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

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

Lượng
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, 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

MAX
Trong đó: f
MAX
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 f
MAX
. 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 f
S
được thiết lập phần nào cao hơn tiêu chuẩn Nyquist. Lấy mẫu ở 2,2 đến
2,5f
H
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

f
s
2f
s
f
s
2f
s
2f
s
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.

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
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

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

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
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video

Tín hiệu
tương t
ự
Mẫu và giữ
đ
ầura
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
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 (2
N
), 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 2
N
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 2
N
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
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.

255
255
255
255
255
255
+
_
Ngắt
8 bit
Bộ
mã hoá
chẳn
lẽ
f
s
V
REF
Đầu vào
analog
Bộ chia biên độ
Bộ so sánh
D
7
D
6
D
5

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.

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.

Đỉnh mức
trắng
Mức đen
Xung
đồng bộ
Tín hiệu hình
trên dòng
Bust màu
Khoảng
xóa dòng
255
200
60
0








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=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:

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
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

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
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
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)

48
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 50 100 500 1k 5k 10k 20k
0
+
2
+
4
+
6

+
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

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.

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:

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 (Hz)
Bit/mẫu Dải thông
audio
Tốc độ dữ
liệu
ứng dụng

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
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*

846
848*
850
852*
854
856*
858
860*
862
864*
866
868*
870
13.248.250
13.279.719
13.311.187
13.342.656
13.374.124
13.405.593
13.437.061
13.468.530
13.499.999
13.531.467
13.562.936
13.594.404
13.625.873
13.657.341
13.688.810
848*
850

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

1.313
1.094
876
657
439
220
1
217
436
654
873
1.091
1.310

Bảng 2.2. các tần số lấy mẫu video


52
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
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 (2
7
). 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:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+++++++= 7
2
6
4

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

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 f
s
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
Chương 2: Số hoá tín hiệu audio và video


Xử lý
đầu vào
digital
Khôi phục
clock
Bộ lọc
thấp
Đầu vào
digital
-
+
Đầu ra
analog

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