BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

ĐỀ TÀI
’Biến đổi A/D và D/A trong hệ
thống truyền hình số’
Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện :

1
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
2
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
LỜI NÓI ĐẦU
Truyền hình như tên gọi của nó là hệ thống biến đổi hình ảnh và
âm thanh kèm theo thành tín hiệu điện,truyền đến máy thu nơi thực hiện
việc biến đổi tín hiệu này thành dạng ban đầu và hiển thị trên màn ảnh
dưới dạng hình ảnh.Truyền hình dựa trên đặc điểm cảm nhận ánh sáng
của mắt người để truyền đi thông tin cần thiết,ánh sáng là các bức xạ điện
từ có bước sóng nằm trong khoảng từ 380
m
µ
đến 780
m
µ
.Thông tin nhìn
thấy của vật được mắt người cảm nhận phụ thuộc tính chất phản xạ của
vật.
Sử dụng phương pháp số trong truyền hình số để tạo lưu trữ và truyền
tín hiệu của chương trình truyền hình trên kênh thông tin mở ra 1 khả
năng đặc biệt rộng rãi cho các thiết bị truyền hình làm việc theo các hệ
truyền hình .Trong một số ứng dụng ,tín hiệu số được thay thế hoàn toàn

sang tín hiệu số giúp ta có thể đạt tốc độ truyền cao,chính xác.Đồng thời
nó cũng giúp cho quá trình sửa lỗi ở phía thu được dễ dàng hơn.Sau đó
tín hiệu số được đưa qua bộ mã hóa nguồn,mã hóa kênh,điều chế….
Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Biến đổi A/D

Điều chế số
Giải điều chếGiải mã kênhGiải mã nguồn Biến đổi D/A
Kênh truyền
4
Tín hiệu
tương tự
Tín hiệu
tương tự
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
+Bên thu:Sau khi qua các bộ giải điều chế,giải mã hóa tín hiệu được đưa
tới bộ biến đổi số sang tương tự(D/A).Ở đây tín hiêu tin tức ban đầu
truyền đi được khôi phục lại hoàn toàn ở phía thu(ảnh hưởng của nhiễu
đến tín hiệu là ít).
1.2 Đặc điểm của tín hiệu số
-Bên cạnh những ưu điểm hơn so với tín hiệu tương tự thì việc truyền tín
hiệu số cũng phải trả giá sau:
+Độ rộng băng tần:Yêu cầu về băng tần của tín hiệu số rộng hơn rất
nhiều so với băng tần của tín hiệu tương tự.Mà băng tần là nguồn tài
nguyên quý giá.(Ứng với mỗi lĩnh vực thì chỉ cho phép hoạt động trong
dải tần mà nó được phép sử dụng).Xét ví dụ sau:Xét tín hiệu (hệ
NTSC)có độ rộng băng tần là 6,5Mhz,sử dụng 8 bit mã hóa.khi đó theo
định luật lấy mẫu(Nyquist) thì tần số lấy mẫu phải gấp 2 lần tần số của tín
hiệu cơ bản(
2
s h

+Lượng tử hóa(quatife)
+Mã hóa (encode)
5
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
-Lấy mẫu tín hiệu tương tự: là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành 1
dãy các xung tuần hoàn ,cách đều nhau và có độ rộng bằng nhau,có biên
độ xung bằng với giá trị của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu.
-Lượng tử hóa:là quá trình xấp xỉ hóa các giá trị của các mẫu tương tự về
1 số mức nhất định,khoảng cách giữa 2 mức biên độ đó gọi là bước lượng
tử.
-Mã hóa:quá trình này sử dụng các bit nhị phân để mã hóa các mức biên
độ đã được lượng tử hóa .Số lượng bit nhị phân mã hóa mỗi bit lượng tử
sẽ phụ thuộc vào số mức lượng tử hóa
2.1/Lấy mẫu tín hiệu video
2.1.1 Lấy mẫu
-Lấy mẫu là bước đầu tiên chuyển tín hiệu tương tự sang số,vì các thời
điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ra tọa độ các điểm đo.
Quá trình biến đổi này phải tương đương về mặt tin tức hay nói cách khác
tín hiệu sau khi lấy mẫu phải đảm bảo mang đủ thông tin của tín hiệu
vào.Biên độ của tín hiệu tương tự được lấy mẫu với chu kỳ
S
T
,thu được
các xung hẹp với tần số lấy mẫu :
7
0
( ). ( ) (2 1) (2 1)
( , ) ( , ). os . os
4 16 16
i

