớn hiệu video. fsalà tần số lấy mẫu.
2.7. Tiờu chuẩn lấy mẫu tớn hiệu video thành phần
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