Yêu cầu về băng tần: là một sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu số và
tín hiệu tơng tự. Tín hiệu số có băng tần rộng hơn. Ví dụ nh đối với hệ NTSC, tần số lấy mẫu là 14,4 MHz, nếu thực hiện mã hóa với những từ mã dài 8 bit, tốc độ dịng bít sẽ là 115,2 Mbit/s, độ rộng băng tần khoảng 58 MHz. Trong khi đó tín hiệu tơng tự cần một băng tần 4,25 MHz. Nếu có thêm các bít sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa. Thực tế thì độ rộng băng tần có thể giảm nhờ kỹ thuật nén băng tần.
Tín hiệu số có u điểm lớn ở khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi. Với tín hiệu số, nhiễu là các bít lỗi, ví dụ nh xung "on" chuyển thành xung "off". Hiện tợng nhiễu đợc khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này các dịng bit ban đầu có thể đợc khơi phục. Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hởng của nhiễu đợc làm giảm bằng cách che lỗi. Tỉ lệ S/N (Signal/Noise) của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc khơng đổi cho đến khi tỉ lệ bit lõi BER (Bit Error Rate) quá lớn, làm cho các mạnh sửa lõi và che lỗi mất tác dụng. Khi đó dịng bit khơng cịn ý nghĩa tin tức.
Méo phi tuyến: Tín hiệu số khơng bị ảnh hởng trong q trình ghi và
truyền bởi méo phi tuyến. Tính chất này rất quan trọng trong việc ghi đọc ch- ơng trình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuếch đại vi sai nh hệ NTSC.
Hiện tợng chồng phổ: do một tín hiệu số đợc lấy mẫu theo cả chiều
đứng và chiều ngang, nên hiện tợng này có thể xảy ra theo cả hai hớng. Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tơng tự là nh nhau. Theo chiều ngang, độ lớn của méo chồng phổ phụ thuộc vào các thành phần
tần số vợt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist, hiện tợng này có thể đợc loại trừ bằng cách thực hiện sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tơng tự.
Giá thành và độ phức tạp: các thiết bị số hiện nay có xu hớng nhỏ gọn,
dễ sử dụng và giá thành rẻ. Nâng cao tính tơng thích và tích hợp nhiều cơng nghệ cao trong một sản phẩm.
Xử lý tín hiệu: Sau khi tín hiệu tơng tự qua bộ biến đổi A/D, tín hiệu
cịn lại là một chuỗi các bit "0’" và "1" nên đợc ứng dụng để thao tác các công việc phức tạp mà khơng làm giảm chất lợng hình ảnh. Khả năng này đợc tăng lên nhờ việc lu trữ các bít trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh.
Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh: tín hiệu số cho
phép khoảng cách này gần nhau hơn nhiều sơ với hệ thống tơng tự mà không bị nhiễu. Nguyên nhân là tín hiệu số khả năng thay thế xung xóa và xung đồng bộ bằng các từ mã nên ít chịu ảnh hởng của nhiễu đồng kênh. Việc giảm khoảng cách kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu cho phép nhiều chơng trình truyền hình đợc phát với độ phân giải cao HDTV nh hiện nay.
Hiệu ứng Ghosts (bóng ma): do tránh đợc nhiễu đồng kênh của hệ
thống số nên đợc hiện tợng này cũng đã giảm đi trong truyền hình quảng bá. Với những điểm vợt trội về tín hiệu số, truyền hình số đang tiến tới việc thay thế hồn tồn truyền hình tơng tự, để vf với các mạng truyền thơng và các ngành công nghiệp khác, tạo thành một thế giới thông tin số, phục vụ con ngời một cách hữu hiệu.
2.3. ảnh số
Đứng trên góc độ cảm nhận của thị giác, ảnh là một sự vật đại diện cho ngời, sinh vật hay một đồ vật nào đó v.v... Đứng trên góc độ kỹ thuật thì ảnh đợc nhận biết thông qua hệ thống thị giác hai chiều. ảnh động nh đã thấy trên truyền hình, phim ảnh là tập hợp của rất nhiều ảnh liên tiếp. Khi một ảnh đợc số hóa thì nó trở thành ảnh số và ảnh số này lại là một tập hợp của các phần tử ảnh nhỏ đợc gọi là điểm ảnh "pixel". Mỗi điểm ảnh lại đợc biểu diễn dới dạng một số hữu hạn các bit. Ta có thể chia thành 3 loại ảnh khác nhau:
ảnh đen trắng: mỗi điểm ảnh đợc biểu diễn bởi 1 bit, các ảnh này đoi khi còn đợc gọi là Bi - level hoặc Bi - tonal images.
