Kỹ thuật Audio và Video bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng

Kỹ thuật Audio và Video bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng là bộ tài liệu hay và rất hữu ích cho các bạn sinh viên và quý bạn đọc quan tâm. Đây là tài liệu hay trong Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc. Trân trọng. ĐỊA CHỈ DANH MỤC TẠI LIỆU CẦN THAM KHẢO http:123doc.vntrangcanhan348169nguyenductrung.htm hoặc Đường dẫn: google > 123doc > Nguyễn Đức Trung > Tất cả (chọn mục Thành viên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT AUDIO VÀ VIDEO

Bậc học: Cao đẳng

Giảng viên: Nguyễn Phạm Hoàng Dũng

Bộ môn: Điện – Điện tử Khoa: Kỹ thuật – Công nghệ

Quảng Ngãi, tháng 12/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT AUDIO VÀ VIDEO

Bậc học: Cao đẳng (Số tiết: 45)

Giảng viên: Nguyễn Phạm Hoàng Dũng

Bộ môn: Điện – Điện tử Khoa: Kỹ thuật – Công nghệ

Quảng Ngãi, tháng 12/2016

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

Chương 1 CƠ SỞ VỀ AUDIO TƯƠNG TỰ 3

1.1 Âm thanh 3

1.2 Tín hiệu audio 5

1.3 Sự cảm thụ của tai người đối với âm thanh 5

Chương 2 HỆ THỐNG THU PHÁT THANH AM 8

2.1 Điều chế AM 8

2.2 Giải điều chế AM 12

2.3 Sơ đồ khối máy phát thanh AM 15

2.4 Sơ đồ khối máy thu thanh AM 16

Chương 3 HỆ THỐNG THU PHÁT THANH FM 18

3.1 Hệ thống thu phát thanh FM mono 18

3.1.1 Điều chế tần số FM 18

3.1.2 Giải điều chế tần số FM 24

3.1.3 Sơ đồ khối máy phát thanh FM 27

3.1.4 Sơ đồ khối máy thu thanh FM 28

3.2 Hệ thống thu phát thanh FM stereo 29

3.2.1 Ghép kênh và tách sóng tín hiệu FM stereo 29

3.2.2 Sơ đồ khối máy phát FM stereo 31

3.2.3 Sơ đồ khối mày thu thanh FM stereo 31

Chương 4 ĐẠI CƯƠNG VỀ TRUYỀN HÌNH TRẮNG ĐEN 33

4.1 Nguyên lý chung về vô tuyến truyền hình 33

4.2 Tiêu chuẩn truyền hình 34

Chương 5 MÁY THU HÌNH TRẮNG ĐEN 43

5.1 Sơ đồ khối tổng quát 43

5.2 Khối chọn kênh 43

5.3 Khối khuếch đại trung tần hình 47

5.4 Khối tách sóng hình và khuếch đại hình 47

5.5 Khối tự động điều chỉnh độ khuếch đại 48

5.6 Khối đồng bộ 48

5.7 Khối quét 49

5.8 Khối đường tiếng 49

Chương 6 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA TRUYỀN HÌNH MÀU VÀ THIẾT LẬP HỆ TRUYỀN HÌNH MÀU 51

6.1 Ánh sáng và nguồn sáng 51

6.1.1 Ánh sáng 51

6.1.2 Nguồn sáng 51

6.2 Màu sắc 52

6.2.1 Màu sắc 52

6.2.2 Các thông số đặc trưng của màu sắc 53

6.3 Cấu trúc của mắt người 54

6.4 Thuyết ba màu 55

6.5 Nguyên lý camera màu và đèn hình màu 56

6.5.1 Nguyên lý camera màu 56

6.5.2 Tổng hợp màu 58

6.5.3 Đèn hình màu 58

6.6 Vấn đề tương hợp 61

6.7 Các hệ truyền hình màu 65

6.7.1 Hệ truyền hình màu NTSC 65

6.7.2 Hệ truyền hình màu PAL 66

Chương 7 SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH 68

7.1 Khái niệm truyền hình số 68

7.2 Biến đổi tín hiệu tương tự - số (A/D) 69

7.2.1 Lấy mẫu tín hiệu 70

7.2.2 Lượng tử hóa 72

7.2.3 Mã hóa 73

7.3 Biến đổi tín hiệu số - tương tự 77

7.4 Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4F SC NTSC 78

7.5 Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4F SC PAL 80

7.6 Tín hiệu video số thành phần 82

7.7 Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản – CCIR601 84

7.8 Tín hiệu audio số 86

Chương 8 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ 87

8.1 Hệ thống ghép kênh và truyền tải 87

8.1.1 Truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2 87

8.1.2 Đóng gói luồng dữ liệu cơ sở (PES) 88

8.1.3 Ghép kênh luồng chương trình 89

8.1.4 Ghép kênh luồng truyền tải 89

8.2 Kỹ thuật điều chế số cơ sở 93

8.2.1 Điều chế dịch pha PSK 93

8.2.2 Điều biên trực pha QAM 95

8.3 Truyền hình cáp 96

8.3.1 Giới thiệu về hệ thống truyền hình cáp 96

8.3.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình cáp 97

8.3.3 Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến 98

8.3.4 Tiêu chuẩn DVB-C 100

8.4 Truyền hình số mặt đất 101

8.4.1 Sơ đồ hệ thống truyền hình số mặt đất 101

8.4.2 Tiêu chuẩn DVB-T 102

8.5 Truyền hình vệ tinh 103

8.5.1 Giới thiệu 103

8.5.2 Băng tần vệ tinh 105

8.5.3 Tiêu chuẩn DVB-S 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng “Kỹ thuật Audio và Video” được biên soạn dùng làm tài liệu học

tập cho sinh viên bậc cao đẳng chính qui ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện

tử trường Đại học Phạm Văn Đồng Bài giảng bao gồm 8 chương, cung cấp cho

sinh viên những kiến thức cơ bản về các kỹ thuật điều chế tín hiệu tương tự, số, các tiêu chuẩn truyền hình màu, trắng – đen, kỹ thuật số được sử dụng phổ biến trên thế giới, kỹ thuật truyền hình màu, các phương pháp số hóa các tín hiệu audio và video,

kỹ thuật ghép kênh, truyền tải tín hiệu truyền hình số, … Bài giảng này cũng góp phần giúp sinh viên cập nhật những công nghệ mới thông qua các ví dụ thực tế

Nội dung chi tiết của bài giảng như sau:

- Chương 1: Cơ sở về audio tương tự

- Chương 2: Hệ thống thu phát thanh AM

- Chương 3: Hệ thống thu phát thanh FM

- Chương 4: Đại cương về truyền hình trắng đen

- Chương 5: Máy thu hình trắng đen

- Chương 6: Cơ sở vật lý của truyền hình màu và thiết lập hệ truyền hình màu

- Chương 7: Số hóa tín hiệu truyền hình

- Chương 8: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số

Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để bài giảng được hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Điện – Điện tử, Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Phạm Văn Đồng

