Đọc truyện chuong 2-so hoa tin hieu audio va video - chuong 2-so hoa tin hieu audio va video

♥ Truyen2U.Pro - Tên miền mới của Truyen2U.Net

chuong 2-so hoa tin hieu audio va video

Trước Sau

Màu nền

Font chữ

Font size

Chiều cao dòng

----------------------- Page 1-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Chương 2

SỐ HÓA TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO

2.1 GIỚI THIỆU

Hầu hết các tín hiệu audio và video tự nhiên là ở dạng tương tự, nhưng hầu hết

các thiết bị lưu trữ và truyền tải tín hiệu hiện nay được thực hiện dựa trên phương

thức số, cho nên chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là một một yêu cầu cần thiết.

Chất lượng tín hiệu tối đa của một hệ thống audio và video số hầu nhưđược quyết

định toàn bộở bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC. Còn các phần tử khác trong hệ

thống số có thể có khả năng tái tạo lại một hoàn hảo tín hiệu nhưng không thể cải

thiện được chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt hơn tín hiệu số hóa sau bộ ADC.

Hiểu được đầy đủ những hạn chế của bộ ADC là rất quan trọng trong việc thiết kế

và sử dụng các hệ thống số và đây cũng là mục đích của chương này.

2.2. CÁC BƯỚC CỦA ADC

Các bước chuyển đổi bao gồm quá trìn lọc trước để loại bỏ những tần số quá

cao không thể số hóa được tại đầu vào, quá trình lấy mẫu dùng để rời rạc hóa tín

hiệu theo thời gian, quá trình lượng tử hóa để chuyển biên độ tín hiệu tương tự sang

dạng số, và cuối cùng là quá trình mã hóa để chỉ rõ cách thức biểu diễn của các giá

trị số. Mỗi một quá trình này được đề cập trong các phần dưới đây. Ở phần cuối của

một hệ thống số, tín hiệu anolog ban đầu sẽđược phục hồi từ chuỗi các mẫu nhờ bộ

chuyển đổi số sang tương tự, bộ ADC có nhiệm vụ chuyển các mẫu thành các xung

điều chế biên độ, sau đó bộ lọc thông thấp loại bỏ các thành phần ở tần số lấy mẫu

cao hơn.

Tín hiệu Tín hiệu

analog digital

Lượng

Tiền lọc Lấy mẫu tử hóa Mã hóa

0111

0110

0101

0100

0011

0010

0001

0000

Hình 2.1. Sơđồ khối ADC

----------------------- Page 2-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Như trên hình 2.1, trình bày một sơđồ khối khái quát của khối ADC, quá trình

lấy mẫu và lượng tử hóa làm việc dựa trên các đặc tính trực giao của tín hiệu (thời

gian và biên độ), điều này có nghĩa là chúng độc lập với nhau. Vì vậy, cả hai bước

này có thểđược thực hiện theo cả hai trật tự, tức là có thể lượng tử hóa trước thay

bằng cách lấy mẫu trước như trong hình.

2.2.1. Tiền lọc và lấy mẫu

Lấy mẫu là quá trình đọc các giá trị của tín hiệu tương tự theo chu kỳ xác định.

Thông thường các mẫu có xu hướng nhất thời, có nghĩa là mẫu được lấy trong

khoảng thời gian ngắn hơn chu kỳ của tần số lấy mẫu. Độ rộng của một mẫu là số

phần trăm của chu kỳ tần số lấy mẫu, trên chu kỳ này mẫu được lấy trung bình.

Đầu ra của quá trình lấy mẫu là một chuỗi các giá trị tương tự (các mẫu) tương

ứng với các điểm ở dạng sóng, nơi diễn ra quá trình lấy mẫu. Nó thường là các dạng

xung ở tần số lấy mẫu, và biên độ của tần số lấy mẫu biểu thị các giá trị của mẫu.

Tần số lấy

mẫu cao

Tần số lấy mẫu

theo Nyquist

Tần số lấy

mẫu thấp

Hình 2.2. Giới hạn tần số lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu được thực hiện ở một tần sốổn định, f là tần số lấy mẫu.

Theo lý thuyết lấy mẫu, tần số lấy mẫu phải cao, đủđể tạo được các thành phần tần

số cần thiết cao nhất của sóng đầu vào. Theo tiêu chuẩn Nyquist thì tần số lấy mẫu

được xác định bởi:

fS ≥2 fMAX

Trong đó: fMAX là tần số cao nhất phải được tạo ra.

Việc lọc đầu vào được sử dụng đểđảm bảo sẽ không có các thành phần tần số

nào cao hơn fMAX. Bởi vì các bộ lọc dốc nhọn thực tế thường mắc phải một số khó

----------------------- Page 3-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

khăn nên fS được thiết lập phần nào cao hơn tiêu chuẩn Nyquist. Lấy mẫu ở 2,2 đến

2,5fH là thông dụng nhất. Một vài hệ thống lấy mẫu với tần số cao hơn nhiều được

gọi là lấy mẫu tần cao sẽ bàn đến trong phần 2.3.1

Dải tần cơ bản

của video fs 2fs

Tần số lấy

mẫu cao

fs 2fs

Tần số lấy mẫu

theo Nyquist

Chồng phổ fs 2fs

Tần số lấy

mẫu thấp

Hình 2.3. Phổ lấy mẫu

Ví dụ trên hình 2.2, trình bày quá trình lấy mẫu dưới, trên và tại tần số của tiêu

chuẩn Nyquist. Nội dung của một chuỗi mẫu có thểđược xác định bằng cách nối

các đỉnh mẫu theo một đường thẳng. Hình 2.2 cũng chỉ ra rằng các mẫu tạo ra tần số

tín hiệu chính xác cho đến khi tần số tín hiệu vượt quá 1,5 tần số lấy mẫu. Ởđiểm

này, tần sốđầu ra sẽ tạo nên sự khác nhau giữa tần số lấy mẫu và tần số tín hiệu.

Đây là một kết quả sai và ngoài mong muốn được gọi là hiện tượng chồng phổ. Mức

độ thiệt hại của nó phụ thuộc vào ứng dụng. Ví dụ trong các hệ thống audio, tần số

chồng phổđược coi như là những tần số không liên quan và vì vậy có thể loại bỏ.

Còn đối với video, chồng phổ gây ra các hình trên ảnh được tạo có thể thiệt hại hoặc

không.

