Đọc truyện kythuattruyenhinh

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

kythuattruyenhinh

Trước Sau

Màu nền

Font chữ

Font size

Chiều cao dòng

Phần I

Cơ sở kỹ thuật truyền hình

Chương I

Máy thu hình đen trắng

1-1. ánh sáng và màu sắc

1.1.1 - ánh sáng và sóng điện từ

ánh sáng và sóng điện từ có nhiều tính chất giống nhau nên nó được mang tên chung là bức xạ điện từ.

Các bức xạ điện từ có dải tần rộng, từ vài chục hez(Hz) đến vài GHz à dải tần đó được gọi là phổ điện từ.

ánh sáng thấy được chỉ chiếm một phần rất nhỏ từ 3,8.1014Hz đến 7,8.1014 Hz tương ứng với bước sóng từ 780nm đến 380 nm.

tốc độ ánh sáng 300.000 km/s

f: tần số sóng điện từ (hz)

Ta có phổ của sóng điện từ và ánh sáng thấy được.

F(hz)

105

1014

1016

l(m)

3000m

3mm

30nm

0,3nm

Sóng radio

Hồng ngoại

Cực tím

Tia X

Tia g

760 nm

Đỏ

Cam

Vàng

Lục

Lam

Chàm

Tím

380nm

ứng với mỗi một màu sắc sẽ có một bước sóng khác nhau như vậy sẽ có một tần số khác nhau.

ánh sáng trắng là một dạng của sóng điện từ, được tổng hợp từ các màu sắc khác nhau mỗi màu có một bước sóng riêng biệt gọi là ánh sáng đơn sắc.

Truyền hình đen trắng chỉ là truyền hình đơn sắc, không phải là truyền hình màu vì đen trắng chỉ có thông tin về độ sáng tối của hình ảnh, những thông tin này thay đổi từ tối (đen) đến sáng (trắng).

Đặc tính của mắt người

Mắt người không phải nhạy cảm với tất cả các màu là như nhau, mà ứng với mỗi màu sắc nó sẽ có một độ nhạy khác nhau, hình (1. 2) dưới đây sẽ minh hoạ điều đó.

Qua hình vẽ ta thấy: mắt người nhạy cảm nhất đối với màu xanh lá cây là màu có bước sóng 550 Nm. Và độ nhạy cảm giảm dần ở màu có bước sóng 400Nm và bước sóng 700Nm

Độ nhạy tương phản - Contrast

Trong đó Lmax là cường độ chói lớn nhất của chi tiết ảnh

Lmin là cường độ chói nhỏ nhất của chi tiết ảnh

Độ nhạy sáng:

Độ chênh lệch tối thiểu về độ chói giữa 2 chi tiết ảnh mà mắt có thể phân tích được.

DL = L0-Ln trong đó L0 là độ chói của chi tiết ảnh

Ln độ chói của nền

Độ nhạy tương phản:

Khả năng phân giải của mắt:

Là khả năng mắt có thể phân biệt được 2 chi tiết A và B khi rút gần khoảng cách giữa chúng mà khi rút ngắn nữa thì mắt không phân biệt được hai chi tiết Avà B này nữa.

Góc nhìn nhỏ nhất:

Là góc nhỏ nhất mà mắt người có thể phân biệt được hai chi tiết A và B. Thực tế góc nhìn nhỏ nhất là từ 1 phút đến 1,3 phút.

Quán tính của mắt

Khi ta nhìn một vật nếu vật đó đột ngột mất đi thì hình ảnh đó trong mắt chưa mất đi ngay mà còn lưu lại trên võng mạc khoảng 1s, hiện tượng đó gọi là hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc. Nhờ vậy mà có thể truyền hình ảnh đến mắt một cách không liên tục nhưng mắt vẫn cho là liên tục.

1.1.2 - Màu sắc

Khái niệm về màu sắc:

Màu sắc là những sóng điện từ mà mắt thường có thể phân biệt được.

Các thông số đặc trưng cho màu sắc:

Độ chói

Sắc thái- cảm giác chủ quan của mắt và được đặc trưng bởi bước sóng.

Độ bão hoà màu: Mức độ ánh sáng trắng lẫn vào ánh sáng đơn sắc.

1.1.3 - Lý thuyết màu

Cấu trúc của hệ thống thị giác.

Võng mạc chứa các phần tử thụ cảm nối liền với bán cầu não bằng dây thần kinh thị giác.

Tâm võng mạc có chứa các tế bào hình que (khoảng 150.000.000 tế bào) và các tế bào hình nón và chỉ có tế bào hình nón là cảm nhận được màu sắc và có khoảng 6,5 triệu tế bào hình nón tập trung ở hoàng điểm và các vùng lân cận.

Khả năng thích ứng của mắt với màu sắc

Mắt chỉ phân biệt được màu sắc tốt nhất khi ảnh ở ngay trước mắt.

Mắt không thể cảm nhận đồng thời nhiều chi tiết và màu sắc tinh vi.

Lý thuyết 3 màu.

Nếu ta cộng đủ các màu: đỏ , cam, vàng, lục, lam, tràm, tím với cùng một năng lượng như nhau thì ta sẽ được ánh sáng trắng. Nhưng theo thuyết 3 màu về thị giác thì tất cả các màu đều tạo thành từ 3 màu cơ bản là red (R), green (G), blue (B) và được gọi là 3 màu cơ bản.

Phương pháp trộn màu

Để hình thành màu trắng ta có thể pha trộn ba màu là R,B,G.

Khi trộn màu đỏ với màu xanh dương ta được màu vàng.

Khi trộn màu đỏ với màu xanh dương ta được màu đỏ thẫm, còn gọi là màu Violet.

Khi trộn hai màu xanh dương và màu xanh lục ta được màu xanh lá mạ còn gọi là màu xanh da trời (Cyance).

1-2. Nguyên lý truyền hình ảnh trong truyền hình màu.

1.2.1 - Nguyên lý truyền hình ảnh

Để truyền được một bức ảnh từ máy phát đến máy thu người ta phải thực hiện theo nguyên tắc sau:

- Chia bức ảnh thành nhiều phần tử ảnh (điểm ảnh: point picture và có khoảng 500 nghìn phần tử , hay là 500 nghìn điểm ảnh) có biên độ chói trung bình của từng phần tử ảnh thành các tín hiệu điện tương ứng.

- Truyền lần lượt thông tin về độ chói trung bình của từng phần tử ảnh từ máy phát đến máy thu.

- ở máy phát phải có quá trình phân tích ảnh. Người ta dùng tia điện tử quét trên hình ảnh theo quy luật nhất định và khi quét đến đâu sẽ chuyển đổi độ chói trung bình của từng phần tử ảnh thành tín hiệu điện tương ứng với điểm ảnh (phần tử ảnh) đó.

- ở máy thu: Thông tin về hình ảnh ở máy phát chuyển đến sẽ được đưa đến để khống chế chùm tia điện tử trong đèn hình. Khi chùm tia điện tử quét trên màn hình sẽ làm cho từng điểm ảnh trên màn hình phát sáng. Độ chói của từng điểm ảnh sẽ tỷ lệ với cường độ của chùm tia điện tử.

Để đảm bảo khôi phục được hình ảnh ở máy thu giống như phía đầu vào máy phát phải có 2 điều kiện:

* Tốc độ quét ảnh phải cao, sao cho đảm bảo được Ê 24 hình/s.

* Quy luật quét ở máy phát và máy thu phải giống nhau. Như vậy ngoài thông tin về độ chói của hình ảnh thì máy phát phải phát đi một tin tức và gốc thời gian được gọi là “tín hiệu đồng bộ – Synchronous Signal” để đồng bộ việc quét của chùm tia điện tử ở máy thu giống như phía máy phát.

1.2.2 - Nguyên lý quét liên tục.

Quy luật quét liên tục của tia điện tử trong truyền hình giống như quy luật đọc một trang sách và chỉ có điều khác là trong quá trình quét từ trái sang phải thì tia điện tử đồng thời quét từ trên xuống dưới, khi đến mép phải màn hình thì tia điện tử đồng thời quét từ trên xuống dưới, khi đến mép phải màn hình thì tia điện tử lập tức quay về bên trái, tiếp tục quét dòng tiếp theo.

Quá trình quét từ trái qua phải là quá trình quét thuận và quá trình này mang thông tin về hình ảnh.

Quá trình quét từ phải qua trái là quá trình quét ngược, quá trình này không mang thông tin về hình ảnh nên người ta phải làm cho tia điện tử không xuất hiện trên màn ảnh do đó ta không nhìn thấy được tia quét ngược.

Khi tia điện tử đã quét hết một ảnh thì tia điện tử ở mép phía dưới, bên phải của màn hình nó lập tức quay về vị trí mép trên bên trái của màn hình và bắt đầu quét tiếp dòng thứ nhất của ảnh thứ 2.

Tuy nhiên phương pháp quét liên tục không được dùng trong truyền hình vì khi quét ảnh thứ 2 thì cường độ sáng của ảnh thứ nhất đã giảm nên mắt cảm thấy độ nhấp nháy trên màn hình và sẽ gây ra cảm giác khó chịu cho người xem.

1.2.3 - Phương pháp quét xen dòng

Mỗi một ảnh được quét làm 2 lần. Mỗi lần quét sẽ quét một bán ảnh (2 bán ảnh bằng 1 hình ảnh. Two half opicture are make picture)

Lần 1: Quét các dòng chẵn: (2,4,6.. .. . hình 1. 6 ) được gọi là bán ảnh chẵn hay mành chẵn.

Tia điện tử bắt đầu quét từ mép trên bên trái và kết thúc ở điểm giữa mép dưới của màn hình. Sau đó tia điện tử lập tức quay về điểm giữa mép trên để quét các dòng lẻ.

Lần 2: Quét các dòng lẻ, hay còn gọi là bán ảnh lẻ (Hình 1.7).

Khi quét mành lẻ thì tia điện tử bắt đầu xuất phát từ điểm giữa mép trên màn hình và kết thúc ở mép dưới phía phải của màn hình sau đó tia điện tử lập tức quay về phía trên bên phải của màn hình để tiếp tục quét các mành chẵn của ảnh tiếp theo.

Kết hợp hai mành quét ta được một ảnh như hình (1. 8)

Trong truyền hình người ta đã sử dụng 25 h/s để tạo ra một bức ảnh chuyển động, để quét hết 25 h/s thì tần số mành là : fmành = 25x2 bán ảnh = 50Hz.

Chú ý: ở các nước Mỹ và Nhật thì fMành = 60Hz

1.2.4 - Xác định số dòng quét, số phần tử ảnh

Xác định số dòng quét

Trong thực tế thì màn ảnh có kích thước màn hình có tỉ lệ 3 /4 hoặc 4/6 và bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh được rằng nếu người ngồi xem TV cách TV một khoảng L bằng từ (4-:-6) h là tốt nhất (với h là chiều cao của màn hình).

Có j là góc trông lớn nhất

a là góc trông bé nhất

Ta tính j như sau:

Û j = (10-:-14)0

Ta lại có : góc trông nhỏ nhất của mắt là a =1’ từ đó tính được số dòng quét N:

dòng

Với các hệ thống truyền hình khác nhau sẽ có sự lựa chọn các tiêu chuẩn truyền hình khác nhau.

Việt Nam theo tiêu chuẩn OIRT lấy N = 625 dòng

Tiêu chuẩn Nhật - Mỹ (FCC ) lấy N = 525 dòng

Tiêu chuẩn HDTV(Hight Definition Television) truyền hình có độ nét cao thì người ta chọn N =1070 dòng (cho FCC) or N = 2700 dòng (cho OIRT)

Tần số quét dòng

OIRT: fH = 25x625 = 15625 dòng

FCC: fH = 525x30 = 15750 dòng

Tần số quét mành

OIRT: fv = 50Hz

FCC: Fv = 60Hz

Tần số Video cực đại:

Ta biết số phần tử ảnh theo chiều dọc là 625 à số phần tử ảnh theo chiều ngang là (625x4)/3 à tổng số điểm ảnh là(giao điểm dòng quét dọc và ngang):

(625x625x4)/3=520.833 điểm ảnh.

Tần số Video cực đại:

Theo tiêu chuẩn OIRT Û chọn fvideo max = 6 (Mhz)

FCC Û chọn fvideo max = 4,2(Mhz)

1-3. Tín hiệu thị tần

1.3.1 - Sự hình thành tín hiệu thị tần

Utrắng : điện áp ứng với mức trắng

Uđen : điện áp ứng với mức đen

Với bất kỳ cảnh quay nào thì điện áp của tín hiệu thị tần cũng biến đổi từ:

Uđ Û Utrắng.

Tần số của tín hiệu Video (tín hiệu thị tần (fvideo))

Tần số lớn nhất khi ta truyền đi một hình ảnh mà hình ảnh đó gồm có ô đen và ô trắng xen kẽ nhau, mỗi ô tương ứng với một điểm ảnh.

Khi tia điện tử quét qua 2 ô liên tiếp sẽ tạo thành một chu kỳ tín hiệu thị tần, như vậy tần số của tín hiệu Video được sác định như sau:

Với hệ: OIRT chọn fvideo max= 6 MHz

FCC chọn fvideo max= 4,2MHz

Tần số Video min sẽ hình thành khi ta truyền đi một cảnh mà cảnh đó là một nửa đen, một nửa trắng theo chiều ngang.

Mỗi mành quét sẽ tạo ra một ảnh như vậy ta tìm được tần số quét mành như sau:

fmành= 50Hz hoặc 60 Hz.

Khi ta truyền đi cảnh nền thì fvideo = 0Hz tức là ta truyền đi tín hiệu DC.

1.3.2 - Dạng sóng và hình dạng phổ của tín hiệu video (thị tần)

Hình dáng phổ của FVIDEO thể hiện như hình (1. 12)

Ta có nhận xét rằng phổ tín hiệu video gồm các nhóm phổ gián đoạn hay còn gọi là phổ vạch bao gồm.

Tần số mành fv và các hài của fV

Các nhóm tần số dòng fH và hài của fH

Các hài càng cao thì biên độ càng nhỏ và giữa các nhóm phổ có những khoảng trống.

Dạng sóng của tín hiệu thị tần: Tín hiệu thị tần thường có 2 loại là video cực tính dương và Video cực tính âm, thể hiện như hình (1. 13)

Với hình 1. 13A là dạng của Video cực tính dương, còn hình 1. 13B là Video cực tính âm .

1.3.3 - Tín hiệu truyền hình đầy đủ

Hình 1. 14 cho ta:

Thời gian quét hết một dòng là TH = 64ms

Thời gian quét thuận của một dòng là : 59ms

Thời gian quét ngược của một dòng là : 5ms

Xung đồng bộ mành (Vsync) có thời gian bằng (2,5 đến 3) TH

Xung tắt mành có thời gian là (23 đến 30)TH

Như vậy tín hiệu truyền hình đầy đủ cực tính âm bao gồm:

Tín hiệu thị tần từ mức trắng (10 –15)%% đến mức đen 70% , mức xoá là 75%, mức xung đồng bộ là 100%.

Mức xung đồng bộ ở mức 100% gồm có xung đồng bộ dòng và xung đồng bộ mành.

Hsync: xung đồng bộ dòng

Thời gian quét thuận: TT = 59ms

Thời gian quét ngược: TN = 5ms

Thời gian một dòng quét hay gọi là chu kỳ quét dòng TH = 64ms

Vsync: xung đồng bộ mành

Thời gian của xung xoá màn hình là 25TH

Thời gian của xung đồng bộ mành là (2,5- 3)TH

Mức xoá nằm trên mức đen để đảm bảo trong quá trình quét ngược tia điện tử bị tắt hoàn toàn.

1-4. Phát sóng tín hiệu truyền hình

1.4.1 - Sơ đồ khối hệ thống phát tín hiệu truyền hình.

1.4.2 - Điều chế tín hiệu hình, tiếng.

Tín hiệu hình có dải tần từ 0 -:- 6MHz cho (OIRT) và để phát tín hiệu này người ta tiến hành điều chế (để chuyển phổ lên dải tần siêu cao tần) cho band VHF có tần số từ 48MHz đến 230 MHz hoặc band UHF có giải tần từ (300 – 3000) Mhz và chia thành nhiều kênh sóng.

Đối với tín hiệu hình người ta tiến hành điều chế biên độ (AM) và thành phần phổ của tín hiệu điêù chế biên độ gồm 3 thành phần:

Sóng mang FOV

Dải biên tần trên: (FOV+FViDEO MIN đến FOV+FViDEO MAX)

Dải biên tần dưới: FOV+FViDEO MAX đến FOV+FViDEO MIN)

Trong đó FOV: tần số mang tín hiệu hình (thị tần)

FViDEO tần số tín hiệu hình

Phổ của tín hiệu Video có đo rộng là: fov-fvideomax đến fov+fvideo max tức là bằng: 2xfvideomax= 6x2 = 12MHz (hình 1. 16A).

Để tiết kiệm tần phổ và nâng cao độ chọn lọc tần số lân cận thì người ta chỉ phát đi thành phần phổ gồm có sóng mang fov, toàn bộ dải biên tần trên và một phần dải biên tần dưới hình (1 .16B).

Điều chế tín hiệu tiếng

Tín hiệu tiếng được điều chế FM vào sóng mang foa và cũng nằm trong dải tần số siêu cao foa>fov tuỳ thuộc vào kênh sóng đang truyền.

foa và fov được điều chế và phát đi trên một kênh theo phương thức “hợp sóng mang”

do đó tần phổ tín hiệu của một kênh truyền hình có độ rộng là 8MHz.

Với hệ: OIRT khoảng cách giữa fov và foa: 6,5 MHz

FCC khoảng cách giữa fov và foa: 4,5 MHz

CCIR khoảng cách giữa fov và foa: 5,5 MHz

Độ rộng kênh của một kênh truyền hình

OIRT: 8MHz

FCC: 6MHz

CCIR: 7MHz

Chú ý rằng tín hiệu VTTH được điều chế theo từng kênh sóng thì :

ở dạng cao tần ta có tần số mang tiếng > tàn số mang hình.

Sau khi đổi tần (thành tần số trung tần) thì tần số mang hình > tần số mang tiếng.

Thực hiện phách hai tần số trung tần mang hình và trung tần mang tiếng ta có được tần số trung tần tiếng.

1.4.3 - Dải thông và cấu trúc kênh truyền hình

Băng VHF (very hight frequency) 48¸300MHz (hình 1. 18)

Kênh sóng

Chenal

Tần số mang hình

Carry frequency

Dải tần

(Range band)

49,75

48,5 ¸56,5

59,25

8¸66

77,25

76¸84

85,25

84 ¸92

93,25

92 ¸100

175,25

174¸182

183,25

182¸190

191,25

190¸198

199,25

198¸206

207,25

206¸214

215,25

214¸222

223,25

222¸230

Băng UHF (Untral hight frequency) có giải tần từ (300¸960) MHz (hình 1. 19)

Kênh sóng

(Chenal)

Tần số mang hình

(Carry frequency)

Dải tần(MHz)

(Range band)

471,25

470¸478

479,25

478¸486

487,25

486¸494

495,25

494¸502

503,25

502¸510

511,25

510¸518

519,25

518¸526

527,25

526¸534

535,25

534¸542

543,25

542¸550

551,25

550¸558

559,25

558¸566

567,25

566¸574

575,25

574¸582

583,25

582¸590

591,25

590v598

599,25

598¸606

607,25

606¸614

615,25

614¸622

623,25

622¸630

631,25

630¸638

639,25

638¸646

647,25

646¸654

655,25

654¸662

663,25

662¸670

671,25

670¸678

679,25

678¸686

687,25

686¸6994

695,25

694¸702

703,25

702¸710

711,25

710¸718

719,25

718¸726

727,25

726¸734

735,25

734¸742

743,25

742¸750

751,25

750¸758

759,25

758¸766

767,25

766¸774

775,25

774¸782

783,25

782¸790

791,25

790¸798

799,25

798¸806

807,25

806¸814

815,25

814¸822

823,25

822v830

831,25

830¸838

839,25

838¸846

847,25

846¸854

855,25

854 ¸862

1.4.4 - Các thông số của các hệ thống truyền hình

Hiện nay có 3 tổ chức truyền hình quốc tế cùng song song tồn tại là :

OIRT: Uỷ ban phát thanh truyền hình thế giới (Oganiration international radio and Television)

FCC: Hiệp hội truyền thông liên bang Mỹ-Nhật (Federal Communication Commission)

CCIR: Uỷ ban tư vấn vô tuyến điện quốc tế (Đức, Bắc Âu - Communication Commission International Radio)

Các tiêu chuẩn cơ bản của các hệ thống truyền hình

Các tiêu chuẩn kỹ thuật

OIRT

CCIR

FCC

Số dòng trong một ảnh

625

525

Số ảnh trong một giây

FH(tần số dòng)

15625

15750

FV(tần số mành)

Điều chế tín hiệu hình

Điều chế tín hiệu tiếng

Phương pháp quét

Xen dòng

Độ rộng dải tần hình(MHz)

6,0

4,2

Khoảng cách fOV(MHz) và fOA

6,5

5,5

4,5

Độ rộng một kênh truyền hình

8(MHz)

Trung tần hình (MHz)

45,75

Trung tần tiếng(MHz)

31,5

32,5

41,25

Trung tần tiếng 2 (MHz)

6,5

5,5

4,5

Mức đồng bộ

100%

Mức xoá

75%

Mức trắng

10%

1-6. Sơ đồ khối máy thu hình đen trắng

1.6.1 - Sơ đồ khối

Khối kênh: Tuner

KĐ trung tần hình:VIF

Tách sóng hình: Video Det

Khuyếch đại trung tần tiếng 2: 2SIF – Sound Inter medium Frequency

Tách sóng FM: FM.Det – Fgrequency Modulation Detection

Khuyếch đại âm tần: AF-AMP- Audio Fgrequency Amplfier

Khuyếch đại thị tần: Video-AMP – Video Amplifier

Tách xung đồng bộ: Sync Scp – Synchronous Separate

Dao động mành: V.OSC – Vertical oscilate

Dao động dòng: H.OSC – Hozizontal oscilate

So pha: APC (Automatic Phase Comperator)

Khuyếch đại công suất dòng: H.out

Khuyếch đại công suất mành: V.out

Điện áp đại cao áp cao áp: HV- Hight Voltage

Biến áp cao áp : FBT – Flyback Transformer

1.6.2 - Nhiệm vụ các khối

a. Đường tín hiệu

- Khối kênh: (tuner) Là nơi nhận tín hiệu của sóng mang fOA và fOV và nó có nhiệm vụ chọn lọc tín hiệu cần thu đưa vào máy và loại trừ tín hiệu không cần thiết và để có điện áp đưa vào lớn nhất thì mạch vào phải có khả năng phối hợp trở kháng giữa trở kháng của anten và trở kháng của tầng khuyếch đại cao tần

- Khuyếch đại cao tần (RF AMP: radio frequency amplitude) để khuyếch đại tín hiệu của kênh cần thu nhằm nâng cao tỷ số nhiễu trên tạp âm (S/N - signal / noise)

- Bộ dao động (oscillator): Có nhiệm vụ tạo ra tần số ngoại sai fns để cung cấp cho tầng trộn tần, fns phải luôn ổn định với từng kênh truyền hình.

- Tầng trộn tần: Mixer

Còn gọi là tầng đổi tần nó có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu thu được từ mạch vào thành một tín hiệu cố định gọi là tín hiệu trung tần (IF), trung tần của máy thu tiêu chuẩn OIRT là 38MHz và gọi là tần số trung tần hình.

Với phương thức ftt hình = fNS - fov

b. Khối đường hình

Tầng khuyếch đại trung tần

Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu fVIF = 38MHz

FSIF = 31,5MHz

Và chọn lọc và loại bỏ tần số của các kênh lân cận.

Vì tầng khuyếch đại làm việc ở hai tần số fTTV và fTTA nên người ta phải ngăn ảnh hưởng giữa tín hiệu hình và tiếng bằng cách giảm hệ số khuyếch đại cuả fTTA so với fTTV từ 10 đến 20 lần.

Tầng tách sóng thị tần (Video det)

Có hai nhiệm vụ:

- Thực hiện Tách sóng AM để lấy ra tần số tìn hiệu video đưa ra khuyếch đại thị tần

- Thực hiện Tách sóng phách để lấy tần số trung tần hai bằng cách: fTT2 = fTTA-fTTV = 6,5 MHz đưa tới khối khuyếch đại trung tần tiếng.

Tầng khuyếch đại thị tần (Video Amp)

Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu thị tần từ 0 đến 6MHz đủ lớn để đưa tới đèn hình. Trong tầng khuyếch đại thị tần có núm điều chỉnh độ tương phản (Conttrast) để điều chỉnh điện áp tín hiệu thị tần.

Đèn hình CRT (Cathode Ray tube)

Có nhiệm vụ Chuyển đổi tín hiệu truyền hình thành ảnh quang học trên màn hình, khôi phục lại hình ảnh ở phía máy thu giống như hình ảnh ở phía máy phát. Điều chỉnh độ sáng của màn hình tức là điều chỉnh thiên áp cho đèn hình.

Mạch AGC (Automatic Gain control)

Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuyếch đại cho tầng khuyếch đại cao tần và khuyếch đại trung tần hìnhthứ nhất nhằm làm ổn định mức tín hiệu truyền hình trước khi đưa vào đèn hình và phần âm thanh.

c. Khối đường tiếng

Khuyếch đại trung tần tiếng (SIF Amp), Có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu trung tần tiếng thứ fSI = 6,5 MHz. Trung tần tiéng có thể coi như trung tần thứ hai của máy thu hình. Ta có thể lấy tín hiệu IF âm thanh ở ngay sau khi tách sóng thị tần hoặc sau tầng khuyếch đại thị tần.

Bộ hạn biên: (Limiter level)

Có nhiệm vụ khử điều biên ký sinh của tín hiệu hình lên tín hiệu tiếng điều tần.

Tầng tách sóng âm thanh (Sound Detector) có nhiệm vụ tách sóng điều tần để lấy ra tín hiệu âm tần fa đưa vào phần khuyếch đại âm thanh.

Khuyếch đại công suất (Power amplifer) có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu âm thanh để đưa ra loa.

d. Khối phân tách xung đồng bộ

Mạch tách xung đồng bộ (Synchronous separat), bộ có nhiệm vụ tách lấy xung đồng bộ dòng và xung đồng bộ mành khỏi tín hiệu Video tổng hợp.

Mạch tích phân

Có nhiệm vụ tách lấy xung đồng bộ mành để điều khiển bộ osc mành. Sao cho tần số osc của bộ doa động mành (fV )đúng bằng tần số xung đồng bộ mành.

Mạch vi phân

Có nhiệm vụ tách riêng xung đồng bộ dòng ra để đưa vào mạch so pha, rồi khống chế bộ dao động dòng sao cho bộ dao đọng dòng cho ra tần số và pha đúng như tần số và pha của đài phát.

e. Khối quét mành

Dao động mành: là bộ osc tạo ra fV = 50Hz và làm việc dưới sự kiểm soát của xung đồng bộ mành.

Tầng công suất mành, có nhiệm vụ khuyếch đại xung quét mành với biên độ

đủ lớn (khoảng 200Vol PP) để đưa vào khống chế cuộn lái mành.

f. Khối quét dòng

Có nhiệm vụ so sánh tần số dao động dòng tại máy thu với xung đồng bộ dòng đến từ đài phát. Để tạo ra tần số quét dòng FH có biên độ khoảng 1 Vol PP và tần số bằng 15625 Hz cho OIRT và 15735 cho FCC.

Có nhiệm vụ tạo ra dòng lái tia có dạng xung răng cưa và các mức điện áp khác nhau để nuôi đèn hình ( HV, G2 , G3.. ..) và các bộ phận khác trong máy thu hình.

g. Khối nguồn

Cấp điện áp để các khối của máy thu hình để các khối này làm việc bình thường.

1.6.3 - Nguyên lý làm việc.

1-7. Các chỉ tiêu kỹ thuật của máy thu hình

Để đánh giá chất lượng của máy thu người ta đánh giá vào các chỉ tiêu kỹ thuật sau:

* Độ nhạy: là mức tín hiệu tính bằng mV nhỏ nhất đặt ở đầu vào máy thu cho chất lượng ảnh và tiếng bình thường.

* Độ chọn lọc:

Là khả năng loại trừ những tần số lân cận tần số nhiễu, máy phải có độ chọn lọc tốt ở tất cả các kênh thu.

* Hệ số tạp âm

Tạp âm do nội bộ máy sinh ra, máy có tạp âm it chất lượng hình và tiếng tốt.

* Độ di tần ngoại sai

Mỗi kênh thu tương ứng với tần số fns thật ổn định và có sai số trong phạm vi cho phép.

* Công suất âm tần: công suất ra của tín hiệu tiếng

Méo hình học, méo phi tuyến, méo tần số

* Công suất tiêu thụ điện

* Kích thước màn hình.

* Độ phân giải của đèn hình (được biểu thị bằng số dòng quét).

Chương ii

Nguyên lý truyền hình màu các hệ truyền hình màu cơ bản

2-1. Nguyên lý truyền hình màu

2.1.1 - Hệ thống phổ tín hiệu màu cơ bản

Trên đây là sơ đồ khối của hệ thống phát tín hiệu màu cơ bản.

Một thấu kính thu nhận ánh sáng đầy đủ màu sắc thực tế của cảnh vật được đưa tới kính lưỡng sắc 1.

Kính lưỡng sắc 1 Phản chiếu tia B và cho qua các tia R, G

Kính lưỡng sắc 3 phản chiếu tia R và cho qua tia G

Kính lưỡng sắc 4 cho qua tia R

Kính lưỡng sắc 2 cho qua tia B.

Cả ba thành phần R,G,B được đưa qua 3 kính lọc màu (ứng với kính lọc nào thì sẽ cho màu đó qua còn các màu khác bị hấp thụ)

Đèn quang điện có nhiệm vụ biến đổi quang điện biến, tức là biến đổi ba màu R, G, B thành các tín hiệu điện tương ứng là ER,EG,EB , rồi cho qua bộ khuyếch đại R,G,B , rồi vào bộ KĐ điều chế biên độ fR, fG, fB sau đó ta được 3 tín hiệu này như sau.

Với: DR là dải phổ của tín hiệu R

DG là dải phổ của tín hiệu G

DB là dải phổ của tín hiệu B

Cả ba tín hiệu này đều có giải phổ là 6 Mhz. Nếu ta dành thêm khoảng cách giữa các giải phổ là 1MHz thì giải thông (phổ của toàn bộ tín hiệu màu) sẽ là:

D = 6MHz.3 + 1MHz=19MHz

Tín hiệu này ở đầu ra của bộ (+) và đưa tới máy phát. Máy phát có nhiệm vụ tạo ra tần số sóng mang hình fOV và thực hiện điều chế biên độ tần số sóng mang fOV với các thành phần tín hiệu tổng hợp của kênh truyền hình, rồi đưa tới anten và phát đi.

2.1.2 - Hệ thống thu tín hiệu truyền hình màu

Anten máy thu nhận được tín hiệu cần thu có tần số sóng mang fOV qua các tầng khuyếch đại cao tần, đổi tần, khuyếch đại trung tần và tách sóng ta lấy được ra dải tần của cả 3 tín hiệu màu R, G, B.

Tín hiệu này được đưa tới bộ lọc dải để lấy riêng ra ở tần số mang màu đã điều chế fR, fG, fB rồi đưa ra bộ tách sóng để lấy ra 3 tín hiệu R, G, B riêng biệt. Ba tín hiệu này được khuyếch đại và đưa ra điều chế ba Cathode đèn hình màu (hình 2.2)

2.1.3 - Ưu nhược điểm

Hệ thống truyền hình màu ở trên không có đường truyền tín hiệu độ chói Y riêng biệt do đó không đáp ứng được khả năng thu chương trình đen trắng.

Dải thông của tín hiệu màu khá rộng (19MHz) do đó không phù hợp với tiêu chuẩn truyền hình đen trắng đang có sẵn.

Do vậy để thực hiện được tính kết hợp giữa hệ thống truyền hình màu và truyền hình đen trắng ta phải tạo ra được đường truyền độ chói riêng biệt và nén dải thông của tín hiệu màu xuống còn 6MHz để phù hợp với dải thông của tín hiệu truyền hình đen trắng.

2-2. Tính kết hợp với T.H WB. Sự lựa chọn tin tức truyền đi trong truyền hình màu.

2.2.1 - Truyền hình màu ra đời thì truyền hình đen trắng đang phát triển mạnh mẽ. Hầu hết lúc đó các máy thu hình là các máy đen trắng. Do vậy yêu cầu đặt ra là truyền hình màu phải đảm bảo được tính kết hợp với truyền hình đen trắng như sau:

Máy thu hình đen trắng phải thu được hình ảnh đen trắng từ máy phát hình đen trắng (WB), và phải thu được hình ảnh đen trắng từ máy phát hình màu.

Máy thu hình màu thì phải thu được hình ảnh đen trắng từ máy phát hình đen trắng và phải thu được hình ảnh màu từ máy phát hình màu.

