Chương 1: Đại cương về tín hiệu audio và video
Về mặt toán học, điều này có thể được chứng minh bằng phép phân tích
Fourier các tín hiệu video tiêu biểu, song nó có thể được chứng minh theo trực giác
bằng cách quan sát và thấy rằng, các thành phần có ý nghĩa nhất của sóng video là
tín hiệu xoá dòng, đó là một chuỗi xung của tần số quét dòng. Tất nhiên, phổ của
xung này có thể bao gồm tần số quét dòng và hài của nó, như hình 1.10.
Bản chất này là phổ năng lượng tín hiệu tập trung vào gần hài của tần số dòng.
Có nghĩa là, có thể quét các dòng với tín hiệu mà các thành phần tần số của nó hầu
hết có thể bị giảm ở giữa các hài của dòng. Nếu điều này được thực hiện một cách
chính xác sẽ giảm thiếu được nhiễu giữa hai tín hiệu.
1.8.4.3. Hệ thống truyền hình màu tổng hợp NTSC
Hệ thống truyền dẫn màu tổng hợp đầu tiên là công nghệ truyền hình màu
NTSC xuất hiện tại Mỹ vào những năm 50. Hệ thống này kết hợp các tín hiệu thành
phần ba màu thành một tín hiệu tổng hợp phù hợp với kênh 6MHz, kênh này sử
dụng cho truyền hình quảng bá đen trắng. Hơn nữa, tín hiệu này có thể đáp ứng
được tính tương hợp giữa truyền hình màu và truyền hình đen trắng, tức là tín hiệu
màu đen trắng có thể thu được tín hiệu màu và cả đen trắng nữa. Hệ NTSC hiện nay
vẫn được sử dụng hơn 50 năm sau khi ra đời.
210 x fH
211 x fH
212 x fH
0 1.0 2.0 3.0 4.0
Biên đ
ộ
Tần số MHz
Sóng mang màu
Dải tín
hiệu sắc
Dải biên tín
hiệu chói
Phổ tín
hiệu chói
Phổ tín sắc
được chèn
Hình 1.11. Phổ của tín hiệu video màu tổng hợp minh họa quá trình chèn tần số
Ở hệ truyền hình màu NTSC hoặc PAL, hai tín hiệu màu được điều biên nén
vuông góc đặc điểm của phương pháp điều chế này là sóng mang phụ sẽ bằng 0 khi
không có tín hiệu, nó xảy ra khi truyền ảnh đen trắng. Vì vậy, tín hiệu sóng mang
màu sẽ biến mất ở ảnh đen trắng hoặc các vùng đơn sắc của ảnh màu. Bởi vì các tín
19
Chương 1: Đại cương về tín hiệu audio và video
Sóng mang màu được chọn ở miền tần số cao của phổ tín hiệu chói, bởi vì đặc
tính của tín hiệu video là các thành phần tần số cao thường nhỏ và sự nhiễu tần số
cao thì khó nhìn thấy hơn tần số thấp. Cả hai vấn đề này điều làm giảm khả năng
nhìn các sự xuyên âm giữa các thành phần quét dòng.
Một đặc điểm cuối cùng góp phần làm giảm thiểu sự xuyên âm giữa các thành
phần của tín hiệu NTSC là độ phân giải của mắt tuỳ theo màu. Vì vậy, bằng cách
chọn các thành phần màu phù hợp, nó sẽ giảm dải tần số tín hiệu màu R-Y và B-Y
có thể đến hơn một nữa, điều này yêu cầu thay đổi tín hiệu màu R-Y và B-Y thành
hai tín hiệu Y (cùng pha) và Q (cầu phương). Biểu thức ma trận của tín hiệu này là:
I = 0.6R - 0.28G - 0.32B
Q = 0.21R - 0.51R + 0.30B
Trong tiêu chẩn NTSC, tín hiệu I được truyền với dải thông là 1,3MHz, tín
hiệu Q có dải thông là 0,5MHz, và tín hiệu Y được sử dụng toàn bộ dải thông
4,2MHz. Bảng 1.3 đưa ra các thông số thực tế cho ba hệ truyền hình.
