Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
Chương 2
SỐ HÓA TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO
2.1 GIỚI THIỆU
Hầu hết các tín hiệu audio và video tự nhiên là ở dạng tương tự, nhưng hầu hết
các thiết bị lưu trữ và truyền tải tín hiệu hiện nay được thực hiện dựa trên phương
thức số, cho nên chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là một một yêu cầu cần thiết.
Chất lượng tín hiệu tối đa của một hệ thống audio và video số hầu như được quyết
định toàn bộ ở bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC. Còn các phần tử khác trong hệ
thống số có thể có khả năng tái tạo lại một hoàn hảo tín hiệu nhưng không thể cải
thiện được chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt hơn tín hiệu số hóa sau bộ ADC.
Hiểu được đầy đủ những hạn chế của bộ ADC là rất quan trọng trong việc thiết kế
và sử dụng các hệ thống số và đây cũng là mục đích của chương này.
2.2. CÁC BƯỚC CỦA ADC
Các bước chuyển đổi bao gồm quá trìn lọc trước để loại bỏ những tần số quá
cao không thể số hóa được tại đầu vào, quá trình lấy mẫu dùng để rời rạc hóa tín
hiệu theo thời gian, quá trình lượng tử hóa để chuyển biên độ tín hiệu tương tự sang
dạng số, và cuối cùng là quá trình mã hóa để chỉ rõ cách thức biểu diễn của các giá
trị số. Mỗi một quá trình này được đề cập trong các phần dưới đây. Ở phần cuối của
một hệ thống số, tín hiệu anolog ban đầu sẽ được phục hồi từ chuỗi các mẫu nhờ bộ
chuyển đổi số sang tương tự, bộ ADC có nhiệm vụ chuyển các mẫu thành các xung
điều chế biên độ, sau đó bộ lọc thông thấp loại bỏ các thành phần ở tần số lấy mẫu
cao hơn.

Tiền lọc Lấy mẫu

Đầu ra của quá trình lấy mẫu là một chuỗi các giá trị tương tự (các mẫu) tương
ứng với các điểm ở dạng sóng, nơi diễn ra quá trình lấy mẫu. Nó thường là các dạng
xung ở tần số lấy mẫu, và biên độ của tần số lấy mẫu biểu thị các giá trị của mẫu.

Tần số lấy
mẫu cao
Tần số lấy mẫu
theo Nyquist
Tần số lấy
mẫu thấp

Hình 2.2. Giới hạn tần số lấy mẫu
Quá trình lấy mẫu được thực hiện ở một tần số ổn định, f
S
là tần số lấy mẫu.
Theo lý thuyết lấy mẫu, tần số lấy mẫu phải cao, đủ để tạo được các thành phần tần
số cần thiết cao nhất của sóng đầu vào. Theo tiêu chuẩn Nyquist thì tần số lấy mẫu
được xác định bởi:
f
S
≥ 2 f

s
Dải tần cơ bản
của video
Chồng phổ
Tần số lấy
mẫu cao
Tần số lấy
mẫu thấp
Tần số lấy mẫu
theo Nyquist Hình 2.3. Phổ lấy mẫu
Ví dụ trên hình 2.2, trình bày quá trình lấy mẫu dưới, trên và tại tần số của tiêu
chuẩn Nyquist. Nội dung của một chuỗi mẫu có thể được xác định bằng cách nối
các đỉnh mẫu theo một đường thẳng. Hình 2.2 cũng chỉ ra rằng các mẫu tạo ra tần số
tín hiệu chính xác cho đến khi tần số tín hiệu vượt quá 1,5 tần số lấy mẫu. Ở điểm
này, tần số đầu ra sẽ tạo nên sự khác nhau giữa tần số lấy mẫu và tần số tín hiệu.
Đây là một kết quả sai và ngoài mong muốn được gọi là hiện tượng chồng phổ. Mức
độ thiệt hại của nó phụ thuộc vào ứng dụng. Ví dụ trong các hệ thống audio, tần số
chồng phổ được coi như là những tần số không liên quan và vì vậy có thể loại bỏ.

