Giáo trình XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO - Chương 2

Chia sẻ: Norther Light | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

0
458
lượt xem
140
download

Giáo trình XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO - Chương 2

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO - Chương 2

  1. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Chương 2 SỐ HÓA TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO 2.1 GIỚI THIỆU Hầu hết các tín hiệu audio và video tự nhiên là ở dạng tương tự, nhưng hầu hết các thiết bị lưu trữ và truyền tải tín hiệu hiện nay được thực hiện dựa trên phương thức số, cho nên chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là một một yêu cầu cần thiết. Chất lượng tín hiệu tối đa của một hệ thống audio và video số hầu 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. Tín hiệu Tín hiệu digital analog Lượng Tiền lọc Lấy mẫu Mã hóa tử hóa 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 Hình 2.1. Sơ đồ khối ADC 36
  2. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Như trên hình 2.1, trình bày một sơ đồ khối khái quát của khối ADC, quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa làm việc dựa trên các đặc tính trực giao của tín hiệu (thời gian và biên độ), điều này có nghĩa là chúng độc lập với nhau. Vì vậy, cả hai bước này có thể được thực hiện theo cả hai trật tự, tức là có thể lượng tử hóa trước thay bằng cách lấy mẫu trước như trong hình. 2.2.1. Tiền lọc và lấy mẫu Lấy mẫu là quá trình đọc các giá trị của tín hiệu tương tự theo chu kỳ xác định. Thông thường các mẫu có xu hướng nhất thời, có nghĩa là mẫu được lấy trong khoảng thời gian ngắn hơn chu kỳ của tần số lấy mẫu. Độ rộng của một mẫu là số phần trăm của chu kỳ tần số lấy mẫu, trên chu kỳ này mẫu được lấy trung bình. Đầu ra của quá trình lấy mẫu là một chuỗi các giá trị tương tự (các mẫu) tương ứng với các điểm ở dạng sóng, nơi diễn ra quá trình lấy mẫu. Nó thường là các dạng xung ở tần số lấy mẫu, và biên độ của tần số lấy mẫu biểu thị các giá trị của mẫu. Tần số lấy mẫu cao Tần số lấy mẫu theo Nyquist Tần số lấy mẫu thấp Hình 2.2. Giới hạn tần số lấy mẫu Quá trình lấy mẫu được thực hiện ở một tần số ổn định, fS 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: fS ≥ 2 fMAX Trong đó: fMAX là tần số cao nhất phải được tạo ra. Việc lọc đầu vào được sử dụng để đảm bảo sẽ không có các thành phần tần số nào cao hơn fMAX. Bởi vì các bộ lọc dốc nhọn thực tế thường mắc phải một số khó 37
  3. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video khăn nên fS được thiết lập phần nào cao hơn tiêu chuẩn Nyquist. Lấy mẫu ở 2,2 đến 2,5fH là thông dụng nhất. Một vài hệ thống lấy mẫu với tần số cao hơn nhiều được gọi là lấy mẫu tần cao sẽ bàn đến trong phần 2.3.1 Dải tần cơ bản fs 2fs của video Tần số lấy mẫu cao fs 2fs Tần số lấy mẫu theo Nyquist Chồng phổ fs 2fs Tần số lấy mẫu thấp Hình 2.3. Phổ lấy mẫu Ví dụ trên hình 2.2, trình bày quá trình lấy mẫu dưới, trên và tại tần số của tiêu chuẩn Nyquist. Nội dung của một chuỗi mẫu có 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. Còn đối với video, chồng phổ gây ra các hình trên ảnh được tạo có thể thiệt hại hoặc không. Tiêu chuẩn Nyquist cũng có thể được quan sát trên miền tần số. Một chuỗi các mẫu có thể được coi như là một hàm xung định kỳ ở tần số lấy mẫu mà biên độ của nó được điều chế bởi các giá trị lấy mẫu. Phổ của một xung định kỳ bao gồm một thành phần tần số lấy mẫu cộng với các thành phần cân bằng biên độ ở tần số lặp lại và các sóng hài của nó. Mỗi một thành phần có dải band tần biểu thị sự điều chế bằng các tần số tín hiệu biểu diễn trên hình 2.3 với ba điều kiện ứng với hình 2.2. Chồng phổ xảy ra khi dải band tần của thành phần tần số lấy mẫu chồng lên dải band tần của thành phần tần số lấy mẫu bằng 0. Nếu hiện tượng chồng xảy ra sẽ 38
