Bài giảng kỹ thuật audio video

BỘ CÔNG THƯƠNG TẬP ĐOÀN DỆT MAY VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ – KỸ THUẬT VINATEX TPHCM KHOA CƠ ĐIỆN  ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT AUDIO & VIDEO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2012 LƯU HÀNH NỘI BỘ MỤC LỤC Trang Chương I : ĐẠI CƯƠNG VỀ ÂM THANH VÀ TÍN HIỆU ÂM I Các khái niệm âm II Các hệ biến đổi điện III Biến đổi âm thành tín hiệu điện – micro IV Biến đổi tín hiỆu âm tần thành âm - loa Chương II: GHI ÂM TỪ TÍNH I Nguyên lý chung ghi âm tái tạo tín hiệu âm II Nguyên lý ghi âm từ tính III Nguyên lý ghi đọc từ tính Chương III: HỆ THỐNG ÂM THANH I Các thành phần hệ thống âm II Máy tăng âm ( amplifier ) III Mộ số mạch khuếch đại công suất âm tần Chương IV: TĂNG CHẤT LƯỢNG ÂM THANH I Mạch tự động điều chỉnh mức ghi - ALC (Automatic Level Control) II Mạch điều chỉnh âm sắc (tone control) III Mạch giảm tạp âm DOLBY Chương V: NGUN LÝ CHUNG CỦA VƠ TUYẾN TRUYỀN HÌNH I Những khái niệm II Phương pháp thu phát vô tuyến truyền hình III Tần số tín hiệu hình IV sơ đồ khối máy thu hình đen trắng VI Hệ truyền hình màu VII Tín hiệu chói tín hiệu sắc Chương VI: MỘT SỐ HỆ MÀU CHÍNH I Hệ màu NTSC (National Television System Commeetee) II Hệ màu PAL (Phase Alternative Line) III Hệ màu SECAM (Sequetiel Couluer A Memoire) Chương VII: SỐ HĨA TÍN HIỆU AUDIO & VIDEO I Các bước ADC II Tiền lọc lấy mẫu III Lượng tử hóa IV Mã hóa V Chuyển đổi dạng số sang tương tự Chương VIII: TRUYỀN DẪN AUDIO & VIDEO SỐ I Định nghĩa đặc tính số loại mã II Công nghệ truyền dẫn số III Phương tiện truyền dẫn IV Các hệ thống truyền dẫn Chương IX : GHI PHÁT TÍN HIỆU AUDIO & VIDEO SỐ I Giới thiệu II Thiết bị lưu trữ Audio – Video số 11 25 26 31 40 44 48 58 60 72 79 81 85 86 90 92 95 102 106 110 111 116 122 122 125 126 133 136 143 143 III Khối đầu quang IV Ghi phát tín hiệu CD V Xử lý tín hiệu audio ghi phát 148 151 154 Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm Chương I : ĐẠI CƯƠNG VỀ ÂM THANH VÀ TÍN HIỆU ÂM I CÁC KHÁI NIỆM VỀ ÂM THANH Bản chất nguồn gốc âm Âm có chất sống học lan truyền mơi trường, sóng âm sóng dọc, có phương dao động phương với phương truyền Âm phát từ vật thể rung động, gọi nguồn âm, như: dây đàn, mặt trống, màng loa,…Khi sóng âm truyền mơi trường (khơng khí, nước,…) đến tai người làm rung màng nhĩ theo nhịp điệu rung động nguồn âm, nhờ ta nghe âm Âm truyền mơi trường: khí, lỏng, rắn,…Không truyền chân không Một số môi trường truyền âm kém, môi trường thường mềm xốp, như: bông, dạ, cỏ khô,… chất liệu cấu tạo thành môi trường gọi chất liệu hút âm, dùng để làm giảm tiếng vang Thường sử dụng nhà hát, phòng cách âm,… Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào mơi trường truyền.Thí