2.2.2 - Sự lựa chọn các tin tức truyền đi trong truyền hình màu.

* Độ chói:

Ta đã biết đặc tính của màu sắc là gồm 2 yếu tố: Sắc + độ chói

Vì vậy khi độ chói của một điểm màu thay đổi thì 3 màu cơ bản tạo nên điểm màu đó cũng thay đổi nhưng tỷ lệ giữa chúng không đổi.

Dựa vào thực nghiệm về độ nhạy của mắt với màu sắc ta xác định được độ chói Y (tín hiệu độ chói Y chính là tín hiệu hình trong truyền hình đen trắng), Ta tính được Y theo 3 màu cơ bản như sau:

Y=0,3R+0,59G+0,11B

Với màu trắng thì: R = G = B = 1 Û Y = 1

Với màu đen: R = G = B = 0 Û Y = 0

Chú ý:

Y là độ chói hay Y là điện áp tín hiệu chói UY

R là tín hiệu màu đỏ hay R là điện áp tín hiệu màu đỏ UR

G là tín hiệu màu lục hay là điện áp tín hiệu màu lục UG

B là tín hiệu màu xanh dương hay điện áp tín hiệu màu xanh dương UB.

*Tín hiệu “Hiệu màu”

Để đảm bảo được tính kết hợp giữa truyền hình đen trắng và truyền hình màu, thì trong hệ thống truyền hình màu người ta truyền đi thông tin về độ chói Y và đồng thời truyền đi thông tin về màu sắc.

Để tiết kiệm băng tần truyền dẫn và đơn giản cho mạch điện người ta không truyền đi ba thông tin về tín hiệu màu cơ bản là R, G, B mà người ta truyền đi hai tín hiệu màu gọi là “hiệu màu”và thông tin về độ chói Y.

Qua khảo sát về phổ của ánh sáng trắng người ta chọn 2 tín hiệu “hiệu màu” chứa nhiều thông tin nhất là R-Y và B-Y. Vì chỉ cần hai hiệu số màu và tín hiệu độ chói Y ta có thể tìm lại được thành phần tín hiệu màu thứ ba là G -Y.

Tóm lại:

Truyền hình màu sẽ truyền đi các tin tức sau:

Tín hiệu độ chói: Y = 0,30R + 0,59G + 0,11B

Điều tần tín hiệu âm thanh: FM tiếng

Đồng bộ dòng: H sync

Đồng bộ dòng: V.sync

Và 2 tin tức về màu sắc.

Hiệu số màu Thứ nhất: R - Y

Hiệu số màu Thứ hai: B - Y

2.2.3 - Mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình màu

a. Khái niệm

Độ chói Y có dải tần:

0 ¸ 4,2MHz với FCC

0 ¸ 5 MHz với CCIR

0 ¸ 6 MHz với OIRT

Như vậy trong truyền hình màu phải truyền đi thêm hai thông tin về tín hiệu màu là R-Y và B-Y mỗi thông tin hiệu chiếm một giải tần từ (0 ¸ 1,5 ) MHz.

Vì tính tướng thích với truyền hình đen trắng nên ta không thể mở rộng thêm dải tần truyền dẫn.

Và mỗi kênh truyền hình đen trắng đã có một dải tần xác định nên không thể ghép trực tiếp tín hiệu hiệu số màu vào dải tần của Y vì như vậy các tín hiệu sẽ lẫn vào nhau và gây nhiễu sang nhau.

Ta lại nhận thấy phổ của tín hiệu chói Y với các nhóm phổ có tần số trung tâm là fH. và tần số càng cao thì biên độ phổ càng nhỏ, giữa các nhóm phổ tồn tại những khoảng trống.

Vậy để ghép được tín hiệu sắc vào dải tần của tín hiệu chói người ta tiến hành điều chế tín hiệu sắc C với một sóng mang phụ là fSC (Frequency sub colour carier)

Với fSC được xác định như sau:

fSC = (n-1/2)fH để phổ của tín hiệu sắc phải nằm xen kẽ với phổ của tín hiệu chói.

FSC nằm ở phía tần số cao của Y nhưng fSC nhỏ hơn fmax của Y.

Với hệ NTSC chọn:

fCS = 3,58MHz

Với hệ Pal, Secam chọn:

fCS = 4,43MHz

b. Mạch Mã hoá

Ba tín hiệu màu cơ bản R,G,B từ camera đưa đến qua ma trận theo tỷ lệ nhất định, ở đầu ra của Matix ta được:

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B

R-Y

B-Y

Tín hiệu Y đi thẳng đến bộ (+) còn hai tín hiệu “hiệu màu” R-Y, B-Y qua bộ điều chế với sóng mang phụ fSC sau đó nhập chung với tín hiệu Y bộ cộng. Tại

đầu ra của bộ (+) ta được tín hiệu hình màu tổng hợp sau đó tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ điều biên với sóng mang fOV sau đó đưa đến anten và phát đi.

Việc lựa chọn tần số sóng mang phụ và lựa chọn các phương thức điều chế tín

c. Mạch Giải mã

Tín hiệu hình màu tổng hợp sau tách sóng hình sẽ được đưa đến mạch giải mã, mạch điện hình thành như sau:

Tín hiệu Y được đưa thẳng đến mạch ma trận.

Tín hiệu sắc (C) qua mạch lọc dải và ở đầu ra của mạch lọc dải ta thu được tín hiệu sắc C tín hiệu này lại được đưa qua mạch giải điều chế để lấy lại 2 tín hiệu “hiệu màu” R-Y, B-Y rồi đưa vào mạch ma trận, ở đầu ra của mạch ma trận sẽ thu lại được 3 tín hiệu màu cơ bản -R, -G, -B rồi tiếp tục đưa đến để điều chế 3 Cathode của đèn hình màu.

2.4. Hệ màu NTSC (National Television System Committee)

2.4.1 - Khái niệm mở đầu

Hệ màu NTSC ra đời năm 1954 tại Mỹ và được phát sóng theo tiêu chuẩn FCC, gồm các thông tin như sau:

Y= 0,3R + 0,59G + 0,11B

H sync

V.sync

FM tiếng

Và truyền đi hai tín hiệu màu có tên gọi là I và Q, với:

I = 0,74(R-Y) - 0,27(B-Y) trễ 123 0 so với B-Y

Q = 0,48(R-Y) + 0,41(B-Y) trễ 330 so với B-Y

I có độ rộng dải tần là 1,5 Mhz

Q có độ rộng dải tần là 0,5MHz.

Hai tín hiệu “hiệu màu” được điều chế vuông góc trên cùng một tần số mang phụ là fSC (theo chuẩn FCC thì fSC = 3,58Mhz, CCIR thì fSC = 4,43 MHz).

Nghĩa là hai tín hiệu I,Q cùng được điều chế biên độ vào cùng một tần số sóng mang phụ gọi là fSC, và cả hai tín hiệu màu được dịch đi một góc 33 0 so với gốc pha ban đầu. Trong khi đó một trong hai tín hiệu màu là I được dịch pha đi một góc 900 so với tín hiệu kia.

Hình vẽ 2. 5 minh hoạ cho những điều vừa trình bầy ở trên.

Hai tín hiệu màu là I và Q cùng được điều chế vào sóng mang phụ fSC nhưng khi truyền đi lại không truyền fSC (vì fSC không mang thông tin) mà chỉ truyền đi hai dải biên tần trên và dưới, được gọi là điều biên nén.

Phương pháp này gọi là truyền thông tin song biên triệt tần số sóng mang còn nếu chỉ truyền đi biên lần trên gọi là phương pháp truyền thông tin đơn biên triệt sóng mang, thể hiện như hình vẽ (2. 5).

Tín hiệu đồng bộ màu.

Do tần số fSC bị nén hoàn toàn (tức là phía phát không truyền FFSC sang phía thu), vì vậy để khôi phục lại tần số FSC tại máy thu thì phía phát phải truyền đi tín hiệu đồng bộ màu (hay còn gọi là loé màu- color burst).

Tín hiệu đồng bộ màu có tần số đúng bằng tần số sóng mang màu fSC được đặt ở sườn phía sau của các xung xoá dòng gồm từ 8¸11 chu kỳ có biên độ đỉnh bằng 0,9 chiều cao của xung đồng bộ hình, hình vẽ 2. 6.

Phổ của tín hiệu màu tổng hợp gồm 2 tín hiệu Y và C. C gồm tín hiệu I điều biên vào tần số fSC truyền đi toàn bộ dải biên tần dưới và chỉ một phần dải biên tần trên, tín hiệu Q cũng điều biên vào fSC nhưng đã dịch pha đi 900 và truyền đi cả 2 biên tần trên và dưới.

2.4.2 - Điều biên nén SAM (Suppress amptitude modulator)

Có nhiệm vụ lấy tín hiệu sắc điều chế biên độ vào sóng mang phụ fSC sau đó thực hiện nén tần số mang phụ fSC ( vì FSC không mang thông tin) và chỉ đưa ra hai dải biên tần trên và dải biên tần dưới .

Để thực hiện điều biên nén người ta thường dùng mạch điều biên cân bằng như sau, hình (2. 8).

Với:

FS là tần số của điện áp tín hiệu cần điều chế

UC là điện áp của tải tần ( Điện áp của sóng mang)

SAM là điện áp điều biên nén lấy ra.

Ta giả sử rằng điện áp tín hiệu cần điều chế US và điện áp sóng mang UC là những sóng hình sin. Với FUC >> FUS Tức là tần số của sóng mang phải lớn hơn nhiều lần tần số của tín hiệu cần điều chế.

Lúc này ta có đồ thị biểu diễn sự điều chế SAM như hình vẽ (2. 9)

Từ hình vẽ 2. 9 ta thấy cứ mỗi lần tín hiệu điều chế US đổi dấu thì tín hiệu điều chế USAM lại đảo pha một lần. Và rõ ràng rằng sóng SAM chính là hình ảnh của điện áp tín hiệu đã bị băm ra theo nhịp của của điện áp sóng mang cao tần.

Một điều cần lưu ý là sự thông và tắt của các Diode trong mạch điều chế là do biên độ của điện áp tải tần quyết định.

Mạch điều biên cân bằng dùng TZT.

Mạch điều biên cân bằng dùng 4 Diode trong thực tế ít được dùng vì các Diode chỉ thuần tuý làm nhiệm vụ đóng cắt như những chuyển mạch điện tử. Trong các Tivi màu thường dùng mạch điều biên nén dùng TZT vì ngoài khả năng điều biên nó còn khả năng khuyếch đại biên độ, nên ngoài yêu cầu về điều chế thì ở đầu ra ta còn thu được một sóng SAM với biên độ phù hợp với yêu cầu sử dụng.

ở mạch điện hình (2 .10) giới thiệu mạch điều biên nén dùng TZT thường dùng trong các tivi màu gồm các bộ phận như sau:

TR1 là biến áp dẫn tín hiệu cần điều chế vào mạch điện, tín hiệu ở đây là tín hiệu hình màu hệ NTSC , hoặc hệ PAL.

TR2 là biến áp tần số cao dùng để ghép tín hiệu sóng mang vào trong mạch điều chế.

TR3 là biến áp dẫn tín hiệu đã điều biên nén ra tải.

T1,T2 là hai TZT công xuất.

Việc giải thích nguyên lý hoạt động của mạch điện cũng tương tự như việc giải thích ở mạch điện hình (2. 8) và đồ thị thời gian hình 2. 9.

Ta tóm tắt lại như sau:

- Khi mà tín hiệu vào (US) bằng không thì T1 và T2 hoặc là cùng khoá hoặc là cùng dẫn. Nên dòng điện chạy qua sơ cấp của biến áp TR3 là ngược chiều nhau. Bởi vậy dòng điện bên thứ cấp của biến áp này bị triệt tiêu. Như vậy tần số sóng mang FSC không lọt ra tải được, hay ta nói rằng sóng mang đã bị nén lại cho đến khi biên độ bằng không.

- Khi có US ở hai đầu vào (cực B) của hai TZT thì biên độ của điện áp tín hiệu này được truyền ra tải theo nhịp đóng ngắt của sóng mang nên dạng sóng của nó sẽ bị băm ra theo nhịp đóng cắt đó tương tự như hình (2.9). Cần chú ý rằng tần số sóng mang cao tần phải lớn hơn tần số điều chế ít nhất là hai lần.

2.4.3 - Giải điều biên SAM.

ở đầu thu ta sẽ nhận được SAM và sẽ phải tách sóng ra để lấy lại tín hiệu US. Ta không thể sử dụng các mạch tách sóng thông thường để tách được.

Để tách sóng điều biên nén trước tiên ta cần biến đổi sóng SAM thành sóng điều biên thường (AM), bằng cách cộng thêm vào sóng SAM một sóng hình sin thông thường với góc pha trùng với góc pha của sóng SAM. Rồi thực hiện tách sóng điều biên thông thường.

Bạn đọc cần chú ý rằng để có thể tách sóng được thì thì đài phát phải phát đi tin tức về loé màu (Colour burst) để thực hiện đồng pha cho mạch dao động tạo sóng sin tại máy thu. Mạch điện có dạng như hình 2. 11 sau:

Với tín hiệu điều biên nén SAM được đưa vào cuộn W1, còn sóng hình sin có gốc pha của Burst màu được đă vào cuộn W2, hai tín hiệu này cộng với nhau để ở cuộn W3 ta có được sóng AM bình thường rồi thực hiện tách sóng AM bằng Diode D.

Dạng sóng thể hiện ở từng điểm được biểu thị như hình vẽ 2. 12 dưới đây:

2.4.4 - Điều chế vuông góc (Quadrature)

Sau khi đã điều biên nén EI và EQ trở thành hai sóng sin có tần số là FSC = 3,58Mhz, có biên độ là EI và EQ . Bây giờ ta lại nhập chung chúng lại với nhau và để chúng vẫn phân biệt được, không bị trộn lẫn với nhau, người ta cho sóng mang phụ điều chế EI sớm pha lên 900 so với pha của EQ. Cách làm này được gọi là điều chế vuông góc hai tín hiệu sắc EI và EQ.

Hình 2.13 mô tả cách thức để nhập chung hai tín hiệu EI và EQ. Trước tiên một mạch dao động hình sin để tao ra sóng mang phụ 3,58 Mhz. Người ta làm sớm pha sóng hình sin lên 330 để điều biên nén EQ, rồi lại làm sớm pha lên 900 nữa để điều biên nén EI.

Sóng điều biên nén EI hay người ta còn gọi là C1 là sóng hình sin 3,58Mhz, có biên độ là EI và góc pha là 210 so với gốc pha 00 từ mạch dao động đưa ra. Tương tự như vậy ta có C2 có biên độ là EQ là sóng hình sin tần số là 3,58 Mhz biên độ EQ góc pha 330 so với gốc 00. Hai sóng C1, C2 lệch pha nhau 900 được nhập chung trong một mạch cộng để có một sóng sin duy nhất là:

Được thể hịên như hình vẽ sau đây.

Hình A là sơ đồ khối của hệ thống điều biên nén vuông góc hai tín hiệu màu (C1,C2 ) vào một sóng mang FSC (3,58Mhz) để ở đầu ra ta được tín hiệu màu điều biên nén vuông góc.

Hình B là đồ thị vector biểu diễn quá trình điều biên nén vuông góc, còn hình C là đồ thị thời gian của quá trình này.

2.4.5 - Mã hoá hệ màu NTSC

Sơ đồ khối của mạch mã hoá hệ truyền hình màu NTSC thể hiện như hình 2. 14 dưới đây.

Ba tín hiệu màu cơ bản R,G,B mà ta còn gọi là ER,EG,EB, được đưa đến mạch ma trận theo một tỷ lệ nhất định để chuyển đổi thành một tín hiệu độ chói EY có dải tần từ 0 ¸4,2 MHz và hai tín hiệu màu, EI có giải tần 1,5 Mhz (thực tế là 1,5 Mhz) và EQ có giải tần 0,5Mhz.

EI và EQ dược điều biên nén (SAM ) với sóng mang phụ FSC = 3,58Mhz, có pha lần lượt lệch 330 và 1230 so với gốc pha 00. Hai sóng điều biên nén EI, EQ bay giờ gọi là C1 và C2. Sau đó được nhập chung để được một tín hịệu màu là C (chúng là những vector) duy nhất. Rồi sau đó laị nhập chung EY với C. Tín hiệu màu C được đi thẳng đến bộ cộng còn EY thì được làm chậm 0,7 ms để đồng pha với tín hiệu màu C.

Để có thể tách sóng điều biên nén ở phía máy thu ở phía đài phát người ta truyền đi thêm tin tức về gốc pha của sóng mang màu phụ. Thông tin này được gọi là loé màu (Color burst), Đầu tiên FSC có gốc pha 00 được đảo pha 1800 để đưa vào cổng loé (Burst gate). Cổng này bình thường đóng nó chỉ mở ra mỗi dòng một lần khi mà có xung FH rơi vào thềm sau của xung đồng bộ ngang. Khi cổng mở ra có khoảng từ 8 đến 12 chu kỳ sóng hình sin 3,58 Mhz có gốc pha 1800 đi xuyên qua cổng, rồi nhập chung với tín hiệu chói và nằm gọn tại thềm sau của xung đồng bộ ngang là thời gian không có các tin tức khác của hình ảnh.

ở đầu ra cuối cùng ta có được tín hiệu hình màu NTSC chứa tổng cộng 7 thông tin là EY, FMSOUND, HSYN,VSYN , C1,C2, và Color burst.

Bốn thông tin đầu là của truyền hình đen trắng. Tin tức về độ sáng tối và FM tiếng nằm bên trên mức Zero (mức BLK) có biên độ tối đa là 100%, được phân biệt với nhau bằng tần số (tiếng có tần số là 4,5Mhz trong khi đó mức sáng tối có giải tần là từ 0 đến 4,2 Mhz. Hai tin tức đồng bộ nằm dưới mức zero có biên độ –40%. Phân biệt với nhau bằng độ rộng của xung.

Hai thông tin về màu là EI và EQ nằm trong sóng điều biên nén vuông góc có FSC = 3,58 Mhz. Có biên độ và pha thay đổi tuỳ theo điểm màu. Khi nhập chung với tín hiệu độ chói biên độ của nó có thể lên đến tối đa là +133% và thấp nhất là -33%. Cách phân biệt với tín hiệu chói là tần số, hai thông tin về nằm chung quanh tần số 3,58Mhz, giới hạn về phía thấp nhất là (3,58 - 1,2 )Mhz = 2,38Mhz.

Tin tức cuối cùng, loé màu là tin tức cần thiết để tách sóng SAM, có biên độ ± 20% nằm gọn ở thềm sau của xung đông bộ ngang độc lập với 6 thông tin trên.

2.4.6 - Giải mã màu hệ NTSC

Mạch điện bộ giải mã màu hệ NTSC có sơ đồ khối như hình vẽ 2. 15 sau đây:

Tín hiệu hình màu có giải tần nằm hoàn toàn trong kênh sóng FCC được phát ra không gian giống như việc đã làm với truyền hình đen trắng... Và bắt đầu tại đầu ra của mạch tách sóng hình, ta thu được tín hiệu truyền hình màu hệ NTSC trong đó có chứa tổng cộng 7 tin tức. Bốn tin tức giống như của truyền hình đen trắng là:

EY, FM Tiếng , đồng bộ dọc, đồng bộ ngang. Sẽ được tách ra dùng vào các mục đích như ở truyền hình đen trắng. Còn lại ba tin tức về màu gồm C1, C2, và color Burst được tách ra dùng cho việc tạo hình màu.

Từ tầng tách sóng hình, toàn bộ giải thông của EY được đưa tới mạch Matirix khi đã đi qua một dây trễ 0,7 ms để rồi cùng với hai tín hiệu Sắc EI và EQ trộn lẫn với nhau tại matrix này.

Toàn bộ giải tần từ 0 đến 4,2 Mhz đồng thời cũng được đưa vào tầng Burst gate hay ta có thể gọi là Colour IF. Đây là một tầng khuyếch đại có chọn lọc (Tuned Amp), nó chỉ khuyếch đại khoảng tần số xung quanh sóng mang 3,58Mhz, là tần số đã bị điều biên nén. Kết quả là ở đầu ra ta chỉ nhận được các tin tức của màu sắc mà thôi (giải tần từ 2,38 đến 4,2 Mhz).

Sóng mang phụ đã điều biên nén sau đó rẽ làm hai đường đi vào hai mạch tách sóng điều biên nén riêng để lấy lại hai tín hiệu sắc EI và EQ đưa vào mạch Matrix cùng với tín hiệu độ chói EY. Mạch Matrix sẽ cộng và trừ các điện áp theo một tỷ lệ nhất định để ở đầu ra ta có được - R, -B, -G để khống chế ba Cathode đèn CRT.

2.4.7 - Kết luận hệ màu NTSC

Truyền đồng thời cả hai tín hiệu màu là EI và EQ .

Điều biên nén vuông góc hai tín hiệu màu là EI và EQ vào một sóng mang phụ là FSC = 3,58 Mhz.

Tín hiệu màu NTSC chứa tổng cộng 7 tin tức, bốn tin tức đầu giống như ở truyền hình đen trắng, ba tín hiệu thêm vào là EI, EQ, và loé màu.

Tin tức thý 7 là tin tức về loé màu là tin tức về gốc pha của sóng mang phụ FSC dùng cho việc tách sóng điều biên nén tín hiệu màu tại máy thu.

2-5. Hệ màu SECAM (OIRT)

2.5.1 - Khái niệm

Hệ màu SECAM (Sequential colour a Memory - lần lượt có nhớ). Ra đời tại Pháp, chính thức phát sóng vào nắm 1965 (kênh sóng 6,5 Mhz). Thực hiện điều tần hai tín hiệu màu vào một sóng mang phụ.

Hai tín hiệu màu được gọi là DR và DB không được truyền đi cùng một lúc cả hai mà chỉ truyền đi một trong hai, hoặc DR hoặc DB

Hệ màu NTSC dùng phương pháp SAM vuông góc, tuy rằng có thể truyền đi cùng một lúc hai tín hiệu màu trong một sóng mang phụ nhưng các máy thu hình màu của hệ này đều phải sử dụng một núm điều chỉnh màu được gọi là núm “HUE”.

Mặt khác người ta cũng nhận thấy rằng khả năng nhậy cảm đối với màu sắc của mắt là rất kém. Hơn nữa sự khác biệt về màu sắc của hai dòng kế cận nhau là không đáng kể.

Xuất phát từ những nhận xét trên Henry de France đã đưa ra phương pháp truyền lần lượt (sequential) từng dòng một, một trong hai tín hiệu màu cho mỗi dòng quét.

ở máy thu, tại mỗi dòng quét để có đủ hai tín hiệu sắc giúp tái lập hai tin tức màu người ta có thể mượn một tín hiệu sắc còn lại của dòng vừa quét, để dùng chung cho dòng đang quét (vốn đã có sẵn một tín hiệu sắc) .

Cụ thể là ở dòng thứ N, truyền đi R-Y chẳng hạn thì dòng kế tiếp, dòng N+1 truyền đi B-Y, dòng kế tiếp nữa lại truyền đi R-Y .. rồi lại B-Y. Dòng thứ N+1 chẳng hạn tín hiệu sắc nhận được là B- Y muốn tái tạo lại màu, có thể mượn thêm R - Y của dòng bên trên tức là dòng N .

Điều này có thể thực hiện được bằng cách dùng một dây trễ (Delay line), mà thời gian giữ trễ tín hiệu là 1H = một dòng quét tức là bằng 64 ms.

Như vậy tại mỗi dòng quét lúc nào cũng vẫn có đủ hai tín hiệu sắc để tạo lại hình ảnh màu. Một của chính dòng đang phát, một của dòng bên trên được giữ lại.

Vào mỗi thời điểm, lúc nào cũng chỉ có một tín hiệu sắc được truyền đi. Và như vậy có thể sử dụng phương pháp điều tần sóng mang phụ thay cho phương pháp điều biên nén vuông góc, và khắc phục được việc sai pha.

2.5.2 - Mã hoá SECAM căn bản.

Hình 2. 17 là sơ đồ khối một mạch mã hoá SECAM cơ bản.

Một chuyển mạch S đóng mở theo nhịp FH/ 2, hay nói khác đi cứ một dòng đóng lên R-Y thì dòng tiếp theo lại đóng xuống B-Y trong 1H = 64 ms. Như vậy ở mạch điều tần lúc nào cũng chỉ có hoặc là R-Y hoặc là B-Y lần lượt cứ một dòng thay đổi 1 lần. Tần số sóng mang phụ vẫn được chọ là bội số lẻ của một nửa tần số ngang, để hy vọng có khả năng tự khử tạp âm.

Sóng FMR (điều tần R-Y) hoặc FMB (điều tần của B-Y) được nhập chung với tín hiệu chói (EY) để có được tín hiệu hình màu SECAM. Về phương diện giải tần, tín hiệu này vẫn nằm trong kênh sóng OIRT tức là từ 0 đến 6,2 Mhz cho EY, tại 6,5 mhz là tin tức của âm thanh đã được điều tần. Tần số sóng mang phụ lúc nghỉ là 4,43 Mhz. Hai tin tức về màu vào mỗi thời điểm lúc nào cũng chỉ xuất hiện hoặc là FMB hoặc là FMR nằm ở chung quanh 4,43 Mhz với biên độ là +25% so với 100% là biên độ của tín hiệu độ chói. Thể hiện như hình 2. 18 sau đây.

Cuối cùng là giải phổ của tín hiệu truyền hình màu SECAM thể hiện như hình 2. 19 sau đây.

2.5.3 - Giaỉ mã SECAM căn bản

Việc giải mã tín hiệu màu hệ SECAM được tiến hành như hình vẽ 2. 20 sau đây:

Toàn bộ giải tần của tín hiệu màu SECAM được chia làm hai đường:

Đường tín hiệu EY được đưa thẳng đến mạch Matrix sau khi đi qua dây trễ 0,7ms

Đường thứ hai đi qua khuyếch đại trung tần màu để lọc ra khoảng tần số của sóng mang phụ đã điều tần (FMR hoặc FMB) sau đó sóng mang phụ lại rẽ làm hai đường:

Một đường đi thẳng đến chuyển mạch, một đường đi qua dây trễ 64ms rồi mới đến chuyển mạch. Như vậy tại chuyểnn mạch nếu đường đi thẳng là FMR thì đường qua dây trễ là FMB và ngược lại và chuyển mạch điện tử đóng mở theo nhịp FH/ 2, sao cho FMR và FB đi vào đúng vào đường tách sóng của nó. ở đầu vào của mạch Matrix ngoài EY ra thì lúc nào cũng có cả hai tín hiệu ER – EY và EB – EY . Đầu ra của matrix có các tín hiệu là - EY, ER – EY, EB - EY, EG - EY đcể đưa vào Matrix chói sắc tại Cathode đèn hình.

2.5.4 - Các thiếu sót của hệ SECAM.

Ta không thể chọn được FSC = (2n + 1) FH / 2 ( bội số lẻ của FH) để loại bỏ tạp âm bởi vì tần số sóng mang phụ bây giờ luôn luôn thay đổi do bị điều tần. Mặt khác ta biết rằng hầu hết các cảnh trong thiên nhiên hầu hết có độ bão hoà màu rất kém nên Û biên độ tín hiệu màu nhỏ ta lại cũng có với hệ NTSC Û biên độ sóng mang phụ rất nhỏ (vì bị nén) và ở cảnh trắng thì biên độ sóng mang phụ = “0”. Do đó nhiễu bị hạn chế tối đa.

Đối với hệ SECAM ta không thể làm thế được vì biên độ của sóng mang của hệ là luôn luôn không thay đổi trong chế độ điều tần, bất chấp tín hiệu sắc là bao nhiêu.

Bởi vậy nếu ta để biên độ của FMR và FMB lớn thí nó sẽ gây nhiễu cho EY, còn ngược lại nếu ta giảm nhỏ biên độ của hai tín hiệu màu thì nó sẽ bị EY gây nhiễu. Cuối cùng người ta đã chọn biên độ của FMR và FMB = 25% của EY để chấp nhận một sự xuyên nhiễu vừa phải giữa hai tín hiệu này.

2.5.5 - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Sự xuyên nhiễu ở các màu ở hệ SECAM bây giờ là không còn đồng đều, vì trong điều tần biên độ nhiễu tỷ lệ nghịch với quãng di tần tức là tỷ lệ nghịch với với biên độ của tín hiệu sắc vốn đã không đồng đều. Một bức ảnh có nhiều màu, mà mức độ nhiễu ở mỗi màu là khác nhau, sẽ gây khó chịu hơn cho người xem hơn là độ nhiễu cao đồng đều ở tất cả các màu.

2.5.6 - Nhận dạng màu

Việc giải mã màu ở máy thu chỉ đạt được kết quả khi mà chuyển mạch điện tử ở hình 2. 20 đóng đúng vị trí để FMR và FMB đi vào đúng đường tách sóng của nó. Điều này có nghĩa là hệ SECAM sẽ phải truyền đi thêm các tin tức về nhận dạng màu (Identfication) để giúp cho chuyển mạch điện tử đóng mở được đúng vị trí.

2.5.7 - Hệ SECAM IIB.

Hình vẽ 2. 21 mô tả toàn bộ mạch mã hoá SECAM IIIB.

Ba thông tin cơ bản về màu sắc là ER, EB, EG được một mạch Matrix chuyển đổi thành một tín hiệu chói là EY có giải tần từ 0 đến 6,2 Mhz và hai tín hiệu màu là -DR và DB có giải tần là 1,5 Mhz, sau đó người ta cho tin tức nhận dạng từng bán ảnh (vertical half identificatioln) nhập chung vào –DR và DB. Đó là 9 xung âm hình thang xuất hiện cứ mỗi bán ảnh một lần trong thời gian xoá dọc. Sau khi ra khỏi mạch cộng, tín hiệu sắc –DR được đảo pha 1800 để thành DR để đi vào mạch tiền nhấn 2 và tin tức nhận dạng từng bán ảnh sẽ trở thành xung dương. Trong lúc đó DB đi thẳng vào mạch tièn nhấn 3 với các xung nhận dạng từng bán ảnh nằm trong nó là xung âm.

Sau khi ra khỏi mạch tiền nhấn tần số cao DR và DB được đưa vào chuyển mạch SW1 đóng mở theo nhịp FH/2 để chọn hoặc là DR hoặc là DB lần lượt cho từng dòng một. Tiếp theo là một mạch lọc thông thấp (LPF) để loại bỏ các thành phần tần số cao hơn 1,5 Mhz là giải tần của DB và DR. Một mạch hạn biên tiếp theo sau để giới hạn biên độ của DR và DB không cho vượt quá ± 1v giúp cho sự giới hạn quãng di tần của mạch điều tần (FM) nằm trong giải tần số đã định sẵn.

Tần số sóng mang phụ đưa vào mạch điều tần là FOR = 4,40625 Mc, hoặc FOB = 4,2500Mc tuỳ theo tín hiệu sắc đưa vào đưa vào mạch điều tần là DR hay DB. Như vậy chuyển mạch SW2 cũng phải đóng mở theo nhịp FH/2 và phải đồng bộ với chuyển mạch SW1.

Ra khỏi mạch điều tần sóng điều tần FMR và FMB được đưa vào mạch đảo pha sóng mang phụ (SUB Carrier Invert) để khử tạp âm, sau đó được đưa qua mạch lọc chuông (Bell filter) để đè tần số ở giữa giải (4,286)Mhz xuống. Cuối cùng mạch tự chỉnh ALC (Auto Level Control), để tự động giữ mức của FMR và FMB là 10% ở tần số 4,286 so với mức cực đại là 100% là mức của EY. Để thực hiện việc này, từ tín hiệu EY, người ta lọc ra biên độ của EY tại tần số 4,286Mc và đưa vào mạch so sánh.

(Comparator) với biên độ của FMR và biên độ của FMB ra từ sau lọc chuông.

Kết quả so sánh là áp sai số một chiều đưa vào điều khiển mạch ALC.

Sau khi đã có FMR và FMB người ta nhạp chung FMR và FMB với tín hiệu chói. Dây trễ 0,7ms là để tạo thành một Delay cho tín hiệu độ chói EY. Sau cùng ở mạch ra của bộ cộng 3 ta được tín hiệu hình màu tổng hợp hệ SECAM, có dạng như hình vẽ 2. 22 .

2.5.8 - Nhận dạng hay đồng bộ màu (Colour Identification ỏ Colour sync)

Tín hiệu màu SECAM truiyền đi lần lượt cứ một dòng FMR thì một dòng là FMB rồi lại FMR .... tại máy thu sẽ phải giữ trễ lại tín hiệu sắc của dòng bên trên dùng cho dòng bên dưới. Hai mạch tách sóng FM riêng biệt, một hoạt động ở tần số nghỉ FOR = 4,4062Mc để tách sóng FMR và một hoạt động ở tần số FMB = 4,2500Mc để tách sóng FMB. để đảm bảo chuyển mạch điện tử hoạt động đúng pha với tín hiệu FMR và FMB đã phát đi thì phía đài phát phải truyền đi thông tin về nhận dạng màu hay burst màu.