Tiêu chuẩn Nyquist cũng có thểđược quan sát trên miền tần số. Một chuỗi các

mẫu có thểđược coi như là một hàm xung định kỳở tần số lấy mẫu mà biên độ của

nó được điều chế bởi các giá trị lấy mẫu. Phổ của một xung định kỳ bao gồm một

thành phần tần số lấy mẫu cộng với các thành phần cân bằng biên độở tần số lặp lại

và các sóng hài của nó. Mỗi một thành phần có dải band tần biểu thị sựđiều chế

bằng các tần số tín hiệu biểu diễn trên hình 2.3 với ba điều kiện ứng với hình 2.2.

Chồng phổ xảy ra khi dải band tần của thành phần tần số lấy mẫu chồng lên dải

band tần của thành phần tần số lấy mẫu bằng 0. Nếu hiện tượng chồng xảy ra sẽ

----------------------- Page 4-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

không có cách nào để loại bỏ nó sau khi lấy mẫu, phải ngăn chặn ngay từ quá trình

tiền lọc đầu vào. Từ hình vẽ ta nhận thấy, có thể xảy ra hiện tượng chồng lắp bất cứ

khi nào tần số tín hiệu tối đa cao hơn 1,5 lần tần số lấy mẫu, vì vậy đây chỉ là một

cách biểu thị khác của tiêu chuẩn Nyquist.

Khi cần thiết phải xử lý các tần số tín hiệu ở gần giới hạn Nyquist, yêu cầu đặt

ra cho bộ lọc đầu vào trở nên khó khăn. Như trên hình 2.3b, độ dốc của bộ lọc phải

nhọn để tránh xảy ra hiện tượng méo tín hiệu cần thiết trong quá trình khử các tần số

gây chồng phổ.

2.2.1.1 Quá trình lấy mẫu trong mảng hai chiều

Sóng video analog thu được từ quá trình quét sẽđược lấy mẫu theo từng dòng

quét. Quá trình lấy mẫu này trong bộ ADC biển diễn một mảng hai chiều (chi tiết

dòng). Nó có thểđược quan sát trong giới hạn của ảnh như chỉ ra trong hình 2.4. Để

tránh nhiễu, tần số lấy mẫu thường được đồng bộ với tần số quét dòng. Nếu đây là

một mối quan hệ có tính chính xác thì quá trình lấy mẫu sẽ xảy ra tại các điểm giống

nhau trong mỗi dòng (còn gọi là lấy mẫu trực giao) như hình 2.4a.

Hình 2.4a minh họa quá trình lấy mẫu quincunx, quá trình này được thực hiện

bằng cách lấy tần số lấy mẫu là một bội số lẽ của hai lần tần số quét dòng. Các ảnh

trong quá trình lấy mẫu khác nhau có thể xảy ra với những mối quan hệ phức tạp

hơn, và trên ảnh sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu nhiều hơn.

Trực giao quincunx

Hình 2.4. Mô hình lấy mẫu không gian

Quá trình lấy mẫu quincunx có nhiều ưu điểm do tạo ra độ phân giải cao ở mọi

hướng, nhưng lại không được sử dụng nhiều bởi ví nó làm cho quá trình xử lý số

của các tín hiệu trở nên khó khăn hơn.

2.2.1.2 Hiện tượng chồng phổ trong mảng hai chiều

----------------------- Page 5-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Hình 2.5 biểu diễn dạng của chồng phổ trên một đường chéo đen với nền màu

trắng. Hình 2.5a biểu diễn một đường ảnh bị che bởi một hình lấy mẫu trực giao, và

Hình 2.5b biểu diễn kết quả lấy mẫu khi đầu ra chỉ dựa vào màu sắc (đen hay trắng)

tại thời điểm lấy mẫu. Đây là dòng nhọn quen thuộc thường xuất hiện trên màn hình

máy tính khi hiển thị các dòng kề ngang, kề dọc hoặc các biên.

Hình 2.5. Hiện tượng chồng phổ

Hình 2.5c biểu diễn hiệu ứng của hiện tượng tránh chồng phổ, tại đó các giá trị

của đầu ra được dựa vào số lượng của các vùng lấy mẫu chứa dòng (một hình chữ

nhật biểu thịở chu kỳ lấy mẫu sẽ cộng ra trong mỗi mảng và đưa về trung tâm của

điểm lấy mẫu). Nếu hình ảnh được quan sát từ khoảng cách xa thì người ta có thể

nhận thấy dòng được tránh chồng phổ dễ chịu hơn các các dòng nhọn.

Khi sử dụng một bộ lọc đặt trước bộ lấy mẫu, thì kết quả cho như hình 2.5c.

Từ khi bộ lọc loại bỏ các thành phần tần số trên giới hạn Nyquist, thì các biên của

dạng sóng tín hiệu sẽ bị dốc tại điểm thời gian tăng lên xấp xỉ bằng một chu kỳ lấy

mẫu. Quá trình lấy mẫu tức thời của biên dốc này sẽ tựđộng tạo ra các biên độ trung

gian chính xác cho các điểm ảnh tại các biên của ảnh.

2.2.1.3 Độ rộng lấy mẫu

Việc lấy trung bình giá trị các mẫu trên phần trăm có nghĩa của chu kỳ lấy mẫu

gây ra sự giảm sút biên độ mẫu ở những tần số cao, nhưđã chỉ ra trong hình 2.6.

Phạm vi lấy mẫu được biểu thị bằng vùng bóng trên hình, việc lấy trung bình trên

độ rộng này cho ra các giá trịđược biểu diễn bằng dòng chấm, giá trị này nhỏ hơn

các giá trịđược đọc bởi mẫu tức thì lấy tại đỉnh của sóng tín hiệu. Đây được gọi là

hiệu ứng góc mở, nó xảy ra trong nhiều quá trình xử lý video.

----------------------- Page 6-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Độ rộng mẫu

Giá trị trung bình

Hình 2.6. Độ rộng mẫu

Trên thực tế, độ giảm có dạng sin(x)/x và được biểu thị trên hình 2.7. Tham số

độ rộng W là số phần trăm của chu kỳ lấy mẫu.

Độ giảm này có ý nghĩa đối với độ rộng mẫu cực đại (W=100), tại giới hạn

Nyquist, đặc tuyến giảm xuống còn 63,6%. Tuy nhiên, hình 2.7 chỉ ra rằng độ rộng

của mẫu ít hơn 20% có thểđược bỏ qua.

W=20

ố 9

đ 0.

g W=50

n .

ế 0

u W=100

ặ

Đ .