dụ: khơng khí 340m/s, nước 1480m/s, sắt 5000m/s Trong khơng khí vận tốc truyền âm cịn phụ thuộc vào nhiệt độ tình theo cơng thức: C  331 To (m / s) 273 T0 nhiệt độ tuyệt đối khơng khí Vậy nhiệt độ cao âm truyền nhanh Người ta thường chọn C=340m/s, tốc độ tương ứng với nhiệt độ T0 = 2900K (tức 170C) Trong trình lan truyền, gặp vật cản, phần lớn bị phản xạ, phần nhỏ tiếp tục lan truyền phía trước phần nhỏ biến thành nhiệt Các đặc tính vật lý âm thanh: Âm sóng nên có tính chất sóng 2.1 Tần số: Tần số đơn âm số lần dao động phần tử môi trường truyền dẫn âm giây Tần số biểu thị độ cao âm thanh: âm trầm có tần số thấp, âm bổng có tần số cao Tai người nghe dao động có tần số từ 16 Hz dến 20 KHz Dải tần từ 16 Hz đến 20 KHz gọi dải tần số âm thanh, gọi tắt âm tần Những âm có số 16 Hz gọi hạ âm, âm có tần số 20 KHZ gọi siêu âm Tín hiệu có tần số từ 16 Hz đến 20 KHz gọi tín hiệu âm tần Tương ứng với tần số f ta có chu kỳ T bước sóng λ, liên hệ công thức: T (s) ;   C.T (m) f Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm C : vận tốc lan truyền âm khơng khí Bước sóng âm từ 0,017 m đến 21,25 m Trong dải âm tần người ta thường chia thành: - Âm trầm: có tần số từ 16 Hz đến 300 Hz - Âm trung bình: có tần số từ 300 Hz đến KHz - Âm bổng: có tần số từ KHz đến 20 KHz Tiếng nói người có tần số trung bình từ 400 HZ đến KHz Các nốt nhạc bát độ thứ ba có tần số là: Do:262Hz; Re:294Hz; Mi: 300Hz; Fa: 349Hz; Sol: 392 Hz; La: 440 Hz; Si: 494 Hz; Do: 524 Hz 2.2 Áp suất âm ( áp): Âm lan truyền đến đâu làm thay đổi áp suất khơng khí đó, hiệu áp suất có sóng âm với áp suất tĩnh khơng khí điểm gọi áp điểm Đơn vị áp bar Một bar áp tác dụng lên diện tích cm2 lực dyn, đơn vị gọi Pascal (Pa) Ta có: bar = dyn/cm2 = Pa Như ta biết Newton/m2 = dyn/cm2 Thanh áp có giá trị nhỏ Một người nói bình thường tạo nơi cách người m áp khoảng phần triệu áp suất khí Vì vậy, thực tế người ta thường dùng đơn vị microbar (1 µbar = 10-6bar) Cơng suất âm thanh: Công suất âm lượng sóng âm qua diện tích S vng góc với phương truyền đơn vị thời gian Ta có cơng thức: P Fdx pSdx   pSv dt dt (1.1) Với : F: lực tác dụng, dx: khoảng dịch chuyển lực F thời gian dt, p: áp, S: diện tích ta xét, v: tốc độ dao động phần tử khí Nói chuyện bình thường cơng suất âm khoảng 0,0004 W 2.4 Cường độ âm thanh: Cường độ âm công suất âm qua đơn vị diện tích, ta có cơng thức tính cường độ âm I: I P  p.v S (1.2) I có đơn vị watt/m2 Tuy nhiên, thực tế thường dùng đơn vị watt/cm2 Tóm lại p, P, I biểu thị độ lớn nhỏ âm f, T, λ biểu thị cao độ âm Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm 3 Sự cảm thụ tai người đối vói âm thanh: 3.1 Đơn âm: âm có tần số xác định, có biên độ sóng biến đổi theo quy luật hình sin Hình 1.1 3.2 Âm kết hợp: Các nguồn