Ta lại biết xung soá Ver (Vertical Blanking) có thời gian tổng cộng là 20H (1H = 64ms), trong đó 5H là thuộc bán ảnh trước. (bán ảnh chẵn chẳng hạn) và 15 H thuộc bán ảnh sau (bán ảnh lẻ chẳng hạn). Xung đồng bộ dọc gồm tổng cộng 7,5H, trong đó 5H là thuộc bán ảnh trước còn 2,5H là thuộc bán ảnh sau. Như vậy còn lại 20-7,5 = 12,5H , nằm trong thời gian xoá dọc là thời gian còn để trống, không tạo hình.

Người ta lợi dụng thời gian này để chèn vào 9 xung âm hình thang nhận dạng dọc có chu kỳ mỗi xung là 1H. ở bán ảnh các xung này nằm ở các dòng 7,9,11 ....và dòng thứ 23. Tương tự như vậy ở bán ảnh chẵn, các xung này nằm ở dòng thứ 8,10,12.....đến dòng thứ 24. Hình bắt đầu được tạo lại ở bán ảnh lẻ là dòng thứ 31 và ở bán ảnh chẵn là dòng thứ 32. Như vậy tỷ trọng thời gian xoá dọc vẫn còn thừa 3 dòng không có tạo hình. Đó là các dòng 25, 27, 29 ở bán ảnh lẻ và dòng 26,28,30 ở bán ảnh chẵn.

Ta lại biết tín hiệu sắc -DR = +1,9(ER-EY) và xung nhận dạng dọc âm được nhập chung với -DR . Như vậy ở pha ban đầu (pha của ER-EY và EB-EY), tin tức nhận dạng dọc luôn luôn nằm dưới mức Zero cùng với các tin tức đồng bộ dọc, đồng bộ ngang.

– DR sau đó được đảo pha 1800 ; và trở thành DR trong đó xung nhận dạng dọc trở thành dương, còn DB vẫn giữ nguyên pha ban đầu với xung nhận dạng dọc có pha âm. Tất cả được đưa vào mạch điều tần lần lượt tăng dòng một để có FMR và FMB . Trong FMR , như vậy tin tức nhận dạng dọc bị lệch về phía phải (Tần số FOR lớn hơn tần số nghỉ) và trong FMB tin tức nhận dạng dọc bị lệch về phía trái (tần số FMB nhỏ hơn tần số nghỉ).

Tại máy thu, sau khi tách sóng, nếu không có gì sai sót thì tại Cathode đèn CRT ta được -ER, -EG , -EB . Như vậy các xung nhận dạng dọc sẽ phải là các xung dương.

2.5.9 - Nhận dạng ngang hay nhận dạng từng dòng một (H. Ident or Line Ident)

ở mỗi dòng khi đưa vào điều tần với sóng mang phụ người ta đưa cả thời gian thềm sau của xung đồng bộ ngang vào. Mức của thềm sau là Zero Volt, do đó ở dòng đang truyền đi DR (dòng R), tại thời gian thềm sau này sóng FMR sẽ có tần số chính là tần số nghỉ FOR với biên độ sác định bởi lọc chuông là ± 15%. Tương tự như vậy ở dòng B, trong thời gian thềm sau xung đồng bộ ngang là FOB với biên độ là ± 12%. Chúng được gọi là loé màu (Colour burst) và là tin tức nhận dạng từng dòng một hình vẽ 2. 23.

Tại máy thu một tầng gọi là cổng loé (Burst gate) sẽ chỉ được mở ra trong thời gian thềm sau để trích ra tin tức loé màu. Sau đó một tầng tách sóng FM hoạt động ở tần số nghỉ là FOB và (hoặc là FOR ) sẽ thực hiện tách sóng loé màu để lấy ra xung dương (hoặc âm) có tần số là FH/2 với pha được xác định bởi chính dòng đang truyền là dòng R hoặc dòng B. Xung FH/2 này được sửa dạng và trực tiếp đưa vào điều khiển chuyển mạch điện tử giúp FMR và FMB đi đúng đường tách sóng của chúng.

2.5.10 - Giải mã SECAM (SECAM Decode)

Hình 2. 24 mô tả toàn bộ quá trình giải mã SECAM. Bắt đầu từ đầu ra của tầng tách sóng hình, toàn bộ giải tần của EY được khuyếch đại hình (Video amp) để đưa vào một mạch Matrix chói sắc với pha là -EY. Vai trò của dây trễ 0,7 ms là để tạo ra sự đồng pha giữa tín hiệu chói và tín hiệu sắc. Một nhánh rẽ ngang qua lọc chuông xấp để bù lại việc đã nén FMR và FMB xuống bởi lọc chuông ngửa trong quá trrình mã hoá. Sau đó tầng khuyếch đại trung tần màu (Colour IF) sẽ lọc ra khoảng tần số của FMR và FMB và loại bỏ tất cả những tần số không cần thiết khác.

ở đầu ra của tầng Colour IF lại được rẽ làm hai nhánh (hình vẽ 2.24)

Một đi thẳng đến chuyển mạch còn gọi là kênh thẳng, một đi ngang qua dây trễ 1H = 64ms để giữ lại tin tức của dòng trước, để đi đến vế còn lại của chuyển mạch (kênh trễ).

ở hai đầu vào của chuyển mạch, như vậy nếu ở đầu trên (kênh thẳng) là FMR của dòng đang phát thì đầu dưới (kênh trễ) là FMB của dòng bên trên. Ngược lại nếu đầu bên trên là FMB thì đầu dưới là FMR. Chuyển mạch sẽ đóng mở theo nhịp FH/2 . Và ta hãy giả sử rằng pha của của xung nhịp là đúng thì đường ra bên trên sẽ luôn luôn là FMR còn đường ra bên dưới sẽ luôn luôn là FMB. Một là của dòng đang phát, một là của dòng bên trên.

Hai tín hiệu FMR và FMB sau đó được hạn biên rồi đưa vao hai mạch tách sóng FM riêng, một hoạt động ở tần số nghỉ 4,2500Mc cho tách sóng FMB và một ở tần số nghỉ là 4,40625 cho FMR . Ta để ý là hai mạch tách sóng FM này hạt động ngược pha với nhau (biểu diễn bằng hai DIODE ngược nhau trên hình vẽ). ở mạch tách sóng FMR, pha của tín hiệu sắc được giữ nguyên, trong lúc ở mà chỉ tách sóng FMB, pha của tín hiệu sắc bị đảo 1800. ở đầu ra của hai mạch tách sóng sẽ là +DR và -DB, tiếp tục giải nhấn để nén biên độ ở tần số cao của DR và DB xuống, lấy lại biên độ ban đầu đã bị sai đi do quá trình tiền nhấn trong lúc mã hoá. Sau đó lại khuyếch đại công xuất R-Y và B-Y để có được ER - EY và EB - EY.

Tiếp theo ta có được hiệu số màu EG - EY, bằng cách lấy 51% của ER -EY nhập chung với 18% (cộng với nhau) của EB - EY.

Như vậy ở đầu vào của mạch Matirix chói sắc là ba hiệu số màu và -EY, chúng cộng tuyến tính với nhau để ở đầu ra ta có được ba tín hiệu màu cơ bản với cực tính âm là : -ER,, -EG, -EB , đưa vào điều chế Cathode đèn CRT để tái tạo lại hình ảnh màu.

Loé màu của từng dòng được trích ra tự tách sóng FM để lấy ra xung FH/2 có pha đã chuẩn đúng theo từng dòng R hoặc B (hình 2. 25) , để trực tiếp điều khiển mạch tạo xung chuyển mạch cho luôn luôn đúng (không chờ có sai thì sửa như việc nhận dạng từng bán ảnh mà phần SECAM cơ sở đã đề cập)

Kết luận về hệ SECAM

Truyền lần lượt từng dòng một hai tín hiệu sắc DR và DB, cứ một dòng truyền DR thì một dòng truyền DB.

Điều tần DR và DB vào hai sóng mang phụ riêng biệt với FOR = 4,40625 và FOB = 4,2500Mc. Khoảng tần số chứa tin tức của DR và DB là từ 4,02 đến 4,68Mc

Tín hiệu SECAM có 8 tin tức gồm 4 tin tức của đen trắng và FMR,FMB (chỉ xuất hiện hoặc cái này hoặc cái kia). Tin tức thứ 7 là nhận dạng dọc và thứ 8 là nhận dạng ngang chỉ được sử dụng một trong hai tại máy thu.

Tin tức thứ 8 là loé màu là tin tức để nhận dạng ngang hay nhận dạng từng dòng một.

2-6. Hệ màu PAL (Phase Alternative Line)

PAL phase alternative line – Hay ta nói pha thay đổi theo từng dòng. Đây là hệ truyền hình màu ra đời tại tây đức chính thức phát sóng vào năm 1966 trên kênh sóng CCIR (5,5 Mc). Phương pháp mã hoá có thể xem như là NTSC cải tiến, hai tín hiệu sắc là U và V vẫn được điều biên nén vuông góc vào một sóng mang phụ được chọn là bội số lẻ của FH/2 (FSC = 4,43Mc) nhưng một trong hai tín hiệu sắc (tín hiệu V) bây giờ được đảo pha lần lượt từng dòng một. Bằng cách này, tại máy thu tín hiệu sắc được tự động sửa sai pha nếu như có sai, và như vậy đã khắc phục được nhược điểm của hệ NTSC.

2.6.1 Các khái niệm cơ bản

Hai tín hiệu sắc được định nghĩa là

U = 0,493 (EB – EY)

V = 0,877 (ER – EY)

Hai hệ số nén 0,493 và 0,877 ta đã thấy ở hệ màu NTSC nhưng ở PAL người ta không xoay hệ trục đi 330, giải tần của U và V vẫn là từ 0 đến 1,5Mc. Toạ độ màu cố định như hình 2. 26.

2.6.2 Mã hoá PAL căn bản

Hình vẽ 2. 27 sau đây sẽ mô tả đầy đủ quá trình mã hoá các thông tin cơ bản của hệ PAL.

Pal vẫn sử dụng phương pháp điều biên nén vuông góc như ở NTSC, chỉ thay đổi về gốc pha của sóng mang phụ.

Gốc pha 00 được dùng để điều biên nén tín hiệu sắc U, (ở NTSC là 330).

Góc pha -900 và +900 lần lượt từng dòng một để điều biên nén tín hiệu sắc V thay vì luôn luôn là 1230 như ở NTSC.

Pha của loé màu là -1350 và +1350 lần lượt từng dòng một tuỳ theo dòng đang truyền đi có pha của V là -900 hay +900 (thay vì luôn luôn là -1800 như ở NTSC).

Giải phổ và tín hiệu Video tổng hợp có dạng như hình vẽ 2. 28 sau.

2.6.3 Giải mã PAL (Pal Decode)

Hình 2.29 dưới đây mô tả toàn bộ hoạt động của mạch giải mã hệ PAL. Toàn bộ giải tần của tín hiệu chói (từ 0 đến 6,2 Mc) đi thẳng đến mạch Matrix ngang qua một dây trễ 0,7ms. Tín hiệu sắc nằm trong sóng mang phụ 4,43Mc đã được điều biên nén vuông góc được trích ra nhờ tầng Clour IF.

Tới đây sóng điều biên nén vuông góc rẽ làm ba đường: đường một được đảo pha 1800 ra ở điểm A trên hình vẽ, đường thứ hai đi ngang qua dây trễ 64ms và ra ở điểm B, đường thứ ba đi trực tiếp đến điểm C.

Ta lấy tín hiệu ở các điểm Avà B, B và C cộng lại với nhau ta có kết quả như bảng sau.

Dòng n

Phát U,V

Dòng n+1

Phát U,-V

Dòng n +2

Phát U,V

Dòng n+3

Phát U,-V

-U, -V

-U, +V

A + B = +2V

B + C = +2U

-U, -V

A + B = -2V

B + C = +2U

-U, +V

A + B = +2V

B+C = +2U

U, V

U, -V

U, V

U, -V

U, V

U, -V

Quan sát bảng trên ta thấy tại đầu ra của bộ cộng 1 (A + B) ta luôn luôn có ± 2V, tức là cứ một dòng là + 2V thì một dòng là -2V. Tương tự như vậy tại đầu ra của bộ cộng 2 ta luôn có +2U. Hai mạch tách sóng điều biên nén với các pha của sóng hình sin là 4,43 Mc thích hợp sẽ giúp lấy lại hai điện áp +2V và +2U, để đưa vào mạch Matrix giúp tái tạo lại các hiệu số màu.

Để có thể tách sóng điều biên nén, pha của sóng mang phụ đưa vào mạch tách sóng V sẽ lần lượt phải có pha là ± 900 tuỳ theo sóng điều biên nén có biên độ là +2V hay -2V.

Pha của sóng mang phụ đưa vào tách sóng U sẽ luôn luôn phải là 00. Muốn đạt được điều này, đầu tiên tầng Burst gate trích ra tin tức của loé màu với pha lần lượt là ±1350 cho mỗi dòng (cứ một dòng + thì một dòng -). Tiếp theo là hai mạch làm trễ pha của FSC đi 1350 và sớm pha của FSC lên 1350 để đưa vào một chuyển mạch điện tử hoạt động với nhịp FH/ 2 tương tự như chuyển mạch điện tử đã có ở SECAM.

Giả sử dòng đang truyền phát đi là +V, thì pha của loé màu (hay pha của thạch anh tạo FSC ) sẽ là +1350. Lúc này ở đầu vào của tách sóng V sóng điều biên nén có biên độ là -2V và pha là -900.

Đồng thời đầu vào của tách sóng U sóng điều biên nén sẽ có biên độ là 2U và pha là 00.

Như vậy cả hai vế của chuyển mạch điện tử sẽ phải đóng lên trên, lúc này pha của đường tách sóng U sẽ là +1350 và -1350 như vậy tổng của chúng là = 00, và pha của tách sóng V sẽ là +1350 + 1350 = +2700 = -900.

Tương tự như vậy, đến dòng kế tiếp, đài phát truyền đi U, -V, chuyển mạch điẹn tử sẽ phải đóng xuống dưới và pha của tách sóng U sẽ là : -1350 + 1350 = 00 và pha của của tách sóng V sẽ là -1350 -1350 = -2700 =+900 .

Để chuyển mạch điện tử hoạt động đúng với nhịp FH / 2 luôn luôn đúng vị trí như yêu cầu vừa mô tả. Ta thực hiện việc so pha của loé màu (pha của FSC phát ra từ thạch anh 4,43) với pha của đường tách sóng V sau khi đã làm chậm bớt đi -1350. Nếu chuyển mạch điện tử đã đóng đúng thì pha chậm lại –1350 của đường tách sóng V sẽ trùng với pha của loé màu, điện áp ra của mạch so pha sẽ là 0Vol ,và không có gì sảy ra.

Ngược lại nếu có sai pha thì một điện áp DC sẽ xuất hiện để sửa sai pha này bằng cách sửa laị tần số của mạch đóng cắt (SWITCHING) của sơ đồ.

2.6.4 Tóm tắt về hệ truyền hình màu PAL

Vừa truyền đồng thời vừa vừa truyền lần lượt hai tín hiệu sắc là U và V, đồng thời và dòng nào cũng có cả U và V được truyền đi. Làn lượt vì một trong hai tín hiệu sắc bị đảo pha lần lượt theo từng dòng một.

Thực hiện điều biên nén vuông góc hai tín hiệu sắc là U và V vào một sóng mang phụ, sóng mang phụ vẫn được chọn là bội số lẻ của FH / 2 và bằng 4,43 Mc.

Máy thu tự động hiệu chỉnh sai pha của tín hiệu sắc, nếu có bằng cách đem nhập cả hai tín hiệu sắc của dòng bên trên xuống dùng chung cho dòng bên dưới.

Tín hiệu màu PAL gồm tổng cộng 7 tin tức, 4 tin tức đầu là của truyền hình đen trắng, ba thông tin còn lại là: tín hiêụ sắc U, V, và loé màu. Tín hiệu sắc và loé màu là tín hiệu kép (± V) và (±1350).

Tin tức về loé màu có pha lần lượt là +1350 và -1350 cho mỗi dòng được dùng vừa để nhận dạng, vừa để tách sóng điều biên nén.

2. 7 Sơ đồ khối của máy thu hình màu (Colour TV)

Giải thích sơ đồ khối.

Khối chọn kênh

Khối chọn kênh có nhiệm vụ chọn lọc lấy kênh cần thu và biến tín hiệu thu được thành tín hiệu trung tần bằng cách lấy fNS - fTH = fTT = ( fIF )

- Mạch AFT (automatic fine tuning - mạch tự động tinh chỉnh). Nhằm ổn định tần số dao động ngoại sai fns để ổn định tín hiệu thu của kênh tín hiệu chói.

Mạch tách sóng phách: có nhiệm vụ biến trung tần tiếng 1 về trung tần tiếng 2

OIRT

CCIR

FCC

TT tiếng 1

31,5

32,5

41,25

TT tiếng 2

6,5

5,5

4,5

Mạch khuyếch đại trung tần tiếng SIF: (sound intermedium frequency) có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu điện áp trung tần tiếng thứ 2 lên đủ lớn.

Mạch Det FM và khuyếch đại âm tần: có nhiệm vụ giải điều tần tín hiệu tiếng rồi khuyếch đại lên có công suất đủ lớn để đưa ra loa.

Mạch khuyếch đại trung tần hình (VIF) Video Intermedium frequency: có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu trung tần hình lên đủ lớn để đưa vào mạch tách sóng hình.

Mạch tách sóng hình: (Det Video), Có nhiệm vụ giải điều biên tín hiệu VIF trở thành tín hiệu hình tổng hợp (Y, C, fV, fH, Burst)

Mạch khuyếch đại Video tổng hợp (Video Amp), Có nhiệm vụ khuyếch đại điện áp tín hiệu hình tổng hợp lên đủ lớn để đưa đến: chói, sắc, đồng bộ, AGC.

Mạch Delay 0,7ms và khuyếch đại Y, Có nhiệm vụ làm trễ tín hiệu chói để cho hình ảnh đen trắng (chói) và hình ảnh màu (sắc) trùng khớp với nhau và khuyếch đại điện áp tín hiệu chói lên đủ lớn để đưa vào mạch ma trận chói sắc.

Mạch AGC (Automatic gain control: mạch tự động điều chỉnh hệ số khuyếch đại), Có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ sau tách sóng hình để kiểm tra xem độ lớn của tín hiệu có đủ lớn không có ổn định không để điều khiển cho khối chọn kênh và mạch khuyếch đại trung tần để ổn định tín hiệu thu.

Khối màu: Là một trong những khối quan trọng vào bậc nhất của TV màu, nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hình ảnh của truyền hình màu. Nó có nhiệm vụ sau:

Tách lấy tín hiệu C từ tín hiệu hình tổng hợp. Khuyếch đại tín hiệu sắc C đến giá trị cần thiết.Kết hợp với xung đồng bộ màu, sóng mang màu để giải điều chế và lấy ra tín hiệu màu R-y và B-y để đưa vào mạch ma trận chói sắc.Mạch ma trận và khuyếch đại tín hiệu R-G-B, Mạch ma trận có nhiệm vụ lấy tín hiệu y, R-y,

B-y trộn tỉ lệ nhất định (cộng hoặc trừ) để được 3 tín hiệu màu cơ bản R,G, B sau đó 3 tín hiệu này có cực tính (-) được khuyếch đại với biên độ và công suất đủ lớn để đưa đến điều chế 3 Katốt đèn hình.

- Đèn hình màu (CRT colour: Cathode ray tube colour), Có nhiệm vụ biến tín hiệu điện thành tín hiệu hình ảnh.

- Khối đồng bộ màu: (Burst gate) có nhiệm vụ tách lấy tín hiệu đồng bộ màu để thực hiện đồng bộ, đồng pha cưỡng bức mạch tạo sóng mang phụ trong máy thu hình hệ NTSC và Pal, thực hiện đồng pha CMĐT trong máy thu hình hệ Secam III B và Pal.Tự động tắt kênh màu lúc thu chương trình đen trắng hoặc lúc thu chương trình truyền hình khác hệ màu.

Khối tách và phân chia xung đồng bộ: (sync sep) có nhiệm vụ tách lấy xung đồng bộ dòng và mành ra khỏi tín hiệu hình tổng hợp và phân chia tín hiệu điều khiển fH và fV vào các tầng quét dòng và quét mành.

Khối quét mành, Tạo ra tín hiệu quét mành đồng bộ với máy phát và có biên độ đủ lớn để cung cấp cho cuộn lái mành.

Khối quét dòng, So pha, OSC, khuyếch đại đậm, khuyếch đại công suất dòng +FBT có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu quét dòng đồng bộ với máy phát và khuyếch đại với biên độ đủ lớn để cung cấp cho cuộn lái dòng, tạo ra điện áp cao áp HV cấp cho Anốt đèn hình và một số điện áp khác để cấp cho các lưới đèn hình và một số mạch khác trong máy thu hình.

Mạch tạo dòng điện đồng quy: có nhiệm vụ tạo dòng điện có tần số dòng và dòng điện có tần số mành với biên độ và hình dạng nhất định cấp cho cơ cấu hội tụ được đặt trên cổ đèn hình. Cơ cấu hội tụ có tác dụng hội tụ 3 màu R,G,B trên mỗi phần tử của ảnh.

Mạch sửa méo gối: Có nhiệm vụ sửa xung quét dòng và mạch để đưa tới cuộn lái dòng và mành để sao cho hình ảnh quét được trả lại như ban đầu mà không bị méo hình học.

Mạch xoá tia quét ngược ( Blanking): Có nhiệm vụ xoá tia quét ngược khi tia điện tử thực hiện quá trình quét ngược không mang thông tin.

Mạch chỉnh lưu nguồn: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới AC thành các mức điện áp AC, DC mà máy cần sử dụng cho các khối.

Mạch ổn áp: ổn áp điện áp cấp cho các khối trong Tivi.

CPU: (Central Processor Unit), Điều khiển sự hoạt động của toàn bộ các khối trong Tivi. Chú ý: Với mạch nguồn TV màu phải có độ ổn định cao, độ gợn phải nhỏ, khi có sự cố đột biến trong máy thu thì khối nguồn phải được cắt dời ra khỏi các khối.Phải có mạch bảo vệ quá áp, quá dòng và quá tải.....

PHầN II

truyền hình số

Chương I

số hoá tín hiệu truyền hình

1.1 - khái niệm truyền hình số:

1- Khái quát chung

Sử dụng phương pháp số để tạo, lưu trữ và truyền tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra một khả năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ truyền hình đã được nghiên cứu trước. Trong một số ứng dụng, tín hiệu số được thay thế hoàn toàn cho 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 tín hiệu và lưu trữ.

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số cho phép tạo, lưu trữ, ghi đọc nhiều lần mà không làm giảm chất lượng ảnh. Tuy nhiên, không phải trong tất cả các trường hợp, tín hiệu số đều đạt được hiệu quả cao hơn so với tín hiệu tương tự (bộ lọc là một ví dụ cụ thể). Mặc dù vậy, xu hướng chung cho sự phát triển Công nghiệp truyền hình trên thế giới nhằm đạt được một sự thống nhất chung, là một hệ thống truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lượng cao và dễ dàng phân phối trên kênh thông tin. Hệ 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.

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống và các thiết bị truyền hình số được đưa ra như trên hình 5.1 Đầu vào của thiết bị truyền hình số sẽ tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (A/D) sẽ biến đổi tín hiệu truyền hình tương tự thành tín hiệu truyền hình số, các tham số và đặc trưng của tín hiệu này được xác định từ hệ thống truyền hình được lựa chọn. Tín hiệu truyền hình số tại đầu ra bộ biến đổi A/D được đưa tới bộ mã hoá nguồn, tại đây tín hiệu truyền hình số có tốc độ dòng bít cao sẽ được nén thành dòng bít có tốc độ thấp hơn phù hợp cho từng ứng dụng. Dòng bít tại đầu ra bộ mã hoá nguồn được đưa tới thiết bị phát (mã hoá kênh thông tin và điều chế tín hiệu) truyền tới bên thu qua kênh thông tin.

Khi truyền hình qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số được mã hoá kênh. Mã hoá kênh đảm bảo chống các sai sót cho tín hiệu trong kênh thông tin. Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính của tín hiệu số với kênh thông tin. Khi tín hiệu truyền hình số được truyền đi theo kênh thông tin, các thiết bị biến đổi trên được gọi là bộ điều chế và bộ giải điều chế.

Khái niệm mã hoá trong kênh được phổ biến không những trong đường thông tin mà trong cả một số khâu của hệ thống truyền hình số, ví dụ như máy ghi hình số, bộ điều chỉnh khoảng cách thời gian số, gia công tín hiệu truyền hình số v.v.

Tại bên thu, tín hiệu truyền hình số được biến đổi ngược lại với quá trình xử lý tại phía phát. Giải mã tín hiệu truyền hình thực hiện biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự. Hệ thống truyền hình số sẽ trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá và giải mã tín hiệu truyền hình.

2- Đặc điểm của thiết bị truyền hình số

Thiết bị truyền hình số dùng trong truyền chương trình truyền hình là thiết bị nhiều kênh. Ngoài tín hiệu truyền hình, còn có các thông tin kèm theo gồm các kênh âm thanh và các thông tin phụ, như các tín hiệu điện báo, thời gian chuẩn, tần số kiểm tra, hình ảnh tĩnh. Tất cả các tín hiệu này được ghép vào các khoảng trống của đường truyền nhờ bộ ghép kênh.

Truyền tín hiệu truyền hình số được thực hiện khi có sự tương quan giữa các kênh tín hiệu, thông tin đồng bộ sẽ được truyền đi để đồng bộ các tín hiệu đó.

Để kiểm tra tình trạng của thiết bị truyền hình số, sử dụng các hệ thống đo kiểm tra tương tự như đối với hệ thống truyền hình tương tự, thông qua đo kiểm tra tín hiệu chuẩn. Sau đây là một số đặc điểm của thiết bị truyền hình số so với truyền hình tương tự.

a) Yêu cầu về băng tần

Yêu cầu về băng tần là sự khác nhau rõ nhất giữa tín hiệu truyền hình số và tín hiệu truyền hình tương tự. Tín hiệu truyền hình số vốn gắn liền với yêu cầu băng tần rộng hơn. Ví dụ, đối với tín hiệu video tổng hợp, yêu cầu tần số lấy mẫu bằng bốn lần tần số sóng mang phụ - hệ NTSC là 14,4 MHZ, nếu thực hiện mã hoá với những từ mã dài 8 bít, tốc độ dòng bít sẽ là 115,2 Mbít/s, khi đó độ rộng băng tần khoảng 58MHZ. Nếu có thêm các bit sửa lỗi, yêu cầu băng tần sẽ phải tăng thêm nữa. Trong khi đó tín hiệu tương tự chỉ cần một băng tần 4,25MHZ là đủ.

Tuy nhiên với dạng số, khả năng cho phép giảm tốc độ rộng tần số là rất lớn. Với các kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ đạt được có thể lên tới 100:1 hay hơn nữa (tất nhiên các mức độ nén này có thể gây ảnh hưởng xấu cho chất lượng hình ảnh). Các tính chất đặc biệt của tín hiệu hình ảnh như sự lặp lại, khả năng dự báo cũng làm tăng thêm khả năng giảm băng tần tín hiệu.

b) Tỷ lệ tín hiệu/tạp âm (Signal/Noise)

Một trong những ưu điểm lớn nhất của tín hiệu số là khả năng chống nhiễu trong quá trình xử lý tại các khâu truyền dẫn và ghi.

Nhiễu tạp âm trong hệ thống tương tự có tính chất cộng, tỷ lệ S/N của toàn bộ hệ thống là do tổng cộng các nguồn nhiều thành phần gây ra, vì vậy luôn luôn nhỏ hơn tỷ lệ S/N của khâu có tỉ lệ thấp nhất.

Với tín hiệu số, nhiễu là các bit lỗi - ví dụ xung "on" chuyển thành "off". Nhiễu trong tín hiệu số được khắc phục nhờ các mạch sửa lỗi. Bằng các mạch này có thể khôi phục lại các dòng bit như ban đầu. Khi có quá nhiều bit lỗi, sự ảnh hưởng của nhiễu được làm giảm bằng cách che lỗi. Tỉ lệ S/N của hệ thống sẽ giảm rất ít hoặc không đổi cho đến khi tỉ lệ bit lỗi BER (Bit error Rate) quá lơns, làm cho các mạch sửa lỗi và che lỗi mất tác dụng. Khi đó dòng bit không còn có ý nghĩa tin tức. Trong khi đó, đối với các hệ thống tương tự khi có nguồn nhiễu lớn tín hiệu vẫn có thể sử dụng được (tất nhiên chất lượng kém đi rất nhiều).

Tính chất này của hệ thống số đặc biệt có ích cho việc sản xuất chương trình truyền hình với các chức năng biên tập phức tạp - cần nhiều lần đọc và ghi. Ghi băng bằng tín hiệu số đã được sử dụng rộng rãi trong các năm gầy đây. Việc truyền tín hiệu qua nhiều chặng cũng được thực hiện rất thuận lợi với tín hiệu số mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu hình.

Tuy nhiên, trong truyền hình quảng bá, tín hiệu số gặp phải vấn đề khó khăn khi thực hiện kiểm tra chất lượng ở các điểm trên kênh truyền. Tại đây cần phải sử dụng các bộ biến đổi tương tự - số. Đây là một công việc có khối lượng lớn và phức tạp.

c) Méo phi tuyến

Tín hiệu số không bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến trong quá trình ghi và truyền. Cũng như đối với tỉ lệ S/N, tính chất này rất quan trọng trong việc ghi - đọc chương trình nhiều lần, đặc biệt đối với các hệ thống truyền hình nhạy cảm với các méo khuyếch đại vi sai như hệ NTSC.

d) Chồng phổ (Aliasing)

Một tín hiệu truyền hình số được lấy mẫu theo cả chiều thẳng đứng và chiều ngang, nên có khả năng xảy ra chồng phổ theo cả hai hướng. Theo chiều thẳng đứng, chồng phổ trong hai hệ thống số và tương tự như nhau. Độ lớn của méo chồng phổ theo chiều ngang phụ thuộc vào các thành phần tần số vượt quá tần số lấy mẫu giới hạn Nyquist. Để ngăn ngừa hiện tượng méo do chồng phổ theo chiều ngang, có thể thực hiện bằng cách sử dụng tần số lấy mẫu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất trong hệ thống tương tự.

e) Giá thành và độ phức tạp

Mạch số luôn có cấu trúc phức tạp hơn các mạch tương tự, khi mới xuất hiện, giá thành các thiết bị số cao hơn nhiều so với các thiết bị tương tự. Thêm nữa việc thiết lập, sử dụng và duy trì chúng còn khá bỡ ngỡ đối với những người làm chuyên môn. Tuy nhiên, các vấn đề này đã nhanh chóng được thực hiện dễ dàng nhờ sự phát triển của Công nghiệp truyền thông số và Công nghiệp máy tính. Các ngành Công nghiệp này đã thúc đẩy sự phát triển các lực lượng nòng cốt trong lĩnh vực kỹ thuật số. Các mạch số tích hợp cỡ lớn LSI (Large Scale Integration) và rất lớn VLST (Very Large Scale Integration) xuất hiện làm giảm giá thành trang thiết bị số. Kết quả là nhiều hệ thống số này đã có giá thành rẻ hơn hệ thống tương tự cùng chức năng.

f) Xử lý tín hiệu

Tín hiệu số có thể được chuyển đổi và xử lý tốt các chức năng mà hệ thống tương tự không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn. Sau khi biến đổi A/D, tín hiệu còn lại một chuỗi các số, bit "0" và "1", có thể thao tác các công việc phức tạp mà không làm giảm chất lượng hình ảnh. Khả năng này được tăng lên nhờ việc lưu trữ các bit trong bộ nhớ và có thể đọc ra với tốc độ nhanh. Các công việc tín hiệu số có thể thực hiện dễ dàng là: Sửa lỗi thời gian gốc, chuyển đổi tiêu chuẩn, dựng hậu kỳ, giảm độ rộng băng tần v.v...

g) Khoảng cách giữa các trạm truyền hình đồng kênh

Tín hiệu số cho phép các trạm truyền hình đồng kênh thực hiện ở một khoảng cách gần nhau hơn nhiều so với hệ thống tương tự mà không bị nhiễu. Một phần vì tín hiệu số ít chịu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, một phần là do khả năng thay thế xung xoá và xung đồng bộ bằng các từ mã - nơi mà trong hệ thống truyền dẫn tương tự gây ra nhiễu lớn nhất.

Việc giảm khoảng cách giữa các trạm đồng kênh kết hợp với việc giảm băng tần tín hiệu, tạo cơ hội cho nhiều trạm phát hình có thể phát các chương trình với độ phân giải cao HDTV như các hệ truyền hình hiện nay.

h) Hiệu ứng bóng ma (ghosts)

Hiện tượng này xảy ra trong hệ thống tương tự do tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường. Việc tránh nhiễu đồng kênh của hệ thống số cũng làm giảm đi hiện tượng này trong truyền hình quảng bá.