ảnh Gray - scale: mỗi điểm ảnh đợc biểu diễn bằng các mức chói khác nhau, thờng thì đợc biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗi điểm ảnh.
ảnh màu: mỗi điểm ảnh màu đợc chia ra gồm 1 tín hiệu chói và các tín hiệu màu.
Biểu diễn ảnh số
Một mẫu tín hiệu hai chiều có thể mơ tả bằng một dãy hai chiều x(n1Tv,
n2TH), kí hiệu x(n1, n2). Trong đó n1, n2 là các số nguyên, Tv và TH là khoảng cách các mẫu của mành và dòng. Cờng độ của tín hiệu đợc đặc trng bởi độ cao của tọa độ ơ (n1Tv, n2TH).
Hình 2.2. Biểu diễn ảnh bằng hàm f (x,y)
Đối với ảnh đen trắng thì ảnh đợc biểu diễn bằng một hàm cờng độ sáng hai chiều f(x,y), trong đó x, y là các giá trị tạo độ không gian và giá trị f tại bất kỳ một điểm (x, y) sẽ tỉ lệ với độ sáng của ảnh tại điểm này. Đôi khi ngời ta còn biểu diễn hàm ảnh với một trục thứ 3 là cờng độ sáng.
Một ảnh số là một ảnh f(x,y) đợc gián đoạn theo không gian và độ sáng. Một ảnh số đợc xem nh một ma trận với hàng và cột biểu diễn một điểm trong ảnh và giá trị điểm ma trận tơng ứng mức xám tại điểm đó. Các phần tử của một dãy số nh thể đợc gọi là các điểm ảnh (pixels).
2.4. Các phơng pháp biến đổi tín hiệu video
Thực chất là việc chuyển đổi tín hiệu video tơng tự tổng hợp sang video số với u điểm hơn về giải tần, nhng cũng có nhợc điểm của tín hiệu tổng hợp t- ơng tự nh hiện tợng can nhiễu, chói màu v.v..
Hình 2.3. Biến đỏi A/D tín hiệu màu tổng hợp
2.4.2. Tín hiệu video số thành phần
Thực hiện sự chuyển đổi tín hiệu video tơng tự thành phần sang số, quen gọi là tiêu chuẩn D - 1 hay tiêu chuẩn 4:2:2. Phơng pháp này cho ta bốc độ dòng bit cao hơn nhng lại cho phép xử lý dễ dàng các chức năng ghi, dựng, tạo kỹ xảo... với chất lợng ảnh khơng chịu ảnh hởng bởi can nhiễu chói.
Hình 2.4. Biến đổi A/D tín hiệu màu thành phần 2.5. Chuyển đổi tơng tự - số và số - tơng tự
2.5.1. Các tham số cơ bản
Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tơng tự ở đầu vào khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi tơng tự - số (A/D) có thể thực hiện chuyển đổi đợc.
Độ chính xác của một ADC có các tham số nh độ phân biệt, sai số lệch khơng, sai số đơn điệu, số bít, méo phi tuyến, sai số khuếch đại... Nếu ADC
Lọc thông thấp
Đồng bộ
Lấy mẫu Lượng tử Mã hóa
Tín hiệu video tổng hợp analog Tín hiệu video tổng hợp digital Lọc thơng tháp Lọc thơng tháp Lọc thông tháp Đồng bộ Lấy mãu Lấy mãu Lấy mãu Lượng tử Lượng tử Lượng tử Mã hóa Mã hóa Mã hóa Tín hiệu video thành phần analog Tín hiệu video thành phần digital EB - EY ER - EY EY EB - EY ER - EY EY
làm việc lý tởng thì vẫn tồn tại sai số, đó là sai số lợng tử hóa. Sai số lợng tử hóa đợc gọi là sai số hệ thống củ ADC.
Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, đợc gọi là tần số chuyển đổi fC. ở một số ADC có tốc độ cao thì phải trả giá bằng độ chính xác giảm và ngợc lại. Tùy theo từng yêu cầu mà ta đáp ứng một cách cụ thể .
2.5.2. Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi tơng tự - số.