âm thông thường không tạo đơn âm mà tạo âm kết hợp Âm kết hợp tổng hợp nhiều đơn âm, âm có tần số thấp âm bản, âm cịn lại có tần số bội chẵn âm gọi âm bồi hay hoạ âm Hình 1.2 3.3 Cao độ (hay độ trầm bổng): Cao độ qui định tần số âm Trong âm nhạc, âm phổ nghe chia làm bát độ Đó khoảng cách hai âm mà âm bổng có tần số gấp lần âm trầm Ví dụ 1: Ở bát độ thứ gồm nốt Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm Ta thấy Do âm bổng có tần số gấp lần Do âm trầm Ví dụ 2: Nếu ta chọn âm trầm 16 Hz thì: - Bát độ 1: gồm âm nằm dải tần từ 16 Hz đến 32 Hz - Bát độ 2: gồm âm nằm dải tần từ 32 Hz đến 64 Hz - Bát độ 3: gồm âm nằm dải tần từ 64 Hz đến 128 Hz - Bát độ 4: gồm âm nằm dải tần từ 128 Hz đến 256 Hz - Bát độ 5: gồm âm nằm dải tần từ 256 Hz đến 512 Hz - Bát độ 6: gồm âm nằm dải tần từ 512 Hz đến 1024 Hz - Bát độ 7: gồm âm nằm dải tần từ 1024 Hz đến 2048 Hz - Bát độ 8: gồm âm nằm dải tần từ 2048 Hz đến 4096 Hz - Bát độ 9: gồm âm nằm dải tần từ 4096 Hz đến 8192 Hz 3.4 Âm sắc: sắc thái riêng âm thanh, giúp phân biệt âm phát từ nguồn âm khác Ví dụ: Nốt La phát từ đàn Guitar khác với nốt La phát từ đàn Piano khác nốt La người nói… ( dĩ nhiên, để so sánh phải phát nốt La bát độ) Âm sắc quy định hoạ âm Hai âm kết hợp có tần số có số họa tần khác ( biên độ hoạ tần khác ) có âm sắc khác 3.5 Sự cảm thụ mặt cường độ âm: Hình 1.3 Độ nhạy tai người (1): Giới hạn tối đa áp ( ngưỡng đau đớn) (2): Giới hạn nhỏ áp nghe Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm - Người bình thường nghe âm phổ tần từ 20Hz đến 15KHz Có người nghe âm có tần số thấp đến 16Hz cao đến 20KHz Càng lớn tuổi độ rộng phổ tần số nghe giảm - Một số động vật nghe âm có tần số cao : mèo nghe đến 40KHz, chó 80KHz, dơi 120KHz - Độ nhạy tai người không đồng phổ âm tần nghe Thực nghiệm cho thấy, tai người cảm giác ngạy với âm nằm dải tần từ 500Hz đến 5KHz; nhạy tần số KHz Khi áp lớn, tai người bị tổn thương Từ giản đồ nhạy tai ta thấy tần số KHz cần áp 0,0002 dyn/cm2 tai nghe Trong tần số 20 KHz cần phải có áp 10 dyn/cm2 nghe - Thực nghiệm cho thấy, thính giác cảm nhận cường độ âm tỉ lệ với Logarith áp Như định nghĩa áp, cường độ không cho ta đánh giá cách rõ ràng cảm nhận tai người Do đó, người ta dùng đơn vị để đo cường độ âm thanh, đơn vị Decibel ( ký hiệu dB ), định nghĩa công thức: N dB  20 log10 p 2.10  (1.3) Mức dB ấn định theo quy ước quốc tế, ngưỡng nghe 0,0002dyn/cm2 tần số 1KHz Mức âm nghe từ dB đến 120 dB ( ngưỡng đau đớn ) Thông thường tiếng ồn 90 dB ta thấy khó chịu vượt 120 dB tai bị tổn thương Sau đồ thị Fletcher-Munson biểu diễn mối quan hệ cường độ (tính theo dB ) tần số âm thanh, nói lên cảm nhận âm tai người không đồng theo tần số Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cường độ tần số âm Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm II CÁC HỆ BIẾN ĐỔI ĐIỆN THANH CƠ BẢN: Phương trình hệ biến đổi bản: Thiết bị biến đổi điện thiết bị biến đổi sóng âm thành tín hiệu điện (Bộ biến đổi dạng máy phát) biến đổi tín hiệu điện thành dao động âm (Bộ biến đổi dạng động cơ) Hình 1.5: Sơ đồ biến đổi điện Giả sử khơng có méo phi tuyến (Tín hiệu điện dao động âm có quan hệ tuyến tính), chế độ xác lập: E = Zi + M1v F = M2i + zv (1.4) Với: E điện áp, i dòng điện, F lực tác động, v tốc độ dao động Zi M2i : đặc trưng cho sức điện động M1v zv : đặc trưng cho động lượng E : trở kháng điện Z    i  v 0 (1.5) F : trở kháng Z    v  i0 (1.6) Biến đổi thuận nghịch âm - Tín hiệu điện nguyên lý biến đổi điện cơ: Micro thiết bị biến đổi điện, loa thiết bị biến đổi điện cơ, chúng thiết bị đầu cuối nhiều hệ thống thông tin Điện - khác vật lý, chúng mơ tả hững biểu thức tóan học tương tự Cho nên người ta đưa việc tính tốn âm học (cơ học) thành tính tốn điện học Hình 1.6 biểu diễn tương ứng điện Để đặc trưng khả biến đổi lượng điện, ta định nghĩa hệ số ghép điện cơ: M F E  i v Với loa: lực F đáp ứng đầu ra, dòng điện i tác động đầu vào Với micro: sức điện động E đáp ứng đầu ra, vận tốc v đáp ứng đầu vào Hệ biến đổi điện động: (1.7) Chương I : Đại cương âm tín hiệu âm Dịng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn m đặt từ trường nam châm vĩnh cữu tạo lực từ tác dụng lên dây dẫn theo phương vng góc với  vectơ cảm ứng từ B chiều dài l vịng dây: F = Bil (1.8) Hình 1.6  Ngược lại, m dịch chuyển vng góc với B với vận tốc v, đầu cuộn dây sinh sức điện động: E = Blv Hệ số ghép: M  (1.9) F E   B.l i v Hệ biến đổi tĩnh điện Xem mô hình hệ biến đổi tĩnh điện đơn giản hình 1.7 Một bảng tụ điện chuyển động theo tác động sóng âm Hình 1.7 Nếu đặt vào tụ điện điện áp xoay chiều u, bảng di động tụ điện chịu lực tác dụng bảng tụ điện Fxc (là thành phần lực tác dụng u) làm bảng di động rung lên theo biến đổi u hay i Hệ biến đổi áp điện Một số chất rắn tinh thể thạch, Litisulphat, gốm Natrititanat, barisegnec có tính chất đặc biệt gọi " hiệu ứng áp điện" Chương IX : Ghi phát tín hiệu Audio & Video Số 162 Máy VCD có khả đưa hình ảnh có hệ màu PAL NTSC nhờ can thiệp vào phím ấn đổi hệ remote control phím trước mặt máy Vì vậy, sử dụng máy VCD ta không cần quan tâm đến hệ màu tiêu chuẩn dòng quét, tần số quét, thân đĩa VCD không phân biệt chuẩn Việc đổi chuẩn thực mã thông tin đường liệu mà khối giải mã MPEG nhận Hình 9.17 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu video máy VCD 3.1 Khối giải nén MPEG video Khối giải nén MPEG làm nhiệm vụ giải nén tín hiệu video audio phát lại, lúc ghi hai tín hiệu nén ghi lên VCD Khối giải nén phận khác máy CD VCD Tín hiệu từ khối DSP