Với các ưu điêm của mình, hệ thống truyền hình số đã được thực hiện ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Đây là một quá trình tất yếu, Truyền hình Việt Nam cũng đang ở giai đoạn chuyển tiếp. Việc nghiên cứu truyền hình số và lựa chọn các tiêu chuẩn cho truyền hình Việt Nam đang được tiến hành.

Hiện nay quá trình số hoá tín hiệu truyền hình ở Việt Nam là sự thay thế dần các công đoạn, trang thiết bị từ tương tự sang số. Đó là qua trình số hoá từng phần. Rồi đây truyền hình số sẽ thay thế hoàn toàn truyền hình tương tự, tạo điều kiện cho ngành Công nghiệp này phát triển mạnh mẽ hơn, kết hợp với các mạng truyền thông khác, tạo thành một thế giới thông tin số, phục vụ cho con người một cách hữu hiệu.

5.2 - biến đổi tín hiệu tương tự - số (a/d) và tín hiệu số - tương tự (d/a)

1- Lấy mẫu tín hiệu video

a) Lấy mẫu

Lấy mẫu tín hiệu tương tự là quá trình gián đoạn (rời rạc hoá) theo thời gian băng tần số lấy mẫu flm kết quả cho ta một chuỗi các mẫu. Lấy mẫu là bước đầu tiên thể hiện tín hiệu tương tự sang số, vì các thời điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ra toạ độ các điểm đo. Quá trình biến đổi này phải tương đương về mặt tin tức. Có nghĩa là tín hiệu sau khi lấy mẫu phải mang đủ thông tin của dòng tín hiệu vào. Biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ Tlm, thu được một chuỗi các xung hẹp với tần số lấy mẫu được tính bằng:

Trong đó: fsa - Tần số lấy mẫu

T - Chu kỳ lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu tương đương với một quá trình điều biên tín hiệu (f0) trên sóng mang có tần số bằng tần số lấy mẫu (flm). Quá trình điều biên tạo ra các biên trên và biên dưới. Sóng lấy mẫu có dạng hình chữ nhật, phổ của nó bao gồm thành phần tần số lấy mẫu và các hài của nó (hình 5.2)

- Thực tế việc lấy mẫu tín hiệu dựa trên cơ sở của định lý Nyquist - Shannon: "tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế cát tại wc hoàn toàn được xác định bằng một dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn T = Tlm £ (1/2fe) với fc = wc/2p".

Hàm x(t) xác định trong khoảng (t0, t0 + t) sẽ hoàn toàn được xác định từ các mẫu rời rạc x(kDt) của nó theo biểu thức:

x(t) = (5 - 2)

Trong đó: k = 0, ± 1, ± 2, v.v...

Về mặt toán học có thể mở rộng về phía tần số âm cho các trị số âm của k. Với khoảng lấy mẫu Dt nhỏ hơn hoặc bằng p/wc; Dt £p/wc'; Trong đó wc là tần số cao nhất trong phổ của hàm x(t).

Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó toàn bộ lượng thông tin mang trong tín hiệu gốc nếu:

- Tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức là nó không có những phần tử có tần số nằm ngoài một tần số fc nào đó.

- Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn hai lần fc' tức là flm ³ 2fc'

Hình 5.3 minh hoạ phổ tần số lấy mẫu lý tưởng, khi tín hiệu băng cơ bản có dải thông fc và tần số lấy mẫu là 2fc'. Như vậy, dải biên trên và biên dưới đều có dài thông là fc' với tần số này, không xuất hiện nhiễu giữa băng cơ bản và dải bên dưới.

Hình 5.4 minh hoạ trường hợp lấy mẫu với tần số nhỏ hơn 2fc'. Một phần dải biên dưới của tín hiệu lấy mẫu chồng lên phổ của tín hiệu băng cơ bản (nguyên nhân gây nên hiện tượng méo do chồng phổ).

Tín hiệu video, do có các đặc trưng riêng, nên ngoài việc thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquist, quá trình lấy mẫu còn phải thoả mãn các yêu cầu về cấu trúc lấy mẫu, tính tương thích giữa các hệ thống v.v ... Quá trình này phải xác định được tần số lấy mẫu, cấu trúc lấy mẫu nhằm đạt được chỉ tiêu về chất lượng ảnh, tính tương thích giữa các hệ truyền hình, tốc độ bit thích hợp và mạch thực hiện đơn giản.

Đối với tiêu chuẩn tần số Nyquist, việc lấy mẫu tín hiệu video với tần số flm < fNy là nguyên nhân của méo chồng phổ và làm giảm độ phân giải theo chiều ngang. Thành phần tần số cao nhất đối với các hệ truyền hình tương tự là:

Hệ PAL : fc = 5 MHz

Hệ NTSC : fc = 4,2 MHz

Theo đó, tần số giới hạn Nyquist:

Hệ PAL : fNy = 10 MHz

Hệ NTSC : fNy = 8,4 MHz

Các giá trị 10MHz và 8,4 MHz là các giá trị tần số lấy mẫu bé nhất có thể được. Trong thực tế, tần số lấy mẫu tín hiệu video cho các hệ truyền hình tương ứng sẽ 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 thành 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 loại bỏ các thành phần gây chồng phổ tín hiệu. Do các mạch lọc không có được 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 (Hình 5.5)

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. Tần số lấy mẫu cũng phụ thuộc vào các hệ thống truyền hình màu.

Tín hiệu video tổng hợp được lấy mẫu với tần số bằng bội số của tần số sóng mang phụ. Khi tần số lấy mẫu bằng 3fsc', với hệ NTSC có tần số lấy mẫu là 10,7MHz, và hệ PAL là 13,3MHz. Khi tần số lấy mẫu bằng 4fsc', với hệ NTSC tương ứng có tần số lấy mẫu là 14,3MHz, và hệ PAL là 17,7MHz. Tần số lấy mẫu càng cao, càng dễ dàng cho việc sử dụng các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo cũng như đưa lại một đặc tuyến tần số tốt hơn. Kỹ thuật hiện nay cho phép giảm nhỏ các khó khăn trong việc thiết kế các bộ biến đổi A/D bằng việc sử dụng thiết bị lấy mẫu ở tần số cao. Đối với hệ SECAM, do sử dụng phương pháp điều tần, nên quá trình số hoá tín hiệu video không thực hiện lấy mẫu tín hiệu tổng hợp. Tín hiệu SECAM được mã hoá thành tín hiệu thành phần, sau đó được số hoá riêng biệt. Các tín hiệu video thành phần tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần số dòng quét.

b) 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 hai chiều. Vì vậy để khôi phục chính xác hình ảnh, tần số lấy mẫu có liên quan đến tần số dòng. Các kết quả nghiên cứu cho thấy tần số lấy mẫu phải là bội của tần số dòng. Với quan hệ này, điểm lấy mẫu trên các dòng quét kề nhau sẽ thẳng hàng với nhau và tránh được các hiệu ứng méo đường biên gây ra.

Như vậy, việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ thuộc vào toạ độ các điểm lấy mẫu. Vị trí các điểm lấy mẫu hay cấu trúc lấy mẫu được xác định theo thời gian, trên các dòng và các mành. Hàm lấy mẫu có thể biến đổi dạng xq(t,x,y). Tần số lấy mẫu phù hợp với cấu trúc lấy mẫu sẽ cho phép khôi phục hình ảnh tốt nhất. Vì vậy tần số lấy mẫu phải thích hợp cho cả ba chiều t, x, y. Tuy nhiên, trong các cấu trúc lấy mẫu phổ biển, ta chỉ xét các mẫu được biểu diễn bằng hai đại lượng (x, y).

Có ba dạng liên kết vị trí các điểm lấy mẫu được sử dụng phổ biến cho cấu trúc lấy mẫu tín hiệu video là cấu trục 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. Cấu trúc này là cố định theo mành và theo hai ảnh (hai mành). Hình 5.6

Trong trường hợp này tần số lấy thoả mãn định lý Nyquist và do đó cần sử dụng tốc độ bit rất lớn.

+ Cấu trúc "quincunx" mành: Đối với cấu trúc quincunx mành, các mẫu trên các dòng kề nhau thuộc một mành xếp thẳng hàng theo chiều đứng (trực giao), nhưng các mẫu thuộc mành một lại dịch đi một nửa chu kỳ lấy mẫu so với các mẫu của mành thứ hai (Hình 5.7)

Phần bố phổ tần của các cấu trúc quincunx mành rất có ý nghĩa đối với mành một, nó cho phép làm giảm tần số lấy mẫu theo dòng. Phổ tần cấu trúc nói trên của mành hai so với phổ mành một bị địch và có thể lồng với phổ tần cơ bản, gây ra méo ở các chi tiết ảnh (khi hình ảnh có các sọc hoặc các đường thẳng đứng).

+ Cấu trúc "quincunx" dòng

Các mẫu trên các dòng kề nhau của một mành sẽ lệch nhau nửa chu kỳ lấy mẫu, còn các mẫu trên dòng một mành so với các mẫu trên dòng tiếp sau (của mành sau) một nửa chu kỳ lấy mẫu (Hình 5.8)

ở đây không xảy ra trường hợp lồng các phổ biên với phổ chính và không bị méo. Điều đó cho phép sử dụng tần số lấy mẫu nhỏ hơn 25% tần số Nyquist và tiết kiệm được độ rộng phổ của tín hiệu số.

Tuỳ theo cấu trúc lấy mẫu, sẽ xuất hiện loại méo ảnh đặc trưng. Với cấu trúc trực giao, độ phân giải ảnh sẽ giảm. Đối với cấu trúc "quincunx" mành sẽ xuất hiện nhấp nháy các điểm ảnh. Ngược lại với cấu trúc "quincunx" dòng sẽ xuất hiện các vòng tròn theo chiều ngang (méo đường biên). Tóm lại, cấu trúc trực giao cho chất lượng ảnh cao nhất vì đối với mắt người, thì độ phân giải giảm dễ chịu hơn là hai loại méo nêu trên.

2- Lượng tử hoá

Bước tiếp theo trong quá trình biến đổi A/D là lương tử hoá. Trong quá trình này biên độ tín hiệu được chia thành các mức - gọi là mức lượng tử. Khoảng cách giữa hai mức kề nhau gọi là bước lượng tử. Các mẫu có được từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các mức lượng tử.

Giá trị lượng tử Q được xác định theo biểu thức:

Q = 2N; (5.3)

Trong đó: N - số bit biểu diễn mỗi mẫu.

Tín hiệu số nhận được là một giá trị xấp xỉ của tín hiệu ban đầu, nguyên nhân do quá trình lượng tử hoá xác định các giá trị số rời rạc cho mỗi mẫu. Hình 5.9 cho thấy, tất cả các giá trị biên độ nằm trong phạm vị giới hạn của một mức lượng tử đều được thiết lập một giá trị như nhau - đó chính là mức lượng tử Q. Có hai phương pháp lượng tử hoá là: Lượng tự hoá tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau và lượng tử hoá phi tuyến có các bước lươngj tử khác nhau.

Trong hầu hết các thiết bị video số chất lượng studio, tất cả các mức lượng tử đều có biên độ bằng nhau và quá trình lượng tử hoá được gọi là lượng tử hoá đồng đều. Đây là quá trình biến đổi từ một 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. Sai số lượng tử là một nguồn nhiễu không thể tránh khỏi trong hệ thống số.

Biên độ tín hiệu video biến đổi theo thời gian. Các giá trị lượng tử có thể chứa sai số trong phạm vi trong đó, Q là bước lượng tử.

Trong các hệ thống số sử dụng 8 bit (và lớn hơn 8 bit) để biểu diễn mẫu, sai số lượng tử có thể được coi như là một nguồn tín hiệu không mong muốn (nhiễu) cộng thêm vào tín hiệu trong quá trình 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, tăng hiệu ứng viền không mong muốn.

(5.4)

Trong đó: e(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

Sai số e(t) tuỳ thuộc vào tính thống kê của nguồn tín hiệu vào và độ rộng các bước lượng tử. Có thể xem e(t) là một loại nhiễu do quá trình lượng tử hoá gây ra - gọi là méo lượng tử.

Trong lượng tử hoá tuyến tính và giả sử rằng các lỗi được phân bố đều, căn bình phương của các sai số lượng tử bằng . Giá trị đỉnh - đỉnh tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi D/A được cho bằng 2n Q. Giá trị chính xác của nó là (2n - 1). Tỉ số giữa các giá trị biến đổi đỉnh - đỉnh và căn bình phương sai số lượng tử của một hệ thống quy định chất lượng ảnh khôi phục và được tính theo biểu thức:

(5.5)

Trong biểu thức trên, tín hiệu tương tự chiếm toàn bộ thang lượng tử. Với hệ thống số sử dụng 8 bit mã hoá, theo lý thuyết.

S/Qrms = 58,96 dB

Giá trị S/Qrms phụ thuộc vào một số các tham số sau:

- Giới hạn giải thông của phổ tín hiệu so với fc ảnh hưởng đến S/Qrms làm tăng S/Qrms lên với hệ số 10log10(fsa/fc).

Thang lượng tử chiếm bởi tín hiệu video tích cực (100IRE). Giá trị S/Qrms được tính theo biên độ đỉnh -đỉnh tín hiệu video (714 hay 700mV). Một tín hiệu video tổng hợp với sọc màu chuẩn 100% có biên độ đỉnh - đỉnh là 1,22V và 1,2335V tương ứng đối với các hệ NTSC và PAL. Giả sử rằng tất cả tín hiệu đều được lượng tử, phần chói của tín hiệu (714 hay 700mV) theo đó chỉ chiếm một phần của toàn bộ thang lượng tử. Tỉ lệ tương ứng sẽ là 0,714/1,22 » 0,57 đối với hệ NTSC và PAL. Khi đó giá trị các bước lượng tử sẽ nhỏ hơn và giá trị S/Qrms cũng giảm theo. Nếu trên thang lượng tử, giá trị khoảng bảo vệ được xác định chính xác trong biên độ đỉnh tín hiệu video, giá trị S/Qrms cũng giảm theo giá trị khoảng bảo vệ.

Từ đó ta có công thức xác định S/Qrms được viết tổng quát:

(5.6)

Trong đó: n - số bit biểu diễn mẫu

fsa - tần số lấy mẫu

fc - tần số cao nhất của tín hiệu video

Vq - mức điện áp toàn bộ thang lượng tử

VW - mức trắng

VB - mức đen

VW - VB = 0,714 (NTSC) và 0,7 (PAL)

Bỏ qua giá trị khoảng bảo vệ, tỷ số S/Qrms đối với hệ NTSC với dải thông 4,2 MHz tần số lấy mẫu 14,3 MHz, sử dụng 8 bit để biểu diễn mẫu, ta được:

Do hạn chế dải thông 4,2MHz, tỉ số S/Qrms tăng (+ 2,31dB) là độ sai lệch gây ra bởi việc giảm số các bước lượng tử (- 4,65dB). Nếu tính đến cả khoảng bảo vệ, tỉ số S/Qrms giảm khoảng 1dB.

Từ (5.6) có thể suy ra méo lượng tử phụ thuộc vào số mức lượng tử. Đối với tín hiệu video, méo lượng tử xuất hiện ở hai dạng chính: Hiệu ứng đường viền và 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 đứng như đường biên. Nếu tăng số mức lượng tử, hiệu ứng đường viền sẽ giảm. Đối với ảnh có nhiều chi tiết - méo lượng tử phần bố ngẫu nhiên thì hiệu ứng đường viền xuất hiện ít. Khi sử dụng từ mã 8 bit biểu diễn mẫu, hiệu ứng đường viền sẽ gần như không còn nhận biết được nữa.

Nhiễu hạt ngẫu nhiên xuất hiện ở 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. Hiện tượng này có thể được sử dụng để 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 (Hình 5.10). Đây là quá rình "dithering". Tín hiệu "dither" có nhiều dạng khác nhau, thông thường đó là dạng xungchữ nhật, tần số bằng 1/2 tần số lấy mẫu, biên độ bằng 1/2 sóng lượng tử.

Tín hiệu này tăng gấp đôi mức lượng tử hoá với các ảnh có diện rộng nhưng không giảm chất lượng của ảnh có nhiều chi tiết.

Phương pháp giải quyết hiệu ứng đường viền có hiệu quả nhất là cộng hai tín hiệu "dither" tín hiệu xung chữ nhật biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên biên độ hiệu dụng < Q/3, vào tín hiệu video. Với phương pháp này, méo lượng tử sẽ chỉ còn ở dạng ngẫu nhiên.

Trong số hoá tín hiệu video, thường nguồn nhiễu ngẫu nhiên trong tín hiệu vào tương tự được sử dụng như tín hiệu "dither", nhờ dó các loại nhiễu liên kết được loại bỏ. Trong trường hợp này, với 8 bit mã hoá, có thể loại bỏ được hầu hết các tạp âm nhiễu cho tín hiệu video.

Khi lượng tử hoá tín hiệu video màu hoàn chỉnh, có thể lấy tải màu làm nhiễu ngẫu nhiên. Méo xuất hiện trong trường hợp này là méo pha vi sai số và méo khuếch đại vi sai số. Méo này phục thuộc tín hiệu biên độ màu. Méo vi sai số được làm giảm bằng cách giảm bước lượng tử (tương ứng với tăng số mức lượng tử).

Xác định khoảng lấy mẫu trên thang lượng tử đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn của tín hiệu. Do tín hiệu vào là không ổn định, cộng với các nhiễu trong quá trình sửa, đặc trưng của các mạch lọc không phải là lý tưởng, nên quá trình lượng tử hoá tín hiệu video cần sử dụng biên bảo hiểm, các mức cấm này cho phép tín hiệu video được an toàn trước các nguồn nhiễu. Chúng là các khoảng trống phía trên giá trị cực đại và phía dưới giá trị cực tiểu của tín hiệu video. Do ảnh hưởng méo ở mức đen nhỏ hơn ảnh hưởng méo ở mức trắng, nên biên bảo hiểm của mức trắng lớn hơn ở mức đen. Như chúng ta đã biết, biên độ của tín hiệu tương tự biến đổi trong phạm vi nhất định, đó là giá trị đỉnh - đỉnh (UP - P). Giá trị UP - P chuẩn với tín hiệu sọc màu 100% cho hệ NTSC là 1,22V và cho hệ PAL là 1,2335V. Quá trình chuyển đổi A/D không được làm mất thông tin, để có thể phục hồi lại tín hiệu ban đầu một cách trung thực.

Số các bước lượng tử, theo đó, độ lớn của sai số lượng tử phụ thuộc vào số bit biểu diễn mẫu. Trong các hệ thống số đầu tiền, thường sử dụng 7 hoặc 8 bit để biểudiễn mẫu, tương ứng có 128 hay 256 mức lượng tử. Ngày nay, các thiết bị số tiêu chuẩn studio thường sử dụng 10 bit cho một mẫu - hay 1024 mức lượng tử.

3- Mã hoá

a) Khái quát chung

Mã hoá là khâu cuối cùng của bộ biến đổi A/D. Mã hoá, theo quan điểm thống kê, là một quá trình biến đổi cấu trúc nguồn mà không làm thay đổi tin tức, mục đích là cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ thống truyền tin. Dữ liệu sau mã hoá có ưu điểm: Tính chống nhiễu cao hơn, tốc độ hình thành tương đương khả năng thông qua của kênh.

Quá trình này biến đổi các mức tín hiệu đã lượng tử hoá thành chuỗi các bit "0", "1". Độ dài của dãy tín hiệu nhị phân này, thuật ngữ chuyên môn gọi là từ mã nhị phân được tính bằng số lượng các con số "0" và "1", là một trong những chỉ tiêu chất lượng của kỹ thuật số hoá tín hiệu. Nó phản ánh số lượng mức sáng, tối, màu sắc của hình ảnh được ghi nhận và biến đổi. Về nguyên tắc độ dài của từ mã nhị phân càng lớn thì quá trình biến đổi càng chất lượng, nghĩa là nó được xem như là "độ phân giải" của quá trình số hoá. Tuy nhiên độ phân giải đó cũng chỉ đến một giới hạn nhất định là đủ thoả mãn khả năng của hệ thống kỹ thuật hiện nay, cũng như khả năng phân biệt của mắt người xem. Độ phân giải tiêu chuẩn hiện nay là 8bit/mẫu.

Các mã được sử dụng trong truyền hình số có thể được phân chia một cách quy ước thành 4 nhóm, đó là:

+ Các mã để mã hoá tín hiệu truyền hình

+ Các mã để truyền có hiệu quả cao theo kênh thông tin

+ Các mã thuận tiện cho việc việc giải mã và đồng bộ bên thu

+ Các mã để xử lý số tín hiệu trong các bộ phận khác nhau của hệ thống truyền hình số.

Các quá trình mã hoá tín hiệu truyền hình truyền tin tức theo kênh thông tin, và quá trình giải mã tín hiệu bên thu là độc lập, thậm chí không phối hợp với nhau. Điều đó có nghĩa là các mã thích nghi cho việc biểu diễn số của tín hiệu truyền hình có thể không thích hợp cho việc truyền theo kênh thông tin, còn các mã thích hợp cho việc mã hoá tín hiệu truyền hình và truyền chống nhiễu theo kênh thông tin có thể được giải mã theo phương pháp rất phức tạp. Vì vậy trong truyền hình số thường dẫn tới việc giải quyết vấn đề biểu diễn mã.

Để đáp ứng mã hoá tín hiệu truyền hình và sau đó tạo lại nó ở bên thu, người ta thường dùng một loại mã, còn đối với việc truyền chống nhiễu theo kênh thông tin thì dùng loại mã khác. Trong các trường hợp riêng đôi khi sử dụng đường thông tin với việc truyền có tính chất xác thực cao như ống dẫn sóng và cáp quang học, chúng có thể không tiếp nhận các số đo đặc biệt để chống sai số và dẫn đến việc truyền chính loại mã mà đã được sử dụng để mã hoá tín hiệu truyền hình. Khi chọn các mã cho các tín hiệu của thiết bị truyền hình số cần thiết rằng: Thứ nhất là sự lập mã (cấu trúc toán học) gồm các số cần cho việc giải quyết các bài toán đã đặt ra, thứ hai là các phương pháp mã hoá và giải mã các mã được chọn mà có thể thực hiện được trong các thiết bị. Về cấu trúc toán học, các mã được chia thành mã không chính xác sơ cấp và mã hiệu chỉnh, nghĩa là sửa chữa sai số khi truyền. Trong các khâu truyền hình số, mã sơ cấp được sử dụng chủ yếu để mã hoá tín hiệu truyền hình, ghi hình từ tính, biểu diễn tín hiệu thông tin phụ và các mục đích bổ xung khác. Các mã hiệu chỉnh sai số được sử dụng trong trường hợp khi tín hiệu số bị méo sau khi được truyền trên kênh thông tin.

Việc truyền tín hiệu truyền hình số cần phải được thực hiện với tốc độ xác định cao. Theo nguyên nhân này thì việc chọn mã hiệu chỉnh có hiệu quả rất được chú ý đến. Hiện nay lý thuyết và thực tiễn đã phát triển có kết quả tốt cho phép sử dụng các loại mã mà chúng sửa chữa được sai số và các mã vòng có một số ưu điểm. Trong phần riêng cũng phân ra các mã truyền hình tương ứng với các tín hiệu được sử dụng để truyền dòng số theo cáp thông tin. Chúng ta cũng khảo sát riêng mà các mã giả ngẫu nhiên, sử dụng các tính chất và các đặc điểm của nó trong truyền hình số để biến đổi cấu trúc thống kê của tín hiệu số, đo độ xác thực của việc truyền và các nhiệm vụ khác.

b) Các đặc tính cơ bản của mã

Quá trình biến đổi rất nhiều các điểm đếm lượng tử hoá của tín hiệu (trong đó có tín hiệu truyền hình) thành tổ hợp các ký hiệu khác nhau gọi là sự mã hoá, còn các nhóm ký hiệu thông tin cách điểm mã hoá gọi là mã.

Các thuật ngữ "mã hoá" và "mã" đặc trưng cho quy trình của việc đối chiếu tín hiệu truyền hình đã được lượng tử hoá để xác định các nhóm ký hiệu mã. Đồng thời trong hệ thống truyền hình số, việc gia công và truyền thông tin được thực hiện với sự giúp đỡ của các tín hiệu mà một hoặc một vàitham số của nó được điều chế phù hợp với mã thông tin. Đôi khi thường để đơn giản hoá, hệ thống thuật ngữ các ký hiệu của hệ thống số được gọi là mã, mà trong trường hợp đặc biệt đôi khi các ký hiệu mã là các xung video.

Các mã mà các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu như nhau được gọi là các mã đều đặn, còn các mã mà các tổ hợp của nó bao gồm một số các ký hiệu khác nhau gọi là mã không đều đặn.

Lý thuyết mã hoá có hai hướng nghiên cứu: Thứ nhất là nghiên cứu các cấu trúc mã mà nó nâng cao độ chính xác của việc truyền theo kênh thông tin có nhiễu (như các mã chống sai số, các mã hiệu chỉnh) và thứ hai là nghiên cứu cấu trúc mã triệt tiêu độ dư của tín hiệu đã mã hoá trong kênh không nhiễu. Hai hướng này đóng vai trò đặc biệt trong truyền hình số, vì việc phối hợp với các phương pháp khác cho phép giảm về căn bản độ dư của tín hiệu truyền hình (Xem chương 6).

Sự khảo sát một cách chi tiết các cấu trúc và các tính chất của mã sử dụng trong hệ thống truyền hình số, đưa ra phần dữ liệu mà nó mang lại những đặc tính ứng dụng cơ bản. Nhưng hiện nay để duy trì hệ tống thuật ngữ đã được sử dụng trong lý thuyết mã hoá thì chính phương tiện đã được trình bày một cách hợp lý tiếp sau cho ta một vài định nghĩa từ lý thuyết đại số trong trường hợp hữu hạn.

Hệ thống đại só là một tập hợp mà trong đó xác định một hay một vài phép toán như phép nhân và phép cộng.

Trường là một hệ thống đại số mà trong đó xác định hai phép toán cơ bản (phép nhân và phép cộng) và hai phép toán ngược của chúng (phép chia và phép trừ).

Trường mã trong đó chứa đựng một số hữu hạn các phần tử q được gọi là trường Ga - lua và ký hiệu là GF(q).

Nếu các phần tử của trường là các số nguyên theo modun của các số tự nhiên p thì gọi là trường đơn giản. Ví dụ GF(2) trường nhị phân gồm 2 phần tử . Phép cộng trong trường nhị phân được thực hiện theo modun 2 (phép cộng modun 2) và ký hiệu bằng dấu Å.

Số phần tử của trường Ga - lua xác định mã cơ sở. Mã với cơ số q = 2 gọi là mã cơ số 2, nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền hình số. Các mã với cơ số lớn hơn 2 thường được sử dụng chỉ đối với việc tryền theo đường thông tin. Trong truyền hình số dùng phổ biến nhất là các mã với cơ số 2, 3, 4 và 8. Khi tạo nên các mã bởi các thiết bị mã hoá dùng các bộ ghi dịch cơ bản, các tổ hợp mã được biểu diễn một cách thuận tiện dưới dạng đa thức f(x) từ một biến x với các hệ số xác định từ trường GF(q) nào đấy:

f(x) = a0 + a1x2 + a2x2 + .... + anxn (5.7)

Đối với trường nhị phân, hệ số ai bằng 0 hoặc bằng 1. Như vậy bậc của đa thức tương ứng với bậc lớn nhất của x trong số các hạng thức với hệ số khác không. Đa thức mà nó không thể phân chia thành đa thức khác cấp thấp hơn với các hệ số thuộc cùng một trường được gọi là đa thức bất khả quy. Trong lý thuyết mã hoá, các đã thức bất khả quy đóng vai trò làm các hàm phát vì nhờ gốc (cơ sở) của nó có thể quy định các tham số lớp rộng của mã nhiều mức, bao gồm các mã tuần hoàn và các dạng giả ngẫu nhiên. Số bậc trong một tổ hợp mã được gọi là trọng số, còn tổ hợp toàn bộ các tổ hợp mã có thể có gọi là bảng từ mã. Đối với mã đều đặn thì độ dài bảng từ mã bằng = qn, trong đó q là cơ số mã, còn n là trọng số của nó.

Khi mã hoá hiệu chỉnh, bảng mã xuất xứ nhỏ hơn bảng mã kênh, do vậy để truyền thông tin đòi hỏi phải có phần tổ hợp toàn bộ các từ mã của kênh. Các tổ hợp mã được sử dụng này được gọi là được cho phép, còn phần còn lại gọi là tổ hợp mã bị cấm. Nếu biến đổi sai số sai tổ hợp mã cho phép sang tổ hợp cấm thì chính những sai số này được phát hiện khi giải mã, còn khi cấu trúc mã được xác định thì nó đã được sửa chữa. Khả năng sử dụng mã để phát hiện và sửa chữa sai số truyền được đặc trưng bởi khoảng cách mã, nó bằng số bậc mã trong đó các tổ hợp này được phân biệt với tổ hợp mã khác.

Độ dư của mã được xác định như sau:

Rk = 1 - log2NP/log2N0

Trong đó: Rk - độ dư của mã

Np - số tổ hợp mã cho phép

No - số tổ hợp mã có thể có

Đối với các đa số các mã, phần k của tổ hợp ký hiệu được xác định từ n ký hiệu từ các đường thông tin, còn phần r còn lại là để hiệu chuẩn. Do vậy khi có số mã là 2 thì:

Rk = 1 - log22k/log22" = 1 - k/n = r/n (5.9)

Trong lý thuyết mã hoá, phần ký hiệu thông tin trong từ ma được gọi là tốc độ truyền thông tin:

R = k/n = (n - r)/n = 1 - r/n (5.10)

Khi sử dụng các mã chống sai số, luôn luôn phải chú ý rằng sự tăng của tích chống nhiễu đạt được nhờ sự giảm tốc độ truyền tin (nếu như không chuyển thành cơ số mã cao hơn) và tồn tại xác suất sai số tới hạn (nhỏ nhất). Khi vượt qua xác suất tới hạn thì mã làm mất tính chất hiệu chỉnh của mình. Các tham số là trọng số. Trọng số của mã được gọi là số số một (số đơn vị - trong trường hợp chung là các ký hiệu khác 0) trong tổ hợp mã được gọi là độ vượt quá. Nghĩa là độ sai khác số số 1 và số 0 trong tổ hợp mã. Trọng số đặc trưng cho thành phần phổ của tín hiệu tương ứng với mã thông tin và khả năng đồng bộ của mỗi tín hiệu được truyền. Các mã với trọng số không đổi, nghĩa là với số số 1 như nhau trong mỗi tổ hợp cho phép, cũng được sử dụng để phát hiện sai số.

Như vậy, để phục vụ yêu cầu về ghi, truyền tín hiệu video, mã hoá được sử dụng trong các trường hợp:

+ Mã hoá sơ cấp: Dùng để tạo tín hiệu số ở studio.

+ Mã bảo vệ và sửa sai: Tăng khả năng chịu đựng của tín hiệu trong kênh có nhiễu.

+ Mã truyền tuyến tính: Tăng khả năng truyền dẫn.

Đầu tiên tất cả các tín hiệu video số được mã hoá sơ cấp, sau đó mã hoá chuyển đổi (transcode). Mã sơ cấp là mã cơ sở mà từ đó hình thành mã bảo vệ. Mã sơ cấp có dạng tín hiệu nhị phân liên tục, các bit "0", "1" có thể biểu diễn bằng nhiều phương pháp khác nhau, được phân biệt bằng thời gian tồn tại, cực tính, mức phá. Biểu diễn các bit có thể là tuyệt đối hoặc tương đối.

Mã có cấu trúc tuyệt đối: Sự biến đổi các bit kèm theo sự biến đổi cách biểu diễn. Trong các mã dạng tuyệt đối, sự thay đổi của các tham số biểu diễn trong dãy tín hiệu (mức pha của xung và các tham số khác) xảy ra đồng thời với sự thay đổi của các ký hiệu mã, nghĩa là trong dạng tuyệt đối, mỗi ký hiệu của mã được ký hiệu tương ứng với tín hiệu điện đã được xác định.

Mã có cấu trúc tương đối: Sự biến đổi các bit tương ứng có thể biến đổi hoặc không biến đổi cách biểu diễn. Trong các mã dạng tương đối, sự thay đổi của các tham số biểu diễn dãy tín hiệu xảy ra chỉ khi xuất hiện ký hiệu 1 (hay ký hiêụ 0) trong dãy thông tin. Ví dụ, nếu đằng sau ký hiệu 1 ở sát ký hệu 0 thì sẽ không thể không xảy ra sự thay đổi trong tín hiệu được truyền.

c) Các mã sơ cấp

Các mã sơ cấp chủ yếu được sử dụng để mã hoá tín hiệu truyền hình, xử lý số, trong các thiết bị tổ hợp studio của trung tâm truyền hình số v.v...