Hình 2.5. Sơ đồ khối mạch đổi tơng tự - số
Mạch lọc thơng thấp: dùng để hạn chế băng tần tín hiệu vào, ngăn ngừa hiện tợng méo chéo (các tín hiệu khác nhau chồng lên nhau).
Mạch tạo xung đồng hồ: dùng để lấy mẫu và đồng bộ tất cả các khâu trong mạch ADC.
Mạch lấy mẫu: lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những điểm khác nhau, cách đều nhau và giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu khơng đổi trong q trình chuyển đổi tiếp theo.
Mạch lợng tử hóa: làm nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu về mặt biên độ. Mạch mã hóa: kết quả lợng tử hóa đợc sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi.
2.5.3. Các phơng pháp chuyển đổi tơng tự - số
Để tổng quát tốc độ chuyển đổi, ngời ta phân loại về mặt thời gian thành 4 phơng pháp chuyển đổi sau đây:
Biến đổi song song: tín hiệu đợc so sánh cùng một lúc bvới nhiều giá
trị chuẩn, các bit đợc xác định đồng thời và đa đến đầu ra.
Lọc thông
thấp Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa
Mạch tạo xung đồng bộ
Biến đổi nối tiếp theo mã đếm: quá trình so sánh đợc thực hiện lần lợt
theo từng bớc quy định của mã đếm, kết quả chuyển đổi đợc xác định bằng cách đếm số lợng giá trị chuẩn có thể chứa đợc trong giá trị tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi.
Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân: các đơn vị chuẩn dùng để so sánh
lấy các giá trị giảm dần theo quy luật nhị phân, do đó các bít đợc xác định lần lợt từ bít có nghĩa lớn nhất (MSB) đến các bít có nghĩa nhỏ nhất (LSB).
Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp: qua mỗi bớc so sánh có thể xác
định đợc tối thiểu là 2 bít đồng thời.
2.5.4. Phơng pháp chuyển đổi số - tơng tự.
Chuyển đổi số - tơng tự DAC là q trình tìm lại tín hiệu tơng tự từ N bit đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lợng tử LSB. Chuyển đổi số - tơng tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi tơng tự - số vì khơng thể thực hiện đợc phép nghịch đảo của q trình lợng tử hóa.
Hình 2.6. Sơ đồ khối mạch biến đổi số - tơng tự
Mạch cơ bản của DAC bao gồm:
• Mạch số (đa hài loại D) với nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào
• Mạch giải mã số - tơng tự: biến tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tơng ứng dới dạng các xung biên độ thay đổi.
• Mạch tạo xung đồng bộ: đồng bộ các q trình trong DAC. • Mạch lọc thơng thấp: tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu. • Khuếch đại tín hiệu video.
Mạch
logic DAC Lấy mẫu
Lọc thông
thâp >
Xung lấy mẫu
Video số U Video số tương tự
2.6. Camera truyền hình
Chất lợng và đặc tính tự nhiên của hình ảnh trong sản xuất video đợc quyết định ngay tại thời hình ảnh thu đợc từ camera truyền hình. Bộ cảm biến là bộ phận quan trọng nhất của camera. Hầu hết tất cả các camera truyền hình đều sử dụng thiết bị ghép nối điện tích CCD làm bộ cảm biến.
Hình 2.7. Sơ đồ khối camera truyền hình
Thiết bị ghép nối điện tích - CDD - bao gồm mảng các hàng và các cột phần tử bán dẫn cảm quang có kích thớc điểm ảnh. Khi các phần tử cảm quang bị chiếu sáng, điện tích của chúng sẽ tăng lên tơng ứng với năng lợng ánh sáng chiếu vào. Thông tin này sẽ đợc chuyển dịch qua các phần tử liên tiếp tới đầu ra. Chức năng chuyển dịch điện tích tích đợc thực hiện tơng tự với chức năng của chùm tia quét trong thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện. Và nh vậy, ở đầu ra ta có dịng tín hiệu tơng ứng với các điểm ảnh đã thu đợc. Thiết bị CCD sử dụng hai tia quét cùng tần số 60 Hz cho dòng quét dọc nên cho hình ảnh trung thực hơn so với thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện. Độ phân giải của CDD đạt đợc phụ thuộc vào số phần tử cảm quang trên một bề mặt điện tích.