  4. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video không có cách nào để loại bỏ nó sau khi lấy mẫu, phải ngăn chặn ngay từ quá trình tiền lọc đầu vào. Từ hình vẽ ta nhận thấy, có thể xảy ra hiện tượng chồng lắp bất cứ khi nào tần số tín hiệu tối đa cao hơn 1,5 lần tần số lấy mẫu, vì vậy đây chỉ là một cách biểu thị khác của tiêu chuẩn Nyquist. Khi cần thiết phải xử lý các tần số tín hiệu ở gần giới hạn Nyquist, yêu cầu đặt ra cho bộ lọc đầu vào trở nên khó khăn. Như trên hình 2.3b, độ dốc của bộ lọc phải nhọn để tránh xảy ra hiện tượng méo tín hiệu cần thiết trong quá trình khử các tần số gây chồng phổ. 2.2.1.1 Quá trình lấy mẫu trong mảng hai chiều Sóng video analog thu được từ quá trình quét sẽ được lấy mẫu theo từng dòng quét. Quá trình lấy mẫu này trong bộ ADC biển diễn một mảng hai chiều (chi tiết dòng). Nó có thể được quan sát trong giới hạn của ảnh như chỉ ra trong hình 2.4. Để tránh nhiễu, tần số lấy mẫu thường được đồng bộ với tần số quét dòng. Nếu đây là một mối quan hệ có tính chính xác thì quá trình lấy mẫu sẽ xảy ra tại các điểm giống nhau trong mỗi dòng (còn gọi là lấy mẫu trực giao) như hình 2.4a. Hình 2.4a minh họa quá trình lấy mẫu quincunx, quá trình này được thực hiện bằng cách lấy tần số lấy mẫu là một bội số lẽ của hai lần tần số quét dòng. Các ảnh trong quá trình lấy mẫu khác nhau có thể xảy ra với những mối quan hệ phức tạp hơn, và trên ảnh sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu nhiều hơn. Trực giao quincunx Hình 2.4. Mô hình lấy mẫu không gian Quá trình lấy mẫu quincunx có nhiều ưu điểm do tạo ra độ phân giải cao ở mọi hướng, nhưng lại không được sử dụng nhiều bởi ví nó làm cho quá trình xử lý số của các tín hiệu trở nên khó khăn hơn. 2.2.1.2 Hiện tượng chồng phổ trong mảng hai chiều 39
  5. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Hình 2.5 biểu diễn dạng của chồng phổ trên một đường chéo đen với nền màu trắng. Hình 2.5a biểu diễn một đường ảnh bị che bởi một hình lấy mẫu trực giao, và Hình 2.5b biểu diễn kết quả lấy mẫu khi đầu ra chỉ dựa vào màu sắc (đen hay trắng) tại thời điểm lấy mẫu. Đây là dòng nhọn quen thuộc thường xuất hiện trên màn hình máy tính khi hiển thị các dòng kề ngang, kề dọc hoặc các biên. Hình 2.5. Hiện tượng chồng phổ Hình 2.5c biểu diễn hiệu ứng của hiện tượng tránh chồng phổ, tại đó các giá trị của đầu ra được dựa vào số lượng của các vùng lấy mẫu chứa dòng (một hình chữ nhật biểu thị ở chu kỳ lấy mẫu sẽ cộng ra trong mỗi mảng và đưa về trung tâm của điểm lấy mẫu). Nếu hình ảnh được quan sát từ khoảng cách xa thì người ta có thể nhận thấy dòng được tránh chồng phổ dễ chịu hơn các các dòng nhọn. Khi sử dụng một bộ lọc đặt trước bộ lấy mẫu, thì kết quả cho như hình 2.5c. Từ khi bộ lọc loại bỏ các thành phần tần số trên giới hạn Nyquist, thì các biên của dạng sóng tín hiệu sẽ bị dốc tại điểm thời gian tăng lên xấp xỉ bằng một chu kỳ lấy mẫu. Quá trình lấy mẫu tức thời của biên dốc này sẽ tự động tạo ra các biên độ trung gian chính xác cho các điểm ảnh tại các biên của ảnh. 2.2.1.3 Độ rộng lấy mẫu Việc lấy trung bình giá trị các mẫu trên phần trăm có nghĩa của chu kỳ lấy mẫu gây ra sự giảm sút biên độ mẫu ở những tần số cao, như đã chỉ ra trong hình 2.6. Phạm vi lấy mẫu được biểu thị bằng vùng bóng trên hình, việc lấy trung bình trên độ rộng này cho ra các giá trị được biểu diễn bằng dòng chấm, giá trị này nhỏ hơn các giá trị được đọc bởi mẫu tức thì lấy tại đỉnh của sóng tín hiệu. Đây được gọi là hiệu ứng góc mở, nó xảy ra trong nhiều quá trình xử lý video. 40