0 10 20 30 40 50

Tần số (phần trăm của f )

Hình 2.7. Lấy mẫu hiệu ứng góc mở

2.2.1.4. Mẫu và lưu trữ

Khi thực hiện quá trình lấy mẫu trước khi lượng tử hóa, người ta thường sử

dụng một mạch lấy mẫu và lưu trữ các giá trị mẫu trong một thời gian đủđể bộ

lượng tử hóa thực hiện chức năng của mình. Mạch này, như trên hình 2.8, thu mẫu

bằng cách đóng mạch trong một thời gian ngắn để nạp các giá trị cả mẫu cho tụ. Khi

mạch hở, tụ sẽ lưu giá trị của mẫu cho đến khi có xung lấy mẫu tiếp theo. Vì vậy,

các mạch của bộ lượng tử gần như có được toàn bộ chu kỳ của tần số lấy mẫu để

hoạt động đúng logic của mình.

----------------------- Page 7-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Tín hiệu

tương tự Mẫu và giữ

đầu ra

Xung lấy

mẫu

Hình 2.8. Mạch lấy mẫu và lưu trữ

2.2.2 Lượng tử hóa

Lượng tử hóa là quá trình chuyển đổi một vùng liên tục của các giá trị tương tự

thành một bộ giới hạn các giá trị rời rạc. Với định nghĩa này, quá trình lấy mẫu có

thểđược coi như là lượng tử hóa theo trục thời gian bởi vì các mẫu biểu thị các giá

trị tín hiệu chỉở các thời điểm thời gian rời rạc nơi diễn ra quá trình lấy mẫu. Tất cả

các giá trị tín đầu vào giữa các điểm lấy mẫu đều bị loại bỏ trong quá trình lấy mẫu.

Như mô tả trong hình 2.5, quá trình lượng tử hóa theo thời gian này sẽ gây ra hiện

tượng nhiễu, biểu thị bằng các đường răng cưa. Dù vậy, thuật ngữ lượng tử hóa vẫn

được sử dụng rộng rãi với ý nghĩa tạo ra tín hiệu rời rạc chỉ với trục biên độ. Đây

cũng là cách hiểu về lượng tử hóa trong cuốn sách này.

Tín hiệu thoải

Mức luợng tử

Hình 2.9. Lượng tử hóa: a) phạm vi biên độ chia thành lượng tử, b) tín hiệu đã được lượng

tử hóa, c) lỗi lượng tử hóa

Đầu ra của bộlấy mẫu là một chuỗi xung rời rạc theo thời gian, nhưng biên độ

vẫn liên tục. Các giá trị biên độ phải được lượng tử hóa để nó có thể biểu thị dưới

dạng số trong một số bit xác định. Hình 2.9 biểu diễn hiệu ứng lượng tử hóa, không

lấy mẫu. Hình 2.9a chỉ rõ, dải biên độđược chia ra thành từng vùng và bộ lượng tử

áp dụng cùng giá trị với bất kỳ biên độ nào trong phạm vi mỗi vùng. Do vậy, với

một đầu vào tuyến tính, đầu ra của bộ lượng tử sẽ thực hiện từng bước tuần tự từ

----------------------- Page 8-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

một giá trị lượng tử tới giá trị tiếp theo. Tất cả các giá trị trung gian của tín hiệu đầu

vào bị mất. Ví dụ này là lượng tử hoá tuyến tính bởi vì tất cả các giá trị lượng tử có

cùng kích thước.

Đối với lượng tử hóa, số lượng N bit trên một mẫu thì số mức lượng tử hoặc

giá trị lượng tử sẽ là (2N), được chọn đủ lớn để không nhận thấy hay nghe thấy tính

rời rạc của các mức. Giá trị cơ bản là 8bit/mẫu cho tín hiệu video và 16 bit/mẫu cho

audio, mặc dù các giá trị khác có thểđược sử dụng trong những trường hợp đặc biệt.

Bản chất sai số lượng tử có thểđược quan sát trên hình 2.9c. Lỗi này là sự

khác nhau giữa tín hiệu dốc thoải trong hình 2.9a và dạng bậc thang trong hình 2.9b,

nó có dạng răng cưa mà biên độđỉnh-đỉnh của nó chính là độ rộng Q của một mức

lượng tử. Chú ý rằng, sai số này sẽ giảm tuyến tính khi tăng số mức lượng tử.

2.2.2.1 Các mạch của bộ lượng tử

Các bộ lượng tửđược thiết kế dựa vào mạch bộ so, bộ này so sánh giá trị tín

hiệu của đầu vào với mức điện áp chuẩn. Nó phát ra tín hiệu số bằng 0 khi giá trị tín

hiệu nhỏ hơn giá trị chuẩn, và bằng 1 khi giá trị tín hiệu trên mức chuẩn. Giá trị

chuẩn này đôi khi còn được gọi là ngưỡng của bộ so. Các bộ so phải rất ổn định,

chính xác (ở phía đầu vào, đây là các bộ so sánh tương tự) và phải ngắt từ 0 đến 1

đối với sự thay đổi rất nhỏ của các giá trịđầu vào

Hình 2.10 chỉ ra cách nối bộ so được sử dụng cho lượng tử hoá. Trên mỗi mức

giá trị lượng tử của một bộ so, tín hiệu đầu vào được sử dụng cho tất cả các bộ so,

một thang điện trở sẽ thiết lập các giá trị chuẩn của mỗi bộ so tới một mức cao hơn.

Bởi vì phương pháp này lấy 2N bộ so, nó chỉ thực hiện với khoảng N= 8 đến 10 bit

(tất nhiên tất cả các bộ so đều được tích hợp trong IC).

Có 2N đầu ra từ thang bộ so như trong hình 2.10, toàn bộđầu ra là 1 cho đến

tận mức giá trị lượng tử của tín hiệu đầu vào và sẽ bằng 0 khi mức giá trị lượng tử

cao hơn. Cần thêm vào một bộ logic nhằm giảm sốđầu ra từ các bộ so còn N đầu ra.

Bộ logic này gọi là bộ mã hóa ưu tiên và nó được tích hợp trong IC ADC.

Kiến trúc của bộ so trên hình 2.10 thực hiện lượng tử hoá trước quá trình lấy

mẫu, quá trình lấy mẫu xảy ra trong bộ mã hóa ưu tiên. Đây được gọi là một ADC

tốc độ cao, một trong những loại ADC nhanh nhất.