.Quá trình này tạo ra các biên
trên và biên dưới,phổ của tín hiệu lấy mẫu bao gồm thành phần tần số lấy
mẫu và các hài của nó.
(HÌNH VẼ)
-Trên thực tế viêc lấy mẫu tuân theo cơ sở của định lý Nyquist(Định lý
lấy mẫu):một tín hiệu thông thấp có phổ tần số không lớn hơn
H
f
có thể
được khôi phục hoàn toàn không có lỗi tại phía thu bằng các mẫu tín
hiệu,mà khoảng cách giữa các mẫu đó không lớn hơn
1
2
S
H
T
f
≤
.
-Như vậy ,để tín hiệu lấy mẫu mang toàn bộ thông tin của tín hiệu gốc
thì:
+Tín hiệu gốc phải có băng tần hữu hạn,tức là nó không có những phần
tử có tần số nằm ngoài 1 tần số
C
f
nào đó.
+Tần số lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần tần số cơ bản
2
S C
f f≥

tín hiệu video cho các hệ truyền hình 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 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 được loại bỏ các thành phần gây chồng phổ tín hiệu.Do các
mạch lọc không có 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.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.
-Việc lấy mẫu có thể thực hiện theo 2 cách sau:
+Lấy mẫu tự nhiên(Natural sampling):Ta thấy nếu tấn số lấy mẫu không
thỏa mãn định lý lấy mẫu thì xảy ra hiện tượng các phổ của tín hiệu sẽ
chồng chéo lên nhau.Hay đây chính là hiện tượng chồng phổ hay mập mờ
phổ.
Việc lấy mẫu tự nhiên thực hiện khá dễ dàng,chỉ cần 1 chuyển mạch hai
đầu vào một đầu ra tương tự,như hình vẽ sau:

+Lấy mẫu tức thời(Instaneous sampling):Để thực hiện việc lấy mẫu tức
thời ta sử dụng bộ lấy và giữ mẫu như hình sau:
8
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

2.1.2 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 2 chiều. Vì vậy,để
khôi phục hình ảnh chính xác,tần số lấy mẫu có liên quan đến tần số dòng
và qua nghiên cứu cho thấy tần số lấy mẫu phải là bội của tần số dòng.
-Như vậy,việc lấy mẫu không những phụ thuộc theo thời gian mà còn phụ

-Khoảng cách giữa 2 mức lượng tử gọi là bước lượng tử.
Nếu gọi số mức lượng tử là:Q (q1,q2….qn).
Ta có:
2
N
Q =
, trong đó:N-số bit biểu diễn mỗi mẫu.
10
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

-Thực tế,có 2 phương pháp lượng tử hóa:
+Lượng tử hóa tuyến tính có các bước lượng tử bằng nhau(lượng tử đều).
+lượng tử hóa phi tuyến có các bước lượng tử khác nhau(lượng tử không
đều).
-Trong hầu hết các thiết bị video ,thì tất cả các mức lượng tử đều có biên
độ bằng nhau và quá trình lượng tử hóa được gọi là lượng tử hóa đều.
Lượng tử hóa đều là phép trong đó các mức lượng tử cách đều nhau.khi
đó giới hạn biên độ tín hiệu:
. 2Q a∆ =

Trong đó:+a:Mức cực đại
-a:Mức cực tiểu

∆
:Bước lượng tử
-
-Lỗi xuất hiện khi nhiễu làm biên bộ vượt quá ½ bước lượng tử,các phần
còn lại bị triệt tiêu.
11
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH

= =
-Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của phương pháp lượng tử hóa:
2
/ 1S N Q= −
-Công suất tín hiệu:

2
2
( 1)
12
S Q
∆
= −
Với:

2
/ ( ) 10lg( 1)S N dB Q= −
Để mã hóa Q mức thì cần b bit nhị phân:

2
b
Q =
,(
2
logb Q=
)
Ta được:
2
/ ( ) 10lg(2 1) .20log 2 6 ( )
b

ra(méo lượng tử).
12
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
-Ta có công thức xác định:(tỷ số giữa các giá trị biến đổi đỉnh-đỉnh và căn
bình phương sai số lượng tử của 1 hệ thống,nó quy định chất lượng hình
ảnh được khôi phục)

10 10
w
/ ( ) 6,02 10,8 10log ( ) 20log ( )
2
q
S
RMS
c B
V
f
S Q dB n
f V V
= + + =
−
(*)
Trong đó:n-số bit biểu diễn mẫu

S
f
-tần số lấy mẫu

C
f

rõ nét theo chiều đúng như đường biên.Khi tăng số mức lượng tử,hiệu
ứng đường viền sẽ giảm.Do đó với các ảnh có nhiều chi tiết ,méo lượng
tử phân bố ngẫu nhiên nên hiệu ứng đường viền xuất hiện ít.
• Nhiễu hạt ngẫu nhiên
-Xuất hiện ở những 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.
**/Khắc phục
-Với hiệu ứng đường viền thì phương pháp tốt nhất là cộng 2 tín hiệu
‘dither’ tín hiệu xung chữ nhật biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên có biên
độ < Q/3,vào tín hiệu video.
-Với nhiễu hạt ngẫu nhiên:Hiện tượng này có thể được sử dụng 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(quá trình ‘dithering’).Tín hiệu’dither’ có
nhiều dạng khác nhau ,thông thường là dạng xung chữ nhật,tần số bằng ½
tần số lấy mẫu,biên độ bằng ½ sóng lượng tử.
-Khi lượng tử hóa tín hiệu video màu hoàn chỉnh ,có thể lấy tải màu làm
nhiễu ngẫu nhiên.Méo xuất hiện là méo pha vi sai số(có thể khắc phục
bằng cách tăng mức lượng tử) và méo khuếch đại vi sai số.
-Do tín hiệu vào là không ổn định,cộng với các nhiễu trong quá trình sửa
nên quá trình lượng tử hóa tín hiệu video cần sử dụng biên bảo hiểm.các
mức cấm này cho phép tín hiệu video được an toàn trước các nguồn
13
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
nhiễu.Do ảnh hưởng của méo ở mức đen nhỏ hơn ảnh hưởng méo ở mức
trắng ,nên biên độ bảo hiểm của mức trắng lớn hơn mức đen.
-Sai số lượng tử phụ thuộc vào số bit biểu diễn mẫu.Trước kia thường sử
dụng 7 hoặc 8 bit để biểu diễn 1 mẫu,tương úng sẽ có 128 hoặc 256 mức
lượng tử.Ngày nay,đa số các thiết bị số tiêu chuẩn studio sử dụng 10 bit
mã hóa(