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

VCO Voltage Controlled Oscillator Dao động kiểm soát bằng

điện áp

FCC Federal Communications Commission Hội đồng thông tin liên

NTSC National Television System Committee Ủy ban hệ thống truyền

hình quốc tế

PAL Phase Alternating Line Pha thay đổi xen kẽ theo

dòng

MPEG Moving Picture Experts Group Chuẩn nén ảnh động

ES Elementary Stream Luồng dữ liệu cơ sở

PES Packetized Elementary Stream Luồng dữ liệu cơ sở đóng

gói

PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế trực pha

DVB Digital Video Broadcasting Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu

truyền hình của châu Âu

Chương 1 CƠ SỞ VỀ AUDIO TƯƠNG TỰ

1.1 Âm thanh

Về mặt vật lý, âm thanh là dao động của sóng âm trong môi trường đàn hồi sinh ra khi có các vật thể dao động là nguồn âm Trên thực tế, môi trường đàn hồi là các môi trường chất rắn, chất lỏng, chất khí Âm thanh không truyền được trong môi trường chân không Một số chất truyền dẫn âm rất kém, thường là loại mềm, xốp như: bông, dạ, cỏ khô Các chất này được gọi là chất hút âm, thường được dùng lót tường các rạp hát, các hội trường, v.v… để hút âm, giảm tiếng vang Trong quá trình lan truyền, nếu gặp phải các chướng ngại vật như tường, núi đá, … thì phần lớn năng lượng của âm thanh sẽ bị phản xạ trở lại, một phần nhỏ tiếp tục truyền lan

về phía trước Còn một phần nhỏ nữa của năng lượng âm thanh bị cọ xát với vật chướng ngại, biến thành nhiệt năng tiêu tan đi Nguồn âm có rất nhiều loại như: tiếng nói, tiếng nhạc cụ, tiếng va đập, tiếng máy móc vận hành, …

Âm thanh cũng là một loại sóng nên cũng có một số đại lượng đặc trưng sau

a Tần số: ký hiệu là: f, đơn vị tính là: Hertz (Hz)

Tần số dao động được tính bằng số lần dao động trong một giây Ví dụ, khi

ta đánh nốt mi của đàn thì dây đàn sẽ rung lên 330 lần trong một giây, ta nói tần số

âm mi là 330 Hz Các âm thanh tai người nghe được nằm trong dải tần số từ 20 Hz

đến 20.000 Hz Âm thanh có tần số lớn hơn 20 KHz được gọi là siêu âm Âm thanh

có tần số nhỏ hơn 20 Hz được gọi là hạ âm Tai người không thể nghe được siêu âm

và hạ âm Dòng điện có tần số trong khoảng 20 Hz đến 20.000 Hz được gọi là dòng điện âm tần

Tần số biểu thị cao độ của âm thanh: âm trầm có tần số thấp, âm bổng có tần

số cao Âm trầm có tần số từ 20 Hz đến 300 Hz, âm vừa có tần số từ 300 Hz đến 3.000 Hz, âm bổng có tần số từ 3.000 Hz đến 20.000 Hz Tiếng nói người thường có tầm tần số từ 300 Hz đến 3400 Hz

Ngoài đơn vị Hz, tần số âm thanh còn có một số đơn vị khác: KHz (1 KHz =

1.000 Hz), MHz (1 MHz = 1.000 KHz = 1.000.000 Hz)

b Chu kỳ: ký hiệu là: T, đơn vị tính là: giây (s)

Chu kỳ được tính bằng thời gian để hoàn thành một lần dao động

Trong đó: f là tần số sóng âm

c Bước sóng: ký hiệu là: λ, đơn vị tính là: mét (m)

Bước sóng được tính bằng khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm có cùng pha dao động Nói cách khác, bước sóng là khoảng lan truyền của âm thanh trong một chu kỳ dao động Bước sóng được tính như sau:

v: là vận tốc truyền của sóng âm trong không khí

Vận tốc truyền sóng âm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Thông thường ta lấy vận tốc truyền sóng âm trong một số môi trường như sau: 340 m/s trong không khí,

1480 m/s trong nước và 5000 m/s trong sắt

Trong không khí, tốc độ lan truyền phụ thuộc vào nhiệt độ và được tính theo công thức:

) / ( 273

331 T m s v

Như vậy, nhiệt độ càng cao thì âm thanh truyền càng nhanh Tốc độ truyền

âm trong không khí là 340 m/s tương ứng với nhiệt độ môi trường là 170

C (2900K) Vậy bước sóng âm thanh tương ứng trong dải âm tần là từ 0.017m đến 17m

d Công suất của nguồn âm

Công suất của nguồn âm là tổng năng lượng do nguồn âm bức xạ vào không gian trong một đơn vị thời gian

e Cường độ âm

Cường độ âm thanh là công suất trung bình của âm thanh đi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền Ký hiệu của cường độ âm là: I, đơn vị là: W/m2

f Mức cường độ âm

Trên thực tế, các đơn vị đo trong hệ thập phân biến động trong phạm vi rất lớn, rất khó để có thể biểu diễn trên thang thập phân Do đó, để thuận tiện người ta

thường biểu diễn sự biến đổi cường độ âm trên thang logarit Cường độ âm được biểu diễn trên thang logarit được gọi là mức cường độ âm, với đơn vị là: dB

(đêxiben) Ký hiệu mức cường độ âm là: L

số âm Mức cường độ âm tại ngưỡng đau khoảng 130 dB

Miền nghe được của tai người là miền nằm giữa ngưỡng nghe và ngưỡng đau Miền nghe được phụ thuộc vào tần số âm thanh

Đêxiben cũng là đơn vị được dùng khá nhiều trong kỹ thuật điện tử, được dùng để biểu diễn gần đúng sự biến thiên trong khoảng rộng của một đại lượng nào

đó

1.2 Tín hiệu audio

Âm thanh (tai người có thể nghe được) không thể truyền đi ở khoảng cách

xa Do đó, để truyền âm thanh đi người ta thường biến đổi năng lượng âm thanh thành tín hiệu điện thông qua một hệ thống xử lý tín hiệu ở phía phát Thiết bị đặc

trưng trong hệ thống này là micro Tại phía thu, các tín hiệu điện này được thu

nhận, xử lý và biến đổi ngược lại thành âm thanh Thiết bị đặc trưng trong hệ thống tái tạo lại âm thanh ở phía thu là loa

Tín hiệu điện mang thông tin của âm thanh được gọi là tín hiệu audio Ngoài việc phục vụ cho mục đích truyền dẫn tín hiệu âm thanh đi xa, tín hiệu audio còn

được dùng để phục vụ cho mục đích xử lý và lưu trữ âm thanh

1.3 Sự cảm thụ của tai người đối với âm thanh

Người bình thường có thể nghe được âm thanh trong dải tần số từ 20 Hz đến

20000 Hz Tai người không thể nghe tốt như nhau ở tất cả các tần số Điều này thể hiện rõ qua sơ đồ biểu diễn giới hạn nghe của tai người như ở hình 1.1 Các đường

cong trên sơ đồ là các đường đẳng âm, có đơn vị phôn, biểu thị mức nghe to như nhau Phôn là đơn vị đo độ to nhỏ của âm thanh thông qua độ nhạy chủ quan của tai

người Trục tung thể hiện mức cường độ âm, có giá trị thay đổi từ 0 đến 130 dB Từ

sơ đồ, ta có một số nhận xét như sau

Hình 1.1 Giới hạn nghe của tai người

 Tại tần số 1000 Hz, phôn tương đương với dB, do đó để xác định mức cường

độ âm ở một tần số nào đó người ta thường so sánh với mức cường độ âm ở tần số

1000 Hz Đây cũng là lý do, ta lấy cường độ âm chuẩn ở tần số 1000 Hz

 Tai người nhạy cảm nhất với âm thanh có tần số nằm trong khoảng từ 3000

Hz đến 5000 Hz, tương ứng với phần lõm thấp nhất của các đường cong Điều này

có nghĩa là, đối với những âm thanh nằm trong khoảng tần số này, chỉ cần một mức cường độ âm nhỏ thì tai người vẫn có thể nghe to như âm thanh ở các tần số khác

nhưng có mức cường độ âm lớn hơn Ví dụ, xét đường cong 10 phôn, ta thấy, với

âm thanh có tần số 3000 Hz, thì ta chỉ cần mức cường độ âm nhỏ khoảng 5 dB là đã

có thể nghe to như âm thanh có tần số 100Hz và mức cường độ âm lớn khoảng 30

dB

Ngoài ra, tai người có thể phân biệt những âm sắc khác nhau của âm thanh

Âm sắc là những sắc thái riêng của âm thanh, phụ thuộc vào biên độ và tần số của

âm thanh, giúp ta phân biệt được các nguồn âm khác nhau Ví dụ tai ta có thể phân biệt được hai loại nhạc cụ khác nhau dù cùng dạo một bản nhạc như nhau

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1 Âm thanh là gì? Thế nào là siêu âm, hạ âm, âm trầm, âm bổng?

2 Vì sao trong các hội trường, rạp hát người ta thường ốp vào tường những vật liệu mềm, xốp?

3 Từ hình 1.1, giải thích và cho ví dụ về sự cảm thụ của tai người đối với âm thanh?

Chương 2 HỆ THỐNG THU PHÁT THANH AM

Điều chế là quá trình làm biến đổi dạng tín hiệu sóng mang tuân theo một đặc trưng nào đó của tín hiệu điều chế hoặc của tin tức mà ta cần truyền đi Mục tiêu chính của điều chế là tạo được một tín hiệu chứa nội dung tin tức nhưng có dạng thức phù hợp và có thể lan truyền trong môi trường

2.1 Điều chế AM

Điều chế tuyến tính là phương pháp đơn giản nhất của điều chế tương tự, trong đó phổ tín hiệu tin tức chỉ thuần túy dịch chuyển trên thang tần số mà không đổi dạng cấu trúc Đặc trưng cho kiểu này là điều chế AM Đối với kiểu điều chế này, biên độ sóng mang cao tần tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc

Một số quy ước về tín hiệu tin tức trong điều chế AM

- Tín hiệu tin tức x(t) được giả thiết có dải tần số giới hạn trong băng thông W,

ngoài dải tần số trên, phổ của tin tức là không đáng kể Một ví dụ về phổ tần số như hình 2.1

Hình 2.1 Phổ biên độ tín hiệu tin tức

- Ta cũng giả sử rằng tín hiệu x(t) được chuẩn hóa về biên độ, nghĩa là:

Trong điều chế AM, biên độ của sóng mang biến thiên đồng dạng với dạng

sóng của tín hiệu tin tức Nếu gọi A c là biên độ ban đầu (lúc chưa điều chế) của sóng

mang thì biên độ sóng mang đã điều chế là:

Điều kiện f c >> W (tức là tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều lần so với tần

số lớn nhất của tín hiệu tin tức) nhằm đảm bảo cho sóng mang dao động nhanh hơn tin tức rất nhiều lần

Khi µ < 1, sự biến thiên biên độ sóng mang hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu tin tức x(t) nên ở nơi thu ta có thể dùng mạch tách sóng đường bao để khôi phục lại tin tức Khi µ > 1, xảy ra sự đảo pha sóng mang của tín hiệu AM và quá trình tách

sóng biên độ sẽ làm méo dạng tin tức

Các hình dưới thể hiện tin tức (hình 2.2 a) và các tín hiệu điều chế AM ứng

với các trường hợp µ < 1 (hình 2.2 b) và µ > 1 (hình 2.2 c) Ứng với trường hợp

µ > 1, ta thấy có sự đảo pha làm thay đổi dạng đường bao của tín hiệu AM, do đó

việc tách sóng đường bao sẽ làm méo dạng tín hiệu tin tức

Phân tích phổ (phân tích tần số) của tín hiệu AM Tín hiệu AM (có biểu thức (2.5)) trong miền tần số có dạng như sau:

)(

.2

1)(

.2

1)

Trong đó, ta chỉ quan tâm đến thành phần tần số dương, X(f – f c ) chính là

phổ của tin tức X(f) bị dịch chuyển một khoảng f c trên thang tần số Hình 2.3 thể

hiện toàn bộ phổ của X C (f)

Ta nhận thấy rằng phổ AM gồm một vạch sóng mang f c và các dải biên trên

và dưới chung quanh f c Đây là đặc tính của kiểu điều chế song biên Từ hình vẽ 2.3

ta tính được băng thông của tín hiệu AM

B AM = f c + W – (f c – W) = 2W (2.8)

Hình 2.2 Tin tức và các tín hiệu điều chế AM

Hình 2.3 Phổ tín hiệu AM

Tiếp theo, ta tính công suất trung bình của tín hiệu AM (trong trường hợp điện trở tải là 1Ω)

cos)(1

cos)(cos

)(

2 2 2

2 2 2

2 2

t t

x t

x A

t t

x A

t t

x A t A

t x S

c c

c c

c c

c c

c T

Vì giá trị trung bình của hàm cos luôn bằng 0 (trong trường hợp này

<cos2ω c t> = 0), nên tất cả các thành phần đi cùng với <cos2ω c t> sẽ bị triệt tiêu Do

đó:

)()

(2

2

2 2

2 2 2

t x A t

x A A

Ta luôn mong muốn giá trị trung bình của tin tức là <x(t)> = 0, gọi công suất chuẩn hóa là S x = <x 2 (t)>, (2.9) sẽ trở thành:

)1

(2

x c

T c

S P

S P

412

1

(2.14)

Ta thấy, tối thiểu 50% công suất đài phát AM được dùng để phát công suất

sóng mang mà không hề chứa thông tin nào về tín hiệu tin tức x(t), do đó, hiệu suất

không cao Tuy ta chỉ xét cho một số trường hợp giới hạn riêng của tin tức nhưng kết luận này đúng cho điều chế AM trong trường hợp tổng quát