Những kiến trúc khác được sử dụng trong các bộ lượng tử khoảng hơn 10 bit

do số bộ so cho một ADC tốc độ cao không hoạt động được. Một phương pháp phổ

biến hơn là sử dụng bộ lượng tử xấp xỉ liên tục, nó chỉ có một bộ so dùng để so sánh

điện áp đầu ra với điện áp đầu vào của bộ DAC. Tín hiệu số vào bộ DAC được điều

chỉnh bởi vòng hồi tiếp cho đến khi đầu ra của bộ so có giá trị bằng 0. Vì vậy, tín

hiệu tại đầu ra bộ DAC trở thành tín hiệu đầu vào bộ ADC. Phương pháp này rất

----------------------- Page 9-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

chính xác với số bit cao (ví dụ, N= 16) nhưng lại rất chậm do vòng hồi tiếp phải đi

qua N phép lặp đểđạt tới giá trịđầu ra cho mỗi mẫu. Nó vẫn có thểđủđộ áp dụng

cho audio nhưng không dùng được cho video.

Bộ so sánh

255

VREF

255 D6

Ngắt

. . . . . . . . . . . Bộ 8 bit D4

mã hoá

Bộ chia biên độ chẳn lẽ D3

255 D2

Đầu vào D1

analog _

255 D0

255

Hình 2.10. ADC tốc độ cao

2.2.2.2. Thiết lập phạm vi biên độ

Một bộ lượng tử không thể cung cấp đầu ra cao hơn (hoặc thấp hơn) đầu ra

được xác định bởi giới hạn của phạm vi mức lượng tử. Nếu như tín hiệu đầu vào

vượt quá phạm vi này, thì các giá trịđầu ra phải bão hòa tại giá trị tối đa (hoặc tối

thiểu). Trong thuật ngữ của hệ thống analog, được gọi là xén, nó biểu thị hiện tượng

méo nghiêm trọng cần phải tránh. Sẽ có thể phải tạo ra mạch vào phụ bởi vì hầu hết

các thiết bị số chỉđơn giản là chuyển đổi chu kỳđến giá trị bằng không khi vượt

quá giá trị số tối đa, điều này thậm chí còn tệ hại hơn cả hiện tượng bão hòa.

Do sựđiều khiển tín hiệu không bao giờ chính xác tuyệt đối nên hầu hết các

tiêu chuẩn số hóa đều cho rằng các mức tín hiệu phải được thiết lập để không phải

sử dụng hết phạm vi lượng tử. Điều này cho phép bỏ qua lượng giảm nhỏ này. Ví dụ

hình 2.11 đưa ra các tiêu chuẩn mức cho số hóa tổng hợp là SMPTE 224M và số

hóa thành phần SMPTE 253M. Cần lưu ý rằng trong hầu hết các mạch video, mức

----------------------- Page 10-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

chích xác của đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của ảnh sẽ xê dịch xung quanh độ chói

trung bình của ảnh bởi vì thành phần DC của tín hiệu không xuất hiện trong mạch.

Để duy trì đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của tín hiệu ở một mức số xác định, thành

phần DC phải được lưu trữở trong ADC, điều này được thực hiện nhờ ghim mức tín

hiệu. Đây đơn giản chỉ là một mạch điều khiển mức đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của

ảnh và điều chỉnh hệ thống giữđược mức ổn định này.

255

Đỉnh mức 200

trắng

Mức đen

Bust màu

Xung 0

đồng bộ

Tín hiệu hình

Khoảng trên dòng

xóa dòng

Hình 2.11. Các mức lượng tử tín hiệu video SMPTE 244M NTSC tổng hợp

Trong trường hợp số hóa tín hiệu audio, hiệu ứng thụ cảm do quá trình xén

thậm chí còn kém hơn ở tín hiệu video, và các mức audio khó điều khiển hơn. Kết

quả là, các hệ thống audio số thường sử dụng các mức điều khiển tựđộng hoặc các

phương tiện hạn chếđể tránh xảy ra hiện tượng tràn, và chúng vẫn có thể hoạt động

được khi sử dụng biên bảo vệ là 3dB hoặc hơn nữa. Khi các tín hiệu audio không có

thành phần DC thì không cần thiết phải sử dụng quá trình ghim.

2.2.2.3. Tỷ lệ SNR

Khi tín hiệu chiếm hết dải lượng tử, sai số lượng tử có thểđược coi như tạp âm

lẫn vào tín hiệu ởđó tạp âm là ngẫu nhiên với giá trịđỉnh-đỉnh (p-p) của một bước

lượng tử và là một hàm mật độ xác suất đồng nhất (pdf). Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

(SNR) có thể xác định một cách đơn giản đối với trường hợp tín hiệu là sóng sin

nhờ phép phân tích sau đây:

Giả sử một tín hiệu hình sin chiếm hết dải lượng tử có L mức (L=2N, trong đó

N là số bit/mẫu). Khi sai số lượng tử có giá trị p-p của một mức lượng tử hoặc 1/L,

SNR dựa trên các giá trị p-p bằng L. Nếu sử dụng cho audio, SNR được xác định là

tỷ số rms của tín hiệu trên rms của tập âm, và phân tích trên sẽđúng chỉ khi tỷ số p-

p trên rms của tín hiệu và tạp âm là như nhau, nhưng điều này lại không xảy ra. Đối

với một tín hiệu sóng sin, giá trị rms là 0,354sp-p, nhưng đối với tạp âm lượng tử (giả

----------------------- Page 11-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

thiết là pdf đồng nhất) sẽ là 0,29Sp-p. Vì vậy, SNR cao hơn L 1,22:1 (1,76 dB)

chuyển tất cả sang dB ta có

SNR(dB) = 6,02N+1,76 (2.2)

Đây là đối với audio, đối với video SNR là tỉ số của p-p của tín hiệu trên rms

của tạp âm, vì vậy hệ số 0,354 có thểđược loại bỏ. Kết quảđối với video là:

SNR(dB) = 6,02N+10,8 (2.3)

Biểu thức (2.2) và (2.3) chỉ áp dụng cho trường hợp tín hiệu lớn, chiếm toàn bộ

phạm vi lượng tử. Khi tín hiệu nhỏ hơn, hiệu ứng tạp âm lượng tử sẽ tăng lên do tín

hiệu chiếm mức lượng tử ít hơn. “Tạp âm” này trở nên phụ thuộc vào tín hiệu, nó

chính là méo chứ không phải tạp âm nữa. Đối với audio và cả video, hiện tượng

méo tín hiệu thấp với một bộ lượng tửđồng nhất được mô tả trên đây trở nên rất

nghiêm trọng và không thể chấp nhận được. Rất may vấn đề này có thểđược loại bỏ

nhờ sử dụng tín hiệu dither.

