6.2 Cơ sở biến đổi tín hiệu truyền hình

6.2.1 Biến đổi tín hiệu Video

Biến đổi tín hiệu Video tương tự thành Video số là biến đổi thuận, còn biến đổi tín hiệu Video số thành tương tự là biến đổi ngược. Trong hệ thống truyền hình số có rất nhiều bộ biến đổi thuận và ngược.

Khi biến đổi tín hiệu Video màu tương tự thành tín hiệu Video màu số ta có thể dùng 2 phương pháp sau:

Phương pháp 1:

Biến đổi trực tiếp tín hiệu màu tổng hợp NTSC, PAL, SECAM ra tín hiệu số

Phương pháp 2:

Biến đổi riêng từng tín hiệu thành phần (tín hiệu chói Y, tín hiệu số R-Y và B-Y hoặc các tín hiệu màu cơ bản R, G, B) ra tín hiệu số và tryuền đồng thời theo thời gian hoặc ghép kênh theo thời gian.

Phương pháp 2 Biến đổi riêng các tín hiệu thành phần (của tín hiệu màu) thành tín hiệu sô sẽ làm tốc độ bit tăng cao hơn so với việc biến đổi tín hiệu màu Video tổng hợp. Cách này có ưu điểm là không phụ thuộc các hệ thống truyền hình tương tự, thuận tiện cho việc trao đổi các chương trình truyền hình. Cũng có thể giảm tốc độ bit nếu sử dụng mã thích hợp. Do mã riêng các thành phần tín hiệu màu, nên có thể khử được nhiễu qua lại (nhiễu của tín hiệu lấy mẫu với các hài của tải tần màu).

Vì những nguyên nhân trên cho nên cách biến đổi số các tín hiệu thành phần (của tín hiệu Video màu tổng hợp) ưu việt hơn cách biến đổi trực tiếp tín hiệu Video màu tổng hợp. Do đó, tổ chức truyền thanh truyền hình quốc tế khuyến cáo nên dùng loại này cho trung tâm truyền hình (studio), truyền dẫn, phát sóng và ghi hình.

6.2.2 Chọn tần số lấy mẫu

Công đoạn đầu tiên của quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là lấy mẫu (có nghĩa là rời rạc tín hiệu tương tự theo thời gian). Do đó tần số lấy mẫu là một trong những thông số cơ bản của hệ thống kỹ thuật số. Có nhiều yếu tố quyết định việc lựa chọn tần số lấy mẫu. Tần số lấy mẫu cần được xác định sao cho hình ảnh nhận được có chất lượng cao nhất, tín hiệu truyền đi với tốc độ bit nhỏ nhất, độ rộng băng tần nhỏ nhất và mạch đơn giản.

Lấy mẫu tín hiệu Video : Để cho việc lấy mẫu không gây méo, ta phải chọn tần số lấy mẫu thoả mãn công thức Kachenhicop : fsa >= 2fmax (fmax = 5,5MHZ) đối với hệ PAL)

Trường hợp fsa<2fmax sẽ xảy ra hiện thượng chồng phổ làm xuất hiện các thành phần phụ (alias components) và xuất hiện méo, ví dụ như hiệu ứng lưới trên màn hình (do các tín hiệu vô ích nằm trong băng tần video), méo sườn xung tín hiệu, làm nhoè biên ảnh (do hiệu ứng bậc thang), các điểm sáng tối nhấp nháy trên màn hình.

Trị số fsa tối ưu sẽ khác nhau cho các trường hợp: tín hiệu chói (trắng đen), tín hiệu màu cơ bản (R, G, B). các tín hiệu số màu, tín hiệu Video màu tổng hợp. Cuối cùng việc chọn tần số lấy mẫu phụ thuộc vào hệ thống truyền hình màu.