Một số mạch điều chế AM đơn giản sử dụng các phần tử như diode, BJT, … được mô tả như trong hình 2.4 và 2.5 Nguyên lý hoạt động của các mạch điện này chủ yếu dựa vào đặc tính phi tuyến giữa điện áp và dòng đi qua các phần tử đó

Hình 2.4 Mạch điều chế AM dùng diode

Hình 2.5 Mạch điều chế AM dùng BJT

Hiện nay, các mạch điều chế AM công suất thấp hầu hết đều được tích hợp trong các IC như XR-2206 Ưu điểm của các mạch dạng này là hoạt động khá ổn định, tuy nhiên cần phải có thêm các tầng khuếch đại công suất ngõ ra nếu muốn truyền đi xa

2.2 Giải điều chế AM

Giải điều chế là quá trình ở phía thu ngược lại với quá trình điều chế ở phía phát Đây là quá trình khôi phục lại tin tức từ tín hiệu AM Hai chức năng cơ bản trong quá trình giải điều chế là: đổi tần và tách sóng

a Đổi tần

Phần tử căn bản của mạch đổi tần là khối nhân tín hiệu Chẳng hạn tín hiệu

vào có dạng x(t)cosω 1 t, được nhân với tín hiệu dao động nội cosω 2 t như hình 2.6

x(t).cosω 1 t.cosω 2 t = x t t x t cos( )t

2

)()cos(

2

)(

2 1 2

Nếu f 1 ≠ f 2 , mạch nhân sẽ tạo ra thành phần tần số tổng và hiệu Mạch lọc tần

số cho phép lựa chọn thành phần tần số mong muốn, ta có mạch đổi tần lên hoặc mạch đổi tần xuống

Hình 2.6 Sơ đồ khối mạch đổi tần

b Tách sóng đồng bộ

Mạch tách sóng tuyến tính cũng gồm một mạch nhân như ở hình 2.7 Tín hiệu thu (đã điều chế) được nhân với tín hiệu dao động nội, sau đó được cho qua bộ

lọc thông thấp với băng thông bằng dải tần số W của tín hiệu tin tức Khi tín hiệu

dao động nội được đồng bộ hoàn toàn về tần số và về pha với sóng mang, ta có mạch tách sóng đồng bộ

Hình 2.7 Sơ đồ khối mạch tách sóng đồng bộ

Trong trường hợp tổng quát, biểu thức của tín hiệu AM có dạng như sau:

x c (t) = [K c + K µx(t)]cosωc t (2.16)

Do đó, tín hiệu sau mạch nhân

y(t) = x c (t).A LOcosωc t = A LO K c Kx(t) K c Kx(t)cos 2c t

Thành phần DC của tín hiệu sau khi tách sóng là K D K C có thể bị loại trừ nhờ

các điện dung liên lạc hoặc biến thế ghép, cuối cùng ta nhận được thành phần

K D K µ x(t) hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu tin tức x(t)

c Tách sóng đường bao

Mạch tách sóng đường bao được mô tả như hình 2.8 Mạch được sử dụng thường xuyên cho giải điều chế AM, vì cấu trúc mạch rất đơn giản

Hình 2.8 Mạch tách sóng đường bao

Trong thời gian dẫn của diode, tụ điện C sẽ được nạp điện Trong thời gian

tắt của diode, tụ C sẽ xả điện qua điện trở R Thời hằng nạp xả: τ = RC Tín hiệu

sau khi tách sóng sẽ có dạng như hình 2.9 Tín hiệu này sẽ được cho qua một số bộ lọc thông thấp để loại bỏ bớt các thành phần cao tần cho tín hiệu phẳng và giống với tin tức ở phía phát hơn

Hình 2.9 Dạng tín hiệu sau khi tách sóng đường bao

Từ hình 2.9 ta thấy, để mạch tách sóng hoạt động chính xác thì các giá trị điện trở R và tụ điện C trong mạch phải thỏa điều kiện sau

C

f RC

2.3 Sơ đồ khối máy phát thanh AM

Hình 2.10 mô tả sơ đồ các khối cơ bản của máy phát AM

Hình 2.10 Sơ đồ khối máy phát AM

- Mạch tiền khuếch đại dùng để tăng biên độ của nguồn tín hiệu đến mức có thể sử dụng được Mạch này sẽ phát sinh nhiễu trong quá trình hoạt động

- Mạch điều khiển tin tức cũng là một mạch khuếch đại tuyến tính, đồng thời lọc nhiễu trước khi đưa tin tức qua mạch điều chế

- Mạch tạo dao động sóng mang: tạo sóng mang cao tần ổn định, sử dụng thạch anh hoặc các phần từ RLC

- Mạch điều khiển sóng mang: khuếch đại dao động sóng mang trước khi điều chế

- Mạch khuếch đại đệm: dùng để cách ly mạch dao động tạo sóng mang với mạch khuếch đại

- Mạch điều chế: điều chế tín hiệu tin tức trước khi phát đi

- Mạch khuếch đại công suất: để giảm ảnh hưởng của nhiễu người ta thường bố trí nhiều tầng để khuếch đại công suất tín hiệu đến mức cần thiết (bảo đảm cho tất cả các máy thu trong phạm vi nhất định có thể thu được tín hiệu) trước khi đưa anten

2.4 Sơ đồ khối máy thu thanh AM

Hình 2.11 mô tả sơ đồ các khối cơ bản của máy thu AM

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu AM

- Mạch vào AM: chọn lọc tín hiệu cao tần AM của tín hiệu muốn thu, loại trừ các tín hiệu không cần thu và các loại nhiễu khác nhờ mạch cộng hưởng Tần số cộng hưởng được điều chỉnh đúng bằng tần số tín hiệu sóng mang AM cần thu

- Khuếch đại cao tần AM: khuếch đại công suất tín hiệu cao tần AM vừa thu được, đảm bảo cho các tầng phía sau có thể hoạt động tốt với mức công suất này

- Dao động nội AM: tạo dao động nội có tần số f osc lớn hơn tần số sóng mang cao

tần f AM vừa thu được Đối với tín hiệu AM, tần số chênh lệch này là 455 KHz (hoặc

hưởng có tần số cộng hưởng đúng bằng trung tần và đảm nhận nhiệm vụ chọn lọc

các tần số lân cận, dải thông của mạch lọc bằng f o ±10 KHz

- Tách sóng AM: tách tín hiệu tin tức ra khỏi tín hiệu trung tần AM

- Khuếch đại âm tần: khuếch đại công suất tín hiệu tin tức trước khi đưa ra loa, tái tạo lại âm thanh

- Mạch AGC: do sóng AM thu được lúc mạnh lúc yếu, làm cho âm thanh ở loa lúc

to lúc nhỏ Để hạn chế hiện tượng này, giữ đều mức âm lượng, mạch hồi tiếp AGC

sẽ tự động điều chỉnh độ khuếch đại của các tầng khuếch đại cao tần và trung tần sao cho khi tín hiệu thu được yếu thì tăng độ khuếch đại, khi tín hiệu thu được mạnh thì giảm bớt độ khuếch đại