2.2.2.4. Lượng tử nhân tạo

Ở audio, tạp âm lượng tử hiện rõ trong đoạn mức thấp của rãnh âm, ởđó tạp

âm giống như một loại méo “hạt” chứ hoàn toàn không giống như tạp âm ngẫu

nhiên. Việc sử dụng dither chuyển hiện tượng méo hạt này thành âm tạp ngẫu nhiên

có thể dễ dàng được chấp nhận hơn.

Ở video, tạp âm lượng tử có thểđược quan sát trên các vùng của ảnh có bóng

mờ từ màu này, hoặc độ chói này sang màu khác, hoặc độ chói khác. Chúng ta có

thể quan sát được sát các dòng trên ảnh, tại đó giá trị tín hiệu truyền qua từ mức

lượng tử này sang mức lượng tử khác. Điều này không rõ rệt nếu sử dụng 8bit/pixel,

nhưng rất rõ ràng ở 6 bit hoặc ít hơn trên pixel. Khi có mối tương quan giữa các

dòng kề nhau trong ảnh, các bước chuyển lượng tử xuất hiện giống như những

đường sóng ở các vùng bị bóng mờ, rất giống như các đường cao ở trên bản đồđịa

hình. Từ phép so sánh này, hiện tượng méo như vậy có thểđược gọi là méo đường

viền.

2.2.2.5. Dither

Méo đường viền không đến nỗi quá tồi so với bản chất của nó, bởi vì ảnh gốc

cũng đã chứa một vài tạp âm. Hiệu ứng của tạp âm làm gẫy phần ảnh biên, vì rất

khó nhìn. Thực tế, hầu hết các ADC đều được đưa vào, một cách có chủđịnh, một

số lượng xác định tạp âm ngẫu nhiên trước khi lượng tử gọi là quá trình dithering và

gây ra lỗi lượng tử xuất hiện giống như tạp âm ngẫu nhiên thay bằng các hiệu ứng

tín hiệu có liên quan như tạp âm hạt và tạp âm đường viền.

Hình 2.12a trình bày một bộ lượng tử không có dither. Hình 2.12b trình bày

----------------------- Page 12-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

cách dither điều chế các mức giá trị lượng tử và hình 2.12c trình bày cách tính trung

bình dither làm cho các đặc tính truyền đạt trở nên tuyến tính. Tín hiệu dither phải

có biên độ chính xác, và đểđạt được kết quả tốt nhất nó phải có một pdf hình tam

giác hoặc Gauxơ. Một pdf đồng nhất cũng có thểđược sử dụng nhưng như vậy sẽ

gây ra tạp âm ở trong tín hiệu điều chế khi mức tín hiệu thay đổi, điều này là ngoài ý

muốn. Các pdf hình tam giác hoặc Gauxơ, không gây ra hiện tượng điều chế tạp âm

với mức tín hiệu. Hình 2.12d chứng minh điều này.

Output Output Output

P Q P P Q/2 (rms)

Biên độ pdf Biên độ pdf Biên độ pdf

đồng nhất tam giác gausesian

Hình 2.12. Lượng tử hóa với dither: a) lượng tử, b) lượng tử với dither, c) trung bình của

dither, d) các hành phân bố xác suất dither.

Dither gây ra tổn hao nhẹ cho SNR, nhưng động thái lượng tử tạp âm được cải

thiện là xứng đáng. Ví dụ, dither của pdf hình tam giác yêu cầu một biên độ p-p của

hai mức lượng tử, và SNR dựa trên p-p/p-p là:

SNR(dB) = 6,02N – 3 (2.4)

Tín hiệu đầu vào audio hoặc video có thể có sẵn mức tạp âm cho cùng một kết

quả như dither. Tuy nhiên, những tín hiệu này sẽ không tạo ra biên độ tạp âm và pdf

tối ưu dưới mọi điều kiện, vì vậy thông thường người ta thêm dither tối ưu hóa riêng

cho bộ ADC.

2.2.2.6. Tái lượng tử

Đôi khi cần thiết phải giảm số lượng bit/mẫu. Điều này thường xảy ra khi xử lý

tín hiệu có liên quan đến pháp nhân bởi quá trình này làm cho số bit/mẫu tăng lên.

Cuối quá trình, các mẫu phải được giảm tới số bit/mẫu ban đầu. Nếu điều đó được

thực hiện bằng cách bỏ bớt các bit có giá trị nhỏ nhất thì hiệu ứng của dither trong

----------------------- Page 13-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

lượng tử hóa ban đầu bị mất và một lỗi lượng tử mới sẽđược đưa vào. Có thể sửa

lỗi này trước tiên bằng cách thực hiện dither số, sau đó làm tròn tới số lượng tử bit

cần thiết. Quá trình dithering sốđơn giản chỉ là quá trình cộng thêm các bit ngẫu

nhiên phù hợp với các bit cần khử. Sau đó quá trình làm tròn diễn ra dựa vào bit có

giá trị lớn nhất trong số các bit cần khử. Nếu bit này bằng 0, thì các bit ngoài đã

được loại bỏ nhưng nếu nó bằng 1 thì việc làm tròn được thực hiện bằng cách cộng

thêm 1 vào các bit còn lại.

2.2.2.7. Lượng tử hoá phi tuyến

Nhưđã đề cập ở trên, méo lượng tử tăng ở mức tín hiệu thấp không chiếm hết

phạm vi của bộ lượng tử. Đặc điểm này có thểđược khai thác bằng việc tạo ra bộ

lượng tử phi tuyến, có nghĩa là sử dụng quá trình lượng tử tinh hơn ở các mức thấp

và thô hơn ở gần mức tối đa. Điều này cũng được áp dụng rộng rãi trong hệ thống

điện thoại số. Nó giống như quá trình ép giãn tương tự với phạm vi biên độ của tín

hiệu được nén trước kênh truyền và giãn sau kênh truyền. Do có sựđồng nhất,

lượng tử hóa phi tuyến cũng được gọi là quá trình ép giãn nhằm giữ cho mức tín

hiệu trung bình ở kênh cao hơn và vì vậy khả năng chống nhiễu kênh truyền tốt hơn.

μ = 255

t .

u 0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Input

Hình 2.13. Lượng tử phi tuyến hàm luật μ

Lượng tử hoá phi tuyến sử dụng cho lời thoại trong audio với sối bit /mẫu nhỏ,

ví dụ như 8bit/mẫu, được thực hiện trước tiên bằng cách lượng tử số bit/mẫu cao

hơn, chẳng hạn như 12bit/mẫu, sau đó sử dụng bảng tra cứu để giảm xuống còn 8

bit phi tuyến. Hình 2.13 trình bày kết quả này. Tất nhiên, phải xác định dạng đường

cong phi tuyến một cách cẩn thận bởi vì nó sẽđược tạo lại trong cả bộ ADC và

DAC. Hàm thông dụng nhất là hàm theo luật μ:

Y= log(1+μx)/log(1+μ)

----------------------- Page 14-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Trong đó: X là đầu ra tới thiết bị theo luật μ, Y là đầu ra, M là một tham số

thường được thiết lập bằng 255.