+ NRZ (Non Return to Zero): Không trở lại mức không

+ RZ (Return to Zero) : Trở lại mức không

+ BiPh (Bi Phase) : Hai pha

Bảng từ mã của mã sơ cấp cần phải thoả mãn điều kiện qn - 1 < N £ qn, trong đó N là số mức lượng tử của tín hiệu truyền hình được mã hoá.

Điều kiện này dẫn đến trường hợp thứ nhất là mã sơ cấp có thể có độ dư nào đấy, thứ hai là phần dư của tổ hợp mã luôn luôn nhỏ hơn một nửa tổng số mức mã hoá. Điều đó liên hệ với toàn bộ số mức lượng tử của bộ A/D có thể khác với giá trị mức độ bội của cơ số mã. Đôi khi có chỗ độ dư không thuộc tính chất đặc trưng của mã sơ cấp và thực tế không được sử dụng. Thường trong truyền hình số, cơ số của mã sơ cấp bằng 2, nghĩa là mã này là mã nhị phân.

Các mã sơ cấp được phân thành loại có trọng số và loại không có trọng số. Loại có trọng số bao gồm các mã mà bên cạnh mỗi bậc của tổ hợp mã của nó được nhận biết một hệ số trọng số nào đó. Khi đó mã số bất kỳ có dạng đa thức.

(5.11)

Trong đó: i - cơ sở của hệ thống đếm và số bậc theo thứ tự của tổ hợp mã.

qi - trọng số của đa thức

Ci - hệ số tương ứng với bậc của đa thức những số nguyên theo modun q.

Mã trọng số F(2) = , Ci là 2 số tự nhiên (Ci = 0 hoặc 1), trong hệ thóng truyền hình số nó được sử dụng rất rộng rãi. Thuộc về các mã không trọng số là mã phản xạ, trong số đó có mã Gray. Trong các mã không có trọng số, các bậc của các tổ hợp mã không có trọng số xác định. Tính chất cơ bản của mã phản xạ là hai tổ hợp bất kỳ kề nhau chỉ được phân biệt bằng 1 bậc. Vì vậy khi bị sai số, sự tạo lại của tổ hợp mã sẽ giữ làm sai 1 bậc. Mà Gray có khoảng cách bằng 1, ít làm sai số thiết bị, kết hợp với việc phát hiện sai số các khối thông tin có bậc kề nhau.

Vì vậy mã Gray được sử dụng rộng rãi trong việc mã hoá ma trận của tín hiệu truyền hình dùng ống tia điện cũng như khi truyền tín hiệu truyền hình số bằng phương pháp điều pha nhiều vị trí tương đối.

Khi truyền các tổ hợp mã liên tiếp của tín hiệu này đến tín hiệu khác có dạng một dãy hai số ngẫu nhiên, các ký hiệu của nó cần phải được đưa ra bằng các phương pháp khác nhau: Lưu ý trọng số và phạm vị của chúng, phân biệt sự phụ thuộc nhau về cực tính, mức hay là pha v.v...

Dạng biểu diễn của cùng một mã sơ cấp nào đó được xác định bởi dạng của tín hiệu gọi là dạng mã. Hình 5.11 đưa ra các đồ thị thời gian của của dãy nhị phân 10110100, trong đó mã nhị phân đã được biểu diễn theo các dạng khác nhau. Thông thường các mã được biểu diễn dưới dạng tuyệt đối cơ bản xác định như sau.

Các dạng mã NRZ là một dãy xung có độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng hồ:

U(t) = U(t) - U(t - T) (5.12)

Trong đó: T - thời gian chu kỳ

đồng hồ

Mức logic 0 ứng với mức điện áp thấp nhất, còn mức logic1

ứng với mức điện áp cao nhất. Phổ tín hiệu số trong NRZ bao gồm phổ tần rộng (từ thành phần một chiều đến thành phần lặp lại symbol), trong đó năng lượng lớn nhất của phổ nằm ở vùng tần số thấp (Hình 5.12). Người ta chia mã NRZ thành hai loại: NRZ gián đoạn tích cực và NRZ gián đoạn thụ động (Phụ thuộc vào mức điện áp ứng với mức tín hiệu thấp nhất). NRZ gián đoạn thụ động: Mức symbol 0 ứng với mức điện áp 0, còn NRZ gián đoạn tích cực (NRZ - P): Nó ứng với điện áp âm (cùng giá trịk), điện áp âm ứng với sumbol 1

Các biến thể của NRZ là mã NRZ - M (NRZ - Mark) hoặc còn gọi là NRZ - 1 và mã NRZ - S (NRZ - Space) hoặc còn gọi là NRZ - 0. Trong mã NRZ - M, mỗi sự thay đổi về biên độ tín hiệu ứng với mức logic 0 ứng với trường hợp không có sự thay đổi về biên độ. Phổ tín hiệu số của mã NRZ - M tương tự như trongmã NRZ. Mã NRZ - S là mã bổ sung cho mã NRZ - M, mã NRZ - S có mức logic 0 ứng với trường hợp có sự thay đổi biên độ tín hiệu và mức logic 1, nếu biên độ tín hiệu cố định. Đặc điểm của NRZ - S giống như mã NRZ - M.

Các mã dạng RZ khác với mã NRZ là xung điện áp chiếu 1 nửa hay cả phần phạm vị nhịp T.

U(t) = U(t) - U(t - 0,5T) (5.13)

Có xung: ứng với mức logic 1, còn không có xung: ứng với mức logic 0. Trong trường hợp logic 1, biên độ tín hiệu thay đổi hai lần, còn mức logic 0 thì biên độ tín hiệu không đổi. Phổ tín hiệu số trong mã RZ bao gồm băng tần số rộng từ thành phần một chiều đến tần số bằng hai lần tần số xung đồng hồ (rộng hơn nhiều so với phổ tín hiệu NRZ), trong đó năng lượng cực đại của phổ cũng giống như NRZ ở vùng tần số thấp. ở đây, người ta cũng phân biệt thành hai loại mã RZ gián đoạn tích cực (RZ - P) xung âm có độ rộng bằng 1/2 hoặc một phần thời gian xung đồng hồ và biên độ bằng biên độ xung dương ứng với mức logic 1. Một biến thể của RZ gián đoạn tích cực (RZ -U) là loại mã mà trong đó mức logic 0 ứng với xung dương có biên độ nhỏ hơn xung ứng với mức logic1. Đối với mã RZ có khả năng tạo lại tín hiệu đồng hồ từ chuỗi tín hiệu mã thu được.

Các mã dạng PiPh được tạo thành nhờ các cặp xung phụ RZ trong mỗi phạm vi nhịp:

U(t) = U(t) - 2U(t - 0,5T) + U(t - T) (5.14)

Các loại mã xuất phát từ BiPh bao gồm: BiPh - M (Bi - phase Mark) hoặc BiPh - 1 và BiPh - S (Bi - phase - space) hoặc BiPh 0. Trong mã BiPh - M (Còn gọi là mã dùng điều tần xung hoặc mã Manchester I), mỗi biến đổi mức ở trên tâm chu kỳ đồng hồ ứng với mức logic1 và nếu không có sự thay đổi mức, thì ứng với logic 0. Mã BiPh - S bổ sung cho mã BiPh - M. Trong BiPh - S, mỗi sự thay đổi mức ở tâm chu kỳ đồng hồ ứng với mức logic0, ngược lại không có sự thay đổi, thì ta có mức logic 1. Tín hiệu số trong các mã BiPh (hai pha) được biểu diễn bằng chuỗi xung lặp lại với tần số tín hiệu đồng hồ.

ở phía thu dễ dàng tạo lại tín hiệu đồng hồ với chuỗi mã lần lượt. Phổ tín hiệu trong mã BiPh giống như phổ tín hiệu điều tần có 2 tần số cơ bản và (trong đó fdh - tần số đồng hồ) không có thành phần một chiều và các thành phần tần số thấp. Phổ của nó rộng hơn nhiều so với phổ trong NRZ và năng lượng phổ cơ bản nằm trong vùng tần số cao.

Trong truyền hình số, mã NRZ thường được dùng cho các thiết bị studio và thiết bị truyền các thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình. Mã RZ được dùng trong một số trường hợp truyền tín hiệu hình số ở khoảng cách xa. Mã BiPh dùng trong quá trình ghi tín hiệu số trên băng từ.

4- Chuyển đổi D/A

Chuyển đổi số - tương tự (D/A) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đã biết tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử (1 LSB). Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số, dùng sơ đồ nguyên tắc như hình 5.13. Chuyển đổi số - tương tự không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi tương tự - số, vì không thể thực hiện được phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hoá.

Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số - tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự đã được lấy mẫu. Mạch cơ bản của D/A bao gồm:

- Mạch số (đa hài loại D) với nhiệm vụ tạo lại tín hiệu số đầu vào.

- Mạch giải mã số - tương tự với nhiệm vụ biến tín hiệu số thành tín hiệu rời rạc tương ứng dưới dạng các xung có biên độ thay đổi, hình 5.14.

- Mạch tạo xung lấy mẫu và xung đồng hồ (có nhiệm vụ tạo các xung lấy mẫu và đồng bộ các quá trình còn lại trong D/A, đồng bộ với mạch tạo các xung giống nhau).

- Mạch lấy mẫu thứ cấp, có nhiệm vụ khử nhiễu (xuất hiện do chuyển mạch nhanh ở đầu ra của mạch D/A).

- Mạch lọc thông thấp để tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu (rời rạc). Bộ lọc thông thấp đóng vai trò như một bộ nội suy, ở đây tín hiệu tương tự biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của tín hiệu rời rạc theo thời gian Um.

- Khuyếch đại tín hiệu video ra. Trong thực tế, mạch giải mã số - tươngtự thường làm việc bằng cách cộng điện áp (đôi khi cộng dòng). Mạch giải mã đặc trưng bao gồm:

- Nguồn điện áp hoặc dòng chuẩn.

- Mạng điện trở thích hợp.

Chuyển mạch, chuyển đổi trong các thời khắc thích hợp với độ chính xác cao về điện áp (hoặc dòng) chuẩn ở đầu vào mạng điện trở. Tốc độ hoạt động của nó phải giống như tốc độ làm việc của mạch mã hoá.

Hình 5.14 vẽ dạng tín hiệu đầu ra của một bộ biến đổi D/A, là một chuỗi các xung chữ nhật có biên độ bằng biên độ các tín hiệu số, độ rộng các xung là T = 1/f. Phổ của một xung chữ nhật có độ rộng T được cho bởi hàm số:

A(dB) = 20log10

(5.15)

Trong đó: A - phổ của xung chữ nhật

x = pfv/flm

fv - tần số tín hiệu video

flm - là tần số lấy mẫu.

Phổ của một xung chữ nhật với độ rọng T 1/fs và phổ của tín hiệu tại đầu ra của bộ biến đổi D/A được vẽ như trên hình 5.15 và 5.16

5.3 - tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4fscNTSC

1- Giới thiệu chung

Tín hiệu vi deo số tổng hợp thực chất là sự chuyển đổi tín hiệu video tương tự tổng hợp sang video số. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp, điều kiện đầu tiên là phải chú ý đến tải tần màu (sóng mang màu) fsc', khi chọn tần số lấy mẫu (flm) có thể xuất hiện các trường hợp sau:

a) flm gấp nhiều lần fsc', ví dục flm = 2fsc'; flm = 3fsc hoặc flm = 4fsc dùng cho hệ NTSC và PAL vì hai hệ này chỉ dùng một tần số fsc. Hệ SECAM dùng hai tải tần màu, nên không dùng được một tần số flm cho các tín hiệu hiệu số màu.

b) flm không có quan quan hệ trực tiếp với fsc. Trong trường hợp này, sẽ xuất hiện (ngoài các thành phần tín hiệu có ích) thêm các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa flm và fsc hoặc hài của fsc trong phổ tín hiệu lấy mẫu. Đặc biệt thành phần tín hiệu (flm - 2fsc) sẽ gây méo tín hiệu video (tương tự) được khôi phục lại. Loại méo này có tên gọi là méo điều chế chéo (Intermodulation).

Các thành phần tín hiệu điều chế chéo có tần số nằm trong kênh màu sẽ tạo trên màn hình các "hình đồng màu", thể hiện rất rõ trong các hình ảnh có nền đồng màu và độ bão hoà màu cố định( Ví dụ ảnh kiểm tra các sọc màu).Độ ổn định các hình đồng màu trên màn hình phụ thuộc vào quan hệ giữa fsa và các tần số quét dòng và mành. Méo điều chế chéo sẽ không xuất hiện trong trường hợp lấy mẫu và mã hoá riêng tín hiệu chói và các tín hiệu hiệu số màu.

Như vậy, để tránh méo gây ra do các hài của fsc trong phổ của tín hiệu lấy mẫu - gọi là méo điều chế chéo - thông thường chọn tần số lấy mẫu bằng bội số của tần số sóng mang màu. Điều này, ở hệ NTSC, PAL do sử dụng sóng mang màu, nên việc chọn giá trị tần số flm tối ưu sẽ đơn giản. Thường thì flm được chọn bằng hài bậc ba tần số tải màu fsc

+ flm/PAL = 13,3085625MHz > 2fc/PAL; fc/PAL = 5 hoặc 5,5 MHz.

+ flm/NTSC = 10,738635 MHz > 2fc/NTSC; fc/NTSC = 4,2MHz

Nếu chọn flm = 4fsc thì sẽ cho chất lượng hình ảnh khôi phục rất tốt. Tuy nhiên nó sẽ làm tăng tốc độ bit tín hiệu số, dẫn đến lãng phí dải thông (W ³ (3/4C).

Đối với hệ SECAM, tần số lấy mẫu flm không thể chọn bằng hai bậc cao của tải màu fsc', bởi vì hệ SECAM sử dụng điều tần. Việc chọn flm ở đây có nhiều khó khăn hơn.

Kết quả nghiên cứu của các chuyên gia trong lĩnh vực truyền hình cho thấy; khi tần số lấy mẫu tiến đến gần phạm vi 13MHz, chất lượng ảnh khôi phục sẽ rất tốt. Nếu tần số mẫu nhỏ hơn 13MHz, chất lượng ảnh giảm rõ rệt đối với lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp.

Trong một thời gian dài, rất nhiều các khái niệm, sản phẩm và các thiết bị điện tử được phát triển cho các ứng dụng số. Các thiết bị này làm việc ở các tần số lấy mẫu khác nhau, số bit biểu diễn mẫu khác nhau, số mức lượng tử khác nhau. Chúng được phát triển phục vụ yêu cầu sản xuất và được thiết kế phù hợp với studio sản xuất chương trình với tín hiệu video tổng hợp tương tự.

Xu hướng phát triển các studio hoàn toàn kỹ thuật số yêu cầu chuẩn hoá công nghiệp cho các thiết bị video số. Các tiêu chuẩn video số tổng hợp được xây dựng để hướng tới mục tiêu đó. Phù hợp với yêu cầu công nghệ, hai hệ thóng tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video tổng hợp đã được phát triển rộng rãi. Đó là:

+ Tiêu chuẩn 4fsc NTSC.

+ Tiêu chuẩn 4fsc PAL

Tín hiệu video tổng hợp tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bốn lần tần số sóng mang phụ (4fsc). Số bit biểu diễn mẫu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng ảnh và tính kinh tế của thiết bị. Thông thường các thiết bị sử dụng 8 hoặc 10bit.

Các thiết bị truyền hình số tại các nước Bắc Mỹ thường sử dụng có tần số lấy mẫu là 4fsc', nhất là đối với thiết bị ghi hình số tổng hợp. Các thiết bị ghi hình tương tự tổng hợp được thay thế bằng thiết bị ghi hình số, có các đầu vào và đầu ra là tín hiệu tương tự. Một số các nhà sản xuất phát triển loại thiết bị trên tiêu chuẩn này có tên là D2 và D3. Rất nhiều chủng loại thiết bị chất lượng studio 4fsc đã xuất hiện. Tại Châu Âu, thiết bị theo tiêu chuẩn 4fsc không phải lúc nào cũng được sử dụng. Lý do là hệ SECAM không thể thực hiện được kỹ thuật này. Trong khi đó, xu hướng số hoá tín hiệu thành phần ngày càng thấy rõ trong tất cả các hệ truyền hình. Thiết bị số thành phần dần dần chiếm ưu thế theo thời gian.

2- Các tham số cơ bản của tiêu chuẩn 4fsc NTSC

Tiêu chuẩn 4fscNTSC được xác định trong SMPTE 244M gồm các tham số của tín hiệu video tổng hợp theo hệ NTSC cũng như tính chất kết nối song song của hệ thống. Chuẩn SMPTE được mô tả trong bảng 5.1

Bảng 5.1 Tiêu chuẩn 4fscNTSC

Tín hiệu vào

NTSC

Số mẫu trên một dòng

910

Số mẫu trên một dòng tích cực

768

Tần số lấy mẫu

4fsc = 14,32818MHz

Cấu trúc lấy mẫu

Trực giao

Khoảng cách lấy mẫu

+ 330, + 1230, + 2130, + 3030

Mã hoá

Lượng tử hoá đều

Thang lượng tử

8 hoặc 10 bit

Tần số lấy mẫu tín hiệu bằng bốn lần tần số sóng mang phụ: flm = 14,3181 MHz (thường viết 14,3MHz). Đồng bộ quá trình lấy mẫu được lấy từ tín hiệu đồng bộ màu của tín hiệu video tổng hợp. Hình 5.17 minh hoạ phổ tín hiệu NTSC lấy mẫu tại tần số bằng bốn lần tần số mang phụ 4fsc.

Trong phổ tín hiệu trên, có một khoảng cách hở giữa các tần số 4,2 MHz - tần số lớn nhất của NTSC cơ bản và tần số 7,16 MHz (tần số Nyquist). Với khoảng hở này, các bộ lọc chống nhiễu và bộ lọc tái tạo có đặc tuyến không lý tưởng được phép sử dụng. Tiêu chuẩn không xác định tính chất của các bộ lọc chống nhiễu và bộ lọc tái tạo, vì vậy các nhà sản xuất có thể tự do lựa chọn các bộ lọc, phục vụ cho mục đích kinh tế và kỹ thuật.

3- Cấu trúc lấy mẫu:

Tiêu chuẩn SMPTE phù hợp với các tham số NTSC cơ bản, tức là mã hoá tín hiệu Ul/UQ thay vì các tín tiệu UR - Y/UB - Y. Tín hiệu NTSC cơ bản các tín hiệu Ul và UQ có dải thông khác nhau tương ứng là 1,2 MHz và 0,5MHz.

Trên hình 5.18 minh hoạ quá trình lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4fscNTSC, theo đó, khoảng lấy mẫu cần trùng với đỉnh âm và dương của các thành phần sóng mang phụ Ul và UQ. Phần trên của hình có vẽ các thông tin tương ứng về tín hiệu UR - Y và UB - Y.

Với tần số lấy mẫu là flm = 14,3181 MHz, tần số quét dòng là fH = 15734,25Hz, tổng số mẫu thu được trên một dòng là: flm/fH = 910 mẫu.

Trong đó: Dòng video tích cực chiếm 768 mẫu. 142 mẫu còn lại dành cho đồng bộ dòng tín hiệu số.

Hình 5.19 vẽ số mẫu cho tín hiệu NTSC cơ bản. Điểm giữa của sường xung đồng bộ dòng của tín hiệu video tương tự nằm giữa hai mẫu số 784 và 785. Mẫu đầu tiên trong 910 mẫu tương ứng với mẫu đầu tiên của dòng tích cực số và được ký hiệu là mẫu số 0. Như vậy các mẫu tương ứng sẽ được đánh số từ 0 đến 909. Dòng video số tích cực bao gồm các mẫu từ 0 đến 767.

4- Thang lượng tử và biểu diễn thang lượng tử

Bảng 5.2 liệt kê các mức có ý nghĩa của tín hiệu NTSC tương tự tổng hợp với sọc màu chuẩn 100/7,5/100/7,5 tương ứng với giá trị tín hiệu video số 4fsc biểu diễn dưới dạng số HEX cho trường hợp sử dụng 8 bit và 10 bit để mã hoá.

Hình 5.20 vẽ mối quan hệ của tín hiệu video tương tự tổng hợp với các giá trị mẫu 10bit đối với tín hiệu chuẩn 100/7,5/100/7,5.

Với bit 10 biểu diễn mẫu ta có được 1024 mức lượng tử từ 0 đến 1023 (hay từ 000 đến 3FF hệ HEX). Các mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF dùng để bảo vệ và không được phép xuất hiện trong dòng số. Còn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ số 4 đến 1019 để biểu diễn tín hiệu video. Đỉnh đồng bộ được thiết lập ở mức 16 (010 HEX). Mức tín hiệu lớn nhất, tương ứng với màu vàng và màu xanh lơ, được thiết lập ở giá trị 972 (3CC HEX). Các khoảng bảo vệ bao gồm từ mức 4 đến 16 (004 ® 010) và từ mức 972 đến 1019 (3CC ® 3FB). Các khoảng bảo vệ chiếm khoảng 1dB, cho phép tín hiệu vào tương tự biến động trong một khoảng giới hạn nhất định.

Bảng 5.1 Tiêu chuẩn 4fscNTSC

Mã hoá 8 bit

Mã hoá 10 bit

Các mức bảo vệ

3CF, 3FD, 3FE, 3FF

Mức lượng tử hoá cao nhất

3FB

Mức đỉnh tín hiệu màu

3CC

Mức trắng

320

Mức đen

11A

Mức xoá

0F0

Đỉnh đồng bộ

010

Mức lượng tử hoá thấp nhất

004

Các mức bảo vệ

000,001,002,003

Khoảng bảo vệ làm giảm giá trị tỷ số S/QRMS. Theo lý thuyết, hệ số S/QRMS được tính:

Cho n = 10 bit biểu diễn mẫu:

flm = 14,32MHz

fgh = 4,2MHz

Vq = 1,3042 V

VW - VB = 0,7143 V

Giá trị S/QRMS tính được bằng:

S/QRMS = 68,10dB

Trong hệ thống 8 bít, 254 trong 256 mức (01 đến FE) được sử dụng để biểu diễn giá trị lượng tử. Mức 00 và FF dùng cho bảo vệ và không được phép có trong dòng số. Giá trị S/QRMS cho hệ thống 8 bit tính được bằng:

S/QRMS = 56,06 dB

5- Cấu trúc mành số

Khoảng thời gian tích cực của mành số vượt quá thời gian tích cực của mành tương tự. Một chu kỳ tích cực của mành số bắt đầu trước và kết thúc sau chu kỳ tích cực của mành tương tự. Trong một chu kỳ quýet NTSC gồm 4 mành, các khoảng xoá mành của mành I và III được tính từ dòng 525, mẫu 768 đến dòng 9 mẫu 767 và các khoảng xoá mành của mành II và IV được tính từ dòng 263, mẫu 313 đến dòng 272 và mẫu 767. Hình 5.12 biểu thị mỗi quan hệ giữa khoảng xoá mành tín hiệu video tổng hợp NTSC số và tương tự.

Theo hình 5.12, dòng tích cực số vượt quá dòng tích cực tương tự. Dòng tích cực số bắt đầu trước và kết thúc sau dòng tích cực tương tự. Như vậy, khoảng xoá dòng tương tự sẽ nằm trong dòng số tích cực. Điều này làm giảm các tạo bóng và viền của tín hiệu tương tự do ảnh hưởng của tín hiệu ở tần số cao đối với các bộ lọc tái tạo, đồng thời cũng phù hợp với sường xung só có thời gian nhỏ. Khoảng xoá dòng số bắt đầu từ mẫu 768 đến mẫu 909 trên tất cả các dòng không thuộc khoảng xoá mành.

Pha sóng mang phụ và chuẩn thời gian đồng bộ dòng trùng nhau. Trong tín hiệu tương tự NTSC, thời gian đồng bộ dòng bắt đầu xác định (mức 0) tại điểm cắt 0 của burst màu. Quan hệ giữa sóng mang phụ và tần số quét dòng trong hệ NTSC tạo ra hướng của điểm cắt 0 thay đổi sau mỗi dòng.

Xét hai khung màu liên tiếp A và B. Khung màu A gồm hai mành I và II, khung màu B gồm hai mành 3 và mành 4. Mành I xác định điểm cắt 0 đầu tiên trên dòng 10 có vị trí ® dương. Điểm cắt 0 đầu tiên của burst trên dòng 10 mành III có vị trí ® âm. Như vậy, cứ sau một lượt quét 4 mành theo thứ tự, điểm cắt 0 đầu tiên trên dòng 10 sẽ trở lại có vị trí ® dương.

Hình 5.23 minh hoạ chi tiết cấu trúc xoá mành và quan hệ giữa 4 mành NTSC và hướng cắt 0 của sóng mang phụ.

5.4 - tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4fsc pal

1- Các tham số cơ bản

Tín hiệu tương tự PAL và NTSC có nhiều điểu tương đồng, song tín hiệu số theo chuẩn 4fsc của hai hệ thống này rất khác nhau. Bảng 5.3 tổng kết đặc điểm của tín hiệu số hệ 4fsc PAL.

Tần số lấy mẫu bằng 4 lần tần số sóng mang phụ hay 17,734475MHz (thường viết 17,73MHz). Tín hiệu xung clock được lấy từ xung đồng bộ màu của tín hiệu video tổng hợp.

Bảng 5.3 Tiêu chuẩn 4fscPAL

Tín hiệu vào

PAL

Số mẫu trên một dòng

1135

Số mẫu trên một dòng tích cực

948

Tần số lấy mẫu

4fsc = 17,734475MHz

Khoảng cách lấy mẫu

+ 450, + 1350, + 2250, + 3150

Mã hoá

Lượng tử hoá đều

Thang lượng tử

8 hoặc 10 bit

Hình 5.24 minh hoạ phổ lấy mẫu hệ 4fscPAL. ở đây có một khoảng cách giữa các tần số 5 MHz, tần số cao nhất của hệ PAL cơ bản, và tần số 8,86MHz (tần số Nyquist). Tiêu chuẩn không xác định tính chất của các bộ lọc chống nhiễu và bộ lọc tái tạo, song các nhà sản xuất thường sử dụng tại tần số cao. Cũng như với tín hiệu 4fscNTSC, cần chú ý đến vấn đề vượt quá mức tín hiệu trong quá trình chuyển đổi sang tín hiệu số khi đưa trực tiếp vào các thiết bị số 4fsc, theo đó tạo các yêu cầu nghiêm ngặt về giới hạn dải thông của bộ lọc tái tạo. Để khắc phục, rìa và sườn trước xung xoá của tín hiệu số cần phù hợp với tín hiệu tương tự.

2- Cấu trúc lấy mẫu

Hình 5.25 minh hoạ chi tiết cấu trúc khoảng lấy mành của hệ PAL. Pha tín hiệu đồng bộ màu (burst màu) liên tục thay đổi giữa hai giá trị + 1350 và + 2250.

Sóng mang phụ hệ PAL được xác định theo biểu thức:

fsc = 285,75fH + 25Hz = 4.433.618,75Hz

Số chu kỳ sóng mang phụ trên một khung hình (hai mành) là:

Tổng số các mẫu trên một khung là:

1135,0064 x 625 = 709.379 mẫu

Quá trình xử lý tín hiệu yêu cầu một số nguyên các mẫu trên mỗi dòng quét. Số mẫu được chọn là 1135 mẫu trên một dòng. Kết quả là có 709.375 mẫu trên một khung hình.

Để phù hợp chính xác với số mẫu cần phải có, trên các dòng 313 và dòng 625 được cộng thêm mỗi dòng một mẫu. Như vậy trên mỗi dòng quét trong mành tích cực có 1125 mẫu dòng 313 và dòng 625 thuộc khoảng xoá mành), trong đó dòng tích cực chiếm 918 mẫu. Khoảng xoá dòng chiếm 187 mẫu còn lại.

3- Thang lượng tử và biểu diễn thang lượng tử

Bảng 5.4 liệt kê các mức có ý nghĩa của tín hiệu PAL tương tự tổng hợp với tín hiệu sọc màu chuẩn 100/0/100/0 tương ứng với giá trị tín hiệu video số 4fsc biểu diễn dưới dạng số HEX cho trường hợp lượng tử hoá 8 bit và 10 bit.

Hình 5.27 vẽ mối quan hệ của tín hiệu video tương tự tổng hợp PAL với các giá trị mẫu 10 bit đối với tín hiệu chuẩn 100/0/100/0.

Bảng 5.4 Giá trị các mức có ý nghĩa của tín hiệu PAL, mã hoá 8 và 10 bit tín hiệu sọc màu 100/0/100/0

Mã hoá 8 bit

Mã hoá 10 bit

Các mức bảo vệ

3CF, 3FD, 3FE, 3FF

Mức lượng tử hoá cao nhất

3FB

Mức đỉnh tín hiệu màu

>>FE

>>FB

Mức trắng

34C

Mức xoá

100

Đỉnh đồng bộ

016

Mức lượng tử hoá thấp nhất

004

Các mức bảo vệ

000,001,002,003

Hình 5.27 biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu video tương tự tổng hợp PAL với các giá trị mẫu 10 bit đối với tín hiệu chuẩn 100/0/100/0. Với lượng tử hoá 10 bit ta có 1024 mức lượng tử (210), từ 0 đến 1023 hay theo hệ Hex từ 000 đến 3FF. Các mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF được dùng để bảo vệ và không được phép xuất hiện trong dòng số.

Còn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ số 4 đến 1019 (004 đến 3FB Hex) để biểu diễn tín hiệu video. Đỉnh đồng bộ được thiết lập ở mức 4 (004 Hex). Không như trong hệ NTSC 4fsc, không có khoảng phòng vệ phía dưới, và đỉnh xung đồng bộ là mức lượng tử thấp nhất của tín hiệu.

Mức cao nhất của tín hiệu tương tự được lượng tử hoá là 908,3mV, tương ứng với mức lượng tử 1019 hay 3FB (Hex). Mức tín hiệu này thấp hơn tín hiệu vàng và xanh lơ trong thang sọc màu 100/0/100/0, tương đương 933,5mV. Như vậy sẽ có một khoảng bảo vệ âm tại đỉnh của tín hiệu.

Hình 5.27 chỉ ra rằng tất cả các mẫu được lựa chọn sao cho mẫu của tín hiệu tương ứng với màu vàng xuất hiện tại giá trị biên độ lớn nhất. Biên độ tín hiệu màu vàng được lấy mẫu là 886mV, tức là nằm dưới mức lượng tử hoá cao nhất 908,3mV. Bộ biến đổi D/A theo đó cũng có khả năng tái tạo lại tín hiệu ban đầu chính xác. Kết quả là thu được một giá trị có lợi của tỉ số S/QRMS vào khoảng 0,5dB, mà không gây méo cho tín hiệu. Theo lý thuyết S/QRMS có thể được tính bởi công thức:

Cho các giá trị của các biến trong biểu thức trên là:

n = 10bit/mẫu

flm = 17,72MHz

fc = 5MHz

Vq = 1,2131V

VW - VB = 0,7V

Ta tính được giá trị S/QRMS:

S/QRMS = 68,71dB

4- Cấu trúc mành số

Khoảng thời gian tích cực của mành số vượt quá thời gian tích cực của mành tương tự. Một chu kỳ tích của mành số bắt đầu trước và kết thúc sau chu kỳ tích cực của mành tương tự. Trong một chu kỳ quét PAL gồm 4 mành, các khoảng xoá mành của mành I và III được tính từ dòng 623, mẫu 382 đến dòng 5 mẫu 947 và các khoảng xoá mành của mành II và IV được tính từ dòng 310, mẫu 948 đến dòng 317 mẫu 947. Hình 5.28 biểu thị mối quan hệ giữa khoảng xoá mành tín hiệu video PAL tổng hợp tương tự và tín hiệu video hệ 4fscPAL.

Dòng tích cực số vượt quá dòng tích cực tương tự, dòng tích cực số bắt đấu trước và kết thúc sau dòng tích cực tương tự. Như vậy, khoảng xoá dòng tương tự sẽ nằm trong dòng số tích cực. Điều này làm giảm các tạo bóng và viền của tín hiệu tượng tự do ảnh hưởng của tín hiệu ở tần số cao đối với các bộ lọc tái tạo, đồng thời cũng phù hợp với sườn xung số có thời gian nhỏ. Khoảng xoá dòng số bắt đầu từ mẫu 948 đến mẫu 1134 trên tất cả các dòng không thuộc khoảng xoá mành. Hình 5.29 minh hoạ vị trí một số mẫu đặc trưng trong khoảng xoá dòng.

5.5- tín hiệu video số thành phần:

1- Giới thiệu chung

Trong hệ thống thành phần tương tự, thông tin được biến đổi thành các tín hiệu UR, UG, hoặc UY, UR - Y, UB -Y có biên độ liên tục, trong một giới hạn nhất định. Suy giảm trong hệ thống tương tự tại đầu ra của hệ thống bao gòm tổng tất cả các suy giảm của tín hiệu tại mỗi thành phần của hệ thống mà tín hiệu đi qua. Điều nàylàm giới hạn số các tầng có thể có trong hệ thống truyền hình, sao cho tín hiệu tại đầu thu chấp nhận được. Các yếu tố chính làm ảnh hưởng đến tín hiệu tượng tự là méo tuyến tính, méo phi tuyến v.v... Các suy hao này có thể làm giảm nhỏ bằng các phương pháp kỹ thuật song không thể loại trừ hoàn toàn được. Việc sử dụng tín hiệu thành phần tại studio cho phép loại bỏ được những hiệu ứng không mong muốn như trong tín hiệu tổng hợp. Ngược lại, thiết bị thành phần có giá thành cao, phức tạp.