2.7. Tơng lai của cơng nghiệp truyền hình
Ngành cơng nghệ truyền hình có xu hớng hịa nhập với các ngành cơng nghệ khác đề cùng tạo thành một thể thống nhất đa dịch vụ trong tơng lai. Thể thống nhất này tồn tại sự hội nhập của cơng nghệ máy tính với cơng nghệ âm thanh và hình ảnh, kèm theo chất lợng phục vụ tổn thất. Thể thống nhất này sẽ phục vụ theo yêu cầu của con ngời một cách chính xác, nhanh chóng, hiệu quả và có tính chun mơn hóa cao.
Các dịch vụ tơng tác hai chiều là yếu tố khẳng định sự phát triển trong truyền hình viễn thơng. ở đây máy tính là các thiết bị xử lý thơng tin trong thời gian khơng thực, có hiệu quả trong mơi trờng truyền thông tin điểm - điểm, cịn truyền hình là các thiết bị xử lý thơng tin trong thời gian thực cùng với dịch vụ điểm - đa điểm. Sự kết hợp của máy tính và truyền hình tạo nên một hệ thống mang nhiều lợi điểm trong mạng tổng hợp.
Hình 2.8. Mơ hình mạng tổng hợp
Truyền hình tơng tác ITV là truyền hình do ngời xem điều khiển, kể cả khả năng thực hiện các quyết định trong và ngồi phạm vi chơng trình. Tơng tác trong chơng trình có thể đợc hiểu nh là sự lựa chọn các chơng trình video yêu cầu (VOD), ví dụ nh chọn một bộ phim khi mà ngời xme muốn xem, với thời gian chờ đợi ít nhất (từ vài giây đến vài phút) dới sự xử lý thông tin giúp yêu cầu của ngời xem đợc đáp ứng ngay lập tức. Truyền hình tơng tác chính là hớng phát triển của cơng nghiệp truyền hình, là điều mà tất cả mọi ngời trên toàn thế giới mong đợi đợc phục vụ ở một tơng lai gần.
Chính phủ Nhà cung cấp Trạm phát mặt đất Internet Trạm chuyển tiếp Trường đại học Trung tâm thương mại Mạng tổng hợp
chơng 3
số hóa tín hiệu video
3.1. Lịch sử phát triển
Video số là phơng tiện biểu diễn dạng sóng video tơng tự dới dạng một dòng dữ liệu số. Thiết bị làm việc với video số có các u điểm sau đây:
• Tín hiệu video số khơng bị méo tuyến tính, méo phi tuyến và không bị
nhiễu (noise) gây ra cho quá trình biến đổi tơng tự - số (ADC) và số - tơng tự (DAC). Điều này có thể hồn tồn thực hiện đợc bằng cách xử lý và phân phối tín hiệu dới dạng số.
• Thiết bị video số có thể hồn tồn hoạt động của một cách có hiệu quả và kinh tế hơn so với thiết bị video tơng tự.
• Tín hiệu video số có thể tiết kiệm bộ lu trữ thơng tin nhờ nén tín hiệu. Thập niên 70 bắt đầu sử dụng công nghệ video số trong studio. Lúc đầu công nghệ số đợc coi nh là các "hộp đen số". Một hộp đen số là một thiết bị mà đầu vào là tín hiệu tơng tự và đầu ra là tín hiệu số. Ví dụ nh bộ sửa thời gian gốc TBC, bộ đồng bộ frame...
Đến thập niên 80 thì xuất hiện máy ghi hình DVR (Digital Video Recorder) dùng băng từ dựa trên cơ sở khuyến cáo của CCIR. Tuy nhiên có nhiều dạng hộp đen số hoạt động với nhiều tiêu chuẩn, khơng tơng quan, khơng tơng thích dẫn đến việc kết nối giữa các hộp đen số với thiết bị tơng tự hoặc thiết bị số đầu vào/đầu ra tơng tự trở nên khó khăn và khơng thực hiện đ- ợc. Ví dụ nh máy tạo kỹ xảo video DVE (Digital Video Fffects), hệ thống đồ họa GS (Graphic System)...
Trong thập niên 90, nổi bật lên vấn đề tiêu chuẩn hóa về video số. Với sự tham gia tích cực của tổ chức SMPTE (the Society of Motion Picture and Television Engineers) của Mỹ, nhiều tiêu chuẩn số đã ra đời. Ví dụ tiêu chuẩn video số tổng hợp (4fSC) và tiêu chuẩn nối kết số bit - nối tiếp.