Phương pháp này làm giảm tỉ lệ SNR đối với các tín hiệu lớn, nhưng lại tăng

lên với các tín hiệu nhỏ hơn. Có ý kiến cho rằng sự xuất hiện của tín hiệu lớn sẽ lấn

áp tạp âm cao, nhưng một SNR ở những tín hiệu nhỏ sẽ tốt hơn.

2.2.3. Tiền nhấn

Một kỹ thuật khác thường sử dụng trong các hệ thống audio được gọi là tiền

nhấn. Kỹ thuật này khai thác triệt để tính chất: các tần số tín hiệu cao hơn thường có

biên độ thấp hơn. Vì vậy, biên độ của chúng có thểđược tăng lên mà không làm hệ

thống quá tải. Một bộ lọc tương tựđược chèn tại đầu vào của hệ thống để nhấn các

tần số cao, và một bộ lọc bổ xung được sử dụng sau bộ ADC ở cuối của hệ thống.

)

d 6

( +

ế

y 4

u +

ặ 2

Đ +

10 50 100 500 1k 5k 10k 20k

Tần số (Hz)

Hình 2.14. Đường cong tiền nhấn cho audio

Hình 2.14 minh họa chức năng tiền nhấn tiêu biểu. Vì sự tiền nhấn giảm biên

quá tải của hệ thống, nên phải rất cẩn thận khi sử dụng. Tiền nhấn không được sử

dụng cho video số.

2.2.4. Mã hóa.

Quá trình gán các bit cho các mức lượng tửđược gọi là mã hoá. Đây có thể là

một quá trình đơn giản, ví dụ như hệ nhị phân hay phần bù của 2, một quá trình phi

tuyến như luật μ, hoặc có thể là một quá trình rất phức tạp với mục đích thực hiện

nén dữ liệu.

2.3. CHỌN TẦN SỐ LẤY MẪU

Tần số lấy mẫu quyết định độ rộng band tần của hệ thống đạt được mà không

gây ra chồng phổ, nó cũng quyết định tốc độ bit cơ bản của hệ thống theo biểu thức:

Tốc độ bit = (tần số lấy mẫu) * (số bit/mẫu)

----------------------- Page 15-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Để giảm thiểu tốc độ dòng bit và giá thành, hầu hết các hệ thống đều sử dụng

kỹ thuật nén và sự thỏa hiệp giữa tốc độ dòng bit và giá thành. Tần số lấy mẫu đóng

một vai trò quan trọng trong thỏa hiệp này. Ví dụ, nếu chọn tần số lấy mẫu gần với

giới hạn Nyquist nhất nhằm đạt được tốc độ dòng bit thấp nhất sẽ hoàn toàn thỏa

mãn, nhưng phải cần đến một bộ lọc tránh chồng phổ khá đắt đỏ do phải chi phí cho

việc sử dụng tần số lấy mẫu cao hơn nhằm đạt được các tính năng hợp lý cho bộ lọc.

Ở các hệ thống video, vấn đềđặt ra là quá trình lấy mẫu phải được đồng bộ với

tốc độ quét dòng theo một cách nào đấy đểđạt được ảnh lấy mẫu mong muốn (xem

phần 2.2.1.1) và số mẫu cần thiết trong chu kỳ dòng tích cực. Như vậy sẽ giảm khả

năng lựa chọn tần số tới những giá trị xác định. Còn nếu có một tần số có thể sử

dụng cho cả quá trình lấy mẫu của hệ NTSC và PAL, khả năng lựa chọn sẽ nhỏ hơn

2.3.1. Lấy mẫu tần số cao

Một sự lựa chọn tần số lấy mẫu rất gần giới hạn Nyquist nhưng thực tế lại ở rất

xa giới hạn này. Đây là phương pháp lấy mẫu tần cao, rất hữu hiệu trong trường hợp

thiết bị phần cứng cần thiết cho quá trình lấy mẫu tần số cao hơn đã có sẵn. Phương

pháp này được áp dụng rộng rãi cho audio có tần số tín hiệu thấp, đôi khi áp dụng

cho cả video. Cách thực hiện là lấy mẫu với bội số của tỉ lệ yêu cầu, như 2×, 3×, 8×,

hoặc thậm chí lên đến 64× (chỉ dùng cho tín hiệu audio). Bộ tiền lọc analog cần thiết

để loại bỏ sự chồng phổ trở nên dễ lắp đặt hơn bởi vì tần số lấy mẫu và dải thông

nằm cách xa nhau hơn. Sau quá trình lấy mẫu và lượng tử hoá, tín hiệu sốđược lọc

tới dải thông cuối cùng bằng một bộ lọc số và tốc độ lấy mẫu, sau đó giảm xuống tới

giá trị cuối cùng nhờ quá trình thập phân hóa, là quá trình loại bỏ những mẫu không

mong muốn. Đôi khi hai bước này được phối hợp trong một bộ lọc thập phân hoá.

Một bộ lọc số, với các thao tác nhân, sẽ làm tăng số bit/mẫu. Hoạt động này

của bộ lọc là sựđánh đổi dải thông, để tăng độ phân dải biên độ, và số bit tăng lên

có hiệu lực, đồng thời có thểđược giữ lại. Các bit mở rộng còn lại này phải được

quá trình lượng tử hóa lại loại bỏ.

Ngỏ ra

digital

Bộ lọc Lấy Lượng Bộ lọc Bỏđi Lượng

analog mẫu tử hóa digiatal 1/10 tử hóa

Ngỏ vào

analog chia n fs

nfs

Hình 2.15. ADC lấy mẫu tần cao

----------------------- Page 16-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Hình 2.15 là sơđồ khối của một bộ ADC lấy mẫu tần cao, với các ưu điểm:

1. Bộ tiền lọc analog chỉ phải loại bỏ thành phần tần cao, hơn một nửa tần số

lấy mẫu tần cao. Đặc tuyến phẳng trong dải band tần yêu cầu sẽđạt được dễ

dàng hơn và giảm xuống tới tận 1,5 tần số lấy mẫu tần cao.