trong quá trình lấy mẫu khác nhau có thể xảy ra với những mối quan hệ phức tạp
hơn, và trên ảnh sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu nhiều hơn. Trực giao quincunx
Hình 2.4. Mô hình lấy mẫu không gian
Quá trình lấy mẫu quincunx có nhiều ưu điểm do tạo ra độ phân giải cao ở mọi
hướng, nhưng lại không được sử dụng nhiều bởi ví nó làm cho quá trình xử lý số
của các tín hiệu trở nên khó khăn hơn.
2.2.1.2 Hiện tượng chồng phổ trong mảng hai chiều

39
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
Hình 2.5 biểu diễn dạng của chồng phổ trên một đường chéo đen với nền màu
trắng. Hình 2.5a biểu diễn một đường ảnh bị che bởi một hình lấy mẫu trực giao, và
Hình 2.5b biểu diễn kết quả lấy mẫu khi đầu ra chỉ dựa vào màu sắc (đen hay trắng)
tại thời điểm lấy mẫu. Đây là dòng nhọn quen thuộc thường xuất hiện trên màn hình
máy tính khi hiển thị các dòng kề ngang, kề dọc hoặc các biên.


Giá trị trung bình
Độ rộng mẫu
Hình 2.6. Độ rộng mẫu
Trên thực tế, độ giảm có dạng sin(x)/x và được biểu thị trên hình 2.7. Tham số
độ rộng W là số phần trăm của chu kỳ lấy mẫu.
Độ giảm này có ý nghĩa đối với độ rộng mẫu cực đại (W=100), tại giới hạn
Nyquist, đặc tuyến giảm xuống còn 63,6%. Tuy nhiên, hình 2.7 chỉ ra rằng độ rộng
của mẫu ít hơn 20% có thể được bỏ qua.

0 10 20 30 40 50
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Đặc tuyến tương đối
Tần số (phần trăm của f
s
)
W=20
W=50
W=100

Hình 2.7. Lấy mẫu hiệu ứng góc mở

trị tín hiệu chỉ ở các thời điểm thời gian rời rạc nơi diễn ra quá trình lấy mẫu. Tất cả
các giá trị tín đầu vào giữa các điểm lấy mẫu đều bị loại bỏ trong quá trình lấy mẫu.
Như mô tả trong hình 2.5, quá trình lượng tử hóa theo thời gian này sẽ gây ra hiện
tượng nhiễu, biểu thị bằng các đường răng cưa. Dù vậy, thuật ngữ lượng tử hóa vẫn
được sử dụng rộng rãi với ý nghĩa tạo ra tín hiệu rời rạc chỉ với trục biên độ. Đây
cũng là cách hiểu về lượng tử hóa trong cuốn sách này.

Tín hiệu thoải
Mức luợng tử

Hình 2.9. Lượng tử hóa: a) phạm vi biên độ chia thành lượng tử, b) tín hiệu đã được lượng
tử hóa, c) lỗi lượng tử hóa
Đầu ra của bộ lấy mẫu là một chuỗi xung rời rạc theo thời gian, nhưng biên độ
vẫn liên tục. Các giá trị biên độ phải được lượng tử hóa để nó có thể biểu thị dưới
dạng số trong một số bit xác định. Hình 2.9 biểu diễn hiệu ứng lượng tử hóa, không
lấy mẫu. Hình 2.9a chỉ rõ, dải biên độ được chia ra thành từng vùng và bộ lượng tử
áp dụng cùng giá trị với bất kỳ biên độ nào trong phạm vi mỗi vùng. Do vậy, với
một đầu vào tuyến tính, đầu ra của bộ lượng tử sẽ thực hiện từng bước tuần tự từ

42
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
một giá trị lượng tử tới giá trị tiếp theo. Tất cả các giá trị trung gian của tín hiệu đầu
vào bị mất. Ví dụ này là lượng tử hoá tuyến tính bởi vì tất cả các giá trị lượng tử có
cùng kích thước.