toán đặt ra.
+Các phương pháp mã hóa và giải mã các mã được chọn có thể thực hiện
trong các thiết bị.
Ngoài ra,việc chọn mã còn ảnh hưởng đến tốc độ truyền của thông tin.
2.3.2 Các đặc tính của mã
2.3.3 Các loại mã sơ cấp
-Các loại mã sơ cấp chủ yếu được sử dụng trong mã hóa tín hiệu truyền
hình,xỷ lý số,trong các thiết bị tổ hợp studio của trung tâm truyền hình
số… là:
+Mã NRZ(No Return Zero):Trong mã này được chia làm các loại mã sau:
• NRZ-Unipolar:Đơn cực
• NRZ-Polar :Cực
• NRZ-Bipolar :Lưỡng cực(Mã tam phân).
+Mã RZ(Return to Zero):Trở về mức ‘0’.Và cũng có 3 loại như trên.
+Mã BiPh(Bi Phase) :hai pha
-So sánh 2 loại mã RZ và mã NRZ thì ta thấy:Mã RZ có ưu điểm hơn so
với mã NRZ đó là:Thành phần 1 chiều của mã RZ nhỏ hơn mã NRZ và
khả năng khôi phục lại tín hiệu xung nhịp của nó dễ hơn(dựa vào hàm
14
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
mật độ phổ công suất PSD của 2 loại mã).Tuy nhiên băng thông của mã
RZ rộng gấp 2 lần băng thông của mã NRZ.
-Bảng từ mã của mã sơ cấp phải thỏa mãn điều kiện:

1n n
q N q
−
< <
,Với N-số mức lượng tử được mã hóa.
-Mã sơ cấp bao gồm 2 loại mã:+Loại có trọng số.

giữa 2 tổ hợp mã kề nhau cách nhau 1 bit.Do vậy,mã Gray được sử dụng
rộng rãi trong việc mã hóa ma trận của tín hiệu truyền hình dùng ống tia
điện tử.
15
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
-Trong truyền hình số ,mã NRZ thường dùng cho các thiết bị studio và
thiết bị truyền các thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình.Còn mã RZ thì
được dùng trong 1 số trường hợp truyền tín hiệu hình đi xa.Mã BiPh được
dùng trong quá trình ghi tín hiệu số trên băng từ.Sở dĩ như vậy là do:Từ
hàm mật độ phổ công suất của 3 loại mã trên ta thấy:Mã NRZ có thành
phần 1 chiều tương đối lớn và khó khôi phục xung nhịp(Clock),điều này
gây khó khăn cho bên thu khi thu tín hiệu hình ảnh
⇒
Mất đồng bộ.Với
mã RZ thì thành phần 1 chiều nhỏ hơn mã NRZ,và thành phần tại tần số
0
cl
f ≠
nên khả năng khôi phục xung Clock dễ dàng hơn NRZ,do đó loại
mã này có thể được dùng trong 1 số trường hợp truyền tín hiệu đi xa.Tuy
nhiên cả 2 loại mã này,đều khó đồng bộ khi ta truyền 1 dãy các bit ’0’
hoặc ‘1’ liên tiếp
⇒
Khắc phục bằng cách sử dụng mã Manchester(Mã
tam phân).
III/PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI D/A
3.1 Khái niệm
NRZ
BiPh
RZ

bộ với mạch tạo các xung giống nhau.
-Bộ lọc thông thấp(LPF):tách băng tần cơ bản của tín hiệu lấy mẫu (rời
rạc).
-Sau đó,tín hiệu được đưa qua bộ khuếch đại,khuếch đại tín hiệu đủ lớn
đưa ra hiển thị trên màn ảnh(Tín hiệu video tương tự).
-Đồ thị biểu diễn dạng tín hiệu và phổ của nó sau khi qua bộ biến đổi D/A
như sau:
17
Mạch
logic

D/A

Lấy mẫu

LPF
>
Xung lấy
mẫu
Tín
hiệu
số
Video
tương tự
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
Thời gian
Biên độ
Sin(x)/x
2
s

Biên độ
Tần số

S
f
Băng tần cơ
bản
Biên dưới Biên trên
Phổ tín hiệu tại đầu ra bộ biến đổi D/A
19
BÀI TẬP LỚN:CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH
20