  6. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Độ rộng mẫu Giá trị trung bình Hình 2.6. Độ rộng mẫu Trên thực tế, độ giảm có dạng sin(x)/x và được biểu thị trên hình 2.7. Tham số độ rộng W là số phần trăm của chu kỳ lấy mẫu. Độ giảm này có ý nghĩa đối với độ rộng mẫu cực đại (W=100), tại giới hạn Nyquist, đặc tuyến giảm xuống còn 63,6%. Tuy nhiên, hình 2.7 chỉ ra rằng độ rộng của mẫu ít hơn 20% có thể được bỏ qua. 1.0 W=20 Đặc tuyến tương đối 0.9 W=50 0.8 W=100 0.7 0.6 0 10 20 30 40 50 Tần số (phần trăm của fs) Hình 2.7. Lấy mẫu hiệu ứng góc mở 2.2.1.4. Mẫu và lưu trữ Khi thực hiện quá trình lấy mẫu trước khi lượng tử hóa, người ta thường sử dụng một mạch lấy mẫu và lưu trữ các giá trị mẫu trong một thời gian đủ để bộ lượng tử hóa thực hiện chức năng của mình. Mạch này, như trên hình 2.8, thu mẫu bằng cách đóng mạch trong một thời gian ngắn để nạp các giá trị cả mẫu cho tụ. Khi mạch hở, tụ sẽ lưu giá trị của mẫu cho đến khi có xung lấy mẫu tiếp theo. Vì vậy, các mạch của bộ lượng tử gần như có được toàn bộ chu kỳ của tần số lấy mẫu để hoạt động đúng logic của mình. 41
  7. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Tín hiệu tương tự Mẫu và giữ đầu ra Xung lấy mẫu Hình 2.8. Mạch lấy mẫu và lưu trữ 2.2.2 Lượng tử hóa Lượng tử hóa là quá trình chuyển đổi một vùng liên tục của các giá trị tương tự thành một bộ giới hạn các giá trị rời rạc. Với định nghĩa này, quá trình lấy mẫu có thể được coi như là lượng tử hóa theo trục thời gian bởi vì các mẫu biểu thị các giá 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
  8. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video một giá trị lượng tử tới giá trị tiếp theo. Tất cả các giá trị trung gian của tín hiệu đầu vào bị mất. Ví dụ này là lượng tử hoá tuyến tính bởi vì tất cả các giá trị lượng tử có cùng kích thước. Đối với lượng tử hóa, số lượng N bit trên một mẫu thì số mức lượng tử hoặc giá trị lượng tử sẽ là (2N), được chọn đủ lớn để không nhận thấy hay nghe thấy tính rời rạc của các mức. Giá trị cơ bản là 8bit/mẫu cho tín hiệu video và 16 bit/mẫu cho audio, mặc dù các giá trị khác có thể được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt. Bản chất sai số lượng tử có thể được quan sát trên hình 2.9c. Lỗi này là sự khác nhau giữa tín hiệu dốc thoải trong hình 2.9a và dạng bậc thang trong hình 2.9b, nó có dạng răng cưa mà biên độ đỉnh-đỉnh của nó chính là độ rộng Q của một mức lượng tử. Chú ý rằng, sai số này sẽ giảm tuyến tính khi tăng số mức lượng tử. 2.2.2.1 Các mạch của bộ lượng tử Các bộ lượng tử được thiết kế dựa vào mạch bộ so, bộ này so sánh giá trị tín hiệu của đầu vào với mức điện áp chuẩn. Nó phát ra tín hiệu số bằng 0 khi giá trị tín hiệu nhỏ hơn giá trị chuẩn, và bằng 1 khi giá trị tín hiệu trên mức chuẩn. Giá trị chuẩn này đôi khi còn được gọi là ngưỡng của bộ so. Các bộ so phải rất ổn định, chính xác (ở phía đầu vào, đây là các bộ so sánh tương tự) và phải ngắt từ 0 đến 1 đối với sự thay đổi rất nhỏ của các giá trị đầu vào Hình 2.10 chỉ ra cách nối bộ so được sử dụng cho lượng tử hoá. Trên mỗi mức giá trị lượng tử của một bộ so, tín hiệu đầu vào được sử dụng cho tất cả các bộ so, một thang điện trở sẽ thiết lập các giá trị chuẩn của mỗi bộ so tới một mức cao hơn. Bởi vì phương pháp này lấy 2N bộ so, nó chỉ thực hiện với khoảng N= 8 đến 10 bit (tất nhiên tất cả các bộ so đều được tích hợp trong IC). Có 2N đầu ra từ thang bộ so như trong hình 2.10, toàn bộ đầu ra là 1 cho đến tận mức giá trị lượng tử của tín hiệu đầu