Kiến trúc của bộ so trên hình 2.10 thực hiện lượng tử hoá trước quá trình lấy
mẫu, quá trình lấy mẫu xảy ra trong bộ mã hóa ưu tiên. Đây được gọi là một ADC
tốc độ cao, một trong những loại ADC nhanh nhất.
Những kiến trúc khác được sử dụng trong các bộ lượng tử khoảng hơn 10 bit
do số bộ so cho một ADC tốc độ cao không hoạt động được. Một phương pháp phổ
biến hơn là sử dụng bộ lượng tử xấp xỉ liên tục, nó chỉ có một bộ so dùng để so sánh
điện áp đầu ra với điện áp đầu vào của bộ DAC. Tín hiệu số vào bộ DAC được điều
chỉnh bởi vòng hồi tiếp cho đến khi đầu ra của bộ so có giá trị bằng 0. Vì vậy, tín
hiệu tại đầu ra bộ DAC trở thành tín hiệu đầu vào bộ ADC. Phương pháp này rất

43
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
chính xác với số bit cao (ví dụ, N= 16) nhưng lại rất chậm do vòng hồi tiếp phải đi
qua N phép lặp để đạt tới giá trị đầu ra cho mỗi mẫu. Nó vẫn có thể đủ độ áp dụng
cho audio nhưng không dùng được cho video.

D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
. . . . . . . . . . .
Hình 2.10. ADC tốc độ cao
2.2.2.2. Thiết lập phạm vi biên độ
Một bộ lượng tử không thể cung cấp đầu ra cao hơn (hoặc thấp hơn) đầu ra
được xác định bởi giới hạn của phạm vi mức lượng tử. Nếu như tín hiệu đầu vào
vượt quá phạm vi này, thì các giá trị đầu ra phải bão hòa tại giá trị tối đa (hoặc tối
thiểu). Trong thuật ngữ của hệ thống analog, được gọi là xén, nó biểu thị hiện tượng
méo nghiêm trọng cần phải tránh. Sẽ có thể phải tạo ra mạch vào phụ bởi vì hầu hết
các thiết bị số chỉ đơn giản là chuyển đổi chu kỳ đến giá trị bằng không khi vượt
quá giá trị số tối đa, điều này thậm chí còn tệ hại hơn cả hiện tượng bão hòa.
Do sự điều khiển tín hiệu không bao giờ chính xác tuyệt đối nên hầu hết các
tiêu chuẩn số hóa đều cho rằng các mức tín hiệu phải được thiết lập để không phải
sử dụng hết phạm vi lượng tử. Điều này cho phép bỏ qua lượng giảm nhỏ này. Ví dụ
hình 2.11 đưa ra các tiêu chuẩn mức cho số hóa tổng hợp là SMPTE 224M và số
hóa thành phần SMPTE 253M. Cần lưu ý rằng trong hầu hết các mạch video, mức

44
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
chích xác của đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của ảnh sẽ xê dịch xung quanh độ chói
trung bình của ảnh bởi vì thành phần DC của tín hiệu không xuất hiện trong mạch.

quả là, các hệ thống audio số thường sử dụng các mức điều khiển tự động hoặc các
phương tiện hạn chế để tránh xảy ra hiện tượng tràn, và chúng vẫn có thể hoạt động
được khi sử dụng biên bảo vệ là 3dB hoặc hơn nữa. Khi các tín hiệu audio không có
thành phần DC thì không cần thiết phải sử dụng quá trình ghim.
2.2.2.3. Tỷ lệ SNR
Khi tín hiệu chiếm hết dải lượng tử, sai số lượng tử có thể được coi như tạp âm
lẫn vào tín hiệu ở đó tạp âm là ngẫu nhiên với giá trị đỉnh-đỉnh (p-p) của một bước
lượng tử và là một hàm mật độ xác suất đồng nhất (pdf). Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm
(SNR) có thể xác định một cách đơn giản đối với trường hợp tín hiệu là sóng sin
nhờ phép phân tích sau đây:
Giả sử một tín hiệu hình sin chiếm hết dải lượng tử có L mức (L=2
N
, trong đó
N là số bit/mẫu). Khi sai số lượng tử có giá trị p-p của một mức lượng tử hoặc 1/L,
SNR dựa trên các giá trị p-p bằng L. Nếu sử dụng cho audio, SNR được xác định là
tỷ số rms của tín hiệu trên rms của tập âm, và phân tích trên sẽ đúng chỉ khi tỷ số p-
p trên rms của tín hiệu và tạp âm là như nhau, nhưng điều này lại không xảy ra. Đối
với một tín hiệu sóng sin, giá trị rms là 0,354s
p-p
, nhưng đối với tạp âm lượng tử (giả