cấp cho khối giao tiếp chủ (host interface) theo ba đường tín hiệu, sau cấp cho khối DRAM controller, khối có nhiều đường data (dữ liệu), address (địa chỉ), điều khiển (control) liên lạc với nhớ RAM bên Cuối cùng, khối video display khối giao tiếp với mạch D/A phận hình ảnh Hình 9.18 Sơ đồ khối mạch MPEG 3.2 RAM ROM sử dụng máy VCD DRAM (Dynamic Random Access Memory): nhớ truy xuất trực tiếp loại động, gọi tắt RAM động Các nhớ RAM động sử dụng VCD thường có Chương IX : Ghi phát tín hiệu Audio & Video Số 163 dung lượng từ 1M đến 16Mbyte, nhớ ROM thường sử dụng với dung lượng khoảng 1Mbyte Chúng thường sử dụng kèm với mạch giải nén MPEG để lưu trữ liệu tăng tốc độ xử lý IC giải nén Hình 9.19 Sơ đồ giao tiếp IC ROM MPEG ROM (Read Only Memory) nhớ đọc, ROM sử dụng VCD thường có dung lượng nhỏ DRAM, chúng liên lạc trực tiếp lên khối giải nén video Các chân địa A (address) tuyến địa nhớ MA (memory address) liệu nhớ MD (memory tata) liên lạc với mạch giải nén 3.3 Khối RGB-DAC Khối RGB-DAC có nhiệm vụ chuyển đổi bit liệu chứa hình ảnh bao gồm thơng tin chói, màu, đồng bộ…thành tín hiệu dạng tương tự để cung cấp cho ngõ vào máy thu hình (màn hình thử) Sơ đồ khối mạch RGBDAC thể hình 9.19 Hình 9.20 Sơ đồ khối RGB-DAC Thông thường người ta đưa liệu theo ba tuyến khác nhau, tuyến chứa 816 bit đổi thành tín hiệu R,G, B dạng tương tự 4.4 Khối giải mã RGB Khối giải mã RGB có nhiệm vụ lấy tín hiệu R,G,B dạng tương tự ngõ để tái tạo tín hiệu truyền hình, tín hiệu đồng ngang (H.sync), đồng dọc (V.sync) 4.5 Khối giải ném âm tần Trong máy đọc đĩa hình, ngồi khối giải nén tín hiệu hình, người ta thiết kế khối chức giải nén tín hiệu âm nhằm tái tạo tín hiệu âm nén với tín hiệu hình Sơ đồ khối khối giải nén âm tần hình 9.20 Chương IX : Ghi phát tín hiệu Audio & Video Số 164 Hình 9.21 Sơ đồ khối mạch giải nén âm tần Ngõ tín hiệu âm lấy từ liệu khối giải nén hình ảnh MPEG, sau xử lý giải nén, chuyển đổi D/A, tách hai kênh trái phải riêng biệt sau khuếch đại cấp cho hai ngõ audio out L-R Ngoài ra, khối giải nén âm tần người ta thực chức dành cho karaoke bao gồm tầng mix ngõ vào micro âm nhạc nền, tăng âm tone cho phần mic… 4.6 Khối vi xử lý chủ Khối vi xử lý chủ (host μcom) máy đọc VCD có nhiệm vụ giao tiếp với khối giải nén hình thơng qua đường liên lạc HA (host address), HD (host data) Giao tiếp với khối giải nén âm thanh, giao tiếp với nhớ ROM/RAM giao tiếp với khối vi xử lý máy KHỐI SERVO MÁY CD Khối servo máy CD gồm có bốn mạch servo chính: focus servo, tracking servo, sled servo, spindle servo, làm nhiệm vụ điều chỉnh vận tốc quay pha quay motor, đồng thời điều chỉnh chùm tia laser đầu đọc, đảm bảo cho việc ghi phát tín hiệu CD trung thực 4.1 Focus servo Sơ đồ mạch focus servo biểu diễn