vào và sẽ bằng 0 khi mức giá trị lượng tử cao hơn. Cần thêm vào một bộ logic nhằm giảm số đầu ra từ các bộ so còn N đầu ra. Bộ logic này gọi là bộ mã hóa ưu tiên và nó được tích hợp trong IC ADC. Kiến trúc của bộ so trên hình 2.10 thực hiện lượng tử hoá trước quá trình lấy mẫu, quá trình lấy mẫu xảy ra trong bộ mã hóa ưu tiên. Đây được gọi là một ADC tốc độ cao, một trong những loại ADC nhanh nhất. Những kiến trúc khác được sử dụng trong các bộ lượng tử khoảng hơn 10 bit do số bộ so cho một ADC tốc độ cao không hoạt động được. Một phương pháp phổ biến hơn là sử dụng bộ lượng tử xấp xỉ liên tục, nó chỉ có một bộ so dùng để so sánh điện áp đầu ra với điện áp đầu vào của bộ DAC. Tín hiệu số vào bộ DAC được điều chỉnh bởi vòng hồi tiếp cho đến khi đầu ra của bộ so có giá trị bằng 0. Vì vậy, tín hiệu tại đầu ra bộ DAC trở thành tín hiệu đầu vào bộ ADC. Phương pháp này rất 43
  9. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video chính xác với số bit cao (ví dụ, N= 16) nhưng lại rất chậm do vòng hồi tiếp phải đi qua N phép lặp 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. Bộ so sánh fs 255 VREF D7 D6 255 D5 N gắ t ........... D4 Bộ 8 bit mã hoá Bộ chia biên độ D3 chẳn lẽ 255 D2 + Đầu vào D1 _ analog 255 D0 255 255 Hình 2.10. ADC tốc độ cao 2.2.2.2. Thiết lập phạm vi biên độ Một bộ lượng tử không thể cung cấp đầu ra cao hơn (hoặc thấp hơn) đầu ra được xác định bởi giới hạn của phạm vi mức lượng tử. Nếu như tín hiệu đầu vào vượt quá phạm vi này, thì các giá 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
  10. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video chích xác của đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của ảnh sẽ xê dịch xung quanh độ chói trung bình của ảnh bởi vì thành phần DC của tín hiệu không xuất hiện trong mạch. Để duy trì đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của tín hiệu ở một mức số xác định, thành phần DC phải được lưu trữ ở trong ADC, điều này được thực hiện nhờ ghim mức tín hiệu. Đây đơn giản chỉ là một mạch điều khiển mức đỉnh đồng bộ hoặc mức đen của ảnh và điều chỉnh hệ thống giữ được mức ổn định này. 255 Đỉnh mức 200 trắng 60 Mức đen Bust màu 0 Xung đồng bộ Tín hiệu hình Khoảng trên dòng xóa dòng Hình 2.11. Các mức lượng tử tín hiệu video SMPTE 244M NTSC tổng hợp Trong trường hợp số hóa tín hiệu audio, hiệu ứng thụ cảm do quá trình xén thậm chí còn kém hơn ở tín hiệu video, và các mức audio khó điều khiển hơn. Kết quả là, các hệ thống audio số thường sử dụng các mức điều khiển 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=2N, trong đó N là số bit/mẫu). Khi sai số lượng tử có giá trị p-p của một mức lượng tử hoặc 1/L, SNR dựa trên các giá trị p-p bằng L. Nếu sử dụng cho audio, SNR được xác định là tỷ số rms của tín hiệu trên rms của tập âm, và phân tích trên 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 0,354sp-p, nhưng đối với tạp âm lượng tử (giả 45
  11. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video thiết là pdf đồng nhất) sẽ là 0,29Sp-p. Vì vậy, SNR cao hơn L 1,22:1 (1,76 dB) chuyển tất cả sang dB ta có SNR(dB) = 6,02N+1,76 (2.2) Đây là đối với audio, đối với video SNR là tỉ số của p-p của tín hiệu trên rms của tạp âm, vì vậy hệ số 0,354 có thể được loại bỏ. Kết quả đối với video là: SNR(dB) = 6,02N+10,8 (2.3) Biểu thức (2.2) và (2.3) chỉ áp dụng cho trường hợp tín hiệu lớn, chiếm toàn bộ phạm vi lượng tử. Khi tín hiệu nhỏ hơn, hiệu ứng tạp âm lượng tử sẽ tăng lên do tín hiệu chiếm mức lượng tử ít hơn. “Tạp âm” này trở nên phụ thuộc vào tín hiệu, nó chính là méo chứ không phải tạp âm nữa. Đối với audio và cả video, hiện tượng méo tín hiệu thấp với một bộ lượng tử đồng nhất được mô tả trên đây trở nên rất nghiêm trọng và không thể chấp nhận được. Rất may vấn đề này có thể được loại bỏ nhờ sử dụng tín hiệu dither. 