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

1 Thế nào là điều chế, giải điều chế? Mục đích của quá trình điều chế và giải điều chế?

2 Một kênh phát thanh quảng bá AM dùng để truyền các tín hiệu âm thanh thoại có tầm tần số từ 0.3 KHz đến 3.4 KHz Hệ số điều chế AM μ=0.8

a Tính băng thông cần thiết cho kênh AM này

b Giả sử nguồn tin tức cần truyền đi có công suất chuẩn hóa 0.8W Tính tỉ số công suất của hai dải biên trên công suất tín hiệu AM

3 Cho tín hiệu x(t) = cos(3000πt)cos(1400πt) Tín hiệu x(t) được truyền qua kênh

AM 610KHz

a Xác định các thành phần tần số của tín hiệu AM

b Xác định băng thông cần thiết của kênh AM để có thể truyền được tín hiệu x(t)

4 Vẽ sơ đồ khối máy thu thanh AM và giải thích ngắn gọn chức năng của từng khối trong sơ đồ?

Chương 3 HỆ THỐNG THU PHÁT THANH FM

Như đã giới thiệu, điều chế là quá trình ghép tín hiệu tin tức vào các thông số đặc trưng của tín hiệu sóng mang cao tần Trong chương 2, chúng ta đã biết kiểu điều chế theo biên độ sóng mang, còn gọi là điều chế AM Chương 3 sẽ giới thiệu

về hai kiểu điều chế còn lại, trong đó, pha tức thời của sóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu thông tin cần truyền đi

3.1 Hệ thống thu phát thanh FM mono

Trong đó: f c là tần số sóng mang và Φ(t) là pha ban đầu của sóng mang

Nếu pha tức thời θ(t) có hàm chứa tín hiệu tin tức x(t), tín hiệu x c (t) được gọi

là tín hiệu điều chế góc

 Nếu tần số sóng mang f c thay đổi theo x(t), ta có điều chế tần số FM

 Nếu pha ban đầu của sóng mang Φ(t) thay đổi theo x(t), ta có điều chế pha

t d

t c t

d x f t d

x f f d

f





Thông số β còn đƣợc gọi là hệ số điều chế FM, tỉ lệ thuận với biên độ tin tức

và tỉ lệ nghịch với tần số fm của tin tức

b Điều chế băng hẹp

Thay (3.2) vào (3.1) và sử dụng khai triển: cos(a+b) = cosa.cosb – sina.sinb

x c (t) = x ci (t).cosω c t – x cq (t).sinω c t (3.9) Trong đó:

! 2

! 3

1 ) (t 3 t

Với điều chế băng hẹp, ta thừa nhận rằng: |Φ(t)| << 1(rad) (3.10)

Do đó: x ci(t) ≈ Ac và x cq (t) = A c.Φ(t) (3.11)

Vậy: x c (t) = A c cosω c t – A c Φ(t)sinω c t (3.12)

Trong trường hợp tín hiệu là tin tức đơn tần: Φ(t) = βsin(ω m t) (3.13)

Điều kiện (3.10) có thể được diễn giải thành: β << 1, tức là độ dịch tần số

nhỏ hơn nhiều lần so với tần số tín hiệu, khi đó (3.12) được triển khai thành:

x c (t) = A c cosω c t – A c βsin(ω m t)sin(ω c t)

Hay: x c (t) = A c cosω c t – A c c m t A c cos( c m)t

2

1)cos(

Khi điều kiện điều chế băng hẹp không thỏa mãn, (3.9) được viết lại như sau:

x c (t) = A c[cosΦ(t).cosωc t - sin Φ(t)sinω c t] (3.15)

Xét trường hợp tín hiệu là tin tức đơn tần, Φ(t) có dạng như (3.13)

Khi đó, (3.15) có dạng như sau:

x c (t) = A c[cos(βsinωmt).cosωc t - sin (βsinω mt)sinωc t] (3.16)

Áp dụng phép khai triển điều hòa của hai số hạng trong (3.16), ta có:

Từ (3.17), ta thấy phổ của tín hiệu FM gồm một sóng mang tần số f c và vô số

các vạch dải biên ở các tần số f c nf m được minh họa như hình 3.2

Hình 3.2 Phân bố các vạch phổ FM khi tin tức là tín hiệu tuần hoàn đơn tần

Các vạch phổ luôn cách đều nhau khoảng f m , độ lớn luôn luôn tỉ lệ với hàm

Bessel J n (β) Đồ thị hàm Bessel theo β hoặc theo n/ β có dạng như ở các hình 3.3a

và 3.3b Từ các hình vẽ này ta rút ra một số nhận xét sau

Hình 3.3 Hàm Bessel theo β hoặc theo n/β

- Với n=0, tần số sóng chính là tần số sóng mang f c

- Khi β << 1, chỉ có các hàm Bessel tương ưng với n=0 và n=1 là có giá trị

đáng kể, do đó, phổ của tín hiệu FM chỉ có thành phần sóng mang và hai vạch phổ ở

biên Đây là trường hợp điều chế FM băng hẹp Với các trường hợp còn lại của β,

giá trị của hàm Bessel phụ thuộc vào n và β Phổ của tín hiệu FM bao gồm thành

phần sóng mang và rất nhiều vạch phổ ở hai biên

- Giá trị β càng lớn sẽ kéo theo băng thông càng rộng

d Băng thông kênh truyền tín hiệu FM

Từ các phần trên, về lý thuyết ta thấy băng thông của tín hiệu FM thuần túy

là rộng vô cùng Tuy nhiên trong thực tế, tín hiệu FM chỉ cần một băng thông hữu hạn của kênh truyền, vì các thành phần tần số hài bậc cao có biên độ rất nhỏ và có thể được bỏ qua Điều này có thể gây méo dạng tín hiệu Việc tính toán băng thông kênh truyền để các méo dạng này không ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu được thực hiện như sau

- FM băng hẹp dùng trong thông tin thoại FM, dịch vụ vô tuyến gia đình, các trạm

vô tuyến di động mặt đất, di động hàng hải, v.v… với độ dịch tần không quá 15KHz, băng thông BT của tín hiệu FM tính gần đúng là:

Với f m là tần số lớn nhất của tín hiệu điều chế

Ví dụ: theo tiêu chuẩn chung, độ dịch tần cực đại của một kênh FM quảng bá

là 75KHz, người ta cần truyền tín hiệu âm thanh chất lượng cao có tầm tần số thay đổi từ 30 Hz đến 15 KHz Tính băng thông cần thiết cho kênh FM này

Tín hiệu điều chế là âm thanh chất lượng cao có tần số biến thiên từ 30 Hz đến 15KHz nên tần số lớn nhất của tín hiệu là fm = 15 KHz

Kênh FM quảng bá có độ dịch tần lớn nhất là fΔ = 75 KHz nên đây là kiểu điều chế FM băng rộng