Trong trường hợp lấïy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp phải chú ý đến tần số sóng mang phụ fsc khi chọn fsa có thể xuất hiện các trường hợp sau đây:

+ f¦sa gấp nhiều lần f¦sc, ví dụ f¦sa = 3f¦sc hoặc 4f¦sc (hệ PAL, NTSC chỉ dùng một tần số ¦fsc). Hệ SECAM dùng hai sóng mang phụ màu nên không dùng được một tần số ¦fsa cho các tín hiệu hiệu số màu.

+¦fsa không có quan hệ trực tiếp với ¦sc. Trong trường hợp này ngoài các thành phần tín hiệu có ích sẽ xuất hiện các thành phần tín hiệu phụ do liên hợp giữa ¦sa và ¦sc hoặc hài của f¦sc trong phổ tín hiệu lấy mẫu. Đặc biệt thành phần tín hiệu (¦fsa -2f¦sc) sẽ gây méo tín hiệu Video (tương tự) được khôi phục lại gọi là méo điều chế chéo (Intermodulation). Méo này sẽ không xuất hiện trong trường hợp lấy mẫu và mã hóa riêng tín hiệu chói và các tín hiệu số màu. Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu Video màu tổng hợp cho hệ NTSC, PAL thường thì người ta chọn bằng hài bậc 3 tần số tải màu ¦fsc : ¦fsa =3f¦sc.

¦fsaPAL = 13,3 MHz > 2f¦maxPAL = 2x5=10MHz hoặc 2x5,5=11MHz.

f¦saNTSC = 10,7 MHz > 2f¦maxNTSC = 2x4,2=8,4MHz.

Nếu chọn ¦fsa= 4f¦sc thì cho chất lượng khôi phục rất tốt. Tuy nhiên, nó sẽ làm tăng tốc độ bit tín hiệu số

+ Nếu tín hiệu truyền đi từng thành phần chất lượng hình ảnh thu được đảm bảo tốt hơn do ảnh hưởng của sóng mang phụ khi lấy mẫu không có.

+ Tần số lấy mẫu của tín hiệu chói ¦fsaY>=2f¦maxY và bằng bội số của tần số dòng.

+ Tần số lấy mẫu các tín hiệu màu f¦sa(R-Y)(B-Y)>= 2¦fmax (R-Y)(B-Y) và bằng bội số của tần số dòng.

Kết hợp điều này với thực tế người ta chọn:

¦fsaY= 13,5 MHz

¦fsa(R-Y)(B-Y)= f¦sc= 6,75MHz cho cả 2 tiêu chuẩn: 625/ 50 và 525/ 60.

Tuy nhiên, sự lựa chọn f¦sa theo định lý Kachenhicop thì chưa đủ mà phải thỏa thêm các điều kiện sau:

- Tần số f¦sa phải đồng bộ với tần số quét dòng fH.

- Tần số f¦sa phải đồng bộ với tần số quét mành ¦fV.

- Tần số ¦fsa phải đồng bộ với tần số ảnh fP,fP= 2¦fV.

6.2.3 Lượng tử hóa tín hiệu Video

Qúa trình lượng tử hóa tín hiệu rời rạc (sau khi lấy mẫu) bao gồm việc chia biên độ thành nhiều mức (nhiều khoảng) và sắp xếp mỗi trị của mẫu bằng một mức.

Các khoảng chia (khoảng lượng tử) có thể đều nhau và cũng có thể không đều nhau và ta gọi là lượng tử tuyến tính và lượng tử phi tuyến. Trong quá trình lượng tử hóa biên độ của các mẫu nằm trong cùng một khoảng lượng tử (Q) sẽ có biên độ bằng nhau, biên độ này có thể là nằm bậc trên hay nằm bậc dưới của mức lượng tử. Mỗi bậc tương ứng với một mã số nhất định.

Nếu ta làm tròn với bậc trên của thang lượng tử thì gọi là lượng tử hóa trên bậc. Nếu làm tròn với bậc dưới thì gọi là lượng tử hóa dưới bậc. Hai phương pháp này gọi chung là lượng tử hóa có thang nửa bậc.