Trong hệ thống số, các suy hao này có thể được giảm nhỏ, nhờ quá trình biến đổi tín hiệu A/D và D/A, tín hiệu được gia công, xử lý và phân phối theo dạng số, tín hiệu chỉ được chuyển đổi sang tương tự đúng một lần vào trước khi truyền đi trong không trung bằng sóng VHF và UHF thông thường. Mặc dù tín hiệu tổng hợp đã có được những thuận lợi, nhất là về băng tần, song xu hướng chung trong sản xuất chương trình tại studio, trên các đường truyền và phân phối tín hiệu qua vệ tinh cho các studio lưu động, là sử dụng tín hiệu thành phần đầy đủ hoặc có nén dòng bit.

Nỗ lực chuẩn hoá của Bắc Mỹ và Châu Âu mà kết quả là sự ra đời của tiêu chuẩn CCIR - 601, tiêu chuẩn mã hoá truyền hình số tại studio. Tiêu chuẩn này phù hợp với cả hai hệ truyền hình có 525 và 625 dòng quét, và là cở cho việc tạo ra các tiêu chuẩn con. Ban đầu, chuẩn này xác định 8 bit cho mã hoá tín hiệu video, tuy nhiên, ngày nay, số bit xác định cho mã hoá là 10 bit. Cơ sở của tín hiệu mã hoá là các tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu, hoặc là các tín hiệu màu cơ bản (UR, UG, UB).

2- Các chuẩn lấy mẫu

Có nhiều tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu video số thành phần, điểm khác nhau chủ yếu ở tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu và phương pháp lấy mẫu tín hiệu chói và các tín hiệu màu, trong đó bao gồm: Tiêu chuẩn 4: 4: 4; 4: 2: 2; 4: 2: 0; 4: 1: 1. Các định dạng số video có nén chỉ lấy mẫu cho các dòng tích cực của video. Để nắm được ý nghĩa của các chuẩn lấy mẫu ta đi tìm hiểu các phương thức của từng chuẩn.

a) Tiêu chuẩn 4: 4: 4

Mẫu tín hiệu chỉ được lấy đối với các phần tử tích cực của tín hiệu video. Với hệ PAL, màn hình được chia làm 625 x 720 điểm (pixel).

Các tín hiệu chói (UY), tín hiệu hiệu màu (CR, CB) được lấy mẫu tại tất cả các điểm lấy mẫu trên dòng tích cực của tín hiệu video. Cấu trúc lấy mẫu là cấu trúc trực giao, vị trí lấy mẫu như hình 5.30

Theo tiêu chuẩn 4: 4: 4 có khả năng khôi chất phục lượng hình ảnh tốt, thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu. Các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế đã thống nhất về chỉ tiêu tần số lấy mẫu cho truyền hình số theo tiêu chuẩn này - với tên gọi là CCIR - 601.

Với chuẩn 4: 4: 4 tốc độ dòng dữ liệu (ví dụ cho hệ PAL) được tính 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 = 311Mbit/s

b) Tiêu chuẩn 4: 2: 2

Theo hình 5.31 trên một dòng tích cực:

+ Điểm đầu lấy mẫu toàn bộ ba tín hiệu: Chói (UY) và hiệu màu (CR,CB).

+ Điểm kế tiếp chỉ lấy mẫu tín hiệu UY, còn hai tín hiệu hiệu màu không lấy mẫu. Khi giải mã màu suy ra từ màu của điểm ảnh trước.

+ Điểm sau nữa lại lấy mẫu đủ cả ba tín hiệu UY, CR,CB.

Tuần tự như thế, cứ bón lần lấy mẫu UY thì có hai lần lấy mẫu UR, hai lần lấy mẫu CB tạo nên cơ cấu 4:2:2.

Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau:

+ 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) Tiêu chuẩn 4: 2: 0

Theo hình 5.32 lấy mẫu tín hiệu UY tại tất cả các điểm ảnh của dòng, còn tín hiệu màu thì cứ cách một điểm sẽ lấy mẫu cho tín hiệu màu. Tín hiệu màu được lấy xen kẽ, nếu hàng chẵn lấy mẫu cho tín hiệu màu CR thì hàng lẻ lấy mẫu cho tín hiệu CB.

Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau:

+ 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) Tiêu chuẩn 4: 1: 1

Chuẩn 4: 1: 1 trình tự lấy mẫu như hình 5.33

- Trong điểm ảnh đầu mẫu đủ UY, CR, CB ba điểm ảnh tiếp sau chỉ lấy mẫu UY không lấy mẫu của tín hiệu CR, CB. Khi giải mã, màu của ba điểm ảnh sau phải suy từ điểm ảnh đầu.

- Tuần tự như thế, cứ bốn lần lấy mẫu UY, có một lần lấy mẫu CR, một lần lấy mẫu CB đây là cơ cấu 4: 1: 1.

Đối với hệ PAL tốc độ dòng dữ liệu theo chuẩn này được tính như sau:

+ Khi lấy mẫu 8 bit : (720 + 180 + 180) x 576 x 8 x 25 = 124,4 Mbit/s

+ Khi lấy mẫu 10 bit: (720 + 180 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,5 Mbit/s

Số "4" ở đầu mõi chuẩn biểu thị tần số lấy mẫu tín hiệu chói (flm = 13,5MHz), tuy không còn bằng bốn lần tần số sóng mang như trước (4fsc). Các con số khác biểu thị tỉ lệ giữa tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu so với tín hiệu chói. 13,5MHz là tần số duy nhất trong khoảng từ 12MHz đến 14MHz có giá trị bằng một số nguyên lần tần số dòng cho cả hai tiêu chuẩn (525 và 625) và do vậy cho một số nguyên lần số mẫu đối với cả hai.

Với tần số lấy mẫu 13,5 MHz tín hiệu video số đã không còn bị phụ thuộc vào các tiêu chuẩn khác nhau của video tương tự. Thiết bị trong các trung tâm truyền hình số sẽ hoàn toàn giống nhau cho cả hai hệ thống, điều này sẽ tạo thuận lợi cho việc hợp tác sản xuất, trao đổi chương trình giữa các tổ chức truyền hình.

3- Các tín hiệu mã hoá và tần số lấy mẫu

Tín hiệu được mã hoá bao gồm tín hiệu chói và hai tín hiệu hiệu màu. Đó là các tín hiệu được biểu diễn U 'Y, C'B, C'R. Các tín hiệu hiệu màu được xác định trên tiêu chuẩn của CCIR 601.

Tần số lấy mẫu tín hiệu chói được chọn là 13,5MHz, theo đó số chu kỳ lấy mẫu trên một dòng là số nguyên trong cả hai hệ thóng 525 và 625 dòng. Tần số này có được từ tín hiệu video vào bằng cách sử dụng dao động điều khiển bằng vòng khoá pha tại tần số 858xfH đối với tiêu chuẩn 525/60 và tần số 864xfH đối với tiêu chuẩn 625/50.

Hình 5.34 a vẽ phổ lấy mẫu 13,5MHz của tín hiệu choi. Trên hình vẽ có một khoảng hở giữa tần số 5,75MHz và tần số Nyquist (6,75MHz) dùng để hạn chế mức của các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo. Tín hiệu chói trên là tín hiệu đã qua bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo.

Tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu được lấy từ tần số lấy mẫu tín hiệu chói qua bộ chia hai. Hình 5.34B vẽ phổ lấy mẫu 6,75MHz của tín hiệu hiệu màu. Trên hình vẽ có một khoảng hở giữa tần số 2,75MHz và tần số Nyquist (3,375MHz) dùng để hạn chế mức của các bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo.

Dải thông của các kênh tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu đã được xác định bằng tần số lấy mẫu và bộ lọc thông thấp, chỉ cho qua một tín hiệu. Khi cho qua nhiều tín hiệu, trường hợp nhiều thiết bị số thành phần được kết nối sử dụng cổng vào ra tương tự, sẽ xuất hiện méo tuyến tính làm giảm biên độ của đặc tuyến tần số và đặc tuyến trễ nhóm.

4- Thang lượng tử và các mức lượng tử

Các mức tín hiệu của thành phần tín hiệu chói U'Y theo chuẩn sọc màu 100/0/100/0 và các giá trị tương ứng của tín hiệu số UY biểu diễn bằng hệ HEX được cho trong bảng 5.5

Bảng 5.5 Giá trị các mức có ý nghĩa của tín hiệu tương tự thành phần chói và tín hiệu số thành phần chói, mã hoá 8 và 10 bit tín hiệu sọc màu 100/0/100/0

Mã hoá 8 bit

Mã hoá 10 bit

Các mức bảo vệ

3FC, 3FD, 3FE, 3FF

Mức lượng tử hoá cao nhất

3FB

Mức trắng

3AC

Mức xoá

040

Mức lượng tử hoá thấp nhất

004

Các mức bảo vệ

000,001,002,003

Hình 5.35 biểu diễn các mức tín hiệu chói và các giá trị mẫu biểu diễn bằng 8 bit và 10 bit trong chuẩn màu 100/0/100/0. Với 10 bit biểu diễn mẫu ta có được 1024 mức lượng tử từ 0 đến 1023 (hay từ 000 đến 3FF hệ HEX). Các mức 000, 001, 002, 003 và 3FC, 3FD, 3FE, 3FF được dành cho tín hiệu chuẩn thời gian. Còn lại 1016 mức lượng tử tương ứng từ số 4 đến 1019 để biểu diễn tín hiệu chói.

Xung xoá được thiết lập ở mức 64 (040 HEX). Đỉnh trắng được thiết lập tại mức 940 (hay 3AC hệ HEX). Các khoảng phòng vệ phía trên và phía dưới bao gồm từ mức 4 đến mức 64 (004 và 040) và từ mức 940 đến 1019 (3AC đến 3FB). Phần đồng bộ của tín hiệu chói không được lấy mẫu. Khoảng phòng vệ cho phép mức tín hiệu tương tự có thể thay đổi.

Theo lý thuyết, S/QRMS có thể được tính bằng

Cho n = 10 bit biểu diễn mẫu:

flm = 13,5MHz

fgh = 5,75MHz

Vq = 0,8174 V

VW - VB = 0,7 V

Giá trị S/QRMS tính được bằng:

S/QRMS = 70,35dB

Trong trường hợp dùng mã tuyến tính 8 bit, thang lượng tử chứa 28 = 256 (từ 0 ¸256) mức và có các khoảng cách đều nhau. Đối với tín hiệu chói người ta chỉ sử dụng 220 mức. Các mức còn lại: 36 mức được dành cho khoảng bảo vệ và tín hiệu đồng bộ.

Giá trị S/QRMS tính được bằng:

S/QRMS = 58,3dB

Bảng 5.6 Giá trị các mức có ý nghĩa của tín hiệu tương tự và tín hiệu số thành phần màu CB và CR mã hoá 8 và 10 bit tín hiệu sọc màu 100/0/100/0

Mã hoá 8 bit

Mã hoá 10 bit

Các mức bảo vệ

3FC, 3FD, 3FE, 3FF

Mức lượng tử hoá cao nhất

3FB

Mức dương cao nhất

3C0

Mức xoá

200

Mức âm cao nhất

040

Mức lượng tử hoá thấp nhất

004

Các mức bảo vệ

000,001,002,003

Các mức tín hiệu của các thành phần tín hiệu màu C'B và C'R theo chuẩn sọc màu 100/0/100/0 và các giá trị tương ứng của tín hiệu số C'B và C'R biểu diễn bằng hệ HEX được biểu diễn trên bảng 5.6 cho hệ thống 8 và 10 bit. Các tín hiệu hiệu màu là lưỡng cực và như vậy chúng cần phải dịch chuyển 0,350mV để phù hợp với bộ chuyển đổi A/D, vốn dĩ yêu cầu tín hiệu đơn cực.

Hình 5.36 biểu diễn các mức tín hiệu hiệu màu và các giá trị mẫu biểu diễn bằng 8 bit và 10 bit trong chuẩn màu 100/0/100/0.

Trong hệ thống sử dụng 10 bit biểu diễn mẫu, có 1016 mức lượng tử từ 4 đến 1019 (hay từ 004 đến 3FB hệ HEX) để biểu diễn tín hiệu màu CB và CR. Xung xoá được thiết lập tại mức 512 (hay 200 hệ HEX). Mức dương cực đại của tín hiệu tương tự được xác định tại mức 960 hay 3C0 hệ HEX. Các khoảng phòng vệ phía trên và phía 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 tín hiệu chói không được lấy mẫu. Khoảng phòng vệ cho phép mức tín hiệu tương tự có thể thay đổi.

Cho n = 10 bit biểu diễn mẫu:

flm = 6,75MHz

fgh = 2,75MHz

Vq = 0,7992 V

VW - VB = 0,7 V

Giá trị S/QRMS tính được bằng:

S/QRMS = 70,74dB

Trong hệ thống 8 bit giá trị S/QRMS tính được bằng:

S/QRMS = 58,7dB

5- Cấu trúc lấy mẫu

Trong tiêu chuẩn số hoá tín hiệu thành phần sử dụng cấu trúc lấy mẫu trực giao. Tín hiệu video tương tự được lấy mẫu tại tần số bằng bội số của tần số quét dòng, tạo ra một cấu trúc các mẫu được xếp lần lượt theo các dòng và theo các mành. Do tần số lấy mẫu tín hiệu chói bằng hai lần tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu, cho nên số mẫu của tín hiệu chói cũng nhiều hơn hai lần số mẫu của mỗi tín hiệu hiệu màu.

Số các mẫu tín hiệu chói trên một dòng được tính bằng flm/fH, trong đó flm = 13,5MHz và fH là tần số quét dòng. Số các mẫu của tín hiệu chói trên một dòng theo tiêu chuẩn 525/60 được tính bằng 858, đánh số từ 0 đến 857 và theo tiêu chuẩn 625/50 là 864, đánh số từ 0 đến 863.

Với tần số lấy mẫu tín hiệu màu flm = 6,75MHz, số các mẫu của tín hiệu hiệu màu trên một dòng theo tiêu chuẩn 525/60 được tính bằng 429, đánh số từ 0 đến 428 và theo tiêu chuẩn 625/50 là 4324, đánh số từ 0 đến 359 của mỗi tín hiệu hiệu màu CR và CB trên một dòng tích cực cho cả hai tiêu chuẩn. Khoảng xoá dòng gồm 138 mẫu, từ mẫu số 720 đến mẫu số 857 (tiêu chuẩn 525/60) và 144 mẫu từ mẫu số 729 đến mẫu số 863 (tiêu chuẩn 625/50).

Hình 5.37 và 5.38 biểu diễn mối quan hệ giữa các mẫu tín hiệu video và xung đồng bộ dòng trong cả hai hệ thống.

Hình 5.39 biểu diễn mối quan hệ giữa các mành số và tương tự trong tiêu chuẩn 525/60. Vị trí của dòng tích cực trong mành số được sắp xếp sao cho quá trình xử lý tín hiệu số không thực hiện theo từng nửa dòng. Theo đó, mành 1 có 262 dòng và mành 2 có 263 dòng. Khoảng xoá mành bao gồm 9 dòng ở cả hai mành.

Hình 5.40 biểu diễn mỗi quan hệ giữa các mành số tương tự trong tiêu chuẩn 625/50. Vị trí của dòng tích cực trong mành số được sắp xếp sao cho quá trình xử lý tín hiệu số không thực hiện theo từng nửa dòng. Theo đó, mành 1 có 288 dòng và mành 2 có 263 dòng. Khoảng xoá mành của mành 1 gồm 24 dòng và ở mành 2 là 25 dòng.

5.6- ghép kênh tín hiệu video số thành phần:

1- Ghép dòng tín hiệu số theo thời gian

Tuỳ thuộc vào các ứng dụng, các mẫu của tín hiệu chói và tín hiệu hiệu màu có thể được xử lý riêng biệt hoặc được ghép theo thời gian. Số mẫu tổng cộng sau khi ghép trên một dòng là 1716 mẫu, đánh số từ 0 đến 1715 (theo tiêu chuẩn 525/60) và 1728 mẫu (theo tiêu chuẩn 625/50), đánh số từ 0 đến 1727.

Dòng số tích cực bao gồm 720 mẫu tín hiệu UY và 360 mẫu tín hiệu CR, 360 mẫu tín hiệu CB đối với cả hai tiêu chuẩn. Như vậy, dòng số tích cực sẽ bao gồm 1440 mẫu, được đánh số từ 0 đến 1439. Số các từ trong khoảng thời gian xoá sẽ là 276, đánh số từ 1140 đến 1715 (đối với chuẩn 525/60) và 288, đánh số từ 1440 đến 1727 (đối với chuẩn 625/50).

Hình 5.41 minh hoạ sơ đồ khối đơn giản của một bộ mã hoá ghép thời gian có tốc độ dòng bit song song đầu ra là 27 Mword/s. Tín hiệu số UY có tốc độ 13,5 Mword/s (thời gian của một mẫu là 74ns) và tín hiệu CR, CB có tốc độ là 6,75 Mword/s (tương ứng thời gian của một mẫu là 148ns). Các tín hiệu này được đưa vào bộ trộn, đọc dữ liệu vào tuần tự theo tốc độ 27 Mword/s. Trên hình vẽ, số mẫu được bắt đầu bằng 1 thay vì 0 để cho các mẫu tín hiệu CR, CB là vị trí lẻ so với mẫu UY 1, 3, 5......

Một từ dữ liệu video được chuyển lên dòng số 27Mword/s theo thứ tự được truyền đi là: CB, UY, CR, UY, CB....

Trong đó, bộ ba đầu tiên (CB, UY, CR) tương ứng với điểm cùng lấy mẫu các tín hiệu Uy và tín hiệu CR, CB từ tiếp theo chỉ bao gồm mẫu UY mà thôi. Dữ liệu đầu tiên của mỗi dòng video tích cực là CB.

2- Tín hiệu chuẩn thời gian

Tiêu chuẩn số hoá tín hiệu thành phần không lấy mẫu các xung đồng bộ. Để đồng bộ dòng tín hiệu video, tại đầu và cuối mỗi dòng số tích cực, một tín hiệu chuẩn thời gian được ghép vào cùng với dòng số tổng hợp. Trong mỗi khoảng xoá dòng có 8 từ mã dùng làm chuẩn thời gian.

Vị trí của chúng trên dòng tín hiệu ghép được minh hoạ trên hình 5.42 và 5.43 cho hai tiêu chuẩn quét. Như trên hình 5.42, theo tiêu chuẩn 525/60, các từ mã đánh số từ 1440 đến 1443 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian EAV. Các từ mã đánh số từ 1712 đến 1715 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian SAV.

Trên hình 5.43 theo tiêu chuẩn 625/50, các từ mã đánh số từ 1440 đến 1443 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian EAV, các từ mã đánh số từ 1724 đến 1727 được dùng để truyền tín hiệu chuẩn thời gian SAV. Các từ mã chuẩn thời gian không thay đổi trong khoảng xoá mành.

Một tín hiệu chuẩn thời gian bao gồm 4 từ mã được xếp theo thứ tự, biểu diễn trong hệ HEX như sau:

3FF 000 000 XYZ

Ba từ mã đầu tiên là các từ cố định. Giá trị các từ 3FF và 000 dùng để xác định thời gian bắt đầu cho các tín hiệu EAV và SAV. XYZ là các giá trị biến đổi. Chúng mang các thông tin về: số mành; vị trị khoảng xoá dòng và vị trí khoảng xoá mành.

Bảng 5.7 liệt kê các giá trị nhị phân của 4 từ mã tạo nên EAV và SAV. Giá trị nhị phân của từ mã đầu tiên tương ứng với 3FF trong hệ Hex. Giá trị nhị phân của từ mã thứ hai và thứ ba tương ứng với 000 trong hệ Hex.

Từ mã thứ 4 có bit số 0 là 0, bit số 9 là 1. Các bit 6, 7, 8 tương ứng cho các giá trị F, V và H. Chúng được xác định như sau:

F: Thứ tự mành:

+ F = 0 Thuộc mành 1

+ F = 1 Thuộc mành 2

V: Vị trí khoảng cách xoá mành

+ V = 0 Thuộc mành tích cực

+ V = 1 Thuộc khoảng xoá mành

H: Xác định khoảng xoá dòng

+ H = 0 Xác địh SAV

+ H = 1 Xác định EAV

Các bit thứ 2, 3, 4, 5 dùng để sửa lỗi (02 bit) và bảo vệ (02 bit), tướng ứng nhận các giá trị P0, P1, P2, P3 tuỳ theo tình trạng của F, V.

Khoảng thời gian bắt đầu từ EAV và kết thúc tại SAVlà khoảng xoá dòng (hình 5.42 và 5.43). Như vậy, một khối dữ liệu nhỏ hơn 268 từ trong chuẩn 525/60 (hoặc 280 từ trong chuẩn 625/50) có thể được di truyền trong khoảng thời gian xoá dòng số.

Bảng 5.7 tín hiệu chuẩn thời gian theo tiêu chuẩn quét 525/60 và 625/50

(giá trị trong ngoặc chỉ tín hiệu TRS cho tiêu chuẩn 625/50)

Bit

Từ mã 1440 và 1712 (1724)

Từ mã 1441 và 1713 (1725)

Từ mã 1442 và 1714 (1726)

Từ mã 1443 và 1715 (1727)

Tại khoảng xoá mành có thể truyền đi một khối dữ liệu lớn hơn, đến 1440 từ trong phạm vi bắt đầu từ SAV và kết thúc tại EAV của mỗi dòng.

Trong thời gian xoá mành, chỉ cho phép sử dụng từ mã 8bit. Trong chuẩn 525/60 các dữ liệu phụ chỉ có thể được truyền đi trên các dòng số tích cực từ 1 đến 19 và các dòng từ 264 đến 282, trên đó không truyền tín hiệu video tích cực.

Tuy nhiên, tín hiệu video tích cực cũng có thể được truyền đi trên các dòng 10 đến 19 hay 273 đến 282, khi đó sẽ không thể truyền được dòng tín iệu phụ trên các dòng này nữa. Trong chuẩn 625/50, các dòng 20 và 333 được sử dụng cho mục đích tự kiểm tra của thiết bị. Các từ mã thuộc khoảng xoá dòng và xoá mành mà không truyền dữ liệu phụ phải có các đặc điểm:

- Từ mã tương ứng với mẫu Y có giá trị 040 Hex.

- Từ mã tương ứng với mẫu CR, CB có gía trị 200 Hex.

3- Dữ liệu phụ

Có hai dạng dữ liệu phụ là dữ liệu phụ theo dòng và dữ liệu phụ theo mành. Không như tiêu chuẩn số hoá tín hiệu tổng hợp 4fSC, dữ liệu phụ chỉ được truyền trên dòng bít nối tiếp, trong số hoá tín hiệu thành phần dữ liệu phụ có thể được truyền đi trên bất kỳ đâu trong dòng số song song 4:2:2 nơi không truyền tín hiệu chuẩn thời gian hoặc tín hiệu video tích cực.

a) Dữ liệu phụ theo dòng (HANC)

Trong khoảng thời gian xoá dòng cho phép truyền dữ liệu phụ gồm 10 bit. Mỗi khối dữ liệu này có chứa 3 từ mã mang thông tin đầu (header):

000 3FF 3FF

Để phù hợp với thiết bị sử dụng 8 bit mã hoá, các mức giá trị cần được chuyển đổi trong phạm vi 000 và 3FF mà thôi.

b) Dữ liệu phụ theo mành (VANC)

Trong tiêu chuẩn quét 525/60, dữ liệu phụ theo mành chỉ được truyền đi trong khoảng tích cực của các dòng từ 1 đến 13, 15 đến 19, 264 đến 276, 278 đến 282. Dòng 14 và 277 được dùng cho mã thời gian mành số và chỉ mục video. Dữ liệu phụ theo mành có dạng 8 bit. Mỗi khối dữ liệu này có chứa 3 từ mã header:

000 3FF 3FF

Để phù hợp với thiết bị sử dụng 8 bit và 10 bit mã hoá, các mức giá trị cần được chuyển đổi trong phạm vi 000 và 3FF.

5.7- ccir 601 - tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản

Việc lựa chọn các thông số cơ bản của truyền hình số được đặt ra từ năm 1972 thông qua các tổ chức EBU, OIRT trên cơ sở xem xét các yếu tố:

+ Thuận tiện cho quá trình sản xuất, trao đổi chương trình.

+ Tính tương thích của các thiết bị video số

+ Dễ dàng trong việc xử lý tín hiệu

Các nguyên tắc được quan tâm khi lựa chọn các thông số là:

- Phương pháp biến đổi dạng tín hiệu video truyền hình: Đó là việc sử dụng tín hiệu video màu hoàn chỉnh; tín hiệu video màu thành phần; tín hiệu chói và thàh phần tín hiệu hiệu màu; tín hiệu video màu cơ bản. Thực tế nghiên cứu cho thấy phương pháp biến đổi các tín hiệu video thành phần cho chất lượng ảnh thu cao hơn tại cùng một tần số lấy mẫu và cùng số bit biểu diễn mẫu.

Chọn các thông số lấy mẫu tín hiệu video: Cấu trúc lấy mẫu và tần số lấy mẫu. Như đã phân tích so với các cấu trúc lấy mẫu khác, cấu trúc trực giao cho chất lượng ảnh cao nhất vì vậy chúng thường được sử dụng. Đối với tần số lấy mẫu, để đạt được các yêu cầu về tần số Nyquist, sự thuận tiện trong trao đổi chương trình, tần số lấy mẫu tín hiệu chói là 13,5MHz. Tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu màu là 6,7MHz cho ảnh khôi phục với chất lượng cao. Việc lấy mẫu quan tâm đến việc chọn số mẫu trên một dòng tích cực - thời gian mang thông tin hình ảnh của dòng đó. Tiêu chuẩn truyền hình sử dụng 720 mẫu cho tín hiệu chói và 360 mẫu cho tín hiệu hiệu số màu.

Bảng 5.8 Chỉ tiêu truyền hình số cơ bản

STT

Thông số

Hệ 525/60

Hệ 625/50

+ Tín hiệu được số hoá

Y, (R - Y) , (B - Y)

+ Tổn số mẫu mối dòng

- Tín hiệu chói:

- Mỗi tín hiệu hiệu màu:

858

429

864

432

+ Cấu trúc lấy mẫu

Cấu trúc lấy mẫu trực giao, cố định, lặp lại theo dòng, mành

và ảnh

+ Vị trí các mẫu các tín hiệu thành phần

Mẫu của (R - Y), (B - Y) được lấy tại cùng một điểm với các mẫu Y lẻ (1, 3, 5...) trên mỗi dòng

+ Tần số lấy mẫu.

- Tín hiệu chói:

- Tín hiệu hiệu màu:

13,5MHz

6,75 MHz

+ Phương thức mã hoã

Lượng tử hoá đồng đều đối với tất cả các mức 8 bit/mẫu

+ Số mẫu trên dòng tích cực:

- Tín hiệu chói:

- Tín hiệu hiệu màu:

720

360

+ Khoảng cách từ điểm cuối của dòng só (thời gian tích cực) đến điểm bắt đầu của một dòng số mới

16 chù kỳ nhịp

12 chu kỳ nhịp

+ Tổng số mức:

+ Tín hiệu chói:

- Mức đen:

- Mức trắng:

+ Tín hiệu màu:

0 ¸ 255 mức

220 mức

Mức 16

Mức 235

225 mức, đối xứng qua trục tại mức 128

+ Tín hiệu đồng bộ

Từ mã tương ứng với các mức 0 và 255 tuyệt đối chỉ dùng cho tín hiệu đồng bộ. Từ mức 1 ¸ 254 có thể được sử dụng cho tín hiệu video

- Lựa chọn loại điều chế PCM. Loại PCM tuyến tính cho chất lượg ảnh cao nhất. Qua nghiên cứu, sử dụng 8 bit thoả mãn chất lượng ảnh khôi phục. Số mức lượng tử càng lớn, việc biến đổi tín hiệu tương tự sang dạng số càng chính xác và càng ít méo lượng tử.

Tiểu chuẩn truyền hình số cơ bản đã được các tổ chức EBU, OIRT nghiên cứu, trao đổi và đi đến thống nhất với tên gọi CCIR - 601. Tiêu chuẩn này phù hợp cho cả 2 hệ truyền hình 525 và 625 còn được gọi là tiêu chuẩn 4: 2: 2. Các thông số tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản được chỉ ra trong bảng 5.8

5.8 - tín hiệu audio số

1- Khái quát về audio số

Sử dụng các thiết bị số để xử ý, ghi và truyền tín hiệu audio cũng như phối hợp trong các hệ thống video tương tự cần phải có các bộ biến đổi A/D và D/A. Xử lý tín hiệu audio số có hiệu quả cao khi bộ biến đổi A/D không làm suy giảm chất lượng tín hiệu, thiết bị không phức tạp và tín hiệu có thể được truyền đi dưới các định dạng phù hợp.

Hiện nay, các thiết bị audio tiêu chuẩn như thiết bị biến đổi, micro, loa và các thiết bị tương tự. Như vậy các tín hiệu liên tục theo thời gian cần được biến đổi sang tín hiệu rời rạc phục vụ cho qúa trình xử lý số tín hiệu audio.

Biến đổi A/D tín hiệu audio cũng bao gồm các giai đoạn lấy mẫu (rời rạc hoá theo thời gian), lượng tử (rời rạc hoá theo biên độ) và mã hoá.

Quá trình lấy mẫu tương ứng với quá trình điều biên tín hiệu với tín hiệu điều chế là các xung có tần số xuất hiện bằng tần số lấy mẫu. Điều biên xung (PAM) là một phương pháp được sử dụng nhiều trong biến đổi A/D tín hiệu audio. Phương pháp này được biểu diễn trong miền thời gian trên hình 5.44 trong miền tần số trên hình 5.45.

2- Biểu diễn tín hiệu

Các mẫu thu được sẽ được biểu diễn bằng một mã nhị phân sau quá trình lượng tử hoá biểu diễn mẫu. Trong hệ thống tuyến tính 4 bit, có thể có 16 giá trị để mã hoá mức biên độ tín hiệu cho mỗi mẫu.

Trong ví dụ trên hình 5.46 một sóng dạng hình sin ban đầu được xác định bằng các mẫu tại vị trí lấy mẫu. Các mẫu được làm tròn tới mức gần nhất tương ứng. Sai số giữa tín hiệu ban đầu và các mẫu sau khi lượng tử hoá gọi là sai số lượng tử.

Tuy nhiên trong thực tế, các giá trị nhị phân không biểu diễn một cách trực tiếp như trên hình 5.46. Giá trị của âm thanh được biểu diễn bằng dạng số bù hai. Số nhị phân bên trái (MSB) chỉ dấu của biên độ tín hiệu. Ví dụ một biểu diễn tín hiệu dưới dạng nhị phân trong hệ thống 20 bit, dải biên độ tín hiệu được biểu thị từ 7FFF đến 8000.

Với tín hiệu có biên độ nhỏ, số bít biểu diễn tương ứng sẽ ít và vì vậy sai số lượng tử sẽ ảnh hưởng càng nhiều đến tín hiệu. Sai số lượng tử có thể được giảm nhỏ bằng cách tăng số mức lượng tử. Các hệ thống biến đổi A/D có thể sử dụng 16 hoặc 20 bit biểu diễn mẫu.

Mỗi giá trị mẫu sau khi lượng tử được mã hoá bằng các dạng tín hiệu khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu truyền và ghi tín hiệu. Các hệ thống mã hoá hay sử dụng là điều chế xung mã (PCM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều xung mã vi sai (DPCM)....

Sơ đồ khối tổng quát bộ mã hoá và giải mã PCM được vẽ trên hình 5.47. Tần số lấy mẫu tín hiệu audio theo tiêu chuẩn hiện nay thường được lấy theo ba giá trị: Tần số 32 kHz: cho các ứng dụng truyền dẫn; Tần số 44,1 kHz: áp dụng cho các hệ ghi băng PAL vàNTSC sử dụng bộ phối hợp PCM để nghi và phát tín hiệu audio số, tần số này cũng dùng cho cả tín hiệu audio ghi trong đĩa quang hay băng ghi số (DAT); Và tần số 48kHz là tín hiêu chuẩn cho truyền thanh audio quảng bá.