45
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
thiết là pdf đồng nhất) sẽ là 0,29S
p-p
. Vì vậy, SNR cao hơn L 1,22:1 (1,76 dB)
chuyển tất cả sang dB ta có
SNR(dB) = 6,02N+1,76 (2.2)
Đây là đối với audio, đối với video SNR là tỉ số của p-p của tín hiệu trên rms
của tạp âm, vì vậy hệ số 0,354 có thể được loại bỏ. Kết quả đối với video là:


46
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
cách dither điều chế các mức giá trị lượng tử và hình 2.12c trình bày cách tính trung
bình dither làm cho các đặc tính truyền đạt trở nên tuyến tính. Tín hiệu dither phải
có biên độ chính xác, và để đạt được kết quả tốt nhất nó phải có một pdf hình tam
giác hoặc Gauxơ. Một pdf đồng nhất cũng có thể được sử dụng nhưng như vậy sẽ
gây ra tạp âm ở trong tín hiệu điều chế khi mức tín hiệu thay đổi, điều này là ngoài ý
muốn. Các pdf hình tam giác hoặc Gauxơ, không gây ra hiện tượng điều chế tạp âm
với mức tín hiệu. Hình 2.12d chứng minh điều này.

Q
Q
2Q
Q/2 (rms) P P
P
Biên độ pdf
đồng nhất
Biên độ pdf
tam giác
Biên độ pdf
gausesian
Output Output Output


phạm vi của bộ lượng tử. Đặc điểm này có thể được khai thác bằng việc tạo ra bộ
lượng tử phi tuyến, có nghĩa là sử dụng quá trình lượng tử tinh hơn ở các mức thấp
và thô hơn ở gần mức tối đa. Điều này cũng được áp dụng rộng rãi trong hệ thống
điện thoại số. Nó giống như quá trình ép giãn tương tự với phạm vi biên độ của tín
hiệu được nén trước kênh truyền và giãn sau kênh truyền. Do có sự đồng nhất,
lượng tử hóa phi tuyến cũng được gọi là quá trình ép giãn nhằm giữ cho mức tín
hiệu trung bình ở kênh cao hơn và vì vậy khả năng chống nhiễu kênh truyền tốt hơn.

μ = 255
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Input
Output
Hình 2.13. Lượng tử phi tuyến hàm luật μ
Lượng tử hoá phi tuyến sử dụng cho lời thoại trong audio với sối bit /mẫu nhỏ,
ví dụ như 8bit/mẫu, được thực hiện trước tiên bằng cách lượng tử số bit/mẫu cao
hơn, chẳng hạn như 12bit/mẫu, sau đó sử dụng bảng tra cứu để giảm xuống còn 8
bit phi tuyến. Hình 2.13 trình bày kết quả này. Tất nhiên, phải xác định dạng đường
cong phi tuyến một cách cẩn thận bởi vì nó sẽ được tạo lại trong cả bộ ADC và
DAC. Hàm thông dụng nhất là hàm theo luật μ:
Y= log(1+μx)/log(1+μ)

+
8
+
10
Đ
ặ
c tu
y
ến
(
dB
)