2. Do quá trình lọc số thực sự là làm tăng số bit /mẫu, cho nên bộ lượng tử ban

đầu không cần phải có số mức nhiều như yêu cầu ở kết quả cuối cùng.

3. Đặc tuyến tần số cuối cùng (và sự khử chồng phổ) được xác định bởi một bộ

lọc số lắp đặt trong IC cho hầu hết bất kì đặc tính nào của đặc tuyến. Đặc

tuyến của bộ lọc số có thểđược tái tạo một cách chính xác và ổn định.

2.3.2. Các tần số lấy mẫu audio

Bởi vì tín hiệu audio không có cấu trúc, cho nên ở các điểm khác nhau trong hệ

thống phải có sựđồng bộ. Các tần số lấy mẫu audio được lựa chọn trên cơ sở xem

xét độ rộng band tần. Việc này tạo ra sựđa dạng của tốc độ lấy mẫu audio, sẽđược

giải quyết nhờ các tiêu chuẩn. Tuy nhiên các hãng khác nhau chấp nhận những tiêu

chuẩn khác nhau, vì vậy hiện đang tồn tại một số lượng tiêu chuẩn khá phong phú.

Bảng 2.1 đưa ra danh sách các tiêu chuẩn audio cho đĩa CD, các máy ghi trong sản

xuất chương trình audio, máy tính cá nhân và điện thoại.

Tần số Bit/mẫu Dải thông Tốc độ dữ ứng dụng

bit/mẫu (Hz) audio liệu

48.000 16 16 20.000 192.000 Sản xuất audio(stereo)

44.100 16 16 20.000 176.000 Đĩa compact(stereo)

22.100 16 16 9.000 88.400 PC WAV stereo-music

10.500 8 8 4.000 10.500 PC WAV stereo-speech

8.000 8 3.500 8.000 Điện thoại

Bảng 2.1. Các tần số lấy mẫu audio

2.3.3. Lấy mẫu video thành phần

ITU-R rec.BT.601 xác định tần số lấy mẫu cho các hệ thống số thành phần sử

dụng tiêu chuẩn quét 525/59.94 hoặc 625/50. Một tần sốđơn được sử dụng ởđây,

nó cũng cung cấp cho quá trình lấy mẫu con theo tỷ lệ 2:1 hoặc 4:1 đối với các

thành phần hiệu màu. Việc chọn tần số 13,5 MHz rất thích hợp vì tần số này có thể

sử dụng cho cả hai hệ thống quét 525 và 625 dòng. Do các dải band tần khác nhau,

----------------------- Page 17-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

một tần số thấp hơn có thể phù hợp cho hệ thống 525 dòng hơn là cho hệ thống 625

dòng, tuy nhiên ưu điểm của tần sốđơn khá quan trọng với việc lựa chọn một tần

số.

Yêu cầu chủ yếu là quá trình lấy mẫu phải trực giao trên cả hai hệ thống (xem

phần 2.2.1.1), bởi vì các hệ thống số thành phần được sử dụng rộng rãi cho việc xử

lý ảnh và các hiệu ứng đặc biệt, với điều kiện các mẫu này được đặt tại cùng điểm

trên các dòng kề, một yêu cầu nữa là phải trực giao khi tỉ lệ lấy mẫu được chia theo

tỉ lệ 2:1 hoặc 4:1.

Lấy mẫu trực giao yêu cầu tần số lấy mẫu phải là bội số chính xác của tần số

quét dòng. Nếu điều kiện này được duy trì trong khi quá trình lấy mẫu con 2 hoặc 4,

thì bội số của tần số dòng cũng là bội của 4, hai tần số dòng là 15,625 Hz cho hệ

thống 625/50 và 15.734,26 Hz cho hệ thống 525/59,94, điều này làm giảm sự lựa

chọn tần số, thực tế là không thể lựa chọn được, không có một tần sốđơn nào có thể

đáp ứng được tất cả những tiêu chí này.

525/59.94 625/50 Khác

n Tần số n Tần số nhau

842 13.248.250 848* 13.250.000 1.750

844* 13.279.719 850 13.281.250 1.531

846 13.311.187 852* 13.312.500 1.313

848* 13.342.656 854 13.343.750 1.094

850 13.374.124 856* 13.375.000 876

852* 13.405.593 858 13.406.250 657

854 13.437.061 860* 13.437.500 439

856* 13.468.530 862 13.468.750 220

858 13.499.999 864* 13.500.000 1

860* 13.531.467 866 13.531.250 217

862 13.562.936 868* 13.562.500 436

864* 13.594.404 870 13.593.750 654

866 13.625.873 872* 13.625.000 873

868* 13.657.341 874 13.656.250 1.091

870 13.688.810 876* 13.687.500 1.310

Bảng 2.2. các tần số lấy mẫu video

----------------------- Page 18-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Giả sử hệ thống 625/50 yêu cầu dải band tần 5 MHz, khi đó tần số lấy mẫu

phải cao hơn 10MHz, có thể từ 12 tới 13 MHz, mới thỏa mãn được một vài biên lọc.

Bảng 2.2 liệt kê các tần số là bội số nguyên chẵn của tần số quét dòng xung quanh

tần số 13MHz. Các số có đánh dấu hoa thị (*) là các số có thể chia hết cho 4. Lưu ý,

các giá trị tần số phải khớp với bội 858 đối với hệ 525 dòng và 864 đối với hệ 625

dòng, và tần số lý tưởng là 13,5MHz. Nhưng 858 lại không chia hết cho 4, điều này

tương đương với việc lấy mẫu con 4 sẽ không tạo ra một mô hình lấy mẫu trực giao

đối với hệ thống 525 dòng. Tuy nhiên, không có tần số nào phù hợp hơn tần số này.

Do vậy 13,5MHz được chọn làm tần số lấy mẫu đơn .

Nhưđã đề cập ở trên, Rec.BT.601 không chỉ chuẩn bị các thành phần RGB

cho quá trình lấy mẫu đầy đủ, mà còn cả các thành phần tín hiệu hiệu màu phù hợp

cho quá trình lấy mẫu con 2:1 hoặc 4:1, với dải band tần thấp hơn. Sự lựa chọn tần

số lấy mẫu trong các hệ thống khác nhau được miêu tả nhờ cách đánh dấu: “4” chỉ

ra tần số lấy mẫu cơ bản, “2” chỉ ra bộ lấy mẫu con 2:1 và “1” chỉ bộ lấy mẫu con

4:1. Vì vậy, lấy mẫu RGB được gọi là 4:4:4, lấy mẫu con 2:1 các thành phần hiệu

màu là 4:2:2 và 4:1 là 4:1:1. Một sự lựa chọn khác ởđây cho lấy mẫu con 2:1 các

thành phần hiệu màu cả ngang và dọc là 4:2:0. Nó không được chỉ ra trong

Rec.BT.601 nhưng được sử dụng trong hệ thống nén video.