Danh mục NTSC PAL SECAM
Tần số quét dòng 525 625 625
Tỷ lệ quét cách dòng 2:1 2:1 2:1
Tần số quét mành (Hz) 59,94 50,0 50,0
fH (Hz) 15.734.26 15.625 15.625
Dải thông tín hiệu chói (Mhz) 4,2 5,0 hoặc 5,5 50 hặc 5,5
fSC (Hz) 3.579.545 4.433.619 4.250.000
4.406.250
Dải thông tín hiệu sắc (Mhz) I = 1,3
Q=0,5
U = 1,3
V = 1,3
DR = 1,3
DB = 1,3
Bảng 1.3. Các thông số hệ thống của các hệ thống màu tổng hợp
Tần số mành 59,94 Hz của hệ NTSC có sự khác biệt rất nhỏ so với tần số 60Hz
vì một lý do rất quan trọng. Nhằm giảm thiểu hiện tượng nhiễu điều biến xuyên có
thể xảy ra giữa tần số mang âm thanh 4,5MHz và tần số mang này thì tần số quét
20
Chương 1: Đại cương về tín hiệu audio và video
dòng phải là ước số nguyên của 4,5MHz. Tần số gần nhất tần số dòng 15.725Hz của
tiêu chuẩn màn hình trắng đen là ước số thứ 286 của 4,5MHz là 15.7345,26Hz con
số này chia cho 525 và nhân với 2 sẽ cho tần số mành 59,94 Hz.
1.8.4.4. Hệ thống truyền hình màu tổng hợp PAL
Vài năm khi hệ NTSC đưa vào sử dụng, hệ truyền hình màu PAL của châu Âu
cũng được phát triển và đã thừa hưởng thành quả của hệ thống NTSC, nó có dải
thông lớn hơn hệ NTSC và nó được dùng quảng bá châu Âu. Cũng giống như
NTSC hệ PAL cũng đáp ứng được tính tương hợp đối với hệ thống truyền hình đen
trắng ở châu lục này.
ưHầu hết các n ớc châu Âu có hệ thống đen trắng 625 dòng và có tầng số quét
mành là 50Hz. Với độ rộng band tần là 5,5MHz, hệ PAL sử dụng tần số quét màu
cao hơn hệ NTSC và có dải thông của 2 tín hiệu màu là như nhau cho mỗi kênh. Từ
đó hệ PAL dùng trực tiếp các thành phần B-Y và G-Y. Các thành phần này được
gọi là U và V. Các biểu thức của nó là:
U = 0.493(B-Y)
V = ± 0.877(R-Y)
Tuy nhiên có sự khác biệt quan trọng ở hệ PAL chính là tên gọi của hệ này
“đảo pha theo từng dòng” được đánh dấu bằng kí hiệu ± trong biểu thức. Pha của
sóng mang màu tín hiệu V sẽ bị đảo ngược từ dòng này đến dòng khác. Mục đích
của nó là sửa méo pha, méo này có thể gây nên sự méo sắc độ của màu, đây chính là
nhược điểm của hệ NTSC, mặc dù nó có thể giảm bớt khi các hệ thống và thành
phần được thiết kế một cách cẩn thận. Các thông số của hệ PAL cũng được cho
trong bảng 1.3.
1.8.4.5 Hệ thống truyền hình màu SECAM
Một hệ thống truyền hình màu khác được phát triển tại Pháp có tên là SECAM
và nó được sử dụng hai sóng mang điều tần để mang hai tín hiệu hiệu màu B-Y và
R-Y. Hệ thống này đã loại bỏ các thông số biên độ và pha bởi vì các thông số này
không quan trọng với điều tần. Tuy nhiên nó chỉ được sử dụng ở Pháp và Liên Xô
cũ. Các thông số của SECAM cũng được cho trong bảng 1.3
1.8.4.6 Các vấn đề nảy sinh với màu tổng hợp
Mặc dù hiện nay có khoảng 10.000 trạm phát hình tới hàng trăm triệu máy thu
trên toàn thế giới, tất cả đều sử dụng màu tổng hợp, song những hệ thống này vẫn
còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết. Kết quả của quá trình điều chế màu và quét
cách dòng không hoàn hảo, độ phân giải tín hiệu đen trắng bị tiêu hao, độ phân giải
màu bị giảm quá nhiều không thể tái tạo được truyền đi từ máy tính. Quét cách
21
Chương 1: Đại cương về tín hiệu audio và video
dòng tạo ra một hiệu ứng giả và các tín hiệu lại không chấp nhận hiện tượng nhiễu
hoặc méo do việc truyền hay ghi hình gây nên. Nhìn chung, người xem truyền hình
đều hài lòng với hệ thống hiện có, song đó là do chưa có hệ thống nào để họ chọn
lựa.
Tuy nhiên, cần nói thêm là các tiêu chuẩn truyền hình hiện nay còn nhiều hạn
chế. Đây là mục tiêu của những người đang nghiên cứu phát triển tiêu chuẩn HDTV
mới. Sử dụng kỹ thuật số, những hạn chế của truyền hình tổng hợp sẽ được loại bỏ
và bằng cách áp dụng công nghệ nén hình số, các tín hiệu có độ phân giải cao hơn
nhiều sẽ được truyền đi trên cùng các kênh có tần số 6MHz đang được sử dụng cho
hệ thống NTSC.
Tất nhiên, mỗi hệ thống đều có hạn chế riêng, song các tiêu chuẩn HDTV có
sự cải thiện chất lượng đáng kể hơn cả so với các hệ thống khác. Tuy nhiên quá
trình chuyển đổi từ tương tự sang số sẽ rất khó khăn đối với hệ thống này. Trong thế
giới của kỹ thuật số không có không gian giành riêng cho màu tổng hợp
1.9. CÁC TÍN HIỆU VIDEO TƯƠNG TỰ
ưCác tín hiệu do quá trình quét ảnh tạo nên đ ợc xử lý trong camera và định
dạng theo tiêu chuẩn của camera. Cùng với việc xác định các tần số quát ảnh tiêu
chuẩn video tương tự cũng xác định rõ dạng sóng của tín hiệu video.
1.9.1 Dạng sóng tín hiệu video
Các dạng sóng video tương tự có thể nhìn thấy trên màn hiển thị dạng sóng
hoặc trên OSC, nó được đồng bộ hoá với tín hiệu của cả ảnh, mành và tỉ lệ dòng. Ở
bất cứ các tỉ lệ này thông tin video thường là ngẫu nhiên và tất nhiên nó sẽ thay đổi
khi ảnh thay đổi. Tuy nhiên phần xoá dòng và đồng bộ hoá tín hiệu video không
thay đổi và lặp đi lặp lại vì vậy chúng xuất hiện rất nét. Hình 1.12 biểu diễn các
dạng sóng video của tiêu chuẩn truyển hình NTSC.
Như biểu diễn ở hình 1.12a. là dạng tín hiệu video trong một chu kì quét dòng,
nó minh họa chi tiết dữ liệu trong khoảng xoá dòng bao gồm xung đồng bộ dòng và
burst đồng bộ màu. Burst đồng bộ màu bao gồm ít nhất 8 chu kì tần tần số sóng
mang màu. Hìmh 1.12b minh hoạ chi tiết không xoá mành. Trong khoảng xoá mành
có chứa một xung lớn để đồng bộ quá trình quét mành, tuy nhiên trong khoảng rộng
xung này, các xung hẹp lại bị biến thành hình răng cưa để đồng bộ hoá quá trình
quét dòng. Bởi vì mối quan hệ giữa sự dịch các xung dòng và xung mành giữa mành
chẵn và mành lẻ do tỉ lệ tần số cần cần để quét các dòng nên các xung hình răng cưa
trong khoảng đồng bộ mành và các xung cân bằng ở xung quanh có tần số gấp đôi.
Nhờ đó xung mành và các xung quanh nó giống nhau cả ở mành chẵn và mành lẻ.
22
Chương 1: Đại cương về tín hiệu audio và video
Đỉnh mức
trắng
Mức đen
Xung đồng bộ
dòng
Tín hiệu hình
trên dòng
Bust màu
Khoảng
xóa dòng
VBI
Xung đồng bộ mành
Xung đồng bộ mành và cân bằng
Hình 1.12. Dạng sóng tín hiệu video NTSC
Hầu hết các hệ thống truyền hình đều có một vài bộ phận và tín hiệu video phải
được truyền giữa các bộ phận đó, vì vậy phải đề ra các tiêu chuẩn kết nối video để
xác định cáp, bộ kết nối, mức điện áp. Điều này giúp cho các bộ phận của các nhà
sản xuất khác nhau có thể kết nối cùng một hệ thống.
1.9.2. Các đặc điểm của truyền hình tương tự
Tín hiệu ở đầu vào và đầu ra của một hệ thống video luôn là tín hiệu tương tự
ngay cả khi hệ thống đó đã được số hoá toàn bộ, người ta vẫn sử dụng các thông số
video tương tự để đánh giá hệ thống số.
1.9.2.1. Thang xám
Đặc tuyến thang xám được kiểm tra bằng một ảnh có dạng bậc thang hoặc
bằng một tín hiệu có dạng bậc thang xám được biểu diễn trên hình 1.13. Hình (hoặc
tín hiệu) bao gồm các bậc thang xám cân bằng các bậc này có thể được tạo lại tuyến
tính bởi hệ thống. Bằng cách đưa ra 2 ảnh: 1đi lên và 1 đi xuống, chúng ta có thể so
sánh đặc tuyến của điểm giữa. Với hệ thống tuyến tính thật sự, điểm giữa sẽ gặp
nhau chính xác ở 50% thang xám. Nếu hệ thống kiểm tra có lỗi gamma thì các bậc
này sẽ gặp nhau ở điểm khác nhau như hình đã miêu tả.
23