Tần số (Hz)
Hình 2.14. Đường cong tiền nhấn cho audio
Hình 2.14 minh họa chức năng tiền nhấn tiêu biểu. Vì sự tiền nhấn giảm biên
quá tải của hệ thống, nên phải rất cẩn thận khi sử dụng. Tiền nhấn không được sử
dụng cho video số.
2.2.4. Mã hóa.
Quá trình gán các bit cho các mức lượng tử được gọi là mã hoá. Đây có thể là
một quá trình đơn giản, ví dụ như hệ nhị phân hay phần bù của 2, một quá trình phi
tuyến như luật μ, hoặc có thể là một quá trình rất phức tạp với mục đích thực hiện
nén dữ liệu.
2.3. CHỌN TẦN SỐ LẤY MẪU
Tần số lấy mẫu quyết định độ rộng band tần của hệ thống đạt được mà không
gây ra chồng phổ, nó cũng quyết định tốc độ bit cơ bản của hệ thống theo biểu thức:
Tốc độ bit = (tần số lấy mẫu) * (số bit/mẫu)

49
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Bộ lọc
analog
Lấy
mẫu
Lượng
tử hóa
Bộ lọc
digiatal
Bỏ đi
1/10
Lượng
tử hóa
chia n
nf
s
f
s
Ngỏ ra
digital
Ngỏ vào
analog
Hình 2.15. ADC lấy mẫu tần cao

50
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
Hình 2.15 là sơ đồ khối của một bộ ADC lấy mẫu tần cao, với các ưu điểm:

Bảng 2.1. Các tần số lấy mẫu audio
2.3.3. Lấy mẫu video thành phần
ITU-R rec.BT.601 xác định tần số lấy mẫu cho các hệ thống số thành phần sử
dụng tiêu chuẩn quét 525/59.94 hoặc 625/50. Một tần số đơn được sử dụng ở đây,
nó cũng cung cấp cho quá trình lấy mẫu con theo tỷ lệ 2:1 hoặc 4:1 đối với các
thành phần hiệu màu. Việc chọn tần số 13,5 MHz rất thích hợp vì tần số này có thể
sử dụng cho cả hai hệ thống quét 525 và 625 dòng. Do các dải band tần khác nhau,

51
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
một tần số thấp hơn có thể phù hợp cho hệ thống 525 dòng hơn là cho hệ thống 625
dòng, tuy nhiên ưu điểm của tần số đơn khá quan trọng với việc lựa chọn một tần
số.
Yêu cầu chủ yếu là quá trình lấy mẫu phải trực giao trên cả hai hệ thống (xem
phần 2.2.1.1), bởi vì các hệ thống số thành phần được sử dụng rộng rãi cho việc xử
lý ảnh và các hiệu ứng đặc biệt, với điều kiện các mẫu này được đặt tại cùng điểm
trên các dòng kề, một yêu cầu nữa là phải trực giao khi tỉ lệ lấy mẫu được chia theo
tỉ lệ 2:1 hoặc 4:1.
Lấy mẫu trực giao yêu cầu tần số lấy mẫu phải là bội số chính xác của tần số
quét dòng. Nếu điều kiện này được duy trì trong khi quá trình lấy mẫu con 2 hoặc 4,
thì bội số của tần số dòng cũng là bội của 4, hai tần số dòng là 15,625 Hz cho hệ
thống 625/50 và 15.734,26 Hz cho hệ thống 525/59,94, điều này làm giảm sự lựa
chọn tần số, thực tế là không thể lựa chọn được, không có một tần số đơn nào có thể
đáp ứng được tất cả những tiêu chí này.
525/59.94 625/50
n Tần số n Tần số
Khác
nhau
842
844*