2.2.2.4. Lượng tử nhân tạo Ở audio, tạp âm lượng tử hiện rõ trong đoạn mức thấp của rãnh âm, ở đó tạp âm giống như một loại méo “hạt” chứ hoàn toàn không giống như tạp âm ngẫu nhiên. Việc sử dụng dither chuyển hiện tượng méo hạt này thành âm tạp ngẫu nhiên có thể dễ dàng được chấp nhận hơn. Ở video, tạp âm lượng tử có thể được quan sát trên các vùng của ảnh có bóng mờ từ màu này, hoặc độ chói này sang màu khác, hoặc độ chói khác. Chúng ta có thể quan sát được sát các dòng trên ảnh, tại đó giá trị tín hiệu truyền qua từ mức lượng tử này sang mức lượng tử khác. Điều này không rõ rệt nếu sử dụng 8bit/pixel, nhưng rất rõ ràng ở 6 bit hoặc ít hơn trên pixel. Khi có mối tương quan giữa các dòng kề nhau trong ảnh, các bước chuyển lượng tử xuất hiện giống như những đường sóng ở các vùng bị bóng mờ, rất giống như các đường cao ở trên bản đồ địa hình. Từ phép so sánh này, hiện tượng méo như vậy có thể được gọi là méo đường viền. 2.2.2.5. Dither Méo đường viền không đến nỗi quá tồi so với bản chất của nó, bởi vì ảnh gốc cũng đã chứa một vài tạp âm. Hiệu ứng của tạp âm làm gẫy phần ảnh biên, vì rất khó nhìn. Thực tế, hầu hết các ADC đều được đưa vào, một cách có chủ định, một số lượng xác định tạp âm ngẫu nhiên trước khi lượng tử gọi là quá trình dithering và gây ra lỗi lượng tử xuất hiện giống như tạp âm ngẫu nhiên thay bằng các hiệu ứng tín hiệu có liên quan như tạp âm hạt và tạp âm đường viền. Hình 2.12a trình bày một bộ lượng tử không có dither. Hình 2.12b trình bày 46
  12. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video cách dither điều chế các mức giá trị lượng tử và hình 2.12c trình bày cách tính trung bình dither làm cho các đặc tính truyền đạt trở nên tuyến tính. Tín hiệu dither phải có biên độ chính xác, và 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 Output Output Output P P Q P Q/2 (rms) 2Q Biên độ pdf Biên độ pdf Biên độ pdf đồng nhất tam giác gausesian Hình 2.12. Lượng tử hóa với dither: a) lượng tử, b) lượng tử với dither, c) trung bình của dither, d) các hành phân bố xác suất dither. Dither gây ra tổn hao nhẹ cho SNR, nhưng động thái lượng tử tạp âm được cải thiện là xứng đáng. Ví dụ, dither của pdf hình tam giác yêu cầu một biên độ p-p của hai mức lượng tử, và SNR dựa trên p-p/p-p là: SNR(dB) = 6,02N – 3 (2.4) Tín hiệu đầu vào audio hoặc video có thể có sẵn mức tạp âm cho cùng một kết quả như dither. Tuy nhiên, những tín hiệu này sẽ không tạo ra biên độ tạp âm và pdf tối ưu dưới mọi điều kiện, vì vậy thông thường người ta thêm dither tối ưu hóa riêng cho bộ ADC. 2.2.2.6. Tái lượng tử Đôi khi cần thiết phải giảm số lượng bit/mẫu. Điều này thường xảy ra khi xử lý tín hiệu có liên quan đến pháp nhân bởi quá trình này làm cho số bit/mẫu tăng lên. Cuối quá trình, các mẫu phải được giảm tới số bit/mẫu ban đầu. Nếu điều đó được thực hiện bằng cách bỏ bớt các bit có giá trị nhỏ nhất thì hiệu ứng của dither trong 47