2.3.4. Lấy mẫu video tổng hợp

Mặc dù không tránh được hiện tượng méo tín hiệu tổng hợp analog, việc số

hóa các tín hiệu NTSC và PAL vẫn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống video (chủ

yếu là tương tự). Kỹ thuật số là cách tốt nhất để thực hiện các nhiệm vụ như sửa lỗi

thời gian gốc, lưu trữ khung hình, xử lý ảnh trong hệ thống analog tổng hợp. Do

vậy, những thiết bị này phải kết hợp chặt chẽ bộ ADC và DAC để thích ứng trong

hệ thống.

Nhiều ứng dụng xử lý ảnh yêu cầu tín hiệu số phải nằm trong một định dạng

thành phần, điều này cũng đồng nhất với việc các tín hiệu số thành phần phải được

giả hóa tới định dạng thành phần trước bất kỳ quá trình nào. Đây là một bước rất

khó khăn, có thể gây ra hiện tượng méo tín hiệu và là một nhược điểm lớn nhất của

tất cả các hệ thống thành phần. Tuy nhiên, các hệ thống số thành phần sẽ rất tuyệt

nếu chức năng duy nhất của nó chỉ là lưu trữ hoặc ghi tín hiệu.

Đồng bộ hóa ADC với sóng mang các tín hiệu thành phần thường là hoàn toàn

thỏa mãn. Bởi vì sóng mang thành phần nào đó phải dưới giới hạn Nyquist, nên sự

lựa chọn hợp lý là 3× và 4× thường được lựa chọn nhiều hơn. Vì vậy, đối với quá

trình chuyển đổi của hệ NTSC tần số là 14,318MHz và đối với hệ PAL là

17,72MHz. Quá trình đồng bộđược thực hiện nhờ việc lấy các bust từ tín hiệu tổng

hợp và sử dụng một vòng phá khoa để tạo ra khung đồng hồ lấy mẫu.

----------------------- Page 19-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

2.4. CHUYỂN ĐỔI DẠNG SỐ SANG TƯƠNG TỰ

Tín hiệu audio hay video số sau khi truyền dẫn hay lưu trữ sẽđược tái tạo lại

tín hiệu tương tự như nguyên mẫu. Việc biến đổi tín hiệu số ra tương tựđược thực

hiện nhờ bộ DAC, mạch này đơn giản hơn ADC, tuy nhiên vẫn còn một vài vấn đề

cần xem xét. Hình 2.18 giới thiệu sơđồ khối của bộ DAC tiêu biểu, thiết kế phù hợp

cho video. Cấu trúc này được coi như kiến trúc R-2R sử dụng cho hai giá trịđiện

trở.

Đầu vào số nối tiếp được chuyển đổi sang một định dạng song song, và một

đồng hồ dữ liệu được thiết lập để khóa các dữ liệu nhằm loại bỏ bất cứ một thành

phần tạp nào có thể xuất hiện ởđầu vào. Quá trình xử lý đầu vào cũng bao gồm một

mạch lấy mẫu (xem phần 2.2.1.5) cho mỗi bit. Mỗi bit chuyển một nút của mạng từ

giá trị bằng zero tới mức điện áp chuẩn. Khi chuyển mạch lên phía trên (bit 1), một

dòng điện được chia theo tỉ lệ 2:1 cho số lần xuất hiện khi chảy qua các nút giữa

chuyển mạch và đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán. Ví dụ dòng điện của chuyển

mạch LSB truyền qua 7 nút đểđến bộ khuếch đại thuật toán, vì vậy nó được chia

theo 128 (27). Mặt khác dòng điện của chuyển mạch MSB chảy trực tiếp vào bộ

khuếch đại thuật toán, vì vậy nó không được chia. Vì trở kháng đầu vào của bộ

khuếch đại rất thấp do sự hồi tiếp chậm nên các dòng điện từ các chuyển mạch bội

chuyển lên phía trên sẽ tổng hợp tuyến tính, vì vậy dòng điện đầu ra sẽ là:

V 0 1 2 3 4 5 6

bit bit bit bit bit bit ⎛bit ⎞

+ + + + i0 + REF +⎜ + bit7 ⎟

2R ⎝128 64 32 16 8 4 2 ⎠

Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán là ioR. Các giá trịđiện trở R và 2R

phải rất chính xác để sự chuyển đổi là tuyến tính, một mức giá trị lượng tử là 256

hay 0,4% và nếu mức giá trị lượng tử yêu cầu chính xác là 1/10, khi đó độ chính xác

của các điện trở yêu cầu phải là 0,04%. Điều này rõ ràng thực hiện được, nhưng các

bộ DAC cho số bit cao hơn lại đòi hỏi một phương pháp khác nhằm đạt được các

yêu cầu vềđộ chính xác.

Các việc chuyển mạch trong kiểu DAC này đều có thể gây ra lỗi nếu như có sự

hoạt động không đồng đều tại sóng đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán do hoạt

động chuyển mạch. Nhiều bộ DAC thực hiện quá trình lấy mẫu lại sau khi chuyển

đổi để loại bỏ lỗi này. Quá trình lấy mẫu được tính thời gian bắt đầu muộn hơn

trong bộ chuyển đổi, nhưng kết thúc trước giai đoạn chuyển mạch tiếp theo, vì vậy

nó xảy ra trong khoảng thời gian khi đầu ra của bộ chuyển đổi ở giá trịổn định.

Bộ lọc đầu ra của DAC chạy ở fs cũng phải đáp ứng những yêu cầu tương tự

như bộ lọc đầu của ADC. Nếu độ rỗng band tần yêu cầu gần với giới hạn Nyquist,

việc thiết kế bộ lọc sẽ trở nên rất khó khăn và giá thành cao.

----------------------- Page 20-----------------------

Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

- Bộ lọc Đầu ra

thấp analog

Đầu vào Xử lý

digital đầu vào

digital

Khôi phục

clock

Hình 2.16. Bộ chuyển đổi số-tương tự R-2R

Một công nghệđồng thời có thể giúp ADC và DAC có số bit cao là lấy mẫu

tần cao. Trong bộ DAC lấy mẫu tần cao, quá trình lọc được đáp ứng tốt hơn và dự

chính xác về số bit cũng đạt được dễ dàng hơn.

Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro

Trước Sau