852*
854
856*
858
860*
862
864*
866
868*
870
872*
874
876*
13.250.000
13.281.250
13.312.500
13.343.750
13.375.000
13.406.250
13.437.500
13.468.750
13.500.000
13.531.250
13.562.500
13.593.750
13.625.000
13.656.250
13.687.500
1.750
1.531

cho quá trình lấy mẫu con 2:1 hoặc 4:1, với dải band tần thấp hơn. Sự lựa chọn tần
số lấy mẫu trong các hệ thống khác nhau được miêu tả nhờ cách đánh dấu: “4” chỉ
ra tần số lấy mẫu cơ bản, “2” chỉ ra bộ lấy mẫu con 2:1 và “1” chỉ bộ lấy mẫu con
4:1. Vì vậy, lấy mẫu RGB được gọi là 4:4:4, lấy mẫu con 2:1 các thành phần hiệu
màu là 4:2:2 và 4:1 là 4:1:1. Một sự lựa chọn khác ở đây cho lấy mẫu con 2:1 các
thành phần hiệu màu cả ngang và dọc là 4:2:0. Nó không được chỉ ra trong
Rec.BT.601 nhưng được sử dụng trong hệ thống nén video.
2.3.4. Lấy mẫu video tổng hợp
Mặc dù không tránh được hiện tượng méo tín hiệu tổng hợp analog, việc số
hóa các tín hiệu NTSC và PAL vẫn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống video (chủ
yếu là tương tự). Kỹ thuật số là cách tốt nhất để thực hiện các nhiệm vụ như sửa lỗi
thời gian gốc, lưu trữ khung hình, xử lý ảnh trong hệ thống analog tổng hợp. Do
vậy, những thiết bị này phải kết hợp chặt chẽ bộ ADC và DAC để thích ứng trong
hệ thống.
Nhiều ứng dụng xử lý ảnh yêu cầu tín hiệu số phải nằm trong một định dạng
thành phần, điều này cũng đồng nhất với việc các tín hiệu số thành phần phải được
giả hóa tới định dạng thành phần trước bất kỳ quá trình nào. Đây là một bước rất
khó khăn, có thể gây ra hiện tượng méo tín hiệu và là một nhược điểm lớn nhất của
tất cả các hệ thống thành phần. Tuy nhiên, các hệ thống số thành phần sẽ rất tuyệt
nếu chức năng duy nhất của nó chỉ là lưu trữ hoặc ghi tín hiệu.
Đồng bộ hóa ADC với sóng mang các tín hiệu thành phần thường là hoàn toàn
thỏa mãn. Bởi vì sóng mang thành phần nào đó phải dưới giới hạn Nyquist, nên sự
lựa chọn hợp lý là 3× và 4× thường được lựa chọn nhiều hơn. Vì vậy, đối với quá
trình chuyển đổi của hệ NTSC tần số là 14,318MHz và đối với hệ PAL là
17,72MHz. Quá trình đồng bộ được thực hiện nhờ việc lấy các bust từ tín hiệu tổng
hợp và sử dụng một vòng phá khoa để tạo ra khung đồng hồ lấy mẫu.

53
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video
2.4. CHUYỂN ĐỔI DẠNG SỐ SANG TƯƠNG TỰ

5
8
4
16
3
32
2
64
1
128
0
2
0
bit
bitbitbitbitbitbitbit
R
V
i
REF

Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán là i
o
R. Các giá trị điện trở R và 2R
phải rất chính xác để sự chuyển đổi là tuyến tính, một mức giá trị lượng tử là 256
hay 0,4% và nếu mức giá trị lượng tử yêu cầu chính xác là 1/10, khi đó độ chính xác
của các điện trở yêu cầu phải là 0,04%. Điều này rõ ràng thực hiện được, nhưng các
bộ DAC cho số bit cao hơn lại đòi hỏi một phương pháp khác nhằm đạt được các
yêu cầu về độ chính xác.
Các việc chuyển mạch trong kiểu DAC này đều có thể gây ra lỗi nếu như có sự
hoạt động không đồng đều tại sóng đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán do hoạt


Hình 2.16. Bộ chuyển đổi số-tương tự R-2R
Một công nghệ đồng thời có thể giúp ADC và DAC có số bit cao là lấy mẫu
tần cao. Trong bộ DAC lấy mẫu tần cao, quá trình lọc được đáp ứng tốt hơn và dự
chính xác về số bit cũng đạt được dễ dàng hơn.

55