  13. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video lượng tử hóa ban đầu bị mất và một lỗi lượng tử mới sẽ được đưa vào. Có thể sửa lỗi này trước tiên bằng cách thực hiện dither số, sau đó làm tròn tới số lượng tử bit cần thiết. Quá trình dithering số đơn giản chỉ là quá trình cộng thêm các bit ngẫu nhiên phù hợp với các bit cần khử. Sau đó quá trình làm tròn diễn ra dựa vào bit có giá trị lớn nhất trong số các bit cần khử. Nếu bit này bằng 0, thì các bit ngoài đã được loại bỏ nhưng nếu nó bằng 1 thì việc làm tròn được thực hiện bằng cách cộng thêm 1 vào các bit còn lại. 2.2.2.7. Lượng tử hoá phi tuyến Như đã đề cập ở trên, méo lượng tử tăng ở mức tín hiệu thấp không chiếm hết phạm vi của bộ lượng tử. Đặc điểm này có 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 1.0 0.8 0.6 Output 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Input Hình 2.13. Lượng tử phi tuyến hàm luật μ Lượng tử hoá phi tuyến sử dụng cho lời thoại trong audio với sối bit /mẫu nhỏ, ví dụ như 8bit/mẫu, được thực hiện trước tiên bằng cách lượng tử số bit/mẫu cao hơn, chẳng hạn như 12bit/mẫu, sau đó sử dụng bảng tra cứu để giảm xuống còn 8 bit phi tuyến. Hình 2.13 trình bày kết quả này. Tất nhiên, phải xác định dạng đường cong phi tuyến một cách cẩn thận bởi vì nó 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) 48
  14. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Trong đó: X là đầu ra tới thiết bị theo luật μ, Y là đầu ra, M là một tham số thường được thiết lập bằng 255. Phương pháp này làm giảm tỉ lệ SNR đối với các tín hiệu lớn, nhưng lại tăng lên với các tín hiệu nhỏ hơn. Có ý kiến cho rằng sự xuất hiện của tín hiệu lớn sẽ lấn áp tạp âm cao, nhưng một SNR ở những tín hiệu nhỏ sẽ tốt hơn. 2.2.3. Tiền nhấn Một kỹ thuật khác thường sử dụng trong các hệ thống audio được gọi là tiền nhấn. Kỹ thuật này khai thác triệt để tính chất: các tần số tín hiệu cao hơn thường có biên độ thấp hơn. Vì vậy, biên độ của chúng có thể được tăng lên mà không làm hệ thống quá tải. Một bộ lọc tương tự được chèn tại đầu vào của hệ thống để nhấn các tần số cao, và một bộ lọc bổ xung được sử dụng sau bộ ADC ở cuối của hệ thống. +10 +8 Đặc tuyến (dB) +6 +4 +2 0 10 50 100 500 1k 5k 10k 20k Tần số (Hz) Hình 2.14. Đường cong tiền nhấn cho audio Hình 2.14 minh họa chức năng tiền nhấn tiêu biểu. Vì sự tiền nhấn giảm biên quá tải của hệ thống, nên phải rất cẩn thận khi sử dụng. Tiền nhấn không được sử dụng cho video số. 2.2.4. Mã hóa. Quá trình gán các bit cho các mức lượng 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
  15. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Để giảm thiểu tốc độ dòng bit và giá thành, hầu hết các hệ thống đều sử dụng kỹ thuật nén và sự thỏa hiệp giữa tốc độ dòng bit và giá thành. Tần số lấy mẫu đóng một vai trò quan trọng trong thỏa hiệp này. Ví dụ, nếu chọn tần số lấy mẫu gần với giới hạn Nyquist nhất nhằm đạt được tốc độ dòng bit thấp nhất sẽ hoàn toàn thỏa mãn, nhưng phải cần đến một bộ lọc tránh chồng phổ khá đắt đỏ do phải chi phí cho việc sử dụng tần số lấy mẫu cao hơn nhằm đạt được các tính năng hợp lý cho bộ lọc. Ở các hệ thống video, vấn đề đặt ra là quá trình lấy mẫu phải được đồng bộ với tốc độ quét dòng theo một cách nào đấy để đạt được ảnh lấy mẫu mong muốn (xem phần 2.2.1.1) và số mẫu cần thiết trong chu kỳ dòng tích cực. Như vậy sẽ giảm khả năng lựa chọn tần số tới những giá trị xác định. Còn nếu có một tần số có thể sử dụng cho cả quá trình lấy mẫu của hệ NTSC và PAL, khả năng lựa chọn sẽ nhỏ hơn 2.3.1. Lấy mẫu tần số cao Một sự lựa chọn tần số lấy mẫu rất gần giới hạn Nyquist nhưng thực tế lại ở rất xa giới hạn này. Đây là phương pháp lấy mẫu tần cao, rất hữu hiệu trong trường hợp thiết bị phần cứng cần thiết cho quá trình lấy mẫu tần số cao hơn đã có sẵn. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi cho audio có tần số tín hiệu thấp, đôi khi áp dụng cho cả video. Cách thực hiện là lấy mẫu với bội số của tỉ lệ yêu cầu, như 2×, 3×, 8×, hoặc thậm chí lên đến 64× (chỉ dùng cho tín hiệu audio). Bộ tiền lọc analog cần thiết để loại bỏ sự chồng phổ trở nên dễ lắp đặt hơn bởi vì tần số lấy mẫu và dải thông nằm cách xa nhau hơn. Sau quá trình lấy mẫu và lượng tử hoá, tín hiệu số được lọc tới dải thông cuối cùng bằng một bộ lọc số và tốc độ lấy mẫu, sau đó giảm xuống tới giá trị cuối cùng nhờ quá trình thập phân hóa, là quá trình loại bỏ những mẫu không mong muốn. Đôi khi hai bước này được phối hợp trong một bộ lọc thập phân hoá. Một bộ lọc số, với các thao tác nhân, sẽ làm tăng số bit/mẫu. Hoạt động này của bộ lọc là sự đánh đổi dải thông, để tăng độ phân dải biên độ, và số bit tăng lên có hiệu lực, đồng thời có thể được giữ lại. Các bit mở rộng còn lại này phải được quá trình lượng tử hóa lại loại bỏ. Ngỏ ra digital Bộ lọc Lấy Lượng Bộ lọc Bỏ đi Lượng analog mẫu tử hóa digiatal 1/10 tử hóa Ngỏ vào fs analog chia n nfs Hình 2.15. ADC lấy mẫu tần cao 50
  16. 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: 1. Bộ tiền lọc analog chỉ phải loại bỏ thành phần tần cao, hơn một nửa tần số lấy mẫu tần cao. Đặc tuyến phẳng trong dải band tần yêu cầu sẽ đạt được dễ dàng hơn và giảm xuống tới tận 1,5 tần số lấy mẫu tần cao. 2. Do quá trình lọc số thực sự là làm tăng số bit /mẫu, cho nên bộ lượng tử ban đầu không cần phải có số mức nhiều như yêu cầu ở kết quả cuối cùng. 3. Đặc tuyến tần số cuối cùng (và sự khử chồng phổ) được xác định bởi một bộ lọc số lắp đặt trong IC cho hầu hết bất kì đặc tính nào của đặc tuyến. Đặc tuyến của bộ lọc số có thể được tái tạo một cách chính xác và ổn định. 2.3.2. Các tần số lấy mẫu audio Bởi vì tín hiệu audio không có cấu trúc, cho nên ở các điểm khác nhau trong hệ thống phải có sự đồng bộ. Các tần số lấy mẫu audio được lựa chọn trên cơ sở xem xét độ rộng band tần. Việc này tạo ra sự đa dạng của tốc độ lấy mẫu audio, sẽ được giải quyết nhờ các tiêu chuẩn. Tuy nhiên các hãng khác nhau chấp nhận những tiêu chuẩn khác nhau, vì vậy hiện đang tồn tại một số lượng tiêu chuẩn khá phong phú. Bảng 2.1 đưa ra danh sách các tiêu chuẩn audio cho đĩa CD, các máy ghi trong sản xuất chương trình audio, máy tính cá nhân và điện thoại. Tần số Bit/mẫu Dải thông Tốc độ dữ ứng dụng bit/mẫu (Hz) audio l i ệu 48.000 16 16 20.000 192.000 Sản xuất audio(stereo) 44.100 16 16 20.000 176.000 Đĩa compact(stereo) 22.100 16 16 9.000 88.400 PC WAV stereo-music 10.500 8 8 4.000 10.500 PC WAV stereo-speech 8.000 8 3.500 8.000 Điện thoại Bảng 2.1. Các tần số lấy mẫu audio 2.3.3. Lấy mẫu video thành phần ITU-R rec.BT.601 xác định tần số lấy mẫu cho các hệ thống số thành phần sử dụng tiêu chuẩn quét 525/59.94 hoặc 625/50. Một tần 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
  17. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video một tần số thấp hơn có thể phù hợp cho hệ thống 525 dòng hơn là cho hệ thống 625 dòng, tuy nhiên ưu điểm của tần 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 Khác nhau n Tần số n Tần số 842 13.248.250 848* 13.250.000 1.750 844* 13.279.719 850 13.281.250 1.531 846 13.311.187 852* 13.312.500 1.313 848* 13.342.656 854 13.343.750 1.094 850 13.374.124 856* 13.375.000 876 852* 13.405.593 858 13.406.250 657 854 13.437.061 860* 13.437.500 439 856* 13.468.530 862 13.468.750 220 858 13.499.999 864* 13.500.000 1 860* 13.531.467 866 13.531.250 217 862 13.562.936 868* 13.562.500 436 864* 13.594.404 870 13.593.750 654 866 13.625.873 872* 13.625.000 873 868* 13.657.341 874 13.656.250 1.091 870 13.688.810 876* 13.687.500 1.310 Bảng 2.2. các tần số lấy mẫu video 52