Nếu làm tròn với mức ở giữa khoảng lượng tử thì gọi là lượng tử hóa có thang nửa bậc. Loại có thang nửa bậc cho độ chính xác cao hơn (sai số lượng tử nhỏ hơn) so với lượng tử hóa không có thang nửa bậc. Tuy nhiên nó có nhược điểm là nhiễu kênh trống.

6.2.4 Mã hóa tín hiệu Video

Mã hóa tín hiệu Video là biến đổi tín hiệu đã lượng tử hóa thành tín hiệu số bằng cách sắp xếp số nhị phân cho các mức lượng tử hóa và ánh xạ của các mức này thành tín hiệu có 2 mức logic “0” và “1”.

Theo lý thuyết và thực nghiệm ta có thể dùng mã 8 bit (tức 28 =256 mức lượng tử) để mã hóa tín hiệu Video. Nếu số bit tăng độ chính xác của bộ chuyển đổi tăng nhưng tốc độ bit tăng đòi hỏi kênh truyền rộng đồng thời đáp ứng của bộ chuyển đổi thấp.

Các mã sử dụng trong truyền hình số có thể được chia thành 4 nhóm như sau:

+ 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 giải mã và đồng bộ ở bên thu

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

Mã sơ cấp để tạo tín hiệu số ở trung tâm truyền hình, có dạng tín hiệu nhị phân liên tục, các bit 0 và 1 có thể được biểu diễn bằng các phương pháp khác nhau, được phân biệt bằng thời gian tồn tại, cực tính, mức pha… chẳng hạn NRZ, RZ, Biphase (hai pha)…

Mã sơ cấp là mã cơ sở để hình thành mã bảo vệ. Mã bảo vệ dùng để tăng cường khả năng chịu đựng nhiễu cho tín hiệu truyền trong kênh thông tin.

Tùy theo cách sắp xếp số nhị phân mà ta có các loại PCM (Pulse Code Modulation:Điều chế xung mã) tuyến tính hay DPCM (Diffirent PCM: PCM vi sai). PCM tuyến tính truyền số mức lượng tử (mã nhị phân) còn DPCM truyền tín hiệu số bằng liên hợp các gía trị lượng tử của một vài mẫu.

Phương pháp điều chế PCM tuyến tính 8 bit cho kết quả hình ảnh thu được rất tốt. Các hiện tương méo lượng tử giảm đáng kể. Do vậy đối với các hình ảnh yêu cầu chất lượng cao người ta thường dùng loại này (Studio) nhưng nó có nhược điểm là tốc độ bit lớn, kênh truyền phải có băng tần rộng.

Tần số lấy mẫu của của tín hiệu Video màu tổng hợp là 13,5MHz. Với mã hóa riêng từng thành phần tín hiệu chói có tần số lấy mẫu là 13,5MHz và các tín hiệu màu có tần số lấy mẫu là 6,75MHz

Gọi C là tốc độ bit đơn vị là b / s.

Ta có C = ¦fsa.m

Vậy CVID tổnghợp = 13,5.8 = 108 Mb / s

CTPC = 13,5.8 = 108 Mb / s (TPC: thành phần các tín hiệu chói)

CTPM = 6,75.8= 54 Mb / s (TPM: thành phần các tín hiệu màu)

Þ C= (108 + 2.54) = 216Mb/ s

Độ rộng băng tần của kênh truyền phải là: W>= 3C/ 4

WVID tổng hợp >= 108.3/ 4= 81MHz

Wcác thtp>= 216.3/4 = 162 MHz (thtp: tín hiệu thành phần)

Ta thấy băng tần của kênh truyền rất lớn so với kênh truyền của tín hiệu tương tự (6,5MHz). Muốn truyền đi xa đối với tín hiệu truyền hình số người ta phải giảm tốc độ bit.