Do đó, băng thông cần thiết cho kênh FM này là:

BT = 2(fΔ + 2fm) = 2(75+2*15) = 210 KHz

e Mạch điều chế FM

Khi thiết kế mạch điều chế FM, yêu cầu đặt ra là giá trị tần số phải biến thiên tuyến tính theo dạng sóng của tin tức Điều này trong thực tế khó được đảm bảo trên một dải động rộng Ngoài ra, ta cần chú ý biên độ sóng mang trong điều chế FM là

cố định, cho phép hạn chế công suất phát hoặc tránh quá áp đài phát Đây là một ưu điểm lớn của điều chế FM so với AM Sau đây là một số mạch điều chế FM cơ bản

Mạch điều chế FM trực tiếp

Mạch điều chế FM trực tiếp dùng một bộ dao động có tần số dao động được điều khiển bằng điện áp (còn gọi là VCO) Trong thành phần của mạch có một phần

tử đặt biệt có điện dung biến thiên theo điện áp đặt lên giữa hai đầu phần từ đó, gọi

là diode biến dung (varactor hay varicap) Mạch được mô tả như hình 3.4

Hình 3.4 Mạch điều chế FM dùng mạch dao động VCO

Giả sử điện dung tương đương của mạch có dạng biến thiên như sau:

Trong đó, C o là điện dung tĩnh ban đầu của mạch (gồm tụ C 1 mắc song song

với điện dung tĩnh của varicap lúc chưa điều chế)

Mạch dao động tạo sóng mang là các mạch tự dao động sử dụng các phần tử RLC và các thành phần khuếch đại như BJT, FET

Độ dịch tần số của mạch điều chế FM này được tính gần đúng

f Δ = f c C

C

0

Trong đó: fc là tần số sóng mang lúc chưa điều chế

Co là điện dung tĩnh ban đầu của mạch, C là độ lệch điện dung

phụ thuộc vào varicap

Khuyết điểm lớn nhất của mạch điều chế FM dạng này là tần số sóng mang không ổn định, do đó người ta thường thiết kế thêm một bộ hồi tiếp dùng để ổn định tần số sóng mang

Mạch tích hợp (IC) tuyến tính điều chế FM

Hiện nay, hầu hết các thành phần của mạch dao động VCO tạo tín hiệu FM

đã được tích hợp vào một IC duy nhất Tần số ngõ ra của các IC tương đối chính xác và ổn định Công suất ngõ ra của các IC thường tương đối thấp nên rất thích

hợp cho các ứng dụng như cordless phone Hình 3.5 là sơ đồ khối của IC Motorola

MC1376 MC1376 hoạt động với sóng mang nằm trong tầm 1.4 đến 14 MHz Độ dịch tần tối đa của MC1376 đạt được là 150 KHz

Hình 3.5 Mạch tích hợp MC1376 điều chế FM 3.1.2 Giải điều chế tần số FM

Mạch giải điều chế tần số cung cấp một tín hiệu ngõ ra biến thiên tỉ lệ tuyến tính với tần số tức thời ở ngõ vào

a Mạch chuyển đổi từ FM thành AM

Bất kỳ một phần tử hoặc mạch điện nào thực hiện được phép đạo hàm theo thời gian của tín hiệu vào đều có chức năng chuyển đổi từ FM thành AM Giả sử tín hiệu vào FM có dạng:

x c (t) = A ccosθc (t)

với: dθ c (t)/dt = 2π[f c + f Δ x(t)] (3.23)

Vậy, phép lấy đạo hàm theo thời gian của x c (t) sẽ là:

c c

c

c c

c c

t t

x f f A

t dt

t d A dt

t dx

180 ) ( sin ) ( 2

) ( sin ) ( )

Biểu thức (3.24) là một tín hiệu hình sin có biên độ biến thiên tỉ lệ với x(t)

Ta có thể thực hiện tách sóng đường bao để khôi phục lại x(t)

Hình 3.6 Tách sóng FM bằng cách chuyển đổi thành AM

Trên cơ sở đó, hình 3.7 thể hiện sơ đồ khối của mạch giải điều chế FM bằng cách chuyển đổi tín hiệu FM thành AM

Hình 3.7 Sơ đồ khối mạch tách sóng FM bằng cách chuyển đổi thành AM

Sau quá trình tách sóng đường bao, tín hiệu có dạng: 2πA c [f c + f Δ x(t)], sau

khi qua khối loại bỏ tín hiệu DC, tín hiệu có dạng: 2πA c f Δ x(t) Như vậy, ta đã tách

tín hiệu tin tức x(t) ra khỏi tín hiệu sóng mang Dạng sóng ở từng giai đoạn có dạng như hình vẽ 3.6

b Mạch tách sóng dùng vòng khóa pha (PLL)

Vòng khóa pha PLL là hệ thống hồi tiếp vòng kín Trong đó, tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào Tín hiệu vào có thể ở dạng tương tự hoặc số PLL là thành phần quan trọng trong mạch điện tử thông tin, có rất nhiều ứng dụng như: lọc, tổng hợp tần số, giải điều chế, điều chế, …

Sơ đồ khối cơ bản của PLL được mô tả như hình 3.8 Khi không có tín hiệu

ngõ vào v i , thì điện áp ngõ ra bộ khuếch đại v out = 0, bộ dao động VCO hoạt động ở

tần số tự nhiên f N (thường được cài đặt bằng điện trở và tụ điện ngoài) Khi có tín

hiệu vào v i, bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với tín hiệu ngõ

ra của VCO Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai biệt v d (t), chỉ sự sai biệt về pha

và tần số của hai tín hiệu trên Điện áp v d (t) được lọc lấy thành phần biến đổi chậm

(tần số thấp) nhờ bộ lọc thông thấp (LPF), qua bộ khuếch đại và đưa điện áp vào bộ

VCO, điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào Đến khi tần số f o của

VCO gần bằng tần số vào f i, hệ thống hồi tiếp làm cho VCO đồng bộ (khóa) theo tín

hiệu vào Ở trạng thái khóa (lock) tần số f o của VCO đồng nhất (bằng) tần số của tín

hiệu vào f i, ngoại trừ sai biệt về pha

Hình 3.8 Sơ đồ khối vòng khóa pha

Hai thông số quan trọng của PLL là dải khóa và dải bắt như hình 3.9

Dải khóa của PLL (B L ): là khoảng tần số lân cận f N của VCO mà PLL còn có

khả năng đồng nhất được tần số f o và f i , tức là khi tần số f i của tín hiệu vào nằm

ngoài dải này thì VCO sẽ không còn bám theo tần số f i, mà sẽ trở về dao động với

tần số tự nhiên f N Ký hiệu dải khóa là: B L = f max – f min ; với f max và f min là các tần số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khóa pha

Dải bắt của PLL (B C ): là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải rơi vào để

PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa) Nói cách khác, đây là dải tần số

mà PLL có thể đạt được sự khóa pha khi việc khóa pha chưa được thực hiện

Dải khóa BL luôn rộng hơn dải bắt BC PLL được gọi là khóa pha khi f o = f i

Ở chế độ khóa pha, dao động f o của VCO bám đồng bộ theo tần số f i trong dải tần khóa BL

Hình 3.9 Dải khóa và dải bắt của PLL

Từ lý thuyết về PLL, ta có thể thấy nếu tín hiệu vào là điều tần (FM), thì điện

áp điều khiển VCO chính là điện áp giải điều chế FM (hay là tín hiệu tin tức) Để có thể thực hiện việc khóa pha, tách tín hiệu tin tức, tần số dao động tự nhiên của bộ VCO nên được cài đặt đúng bằng tần số sóng mang của tín hiệu FM ngõ vào Ngoài

ra, để có thể đồng bộ trong mọi trường hợp, dải khóa của PLL phải lớn hơn độ di tần của tín hiệu vào

3.1.3 Sơ đồ khối máy phát thanh FM

Điều tần trực tiếp là phương pháp trong đó tần số sóng mang cao tần thay đổi

tỷ lệ với tín hiệu điều chế Thành phần chính của phương pháp này là bộ VCO với tần số dao động thay đổi theo điện áp Nhược điểm của phương pháp này là tần số sóng mang trung tâm bị trôi

Biện pháp khắc phục: dùng bộ AFC (tự động điều chỉnh tần số) so sánh tần

số trung tâm với dao động thạch anh chuẩn Lấy điện áp hiệu chỉnh điều khiển dao động cao tần FM, ổn định tần số dao động trung tâm

Hình 3.10 mô tả hệ thống điều tần trực tiếp dùng AFC ổn định tần số gọi là

hệ thống Crosby

Ví dụ: với máy phát như hình 3.10, tần số trung tâm của mạch dao động là

5.1MHz, được nhân lên 18 lần qua ba tầng khác nhau để tạo ra sóng mang sau cùng của máy phát là 91.8MHz

Hình 3.11 mô tả sơ đồ khối cơ bản của một máy thu thanh FM

Hình 3.11 Sơ đồ khối máy thu thanh FM

 Mạch vào FM: có thành phần chính là khung cộng hưởng LC dùng để chọn lọc tín hiệu cao tần FM của đài muốn thu

 Khuếch đại cao tần FM: khuếch đại và chọn lọc tín hiệu cao tần FM của dải tần muốn thu

 Dao động nội FM: tạo dao động cao tần hình sin có tần số lớn hơn tần số

sóng mang cao tần thu được một giá trị cố định bằng 10.7 MHz

 Trộn tần FM: nhân tín hiệu cao tần thu được với tín hiệu cao tần tạo ra bởi dao động nội, sau đó lọc bỏ thành phần tần số cao, giữ lại tín hiệu trung tần FM có

tần số xung quanh 10.7 MHz Đây là tần số trung tần, có giá trị cố định cho tất cả các kênh FM

 Khuếch đại trung tần FM: khuếch đại và chọn lọc tín hiệu trung tần FM

 Tách sóng FM: tách tín hiệu tin tức ra khỏi tín hiệu trung tần FM

 Khuếch đại âm tần: khuếch đại công suất tín hiệu tin tức rồi cung cấp cho loa, tái tạo lại âm thanh

 AFC: bộ ổn định tần số, bảo đảm tần số dao động nội luôn lớn hơn tần số tín hiệu ngõ vào giá trị 10,7 MHz

3.2 Hệ thống thu phát thanh FM stereo

3.2.1 Ghép kênh và tách sóng tín hiệu FM stereo

Âm thanh stereo là âm thanh phát ra từ nhiều nguồn âm khác nhau, hoặc từ

một nguồn âm đang chuyển động Đối với các thiết bị phát âm thanh như loa, thông thường sẽ có hai tín hiệu âm thanh từ hai hướng khác nhau, đó là âm thanh bên trái

và âm thanh bên phải, tương ứng với loa trái và loa phải (còn gọi là kênh trái và kênh phải) Khi hai loa này phát âm thanh từ cùng một nguồn âm, ta gọi là âm thanh

mono Khi hai loa này phát đi các nguồn âm khác nhau, ta gọi là âm thanh stereo

Để truyền âm thanh stereo (bao gồm hai kênh trái và phải) đi xa ta cũng phải thực hiện quá trình điều chế Trước khi thực hiện điều chế FM stereo thì các tín

hiệu ở kênh trái và kênh phải sẽ được xử lý qua quá trình ghép kênh tần số Tín hiệu sau khi qua xử lý được gọi là tín hiệu dải nền

Quá trình ghép kênh được mô tả như hình 3.12

Hình 3.12 Sơ đồ mạch ghép kênh FM stereo

Tín hiệu âm thanh ngõ vào ở dạng lập thể (stereo) bao gồm hai kênh: trái (x L (t)) và phải (x R (t)) Hai tín hiệu này được đưa vào bộ lọc tiền nhấn H pe trước khi

qua ma trận cộng trừ để tạo ra các tín hiệu x L (t) + x R (t) và x L (t) – x R (t) Tín hiệu x L (t) + x R (t) được gọi là tín hiệu FM mono được điều chế FM bình thường để các máy

thu mono vẫn có thể thu được

Tín hiệu x L (t) – x R (t) sẽ qua bộ điều chế cân bằng một sóng mang 38kHz,

được tạo ra từ mạch nhân đôi tần số từ dao động chuẩn 19kHz Bộ điều chế cân

bằng là bộ điều chế AM triệt sóng mang (DSB) Trong FM stereo người ta sử dụng

kiểu điều chế này nhằm đảm bảo tính trung thực của tín hiệu phát Ngoài ra, dao

động 19kHz cũng được ghép vào tín hiệu dải nền, dùng làm tín hiệu pilot Tín hiệu

này có hai nhiệm vụ:

 Thông báo cho máy thu biết được tín hiệu thu là stereo

 Phục vụ cho việc tách sóng đồng bộ tại máy thu

Như vậy, ba thành phần tín hiệu: x L (t) + x R (t), x L (t) – x R (t) được điều chế cân

bằng và tín hiệu pilot 19 KHz được ghép chung thành tín hiệu dải nền x b (t), có phổ

như hình 3.13 Tín hiệu x b (t) sẽ được điều chế FM trước khi truyền đi

Hình 3.13 Phổ tín hiệu dải nền ghép kênh FM

Tương ứng tại máy thu cũng sẽ có bộ tách sóng FM stereo như hình 3.14 Tín hiệu FM sau khi được giải điều chế sẽ cho ra tín hiệu giải nền x b (t) Tín

hiệu giải nền sẽ được cho qua ba bộ lọc

- Bộ lọc pilot (cộng hưởng) để lấy tín hiệu đồng bộ tần số 19kHz

- Bộ lọc thông dải (23 – 53 KHz) để lầy thành phần x L (t) – x R (t)

- Bộ lọc thông thấp (0 – 15 KHz) để lấy thành phần x L (t) + x R (t)