hình 9.21 Khối nhận tín hiệu từ RF, điều chỉnh cuộn dây hội tụ, làm dịch chuyển vật kính theo phương thẳng đứng để chùm tia hội tụ bề mặt CD để tín hiệu phát lại trung thực Tùy thuộc vào vị trí vật kính so với CD mà chùm sáng có hình dạng khác Cường độ sáng nhận từ diode A+C B+D đưa đến mạch khuếch đại so sánh để tạo tín hiệu sai lệch hội tụ (FE), sau đến mạch so pha, mạch khuếch đại thúc cấp điện áp sai lệch cho cuộn dây hội tụ tạo từ trường di chuyển vật kính theo phương thẳng đứng cho khoảng cách vật kính với bề mặt CD để chùm tia hội tụ lên CD thành điểm cực nhỏ tín hiệu phát lại trung thực Khi khoảng cách vật kính với CD chùm sáng hội tụ lên diode cảm quang vệt sáng hình trịn, cường độ sáng nhận A+C=B+D làm cho áp sai lệch hội tụ tạo từ mạch khuếch đại so sánh 0, tức vật kính không cần điều chỉnh Chương IX : Ghi phát tín hiệu Audio & Video Số 165 Hình 9.22 Sơ đồ khối mạch Focus servo máy VCD Hình 9.23 Khi khoảng cách vật kính q gần với CD chùm sáng hội tụ lên diode cảm quang vệt sáng hình elip đứng, cường độ sáng nhận diode A+C > B+D làm cho áp sai lệch hội tụ tạo từ mạch khuếch đại so sánh có giá trị dương (+), điện áp cấp cho cuộn dây tạo từ trường di chuyển vật kính xa CD Hình 9.24 4.2 Tracking servo Khối nhận tín hiệu từ mạch RF cấp điện áp thay đổi cuộn tracking làm dịch chuyển vật kính theo phương nằng ngang để chùm tia laser đọc track Khi phát lại, hai chùm tia laser phụ E F chiếu lên bề mặt CD gặp pit phản xạ trở lại, đến bán lăng kính chùm tia đổi phương 900 sau rọi lên diode cảm quang ABCD Tùy thuộc vào vị trí chùm tia so với đường track, mà chùm sáng phản xạ lại E F có cường độ khác Chương IX : Ghi phát tín hiệu Audio & Video Số 166 Hình 9.25 Sơ đồ khối mạch Tracking servo máy VCD Cường độ sáng diode E F đưa đến mạch khuếch đại so sánh tạo tín hiệu sai lệch tracking (TE), sau đến mạch so pha, mạch khuếch đại thúc cấp điện áp sai lệch cho cuộn dây hội tụ tạo từ trường di chuyển vật kính theo phương nằm ngang cho chùm tia ln đọc track để tín hiệu phát lại trung thực Hình 9.26 Biểu diễn vị trí lệch tia phụ Khi chùm tia đọc track, ánh sáng phản xạ hai tia phụ lên hai diode E F có cường độ nhau, áp sai lệch tracking từ mạch so sánh tức vị trí vật kính khơng cần điều chỉnh Khi chùm tia lệch sang bên trái, ánh sáng phản xạ hai tia phụ lên hai diode E F có cường độ khác nhau, cường độ sáng nhận diode E>F Chương IX : Ghi phát tín hiệu Audio & Video Số 167 áp sai lệch tracking từ mạch so sánh có giá trị âm (-), áp sai lệch cấp cho cuộn dây tạo từ trường di chuyển vật kính sang bên phải giúp cho tia đọc track để tín hiệu phát lại trung thực Khi chùm tia lệch sang bên phải, ánh sáng phản xạ hai tia phụ lên hai diode E F có cường độ khác nhau, cường độ sáng nhận diode E