  18. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video Giả sử hệ thống 625/50 yêu cầu dải band tần 5 MHz, khi đó tần số lấy mẫu phải cao hơn 10MHz, có thể từ 12 tới 13 MHz, mới thỏa mãn được một vài biên lọc. Bảng 2.2 liệt kê các tần số là bội số nguyên chẵn của tần số quét dòng xung quanh tần số 13MHz. Các số có đánh dấu hoa thị (*) là các số có thể chia hết cho 4. Lưu ý, các giá trị tần số phải khớp với bội 858 đối với hệ 525 dòng và 864 đối với hệ 625 dòng, và tần số lý tưởng là 13,5MHz. Nhưng 858 lại không chia hết cho 4, điều này tương đương với việc lấy mẫu con 4 sẽ không tạo ra một mô hình lấy mẫu trực giao đối với hệ thống 525 dòng. Tuy nhiên, không có tần số nào phù hợp hơn tần số này. Do vậy 13,5MHz được chọn làm tần số lấy mẫu đơn . Như đã đề cập ở trên, Rec.BT.601 không chỉ chuẩn bị các thành phần RGB cho quá trình lấy mẫu đầy đủ, mà còn cả các thành phần tín hiệu hiệu màu phù hợp cho quá trình lấy mẫu con 2:1 hoặc 4:1, với dải band tần thấp hơn. Sự lựa chọn tần số lấy mẫu trong các hệ thống khác nhau được miêu tả nhờ cách đánh dấu: “4” chỉ ra tần số lấy mẫu cơ bản, “2” chỉ ra bộ lấy mẫu con 2:1 và “1” chỉ bộ lấy mẫu con 4:1. Vì vậy, lấy mẫu RGB được gọi là 4:4:4, lấy mẫu con 2:1 các thành phần hiệu màu là 4:2:2 và 4:1 là 4:1:1. Một sự lựa chọn khác 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
  19. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video 2.4. CHUYỂN ĐỔI DẠNG SỐ SANG TƯƠNG TỰ Tín hiệu audio hay video số sau khi truyền dẫn hay lưu trữ sẽ được tái tạo lại tín hiệu tương tự như nguyên mẫu. Việc biến đổi tín hiệu số ra tương tự được thực hiện nhờ bộ DAC, mạch này đơn giản hơn ADC, tuy nhiên vẫn còn một vài vấn đề cần xem xét. Hình 2.18 giới thiệu sơ đồ khối của bộ DAC tiêu biểu, thiết kế phù hợp cho video. Cấu trúc này được coi như kiến trúc R-2R sử dụng cho hai giá trị điện trở. Đầu vào số nối tiếp được chuyển đổi sang một định dạng song song, và một đồng hồ dữ liệu được thiết lập để khóa các dữ liệu nhằm loại bỏ bất cứ một thành phần tạp nào có thể xuất hiện ở đầu vào. Quá trình xử lý đầu vào cũng bao gồm một mạch lấy mẫu (xem phần 2.2.1.5) cho mỗi bit. Mỗi bit chuyển một nút của mạng từ giá trị bằng zero tới mức điện áp chuẩn. Khi chuyển mạch lên phía trên (bit 1), một dòng điện được chia theo tỉ lệ 2:1 cho số lần xuất hiện khi chảy qua các nút giữa chuyển mạch và đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán. Ví dụ dòng điện của chuyển mạch LSB truyền qua 7 nút để đến bộ khuếch đại thuật toán, vì vậy nó được chia theo 128 (27). Mặt khác dòng điện của chuyển mạch MSB chảy trực tiếp vào bộ khuếch đại thuật toán, vì vậy nó không được chia. Vì trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại rất thấp do sự hồi tiếp chậm nên các dòng điện từ các chuyển mạch bội chuyển lên phía trên sẽ tổng hợp tuyến tính, vì vậy dòng điện đầu ra sẽ là: ⎛ bit 0 bit1 bit 2 bit 3 bit 4 bit 5 bit 6 ⎞ V REF i0 = + + + + + + + bit 7 ⎟ ⎜ 2R ⎝ 128 64 32 16 8 4 2 ⎠ Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán là ioR. 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 động chuyển mạch. Nhiều bộ DAC thực hiện quá trình lấy mẫu lại sau khi chuyển đổi để loại bỏ lỗi này. Quá trình lấy mẫu được tính thời gian bắt đầu muộn hơn trong bộ chuyển đổi, nhưng kết thúc trước giai đoạn chuyển mạch tiếp theo, vì vậy nó xảy ra trong khoảng thời gian khi đầu ra của bộ chuyển đổi ở giá trị ổn định. Bộ lọc đầu ra của DAC chạy ở fs cũng phải đáp ứng những yêu cầu tương tự như bộ lọc đầu của ADC. Nếu độ rỗng band tần yêu cầu gần với giới hạn Nyquist, việc thiết kế bộ lọc sẽ trở nên rất khó khăn và giá thành cao. 54
  20. Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video - Đầu ra Bộ lọc analog thấp + Đầu vào Xử lý digital đầu vào digital Khôi phục clock 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

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản