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 mẫuLượng
tử hóa Mã hóa
Tín hiệu
analog
Tín hiệu
digital
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
Hình 2.1. Sơ đồ khối ADC
36
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
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
fs2fs
fs2fs
2fs
fs
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.
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
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
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