3- Đặc điểm bộ biến đổi A/D và D/A

Cả hai quá trình biến đổi A/D và D/A đều tạo ra sai số cho tín hiệu audio. Các sai số này không quá lớn khi xét chúng một cách độc lập, song việc sử dụng nhiều các chuyển đổi A/D và D/A sẽ tạo nên các sai số tổng theo mức tương tự hay các nhóm tần số, kết quả là ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiêu audio. Các sai số này có thể được chia ra làm hai loại:

- Sai số do lọc thông thấp: Trễ nhóm xuất hiện khi một nhóm các tần số xuất hiện trễ hơn một nhóm các tần số khác trong phổ tín hiệu. Trễ nhóm làm méo tín hiệu tái tạo. Ngoài ra các gợn sóng trong bộ lọc tránh chồng phổ và bộ lọc tái tạo có thể được tích luỹ và tạo ra các sai số biên độ gây ảnh hưởng đến tín hiệu tương tự được tạo lại.

- Sai số do biến đổi: Các giá trị lượng tử xuất hiện sai số khi tần số xung lấy mẫu biến đổi, kết quả là vị trí lấy mẫu không thực sự chính xác, các bộ biến đổi phi tuyến AD và DA cũng có các sai số dạng này.

4- Mã hoá kênh truyền

Nhằm tránh các sai số có thể xảy ra, có thể sử dụng các bộ lọc có tính năng cao với đường đặc tuyến bằng phẳng và sử dụng lấy mẫu với tânhiều số cao. Một phương pháp khác là sử dụng các mã có tính chất đặc biệt, đó là mã NRZ (None Return to Zezo) và mã BPM (BiPhase - Mark) trong kênh truyền.

Mã hoá kênh được sử dụng trong các hệ thống ghi và truyền tín hiệu số để phối hợp các tính chất của mã và tính chất của quá trình ghi, của đường truyền.

Mã hoá kênh biến đổi tín hiệu ban đầu thành dạng dòng bit có mật dộ cao trong phạm vi của kênh truyền. Các thành phần một chiều và thành phần tần số thấp không được truyền đi.

Để truyền tín hiệu số không có lỗi trong kênh truyền thì yêu cầu một tốc độ truyền tín hiệu nhỏ hơn giới hạn đường truyền của kênh thông tin. Khả năng bị mất thông tin sẽ giảm khi thời gian truyền hoặc dải thông kênh truyền tăng lên. Vì vậy mã hoá kênh là cần thiết để đạt được hiệu quả truyền cao nhất.

Các kênh truyền có các đặc tính truyền đạt khác nhau tại vùng tần số cao và tần số thấp. Mã hoá kênh định dạng lại phổ của tín hiệu được truyền sao cho sai số xuất hiện là nhỏ nhất.

Nhiều các dạng mã hoá thông tin được dùng để mã hoá thông tin số trong các ứng dụng khác nhau, tuy nhiên yêu cầu của dạng mã truyền là có tể khôi phục được tín hiệu đồng bộ tốt.

Các tiêu chuẩn AES/EBU xác định môi trường truyền là các dây dẫn, cho dung lượng đường truyền cao theo tín hiệu nối tiếp (tín hiệu thu được từ bộ A/D là tín hiệu song song, sẽ được chuyển thành tín hiệu nối tiếp bằng bộ chuyển đổi song song - nối tiếp). Tín hiệu clock được xác định tại điểm bắt đầu trong quá trình giải mã. Dòng bit theo tiêu chuẩn được mã hoá BPM. Sơ đồ khối bộ biến đổi mã truyền được vẽ trên hình 5.48.

Đặc điểm của các mã kênh truyền:

- Mã NRZ: các giá trị 0 và 1 được truyền đi theo mức âm và dương, theo đó sự truyền tín hiệu chỉ xuất hiện khi bit số liệu thay đổi. Trong một chuỗi bit giống nhau, mức của tín hiệu không trở về mức 0 giữa các bit.

Mã BPM: Sự thay đổi luôn xuất hiện khi truyền bit 1 và khi bắt đầu truyền bit mới. Theo đó, sự thay đổi hoặc không thay đổi mức tín hiệu khi truyền 1 bit xác định bit được truyền là bit 0 hay 1, hình 5.49

Đặc tính phổ của tín hiệu NRZ và BPM được vẽ trên hình 5.50. Mã NRZ có năng lượng chủ yếu tập trung ở vùng tần số thấp. Mã BPM có năng lượng thấp hơn, song yêu cầu dải thông kênh truyền lớn hơn. Mã BPM có năng lượng phổ tập trung tại tần số tốc độc truyền bit. Biên độ phổ bằng 0 tại tần số DC.

5.9 - ghép dòng tín hiệu audio số

1- Cấu trúc dòng audio số theo chuẩn giao tiếp AES/EBU

- Tiêu chuẩn audio số AES/EBU là các giao thức cho phép các thiết bị số truyền và nhận tín hiệu audio số.

Cấu trúc dòng tín hiệu audio số theo tiêu chuẩn được vẽ như trong hình 5.51. Các khung số liệu được tạo thành từ hai khung con A và B, các khung con phối hợp số liệu từ các nguồn hay kênh tín hiệu audio, dữ liệu phụ và tín hiệu khác.

Các khung audio được nhóm thành các khối, mỗi khối bao gồm192 khung. Mỗi một khối được bắt đầu bằng một cờ báo hiệu (Z). Với tần số lấy mẫu 48KHz, một khung audio có thời gian là 20,38ms. Như vậy, một khối số liệu audio theo chuẩn AES/EBU chiếm khoảng thời gian bằng:

20,38ms x 192 = 4000ms

Từ đồng bộ, bao gồm 4 bit để xác định một mẫu mới và một khối mới. Có ba từ đồng bộ khác nhau được sử dụng đó là:

- Từ đồng bộ Z: Thứ tự bit này để chỉ bắt đầu khung của một khối mơí. Từ mã này tạo ra cờ Z.

- Từ mã X: Chỉ bắt đầu của tất cả các khung còn lại.

- Từ mã Y: Chỉ vị trí bắt đầu của tất cả các khung con B.

Các từ mã 4 bit này không được mã hoá giống như các bit còn lại trong khung. Thứ tự các bit được mã hoá biểu diễn như trên hình 5.51. Cấu trúc mã hoá cho phép là giảm thành phần một chiều trên đường truyền, phục hồi lại tín hiệu clock và xác định khung con trong dòng tín hiệu.

Mỗi khung audio chứa hai khung con, mỗi khung con có 32 bit. Mẫu tín hiệu audio có thể được biểu diễn bằng 16, 20 hay 24 bit trong trường hựp 4 bit dữ liệu phụ cũng được mã hoá biểu diễn mẫu. Xác lập bit trạng thái phụ được chỉ ra trong các bit trạng thái kênh. Các bit số liệu phụ cũng thể mang thông tin của các tương tự phụ. Trong thời gian 4 ms hay 192 khung có 4 x 192 = 768 có thể tạo thành 64 từ mã audio với độ chính xác 12 bit, dòng số này tương đương tần số lấy mẫu 16kHz. Mỗi một khung audio có khả năng mang một kênh số liệu phụ riêng.

Mỗi khung con mang 4 bit chức năng:

- Bit V (Validity): Bit V được thiết lập mức 0 nếu số liệu từ mẫu audio là đúng và phù hợp với bộ biến đổi D/A.

- Bit U (ser): Bit U trong mỗi khung con được truyền đến một mảng nhớ gồm 28 hàng như trong hình 5.52. Mảng này sẽ chứa 192 bit U từ cùng một nguồn hay loại khung con audio bao gồm trong một khối số liệu. Định dạng số liệu có thể sử dụng được chỉ ra trong trạng thái kênh, byte 1 từ bit 4 đến bit 7.

- Bit C (Channel): Tương tự như bit U, bit C trong mỗi khung con được đưa đến mảng gồm 28 hàng. Số liệu trong mảng này xác định nội dung từ mã audio.

- Bit B (Parity): Xác định trạng thái chẵn lẻ cho phép kiểm tra lỗi trong dòng bit. Mảng trạng thái kênh xác định ý nghĩa trong thông tin số liệu theo chuẩn AES/EBU.

Chọn số liệu trong giao tiếp tín hiệu audio số được minh hoạ trên hình 5.53. Các kênh tín hiệu audio tương tự vào được xử lý và chuyển thành số liệu 16 đến 20bit với tần số lấy mẫu là 48 kHz để phù hợp với tiêu chuẩn AES/EBU. Các mẫu được mã hoá PCM tuyến tính sử dụng số bù hai.

Hình 5.54 minh hoạ bộ giải mã và tách kênh tín hiệu audio. Một bộ giải mã BPM được dùng để biến đổi dòng tín hiệu nối tiếp BPM thành dòng số liệu. Sau dó các số liệu audio từ dòng số ghép kênh được tách riêng thành hai dòng số audio. Các bit chức năng V, C, U, P cũng được lấy ra từ các khung con để điều khiển quá trình xử lý, đồng bộ khung, tạo ra 192 bit trạng thái kênh và khối.

2- Đồng bộ tín hiệu audio số trong tín hiệu truyền hình

Trong tín hiệu truyền hình, tín hiệu chuẩn audio số cần được đồng bộ với tín hiệu chuẩn video số để đảm bảo được các tương quan giữa tín hiệu audio và video cũng như cho phép sử dụng các tín hiệu này một cách riêng theo yêu cầu xử lý tín hiệu.

Trong hệ thống 625/50, số các mẫu tín hiệu audio trong một khung video là xác định (với tần số lấy mẫu 48kHz thì số lấy mẫu đó là 1920 mẫu). Pha giữa tín hiệu audio và video được duy trì theo như trên hình 5.55. Tín hiệu audio có thể được đồng bộ với tín hiệu video bằng cách lấy ra tín hiệu chuẩn 48 kHz từ tín hiệu chuẩn video 625/50.

Quan hệ giữa số các mẫu audio trên một khung video và tần số khung hình theo tiêu chuẩn lấy mẫu audio khác nhau được minh hoạ trong bảng 5.10

Bảng 5.10 Các tần số lấy mẫu và số mẫu audio trên một khung hình

trong các tiêu chuẩn

Tần số lấy mẫu (KHz)

Chuẩn quét 29.97 khung hình/giây

Chuẩn quet 25

khung hình/'giây

Chuẩn quét 30

khung hình/giây

8008/5

1920/1

1600

44,1

147147/100

1764/1

1470

16016/15

1280/1

3200/3

Trong hệ thống 525/60, số các mẫu audio trên một khung video không phải là một số nguyên (bằng 8008/5) được tính như sau:

mẫu

Trong đó 33.366,67 ms là thời gian của một khung video và 20,8333 ms là thơi gian của một khung audio. Theo đó cứ 05 khung video ta lại thu được một số nguyên các mẫu audio. Thứ tự số các mẫu tương ứng trong 5 khung video liên tiếp được biến đổi lần lượt giữa các số 1602 và 1601 sao cho trong 5 khung video này số mẫu audio đúng bằng 8008.

Phần iii

kỹ thuật nén video số

6.1 - khái niệm về nén tốc độ dòng bit

1- Khái quát chung

Trong tất cả các dạng tín hiệu thì tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin. Tín hiệu video số thành phần (số hoá 8 bit) có tốc độ bit bằng 216 Mbit/s. Dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này phải có bề rộng không dưới (43/4) x 216 = 162 MHz. Trong studio, truyền tín hiệu bằng cáp, jắc nối chất lượng cao và với khoảng cách ngắn việc nén dải tần chỉ mang tính kinh tế, việc truyền tín hiệu có thể thực hiện mà không cần nén. Song sẽ rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được việc truyền tín hiệu video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27 MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7 -8 MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn. Do vậy, nén tín hiệu video là công đoạn không thể thiếu để khắc phục được những khó khăn trên.

Nén về cơ bản là một quá trình trong đó lượng số liệu (data) biểu diễn thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau. Vậy tín hiệu truyền hình có chứa dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin hình ảnh. Đó là các phần xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau, mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hoặc khác nhau rất ít. Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể được dự báo, do đó chỉ cần truyền các thông tin về chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh thường giống nhau, do đó chỉ cần truyền các thông tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu video và các đặc trưng của mắt người (là kém nhậy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động). Quá trình sau nén ảnh là dãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc một xấp xỉ ảnh gốc.

Sự phát triển của kỹ thuật số và việc sử dụng công nghệ số vào kỹ thuật truyền hình làm cho khái niệm "nén video" trở thành đề tài nóng hổi trong những năm gần đây. Thật ra khái niệm nén video đã có từ những năm 1950 cùng với sự ra đời của các hệ truyền hình màu. Đó là nén độ rộng băng tần bằng kỹ thuật tương tự. ở đây ba tín hiệu thành phần màu (R, G, B) với tổng bề rộng dải thông 15 MHz đã được nén trong một tín hiệu video màu tổng hợp duy nhất với bề rộng dải thông bằng 5 MHz. Dải thông tần được giảm ba lần, hay nói một cách khác, hệ số nén bằng 3: 1.

Nén video trong những năm 1950 được thực hiện bằng công nghệ tương tự với tỉ số nén thấp. Ngày nay, công nghệ nén đã đạt được những thành tựu cao hơn bằng việc chuyển đổi tín hiệu video từ tương tự sang số. Công nghệ nén số đòi hỏi năng lực tính toán nhanh, song với sự phát triển của công nghệ thông tin, nhất là từ khi Shannon trình bày quan niệm xác suất về thông tin và cách biểu diễn truyền và nén chúng, thì điều này đã không còn là trở ngại và nén ảnh càng trở nên quan trọng.

Từ những năm 1980, các nhà khoa học đã đạt được những thành tựu quan trọng trong việc nén tín hiệu video và audio. Có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị nén, nhưng đều dựa trên hai định dạng nén rất phổ iến là JPEG và MPEG.

2- Mô hình nén ảnh

ở đầu tiên của bộ mã hoá video, tín hiệu video được trình bày dưới dạng thuận tiện để nén có hiệu quả nhất. Điểm cốt yếu là phải xác định cái gì được mã hoá. Sự biểu diễn có thể chứa nhiều mẩu thông tin để mô tả tín hiệu hơn là chính tín hiệu, nhưng hầu hết các thông tin quan trọng chỉ tập trung một phần nhỏ vào sự mô tả này. Trong cách biểu diễn có hiệu quả, chỉ có phần nhỏ dữ liệu là cần thiết để truyền cho việc tái tạo lại tín hiệu video.

Hoạt động thứ hai của mã hoá là lượng tử hoá, giúp rời rạc hoá thông tin được biểu diễn. Để truyền tín hiệu video qua một kênh số, những thông tin biểudiễn được lượng tử hoá thành một số hữu hạn các mức.

Hoạt động thứ ba là gán các từ mã. Các từ mã này là một chuỗi bit dùng để biểu diễn các mức lượng tử hoá. Các quá trình sẽ ngược lại trong bộ giải mã video.

Mỗi hoạt động cố gắng loại bỏ phần dư thừa trong tín hiệu video và tận dụng sự giới hạn của hệ thống nhìn của mắt người. Nhờ bỏ đi các phần tử dư thừa, các thông tin giống nhau hoặc có liên quan đến nhau sẽ không được truyền đi. Những thông tin bỏ đi mà không ảnh hưởng đến việc nhìn, cũng sẽ không được truyền di

3- Dư thừa thông tin trong tín hiệu video

Nén số liệu là quá trình giảm lượng số liệu cần thiết để biểu diễn cùng một lượng thông tin cho trước. Cần pải phân biệt giữa số liệu và thông tin. Thực tế số liệu và thông tin không đồng nghĩa với nhau. Số liệu (và do đó tín hiệu) chỉ là phương tiện dùng để truyền tải thông tin. Cùng một lượng thông tin cho trước có thể biểu diễn bằng các lượng số liệu khác nhau. Ví dụ, nếu hai người khác nhau dùng số từ khác nhau để kể cùng một câu truyện, sẽ có hai version khác nhau của câu truyện và một có chứa số liệu không chủ yếu; nó bao gồm số liệu hoặc từ không có thông tin thích hợp lẫn xác định đã biết. Đó là do nó đã chứa độ dư thừa số liệu.

Độ dư thừa số liệu là vấn đề trung tâm trong nén ảnh số. Đánh giá cho quá trình thực hiện giải thuật nén là tỉ lệ nén (CN) được xác định như sau: Nếu N1 và N2 là lượng số liệu trong hai tập hợp số liệu cùng được dùng để biểu diễn một lượng thông tin cho trước thì độ dư số liệu tương đối RD của tập hợp số liệu thứ nhất so với tập hợp số liệu thứ hai có thể được định nghĩa như sau:

RD = 1 - l/CN (6.1)

Trong đó:

CN = N1/N2 (6.2)

Trong trường hợp N1 = N2 thì CN = và RD = 0, có nghĩa là so với tập số liệu thứ hai thì tập số liệu thứ nhất không chứa số liệu dư thừa. Khi N2 << N1 thì CV tiến tới vô cùng và RD tiến tới một, có nghĩa là độ dư thừa số liệu tương đối của tập số liệu thứ nhất là khá lớn hay tập số liệu thứ hai được nén khá nhỏ.

ở đây có sự kết hợp giữa tỉ lệ nén và chất lượng hình ảnh. Tỉ lệ nén càng cao sẽ làm giảm chất lượng hình ảnh và ngược lại. Chất lượng và quá trình nén có thể thay đổi tuỳ theo đặc điểm của hình ảnh nguồn và nội dung ảnh. Đánh giá chất lượng ảnh được đề nghị tính số bit cho một điểm trong ảnh nén (Nb). Nó được xác định là tổng số bit ở ảnh nén chia cho tổng số điểm:

Nb = Số bit nén/Số điểm (6.3)

Ta tìm hiểu hai loại dư thừa trong ảnh số là dư thừa thông kê và dư thừa do cảm nhận sinh lý của mắt người.

a) Dư thừa thống kê

Hầu như tất cả các ảnh đều chứa các thông tin trùng lặp. Trong các hệ thống không sử dụng kỹ thuật nén, các thông tin trùng lặp này được lặp đi lặp lại trong dòng tín hiệu để tạo lại những vùng hình ảnh trùng nhau trong toàn bộ bức ảnh, và tạo ra sự dư thừa thông tin. Sự dư thừa thông tin này không chỉ tồn tại trong phạm vi một bức ảnh (gọi là dư thừa theo không gian), mà còn có ở trong các bức ảnh liền nhau trong chuỗi các bức ảnh tạo thành khung cảnh truyền hình (gọi là dư thừa theo thời gian). Ví dụ, khung cảnh một bầu trời xanh sẽ tạo ra rất nhiều điểm ảnh mang thông tin như nhau, và chúng chỉ được mã hoá một lần tại bộ mã hoá, rồi sau đó được giải mã tại những vị trí cần thiết tại đầu thu để tạo lại khung cảnh này. Quá trình xác định giá trị điểm ảnh trùng hợp trong một khung hình được gọi là quá trình giải tương quan dữ liệu. Biến đổi cosin rời rạc là một quá trình như thế, trong biến đổi này, hầu hết năng lượng có một khối các điểm ảnh được tập trung vào các phần tử có hệ số biến đổi thấp nhất (Đ 6.4)

b) Dư thừa do cảm nhận sinh lý của mắt người

Các giá trị mẫu được số hoá trong một bức ảnh không hoàn toàn đồng nhất với hệ thống cảm nhận của mắt người. Khi hệ thống cảm nhận ánh sáng không nhìn thấy một lỗi nào đó, lỗi này sẽ không làm ảnh hưởng đến chất lượng ảnh tái tạo. Nhờ vậy, có thể cắt bớt hoặc thậm chí loại bỏ một số mẫu mà không làm giảm khả năng thu được ảnh trung thực của người xem. Thực nghiệm cho thấy rằng trong ảnh truyền hình chứa nhiều các thông tin có thể loại bỏ đi như thế.

4- Sai lệch bình phương trung bình

Một đánh giá thống kê khác có thể đánh giá cho nhiều giải thuật nén là sai lệch bình phương trung bình so với ảnh gốc RMS (Root Mean Square) được tính bởi biểu thức:

Trong đó: RMS - sai lệch bình phương trung bình;

Xi - giá trị điểm ảnh ban đầu

X'i - giá trị điểm ảnh sau khi giải nén

n - tổng số điểm ảnh trong một ảnh

RMS chỉ ra sự khác nhau thống kê giữa ảnh ban đầu và ảnh sau khi nén. Đa số trường hợp khi nén chất lượng của ảnh nén là tốt với RMS thấp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể xảy ra là chất lượng ảnh nén với RMS cao tốt hơn ảnh nén với RMS thấp hơn.

6.2 - lý thuyết thông tin - entropy

Lượng thông tin chứa đựng trong một chi tiết hình ảnh tỉ lệ nghịch với khả năng xuất hiện của nó. Nói một cách khác, một sự kiện ít xảy ra sẽ chứa đựng nhiều thông tin hơn một sự kiện có nhiều khả năng xuất hiện. Đối với hình ảnh, lượng thông tin của một hình ảnh bằng tổng số lượng thông tin của từng phần tử (pixel) ảnh.

entropy đo giá trị thông tin trung bình chứa đựng trong một bức ảnh và theo đó, entropy cũng xác định lượng thông tin trung bình nhỏ nhất biểu diễn bởi mỗi giá trị nhị phân qua quá trình mã hoá, để bảo toàn được khả năng khôi phục ảnh tốt. Theo lý thuyết, độ dài trung bình của một từ mã (cũng tương đương với tốc độ bit thu được) qua một phương pháp nén không thể nào nhỏ hơn entropy của bức ảnh, một số thông tin của bức ảnh sẽ bị mất.

Theo quan điểm của lý thuyết thông tin, lượng thông tin của từng phần tử ảnh được định nghĩa là logarit cơ số hai của nghịch đảo xác suất xuất hiện của phần tử ảnh đó:

Trong đó: l(xi) - lượng thông tin của phần tử ảnh xi (được tính bằng bit).

P(xi ) - xác suất xuất hiện của phần tử ảnh xi.

Nếu một hình ảnh được biểu thị bằng các phần tử x1, x2, x3.... Xác suất xuất hiện của từng phần tử tương ứng sẽ là P(x1), P(x2), P(x3)....

Biết được lượng tin tức của từng phần tử ảnh chưa đủ, còn cần phải biết được lượng tin tức bình quân của cả tập hợp các phần tử ảnh của hình ảnh. Lượng tin tức bình quân ấy người ta gọi là entropy, được biểu diễn bằng biểu thức bình quân thống kê sau: Gọi lượng thông tin trung bình của hình ảnh H(x) (entropy của hình ảnh), ta có.

(6.6)

Độ dài trung bình của một từ mã là giá trị trung bình thống kê của tất cả các từ mã trong bộ mã. C.E. Shannon đã chỉ ra rằng "Độ dài trung bình của một từ mã không thể nào nhỏ hơn entropy của nguồn số liệu được mã hoá". Do vậy, entropy của hình ảnh là một giá trị có ý nghĩa quan trọng, bởi nó xác định số lượng bit trung bình tối thiểu cần thiết để biểu diễn một phần tử ảnh.

Trong công nghệ nén không tổn hao, entropy là giới hạn dưới của tỉ số bit/pixel. Nếu tín hiệu video được nén với tỉ số bit/phần tử nhỏ hơn entropy, hình ảnh sẽ bị mất thông tin và quá trình nén sẽ có tổn hao.

Ví dụ: Xét hai block ảnh trên hình 6.1, mỗi block có 8 x8 = 64 phần tử ảnh. Block ảnh 1 bao gồm 63 phần tử có giá trị "0" và một phần tử có giá trị "1". Block ảnh 2 bao gồm 32 phần tử có giá trị "0" và 32 phần tử có giá trị "1".

Theo (6.6) ta có entropy của block ảnh 1 bằng:

bit/phần tử

Entropy của block ảnh 2 bằng:

bit/phần tử.

Như vậy, số lượng bit trung bình tối thiểu cần thiết để truyền một phần tử ảnh đối với block ảnh 1 bằng 0,116bit/phần tử và đối với block ảnh 2 bằng 1 bit/phần tử, tức là bock ảnh 2 chứa lượng thông tin nhiều hơn bock ảnh 1.

6.3 - các phương pháp nén video

Các hệ thống nén số liệu là sự phối hợp của rất nhiều các kỹ thuật xử lý nhằm giảm tốc độ bit của tín hiệu số mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh phù hợp với một ứng dụng nhất định.

Nhiều các kỹ thuật nén mất và không mất thông tin (loss/lossless data reduction techniques) đã được phát triển trong nhiều năm qua. Chỉ có một số ít trong chúng có thể áp dụng cho nén video số.

1- Nén không mất thông tin

Nén không mất thông tin cho phép phục hồi lại đúng tín hiệu ban đầu sau khi giải nén. Đây là một quá trình mã hoá có tính thuận nghịch. Hệ số nén phụ thuộc vào chi tiết ảnh được nén. Hệ số nén của phương pháp nén không mất thông tin nhỏ hơn 2:1. Các kỹ thuật nén không mất thông tin như dưới đây.

a) Mã hoá với độ dài (của từ mã) thay đổi (VLC)

Phương pháp này còn được gọi là mã hoá Huffman và mã hoá entropy, dựa trên khả năng xuất hiện của các giá trị biên độ trùng hợp trong một bức ảnh và thiết lập một từ mã ngắn cho các giá trị có tần suất xuất hiện cao nhất và từ mã dài cho các giá trị còn lại. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập cao nhất và từ mã dài cho các giá trị còn lại. Khi thực hiện giải nén, các thiết lập mã trùng hợp sẽ được sử dụng để tạo lại giá trị tín hiệu ban đầu. Mã hoá và giải mã Huffman có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng cách sử dụng các bảng tìm kiếm.

b) Mã hoá với độ dài (của từ mã) động (RLC)

Phương pháp này dựa trên sự lặp lại của cùng giá trị mẫu để tạo ra các mã đặc biệt biểu diễn sự bắt đầu và kết thúc của giá trị được lắp lại. Chỉ các mẫu có giá trị khác không mới được mã hoá. Số mẫu có giá trị bằng không sẽ được truyền di dọc theo cùng dòng quét. Cuối cùng, các chuỗi 0 được tạo ra bằng quá trình giải tương quan như phương pháp DCT hay DPCM.

c) Sử dụng khoảng xoá dòng và mành

Vùng thông tin xoá được loại bỏ khỏi dòng tín hiệu để truyền đi vùng thông tin tích cực của ảnh. Theo phương pháp đó, thông tin xoá dòng và xoá mành sẽ không được ghi giữ và truyền đi. Chúng được thay bằng các dữ liệu đồng bộ ngăn hơn tuỳ theo các ứng dụng.

d) Biến đổi cosin rời rạc (DCT)

Quá trình DCT thuận và nghịch được coi là không mất thông tin nếu độ dài từ mã hệ số là 13 hoặc 14 băng tần đối với dòng video số sử dụng 8 bit biểu diễn mẫu. Nếu độ dài từ mã hệ số của phép biến đổi DCT nhỏ hơn, quá trình này trở nên có mất thông tin.

2- Nén có mất thông tin

Nén có mất thông tin sử dụng hai hoặc nhiều hơn các kỹ thuật xử lý nhằm đạt được một sự biểu diễn mã hoá thuận lợi tín hiệu hình ảnh. Nén có mất thông tin đạt được hệ số nén cao hơn so với phương pháp nén không mất thông tin, vào cỡ 2:1 đến 100: 1. Sau khi nén, một số thông tin sẽ bị mất và chất lượng ảnh bị suy hao do quá trình làm tròn và loại bỏ giá trị trong phạm vi khung hình hay giữa các khung hình. Suy hao chất lượng ảnh sẽ không trầm trọng, khi kỹ thuật nén nằm trong giới hạn của sự cảm nhận, của mắt người. Hệ số nén có thể thay đổi theo chi tiết ảnh và cho phép tạo ra dòng bit có tốc độ không đổi, phục vụ cho các ứng dụng lưu trữ và truyền dẫn. Tốc độ dòng số liệu đạt được trong hệ thống nén có mất thông tin phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng ảnh cần có.

Các kỹ thuật nén có mất thông tin như dưới đây.

a) Lấy mẫu con (Subsampling)

Đây là một phương pháp nén rất có hiệu quả, song độ phân giải của ảnh sau khi giải nén giảm so với ảnh ban đầu. Vì vậy, kỹ thuật lấy mẫu con không áp dụng cho tín hiệu chói. Phương pháp lấy mẫu con tín hiệu màu, chẳng hạn như cấu rúc lấy mẫu 4: 2 : 0 hay 4 : 1 : 1 được dùng trong ứng dụng ghi, trong khi cấu trúc 4 : 2 : 0 được sử dụng trong các dứng dụng sản xuất và truyền dẫn chương trình MPEG.

b) Điều xung mã vi sai (DPCM)

Là một phương pháp mã hoá dự đoán, thay vì truyền đi toàn bộ các mẫu, kỹ thuật này chỉ mã hoá và truyền đi sự khác nhau giữa các giá trị mẫu. Giá trị sai lệch được cộng vào giá trị mẫu đã được giải mã trong quá trình giải nén để tạo lại giá trị mẫu cần thiết.

Quá trình DPCM làm giảm lượng entropy của tín hiệu ban đầu. Tất cả các giá trị sai lệch giữa các mẫu tập trung quanh giá trị 0 vì trong các ảnh sự xuất hiện các vùng đều có khả năng cao. Với các ảnh có độ chi tiết cao, các giá trị sai lệch lớn giữa các mẫu có thể được lượng tử hoá thô (bằng lượng tử hoá tuyến tính), do cảm nhận của mắt người giảm theo độ chi tiết của ảnh. Các phương pháp nén kết hợp sử dụng lượng tử hoá thô các giá trị sai lệch và kỹ thuật mã hoá VLC cho các tín hiệu thu được.

Nhằm tránh các lỗi các thể xuất hiện trong khi truyền, một mẫu đầy đủ được gửi đi theo chu kỳ nhất định, cho phép cập nhật được các giá trị chính xác. Mã hoá DPCM cũng sử dụng thêm các kỹ thuật dự đoán và lượng tử hoá thích nghi để hoàn thiện thêm kỹ thuật nén này.

c) Lượng tử hoá và mã hoá VLC các hệ số DCT

Phối hợp ba kỹ thuật này cho phép biểu diễn một khối các điểm ảnh bằng một số ít các bit, do đó tạo được một hiệu quả nén rất cao.

6.4 - quá trình biến đổi cosin rời rạc

Biến đổi cosin rời rạc (DCT) xử lý các giá trị dữ liệu của khối các điểm ảnh dưới một khối các hệ số trong miền tần số. Hình 6.3 minh hoạ quá trình mã hoá DCT một chiều gồm 8 điểm ảnh biểu diễn tín hiệu chói trong tiêu chuẩn lấy mẫu 4 : 2 : 2.

Hình 6.3 a minh hoạ biên độ biểu diễn của 8 điểm ảnh tương ứng. Mức trung bình thành phần một chiều và sự biến đổi điểm chói cho trên hình 6.3 b và c. Phổ tần trong hình 6.3d minh hoạ sự thay đổi biên độ dọc theo 8 bit này và trong phạm vi dải tần số từ 0 đến flm/2 = 6,75. Mã hoá DCT thực hiện chia dải phổ này thành 8 dài băng nhỏ hơn, tương ứng với mỗi dải băng tần có một hệ số đặc trưng cho năng lượng của tín hiệu trong dải băng tần đó. Hình 6.3e, và f minh hoạ các băng tần chói riêng rẽ và giá trị hệ số tương ứng của chúng.

Giá trị đầu tiên bên trái đặc trưng cho mức giá trị thành phần một chiều của tín hiệu - gọi là hệ số DC. Từ trai sang pải, các hệ số lần lượt biểu diễn dác thành phần tần số cao hơn trong tín hiệu ban đầu. Các hệ số này được gọi là hệ số AC. Trong một bức ảnh, khoảng trống dư thưa rất lớn, vì vậy rất nhiều trong hầu hết các hệ số AC nhận giá trị 0 hoặc gần 0.

Để đạt được mức giải tương quan nội dung bức ảnh cao hơn, có thể sử dụng phép biến đổi DCT hai chiều cho khối 8 x 8 giá trị các điểm chói. Các khối 8 x 8 hệ số DCT được tạo thành với hệ số trên cùng bên trái là hệ số Dc biểu diễn mức trung bình một chiều của tín hiệu trong khối 8 x 8 điểm chói tương ứng. Một ví dụ mã hoá DCt hai chiều cho khối 8 x 8 điểm chói được minh hoạ trong hình 6.4.

Quá trình mã hoá DCT thuận cho khối 8 x 8 được xác định như sau:

(6.7)

Trong đó f(i,j) - các mẫu ban đầu trong khối 8 x 8 điểm chói

F (u, v) - các hệ số biến đổi DCT khối 8 x 8

u - tần số chuẩn hoá theo chiều ngan (0 < u < 7)

v - tần số chuẩn hoá theo chiều đứng (0 < u < 7)

C(u), C(v) nhận giá trị 1/ với u, v = 0

C(u), C(v) = 1 nhận giá trị u, v = 1, 2,....... 7

Với hệ số đầu tiên, các tần số chuẩn hoá u và v đều bằng 0. Do đó, hệ số DC này được tính bằng:

(6.8)

Biểu thứ này xác định tổng tất cả các giá trị điểm ảnh trong khối 8 x 8 và chia cho 8. Kết quả của biểu thức tương đương 8 lần giá trị trung bình các điểm ảnh trong khối được biến đổi.

Khi biến đổi DCT áp dụng cho các tín hiệu video số thành phần UY, CR, CB, các tín hiệu màu CR, CB có biên độ cực đại là ± 128 (giá trị nhị phân) trong hệ thống sử dụng 8 bit biểu diễn mẫu và tín hiệu chói UY có biên độ từ 0 đến 255.

Để đơn giản cho việc thiết kế các bộ mã hoá DCT, tín hiệu chói UY được dịch xuống mức ngang bằng với mức tín hiệu CR, CB. Khi giải mác, mức 128 sẽ được cộng vào để thu được tín hiệu chói UY ban đầu.

Như vậy, một bộ biến đổi A/D 8 bit sẽ được sử dụng để tạo ra các khối tín hiệu chói UY, với giá trị mức nhị phân từ - 128 đến + 127. Do đó, giá rị các hệ số DC của khối biến đổi DCT tương ứng từ - 1024 đến + 1016.

Với các hệ số AC, u và v thay đổi từ 1 đến 7, C(u), C(v) = 1, có giá trị cực đại trong phạm vi ± 1020, phụ thuộc vào biểu thức biến đổi DCT thuận.

Ma trận 8 x 8 các hệ số DCT thu được có hệ số DC lớn, đặc trưng cho giá trị trung bình của thành phần 1 chiều của khối 8 x 8 (trong ví dụ trên hình 6.4, giá trị DC bằng 591) và rất nhiều các hệ số AC có giá trị nhỏ, biểu diễn cho các thành phần tần số cao theo hướng ngang và hướng thẳng đứng. Các hệ số AC theo chiều ngang thường lớn hơn các hệ số AC theo chiều thẳng đứng.

Hình 6.5 minh hoạ quá trình biến đổi DCt đầu tiên cho một khối các điểm ảnh chói. Các giá trị được định mức - 128 để phù hợp với mức tín hiệu màu.

Theo nguyên lý chung, sự biến đổi chi tiết giữa các điểm ảnh theo một hướng nào đó trong khối các điểm ảnh - hoặc là hướng ngang, thẳng đứng hay theo đường chéo - càng lớn thì tương ứng theo hướng này, các hệ số biến đổi DCT cũng lớn.

Hình 6.6 minh hoạ một ví dụ khác của biến đổi DCT một khối gồm các điểm ảnh đen và trắng xen kẽ tương ứng có giá trị nhị phân là 0 va 255. Sau khi dịch chuyển mức - 128 thu được giá trị là các điểm lần lượt thay đổi giữa - 128 và + 127. Khối các điểm ảnh này là khối có sự biến đổi lớn nhất giữa các điểm ảnh và cũng có hệ số DCT lớn nhất. Mặc dù có nhiều hệ số tần số bằng 0, giá trị của các hệ số tần số cao đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lại hình ảnh khi biến đổi ngược DCT.

Trong ví dụ trên hình 6.6, nếu loại bỏ tất cả các hệ số AC và chỉ giữ lại hệ số DC thì sau khi biến đổi ngược DCT, khối điểm ảnh thu được là một mảng màu xám có giá trị trung bình biểu diễn bởi hệ số DC. Thực tế thì một mảng gồm các ô trắng đơn xen kẽ (dạng bàn cờ) cũng sẽ cho ta cảm giác như một mảng màu xám khi kích thước các ô và góc nhìn nằm ở một giới hạn nhất định.

Theo nguyên lý đó, ta có thể sử dụng bộ lọc thông thấp bằng cách loại bỏ các hệ số thành phần tần số cao tương ứng trước khi biến đổi ngược DCT. Hình 6.7 và 6.8 minh hoạ các biểu diễn ba chiều của các khối điểm chói ban đầu và các hệ số DCT sau khi biến đổi trong hai ví dụ trên.

Quá trình biến đổi DCT thực hiện trên đây được giải mã thiết trong điều kiện mức giá trị nhị phân biểu diễn tín hiệu chói UY từ 0 đến 255 sau bộ biến đổi A/D với tín hiệu chói có mức biên độ từ 0 đến 700mV. Tuy nhiên, tiêu chuẩn số hoá tín hiệu video thành phần xác định mức giá trị nhị phân tín hiệu chói từ 16 đến 235 tương ứng biểu diễn cho tín hiệu với biên độ từ 0 đến 700mV. Điều này cho phép sử dụng các giá trị còn lại ở hai đầu như khoảng bảo vệ.

Quá trình biến đổi DCT không giảm tốc độ dòng số liệu và có tính chất đảo ngược. Nghịch đảo của phép biến đổi cosin rời rạc là phép biến đổi ngược DCT (Inverse DCT), tái tạo lại chính xác các giá trị điểm ảnh ban đầu, nếu các hệ số DCT được giữa nguyên.

Khả năng nén dòng số liệu đạt được khi phối hợp việc lượng tử hoá và các ký thuật mã hoá hiệu quả, ví dụ như VLC. Biến đổi DCT được sử dụng để giải tương quan số liệu ban đầu, tập trung lượng năng lượng lớn, rời rạc, chứa trong một khối các điểm ảnh - vào trong một số ít các thành phần tần số được truyền và tạo ra các giá trị 0 hoặc gần 0 mà các giá trị này sẽ không được lưu trữ hay truyền đi. Kích thước khối điểm ảnh sử dụng để mã hoá DCT được lựa chọn giữa khả năng nén năng lượng hiệu quả - yêu cầu vùng điểm ảnh lớn, và số các phép tính thời gian thực cần thiết sử dụng trong phép biến đổi DCT - yêu cầu một vùng điểm ảnh nhỏ. Kích thước khối điểm ảnh được lựa chọn là 8 x 8.

6-5 - một số mã dùng trong kỹ thuật nén

1- Mã RLC

Sự liên tiếp lặp đi lặp lại các điểm ảnh trong ảnh số xuất hiện là do sự tương quan giữa các điểm ảnh, đặc biệt đối với ảnh 2 mức (bi - level images). Từ sự lặp đi lặp lại này, một phương pháp nén đã được xây dựng trên cơ sở sử dụng số lần lặp của các điểm ảnh và phương pháp này được goi là RLC - Run Length Coding. RLC tách chuỗi các giá trị giống nhau và biểu diễn như là một tổng. Khi giãn giá trị này tạo lại số lần biểu diễn tổng. Kỹ thuật này chỉ có thể áp dụng cho các chuỗi symbols tuyến tính. Do đó, khi áp dụng cho số liệu ảnh hai chiều, hình ảnh được tách thành một chuỗi các dòng quét.

Ta có hai cách để mã hoá RLC:

a) Tạo ra những từ mã cho mỗi độ dài chạy và kết hợp với symbol nguồn.

b) Sử dụng một số độ dài chạy và 1 symbol nguồn nếu như symbol nguồn không phải là một số hay một ký tự đặc biệt để chi ra cho mỗi symbol nguồn.

Kỹ thuật RLC được dung cho các hệ số lượng tử hoá tốt hơn là dùng trực tiếp cho số liệu ảnh. Hai ví dụ về ảnh số và kếtquả mã hoá RLC của nó được thể hiện trên hình 6.9a và 6.9b.

Một loại cải biên của mã RLC là mã có độ dài thay đổi VLC (Variable Length Code), dùng để biểu diễn các giá trị symbols cũng như độ dài chạy. Cách thực hiện là tính phân bố xác xuất của các độ dài chạy và các giá rị symbols. Đây là sự kết hợp của RLC với mã hoá thống kê.

RLC không thích hợp trực tiếp cho các ảnh tự nhiên có tông ảnh liên tục được mã hoá bằng một quá trình số hoá tuyến tính, lý do là vì RLC phải nén tập số liệu có các bước chạy tương đối lớn giống nhau. ảnh có tông ảnh liên tục chứa thông tin có tần số không gian thấp, việc thay đổi các vùng rộng được làm đầy bằng các giá trị pixel giống nhau là tương đối nhỏ.

Nếu ánh xạ các giá trị pixel lên bảng mã Gray và dùng RLC theo bit trên cơ sở mặt phẳng - mặt phẳng, ta có thể đạt được các tỉ số nén. RLC tự nó không cho các mức nén có ý nghĩa.

RLC được dùng kết hợp với các kỹ thuật khác như các chuẩn nén JPEG, MPEG sẽ cho kết quả nén tốt. RLC được dùng cho các hệ số lượng tử hoá tốt hơn là dùng trực tiếp cho số liệu ảnh.

2- Mã Shannon - Fano

Theo lý thuyết thông tin của Shannon thì tỉ lệ nén tốt nhất mà chúng ta có thể đạt được chính là entropy nguồn. Vào cuối những năm 40, Shannon và Fano đã tìm ra một phương pháp nén mới mà dựa trên xác suất xuất hiện của những symbol nguồn bên trong một lượng thông tin. Về cơ bản thì phương pháp này sử dụng những từ mã có độ dài thay đổi để mã hoá các symbol nguồn thông qua xác suất của chúng. Với những symbol có xác suất xuất hiện càng lớn thì từ mã dùng để mã hoá chúng càng ngắn.

Các bước mã Shannon - Fano:

a) Bước 1: Sắp xếp các symbol nguồn với xác suất xuất hiện của chúng theo thứ tự giảm dần.

b) Bước 2: Chia tập đã sắp xếp đó thành hai phần sao cho tổng xác suất xuất hiện của các symbol ở mỗi phần xấp xỉ nhau.

c) Bước 3: Mã sử dụng bit 0 để mã hoá cho các symbol trong phần 1 và bit 1 mã hoá cho các symbol trong phần 2.

d) Bước 4: Quay trở lại bước 2 và tiếp tục làm cho tới khi mỗi phần chia chỉ còn lại 1 symbol.

Ví dụ: Ta có một ảnh số có 8 symbol (S0 S1 S2.... S7) với xác suất xuất hiện lần lượt là (0,1; 0,19; 0,21; 0,3; 0,05; 0,07; 0,03). Các symbol này được sắp xếp theo thứ tự xác suất giảm dần và được chia, mã hoá theo hình 6.10

Phương pháp Shannon - Fano là phương pháp nén thành công đầu tiên với độ dài trung bình của từ mã Cl có thể đạt được trong khoảng H < Cl< H + l (Trong đó H là lượng entropy của nguồn tin).

3- Mã Huffman

Cũng theo lý thuyết thông tin của Shannon, chúng ta biết rằng với mỗi nguồn tin được đưa ra, tồn tại một cách mã hoá mà có thể mã hoá với độ dài trung bình của từ mã gần với lượng entropy của nguồn tin như mong muốn. Với phương pháp mã hoá Shannon - Fano ở trên thì chúng ta đã được độ dài trung bình của từ mã giới hạn trên bởi H + 1. Tuy nhiên đôi khi phương pháp mã hoá Shannon - Fano cũng tạo ra những từ mã có độ dài hơn mã symbol nguồn có thể có và điều này dẫn tới độ dài trung bình của từ mã tăng lên. Vào năm 1952 D.A. Huffman đã phát triển một kỹ thuật mã hoá mới mà có thể tạo ra độ dài trung bình của từ mã ngắn nhất đối với tập symbol nguồn và kết hợp với xác suất của chúng.

Mã Huffman thuộc loại mã entropy hoặc mã thống kê. Tư tưởng chính là dùng VLC (Variable Length Coding), sử dụng ít bit để mã các giá trị hay xảy ra (xác suất xuất hiện cao) và nhiều bit để mã các giá trị ít xảy ra (xác suất xuất hiện thấp). Từ đó tốc độ bit sẽ giảm một cách đáng kể.

Độ dài trung bình ngắn nhất mà phương pháp mã Huffman đạt được cho tất cả các symbol nguồn chính xác tới luỹ thừa của 1/2. Nói tóm lại, nó có thể cho độ dài trung bình của từ mã Huffman giới hạn trên bởi

H + P +

= H + P + 0,086.

Trong đó H là lượng entropy nguồn, P là xác suất của tất cả các symbol như nguồn.

Các bước mã hoá Huffman:

a) Bước 1: Liệt kê các xác suất của các symbol nguồn, và tạo ra các tập mút bằng cách cho những xác suất này thành các nhánh của cây nhị phân.

b) Bước 2: Lấy 2 nút với xác suất nhỏ nhất từ tập nút và trạo ra 1 xác suất mới bằng tổng xác suất của xác suất đó.

c) Bước 3: Tạo ra mọt nút mẹ với các xác suất mới, và đánh dấu 1 cho nút con ở trên và 0 cho nút con ở dưới.

d) Bước 4: Tạo tiếp tập nút bằng cách thay thế 2 nút với xác suất nhỏ nhất cho nút mới. Nếu tập nút chỉ chứa 1 nút thì kết thúc, ngược lại thì ta quay lại bước 2.

Từ đó ta có bộ mã sẽ được thiết lập bằng cách dùng một tập hợp data và đánh giá xác suất của mỗi sự kiện. Sự tối ưu có thể đạt được bằng cách thiết kế một bảng mã riêng biệt cho mỗi phần tử được mã hoá. Nhưng điều này sẽ làm tăng số bảng mã.

Muốn lập được bảng mã cần tính xác suất xuất hiện mỗi phần tử ảnh trong tập mã. Dựa vào đó xây dựng một cây không cân bằng (tức gồm một số nhánh không dài bằng nhau). Mức độ không cân bằng của cây phụ thuộc vào xác suất xuất hiện của các phần tử. Một cây được xây dựng như vậy gọi là cây mã Huffman.

Cây mã Huffman là một cây nhị phân có các nhánh được gán cho giá trị 0 hoặc 1. Gốc của cây được gọi là nút mốc, còn các điểm rẽ nhánh được gọi là các nút nhánh. Điểm kết thúc của một nhánh được gọi là nút lá. Mỗi nút lá được gán tương ứng với một phần tử cần mã hoá. Hình 6.11 là ví dụ về một cây mã Hunffman được xây dựng cho một chuỗi dữ liệu cần phát đi aaaabbcd.

Từ một nút nhánh, khi rẽ thành hai nhánh mới thì nhánh bên trái được gán cho giá trị 0 và nhánh bên phải được gán cho giá trị 1 (việc gán này có thể làm ngược lại). Từ mã của một symbol được xác định bằng cách đi từ gốc đến nút lá tương ứng với symbol đó. Các bit của các từ mã được tập hợp từ các giá trị tương ứng của nhánh phai đi qua.

Từ mã tươngứng với các symbol a, b, c, d lần lượt được cho trong bảng 6.1. Theo bảng 6.1 ta thấy để phát đi chuỗi dữ liệu aaaabbcd chỉcần:

4 x 1 + 2 x 2 + 1 x 3 + 1 x 3 = 14 bit

Bảng 6.1 Mã hoá với độ dài từ mã thay đổi

Phần tử

Số lần xuất hiện

Xác suất

Từ mã

Chiều dài từ mã

0,5

0,25

0,125

001

0,125

000

Hay số bit trung bình/phần tử = 14/8 = 17,5 bit/phần tử.

Để thấy được hiệu quả của mã Huffman, ta tính số lượng bit trung bình cần thiết để biểu thị mỗi phần tử ảnh đối với mã hoá nhị phân thông thường, bảng 6.2. Theo bảng 6.2 số lượng bit cần phát đi là 8 x2 = 16 bit, hay số bit trung bình/phần tử = 16/8 = 2 bit.

Bảng 6.2 Mã hoá với độ dài từ mã cố định

Phần tử

Số lần xuất hiện

Xác suất

Từ mã

Chiều dài từ mã

0,5

0,25

0,125

Như vậy, trong ví dụ đơn giản này, mã hoá với độ dài từ mã hoá thay đổi tiết kiệm được: (1 - 1,75/2) x 100% = 12,5% dung lượng bit cần thiết để biểu thị và truyền tải thông tin mà không hề bị tổn hao.

Nói chung, mã hoá Huffman đạt hiệu suất thấp khi xác suất xuất hiện các phần tử gần nhau. Ngược lại, nó đạt hiệu suất cao khi xác suất xuất hiện các phần tử chênh lệch nhau lớn. Trên thực tế mã Huffman được phát triển trên một tập ảnh, nhưng sau đó được áp dụng lên các ảnh khác, mỗi ảnh có phân bố xác suất symbol riêng của nó. Do đó, mã Huffman không cần thiết cho tối ưu bất cứ ảnh đặc biệt nào. Mặc dù vậy mã Huffman là một trong những kỹ thuật nén quan trọng mà chúng ta sẽ gặp ở một số ứng dụng trong JPEG và các chuẩn nén khác.

a) Ví dụ về phương pháp xây dựng cây mã Huffman

Để xây dựng cây mã Huffman, cần thông tin liên quan đến tần số xuất hiện của từng phần tử. Chẳng hạn ví dụ trên, chúng ta đã xuất phát từ các thông tin về tần số xuất hiện sau: a xuất hiện 4 lần, b xuất hiện 2 lần, c và d xuất hiện 1 lần.

Các phần tử được sắp xếp thành một cột theo trật tự giảm dần của tần số xuất hiện như hình 6.12. Mỗi phần tử sẽ được gán một nút lá. Tần số xuất hiện của ký tự ta gọi là trọng lượng của nút lá tương ứng. Hai nút lá ở cuối danh sách ta gọi là c(1) và d(1) hợp thành một nút nhánh bằng một nhánh 0 và một nhánh 1. Nút nhánh đó sẽ có trọng lượng bằng tổng trọng lượng của hai nút lá thành phần (2). Một cột mới được tạo ra gồm nút nhánh mới và các nút lá còn lại trong cột thứ nhất cũng được sắp xếp theo trật tự giảm dần của trọng lượng. Thủ tục đó được lặp lại cho đến khi chỉ còn một nút chính là nút gốc.

Để đưa ra từ mã của một phần tử, chúng ta xuất phát từ nút lá tương ứng với phần tử đó và đi ngược lên theo các nhánh để đến được nút gốc. Khi đi qua một nhánh cần tích luỹ lại giá trị của nhánh đó (0 hoặc 1). Đảo ngược trật tự của các bit tích luỹ được chính là từ mã cần tìm. Chẳng hạn với phần tử a, từ nút lá đến nút gốc chỉ đi qua một nhánh 1, do đó từ mã của nó là 1. Đối với phần tử c, từ nút lá đến gốc phải đi qua ba nhánh: nhánh 1, nhánh 0 và nhánh 0, do đó từ mã của nó sẽ là 001.

b) Giải mã theo cây mã Huffman

Bởi vì các từ mã có độ dài khác nhau, cho nên bên thu phải giải mã luồng bit nhận được từng bit một. Các từ mã Huffman có một tính chất gọi là tính "prefix", nghĩa là không có một từ mã ngắn hơn nào trung với phần đầu của một từ mã dài hơn. Chẳng hạn, ở ví dụ trên, a có từ mã là 1 và các từ mã của b, c, d không có từ mã nào bắt đầu bằng 1.

Nhờ vào tính chất prefix, việc giải mã ở bên thu trở nên đơn giản, là xuất phát từ nút gốc và lần lượt đi theo các nhánh tương ứng với bit nhận được cho đến khi đến được một nút lá (nghĩa là đã nhận được đủ một từ mã hợp lệ). Giả sử, với cây mã trên mà luồng bit nhận được là: 1000001011001 thì nó sẽ được giải mã như trên hình 6.13

6.6 - nén trong ảnh

1- Nguyên lý nén trong ảnh

Nén trong ảnh là loại nén nhằm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không gian. Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong một ảnh. Quá trình này không sử dụng thông tin của ảnh trước và sau ảnh đang xét.

Thuật ngữ "ảnh" ở đây cần hiệu một cách chính xác, bởi lữ trong kỹ thuật nén ảnh cho phép sử dụng hoạc mành (field) hoặc ảnh (frame) như một ảnh gốc. Nếu kỹ thuật nén dùng mành thì nén trong ảnh sẽ tạo ra hai ảnh trong mỗi ảnh. Vì vậy, khi bàn về nén thuật ngữ "ảnh" không luôn luôn đồng nghĩa với thuật ngữ ảnh trong lĩnh vực truyền hình. Hình 6.14 là sơ đồ nguyên lý quá trình nén trong ảnh.

Trong sơ đồ nguyên lý ta thấy sử dụng phương pháp biến đổi DCT. Phương pháp chuyển đổi tối ưu cho mã chuyển vị là phương pháp mà đạt được bình phương của lỗi trong quá trình xây dựng lại ảnh với một số bit đã cho là nhỏ nhất. Người ta đã nghiên cứu và thấy rằng phương pháp chuyển đổi tối ưu là chuyển đổi KL (Karhunen - Loeve), chuyển đổi này thông qua một ma trận chuyển đổi làm giảm trật tự tương quan của một quá trình xử lý ngẫu nhiên liên tiếp dưới dạng đường chéo. Nhưng khi sử dụng phương pháp chuyển đổi KL sẽ gặp vấn đề là chuyển đổi KL không có một thuật toán biến đổi nhanh tổng quát, hay nói cách khác là nó không thông dụng cho tất cả các ứng dụng của việc nén ảnh số.

Do phương pháp chuyển đổi tối ưu không thông dung, người ta đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp chuyển đổi gần tối ưu để thay thế. Những phương pháp chuyển đổi như vậy đã được sử dụng cho việc nén ảnh số, nhưng phương pháp thông dụng nhất là biến đổi DCT (Discrete Cosine Transfrom). Biến đổi DCT đã được đưa vào năm 1974 và từ đó tới nay đã có rất nhiều thuật toán biến đổi nhanh cho việc tính toán DCT và ta sẽ xem xét dưới đây.

2- Tiền xử lý

Trước khi thực hiện biến đổi DCT, cả ảnh được chia thành các khối lớn riêng biệt không chồng nhau (MB - Macro Block). Mỗi MB bao gồm 4 block các mẫu tín hiệu chói (UY) và 2; 4 hoặc 8 block các mẫu tín hiệu hiệu số màu (CR, CB), hình 6.15. Số các block của tín hiệu hiệu màu phụ thuộc vào tiêu chuẩn của tín hiệu video. Tất cả các block có cùng kích thước và mỗi block là một ma trận điểm ảnh 8 x8 được lấy từ một ảnh màn hình theo chiều từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Kích thước block là 8 x 8 được chọn bởi hai lý do sau:

a) Thứ nhất, là việc nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm hiệp phương sai (Covariance) suy giảm rất nhanh khi khoảng cách từ pixel mà ở đó hàm hiệp phương sai được định nghĩa vượt quá 8. Chính vì vậy mà phương pháp nén sử dụng loại bỏ các thông tin dư thừa về không gian không cần quan tâm tới các khối pixel có kích thước lớn hơn 8 x 8.

b) Thứ hai, là sự tiện lợi cho việc tính toán và thiết kế mạch cứng. Nói chung, cả mức nén lẫn độ phức tạp về tính toán sẽ tăng nếu kích thước block tăng.

Ví dụ về việc chia thành các block của hình ảnh đối với hệ PAL. Phần tích cực của tín hiệu video với độ phân giải 576 x 720 sẽ được chia làm 72 x 90 block. Và như vậy sẽ có 36 x 45 MB nếu tiêu chuẩn lấy mẫu là 4: 2: 0 hoặc 4: 1 : 1.

Cấu trúc của MB cũng phụ thuộc vào loại quét ảnh. Nếu quét liên tục thì các block bao gồm các mẫu từ các dòng liên tục (lúc này là nén theo ảnh - frame), hình 6.16. Ngược lại, trong trường hợp quét xen kẽ, trong một block chỉ có các mẫu của một nửa ảnh (nén theo mình - fied), hình 6.17.

Tóm lại việc chia hình ảnh thành các ảnh con (block MB) sẽ thực sự có ý nghĩa cho bước chuyển vị tiếp theo.

3- Lượng tử hoá khối DCT

Quá trình lượng tử hoá khối DCT đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống nén video vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc cho lại chất lượng ảnh khôi phục tốt hay xấu. Các mã biến đổi sao cho chất lượng hình ảnh do mắt người cảm nhận tốt, phụ thuộc vào các thành phần tần số và sự biến đổi chi tiết ảnh từng vùng trong miền không gian. Phương pháp lượng tử hoá thích nghi sử dụng các trọng số lượng tử thu được, được xác định bằng ba yếu tố bao gồm: Các trọng số tần số, các tham số chuyển động có thể nhận biết và các tham số trạng thái đệm (hình 6.18)

Chức năng cơ bản của bộ lượng tử hoá là thực hiện chia mỗi hệ số DCT cho một số lớn hơn 1 để tạo ra các số có giá trị 0 hoặc gần bằng 0 sao cho có thể được làm tròn bỏ qua trong quá trình mã hoá tiếp theo. Các hệ số có năng lượng thấp, đặc trưng cho sự biến đổi ít giữa các điểm ảnh có thể loại bỏ mà không gây ảnh hưởng đến sự cảm thụ chất lượng ảnh tái tạo lại mặt người.

Lượng tử hoá là quá trình làm mất thông tin và tạo ra các hiệu ứng giả. Nhằm đạt được một hệ thống nén không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh, rất nhiều các yếu tố sẽ cần được tính đến trong một thiết kế, phụ thuộc vào các ứng dụng, tính hiệu quả, độ phức tạp và giá thành v.v....

Yếu tố đầu tiên tính đến đặc tính cảm thụ của mắt người được tổng quát trong một bảng (chẳng hạn như bảng các khối DCT cho tín hiệu Y và CR, CB dùng trong chuẩn nén JPEG). Thành phần C và các thành phần tần số thấp là các thông số có ý nghĩa nhất của khối điểm ảnh ban đầu. Hệ số DC sẽ được lượng tử với độ chính xác 12 bit nhằm tránh các nhiễu xuất hiện giữa các khối điểm ảnh. Trong khi các hệ số tương ứng với thành phần tần số cao chỉ được lượng tử với độ chính xác 2 bit - do khả năng cảm nhận của mắt người giảm ở tần số cao. Theo đó, các hệ số chia trong bảng lượng tử có giá trị nhỏ đối với hệ số DC và các thành phần tần số thấp; giá trị cao hơn cho các hệ số tương ứng thành phần tần số cao.

Trong hình 6.18 hệ số bảng lưởng tử hoá thuận được xác định theo biểu thức:

Fq (u,v) =

= giá trí nguyên gần nhất (6.9)

Trong hình 6.19 giá trị khối xác định cho phép các giá trị tín hiệu chói và tín hiệu màu được lượng tử khác nhau. Nhiễu lượng tử đối với tín hiệu màu khó nhìn thấy hơn đối với tín hiệu chói, cho nên có thể thực hiện lượng tử hoá thô tín hiệu màu.

Bảng lượng tử được đưa vào bộ lượng tử với các giá trị trọng số phụ thuộc vào vị trí hệ số trong khối DCT.

Các ảnh càng chi tiết thì hệ số thành phần tần số cao càng lớn, và có thể dẫn đến tràn bộ đệm nếu các hệ số trong bảng lượng tử tương ứng quá thấp. Một thông tin hồi tiếp về trạng thái bộ đệm cho phép điều khiển một hệ số cần bằng qua đó tối ưu trạng thái của bộ đệm. Hệ số cân bằng này chỉ đưa vào các thành phần AC mà thôi. Hệ số cân bằng là một hằng số trong một cấu trúc khối cơ bản chứa đựng hai khối màu và một số thay đổi các khối phụ thuộc vào cấu trúc lấy mẫu của ảnh ban đầu.

Với một cấu trúc khối gồm 4 khối điểm chói, các chi tiết ảnh có thể được tập trung năng lượng cao vào một trong 4 khối, sẽ tạo ra lượng tử hoá thô cũng như xuất hiện lỗi lượng tử lớn và các hiện tượng nhiễu không mong muốn trong các khối còn lại. Để tránh hiện tượng này, năng lượng chứa trong khối có thể được đánh giá bằng cách xem xét hệ số AC có ý nghĩa trong tất cả các khối và chia thành các mức điều khiển bộ lượng tử.

4- Mã hoá entropy

Lượng tử hoá biểu diễn rời rạc dữ liệu được truyền. Gán từ mã là lấy những giá trị lượng tử hoá và tạo ra một luồng bit truyền. Thật ra lượng tử hoá và gán từ mã có sự tương quan gần gũi và không cần tách biệt rõ ràng.

Nói một cách khác, liên kết tối ưu của lượng tử hoá và gán từ mã là xử lý có độ phi tuyến cao. Một bộ lượng tử hoá tuyến tính với một bước nhảy thích hợp được chọn riêng cho mỗi phần tử được mã hoá, tiếp theo là một bộ mã hoá entropy phù hợp có thể cho kết quả gần tối ưu.

Giá trị các lượng tử hoá có thể chỉ biểu diễn nhờ các từ mã có độ dài cố định hay đồng đều, tức là các giá trị lượng tử hoá biểu diễn bằng cùng một số bit. Tuy nhiên hiệu quả của việc mã hoá không cao. Để cải tiến hiệu quả người ta dùng mã hoá entropy. Mã hoá entropy dùng những đặc tính thống kê của tín hiệu được mã hoá. Một tín hiệu, ở đây là giá trị pixel hoặc các hệ số chuyển vị, có chứa một lượng thông tin (entropy) tuỳ theo những xác suất của những giá trị hay sự kiện khác nhau xuất hiện. Ví dụ những từ mã nào ít xảy ra hơn sẽ có nhiều thông tin hơn từ mã hay xảy ra.

Khi dùng mã hoá entropy có hai vấn đề đặt ra: Thứ nhất, mã hoá entropy làm tăng độ phức tạp và yêu cầu bộ nhớ hơn so với mã độ dài cố định. Thứ hai, mã hoá entropy gắn liền với tính không ổn định của tín hiệu video sẽ làm tốc độ bit thay đổi theo thời gian. Do đó, cần một cơ cấu điều khiển bộ đệm khi mã hoá nguồn tốc độ bit biến đổi được ghép với kênh tốc độ bit hằng.

Bộ mã hoá entropy được thực hiện cho độ dư thừa thống kê cố hữu trong các phần tử được mã hoá để truyền. Sự dư thừa chính là phân bố xác suất không đồng đều trên giá trị của mỗi phần tử. Phân bố xác suất càng lệch lạc khỏi phân phân bố đều thì hiệu suất càng tăng nhờ mã hoá entropy. Mã Huffman là một trong những sơ đồ được sử dụng phổ biến. Ngoài ra trong mã hoá entropy còn sử dụng mã RLC (Run Length Code) sẽ cho hiệu suất nén rất cao.

Để mã hoá entropy các hệ số được lượng tử hoá C'(u, v), trước hết cần biến đổi mảng hai chiều của các hệ số C'(u, v) thành chuối số một chiều bằng cách quét zig - zag.

Lúc đầu, chuỗi sẽ là các hệ số khác 0, sau đó sẽ là một chuỗi các số 0 liên tiếp. Viêc xử lý 64 hệ só của khối 8 x 8 pixel bằng cách quét zig -zag (hình 6.20) làm tăng tối đa chuỗi các giá trị 0 và do vậy làm tăng hiệu quả nén khi dùng RLC.

Kỹ thuật RLC được dùng cho các hệ số lượng tử hoá tốt hơn là dùng trực tiếp cho số liệu ảnh. Trong quá trình quét zig - zag ở trên, RLC sẽ được thực thi. Cụ thể ở đây, RLC thực chất là việc thay thễ các hệ số có giá trị 0 bằng số lượng các chữ số 0 xuất hiện.

Ta lấy một ví dụ về RLC, hình 6.21. Trong ví dụ này, chuỗi một chiều các hệ số DCT sau khi quét zig - zag với các giá trị giống nhau sẽ được gom lại với nhau bằng RLC. Lúc này, chuỗi một chiều có các đoạn chuỗi dài có dùng giá trị là cacsymbol có dạng: < chiều dài chuỗi 0, giá trị>.

ở đây giá trị 10 không có giá trị 0 nào trước đó được biểu diễn bằng <0, 10>: Giá trị - 2 có hai giá trị 0 đứng trước được biểu diễn bằng <2, -2> v.v.... Riêng một dấu đặc biệt là End of Block (EOB) được dùng để đánh dấu vị trí bắt đầu của chuỗi các số 0 liên tiếp.

Trong ví dụ này, ta có một chuỗi 49 từ mã với gía trị 0. Như vậy chỉ xét riêng + 49 từ mã giá trị 0 được nén xuống chỉ còn 3 từ mã. Điều này chứng tỏ hiệu suất nén rất cao của từ mã RLC. Tất nhiên đây là quá trình nén không tổn hao.

Các từ mã với độ dài thay đổi RLC có tần suất xuất hiện cao sau đó được mã hoábằng các mã ngắn, và các từ mã RLC có tần xuất xuất hiện thấp tương ứng được mã hoá bằng các từ mã dài. Quá trình này được gọi là quá trình mã hoá với độ dài từ mã thay đổi (VLC).

Bảng 6-5 minh hoạ các phân nhóm các hệ số AC, và bảng 6-6 là một ví dụ về bảng mã Huffman tương ứng cho các nhóm này. Từ mã ngắn báo hiệu kết thúc khối (EOB) cho biết tất cả các hệ số còn lại trong khối mang giá trị 0.

Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro

Trước Sau