Tín hiệu x L (t) – x R (t) (tần số 23 – 53 KHz) sẽ được đưa qua bộ đổi tần cùng

với tín hiệu đồng bộ 19 KHz để tạo tín hiệu âm tần x L (t) – x R (t) Hai tín hiệu âm tần

x L (t) – x R (t) và x L (t) + x R (t) sẽ được đưa qua ma trận cộng trừ để tạo nên các tín hiệu

2x L (t) và 2x R (t) Các tín hiệu này được khuếch đại trước khi đưa ra loa

Hình 3.14 Sơ đồ khối mạch tách sóng FM stereo 3.2.2 Sơ đồ khối máy phát FM stereo

Sơ đồ khối máy phát FM stereo bao gồm khối ghép kênh FM stereo nối vào

khối điều chế và khuếch đại công suất FM như hình 3.15

Hình 3.15 Sơ đồ khối máy phát thanh FM stereo 3.2.3 Sơ đồ khối mày thu thanh FM stereo

Sơ đồ khối máy thu thanh FM stereo bao gồm khối giải điều chế và khuếch đại công suất FM nối vào khối tách sóng FM stereo như hình 3.16

Hình 3.16 Sơ đồ khối máy thu thanh FM stereo

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3

1 Một tín hiệu tin tức có tần số cực đại là 5kHz Ước lượng băng thông cho tín hiệu

FM điều chế tin tức này ứng với các độ di tần f Δ = 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100kHz

2 Hệ thống điều chế FM có độ di tần f Δ = 10kHz Khi sử dụng hệ thống điều chế

này, ước lượng băng thông cho các loại tín hiệu sau: tín hiệu nói thầm, khó hiểu, tín hiệu âm thanh thoại, tín hiệu âm thanh độ trung thực cao Biết các tín hiệu này có tầm tần số như sau:

Nói thầm, khó hiểu 500Hz đến 2kHz

Âm thanh thoại 200Hz đến 3.2kHz

Âm thanh trung thực cao 20Hz đến 20kHz

3 Các chương trình phát thanh FM được phát trên dải tần 87MHz đên 108MHz, trung tần FM có tần số cố định 10.7MHz Bộ tạo dao động nội của máy thu FM phải

có tần số thay đổi như thế nào để có thể bắt được tất cả các đài FM

4 Một kênh FM quảng bá phát đồng thời các chương trình hội thoại và ca nhạc Biết tần số hội thoại có thể thay đổi trong khoảng 0.3KHz đến 3.4KHz, tần số ca nhạc có thể thay đổi trong khoảng 30Hz đến 15KHz Biết độ di tần cực đại âm thanh FM là 75KHz

a Tính băng thông cần thiết cho kênh FM này

b Tính phần trăm băng thông được sử dụng khi phát chương trình hội thoại

5 Vẽ sơ đồ khối và trình bày nguyên lý hoạt động của mạch ghép kênh FM stereo

6 Vẽ sơ đồ khối và trình bày nguyên lý hoạt động của mạch tách sóng FM stereo

7 Vẽ sơ đồ khối và trình bày nguyên lý hoạt động của máy thu thanh FM

Chương 4 ĐẠI CƯƠNG VỀ TRUYỀN HÌNH TRẮNG ĐEN

4.1 Nguyên lý chung về vô tuyến truyền hình

Như đã đề cập trong chương 1, tín hiệu âm thanh được chuyển đổi thành tín

hiệu điện gọi là tín hiệu audio Trong kỹ thuật truyền hình còn có tín hiệu hình được chuyển đổi thành tín hiệu điện gọi là tín hiệu video Tín hiệu truyền hình bao gồm

hai tín hiệu đồng bộ: video và audio Hình 4.1 mô tả các bước cơ bản của một quá

trình truyền hình Trước khi được truyền đi, các tín hiệu audio và video được điều

chế và nhân tần để đạt đến băng tần quy định của kênh truyền Sau đó hai tín hiệu này được ghép kênh theo tần số để được một tín hiệu duy nhất Tín hiệu này sau khi

được khuếch đại công suất sẽ được truyền ra ngoài không gian bằng anten phát dưới

dạng các bức xạ điện từ

Hình 4.1 Tổng quát các công đoạn cơ bản của quá trình truyền hình

Trong đó:

 Tiền xử lý: là quá trình xử lý đầu tiên khi tiếp nhận âm thanh, hình ảnh từ

camera hoặc micro, quá trình này bao gồm: lọc nhiễu, khuếch đại tín hiệu, …

 Điều chế: trong kỹ thuật truyền hình, để truyền tín hiệu qua kênh truyền, âm

thanh được điều chế FM, hình ảnh được điều chế AM

 Nhân tần: dùng để đưa tần số các tín hiệu lên băng tần số được quy định của

kênh truyền

 Ghép tần số: ghép hai tín hiệu hình và tiếng vào một tín hiệu duy nhất

 Khuếch đại công suất cao tần: khuếch đại công suất tín hiệu truyền hình đến

giá trị cần thiết bảo đảm cho việc phủ sóng trên một diện tích nhất định

 Phối hợp trở kháng: đảm bảo cho công suất ra anten phát là lớn nhất

Mỗi hình ảnh được camera ở trung tâm truyền hình phân tích thành những phần tử rất nhỏ, gọi là điểm ảnh Dưới góc nhìn 1 phút (1/60 độ) mắt ta không phân

biệt được các điểm ảnh này và có cảm giác chúng liền nhau Các điểm ảnh mang thông tin về độ chói và màu sắc của vật Sau đó, camera biến đổi từng điểm ảnh thành tín hiệu điện có biên độ điện áp tỉ lệ với độ sáng của điểm ảnh đó Đây là quá trình phân tích ảnh ở camera

Ở máy thu diễn ra quá trình ngược lại, đó là khôi phục hay tổng hợp lại hình ảnh từ tín hiệu điện thu được Thiết bị thực hiện quá trình chuyển đổi này là màn hình Các loại màn hình truyền thống hoạt động dựa trên nguyên tắc phóng một chùm tia điện tử đập vào màn hình để tạo thành các điểm ảnh Để chùm tia điện tử của ống thu hình do các tín hiệu hình khống chế không chỉ phóng vào một điểm trên màn hình, một hệ thống mạch điện được bố trí để lái chúng từ trái sang phải, gọi là quét ngang hay quét dòng và lái chúng từ trên xuống dưới gọi là quét dọc, quét mành hay quét mặt Để việc quét ở tất cả các máy thu đồng bộ so với ở đài phát, ngoài tín hiệu hình ảnh, đài truyền hình còn phát thêm những tín hiệu điều khiển việc quét ở mỗi dòng, mỗi mành cho đúng, gọi là tín hiệu đồng bộ ngang và dọc, đồng thời cũng phát những tín hiệu xóa dấu để tắt các tia quét ngược ở máy thu, không làm lộ ra những vệt trắng trên màn hình, gọi là những xung xóa hồi ngang hay là xung tắt dòng và xóa hồi dọc hay là xung tắt mặt

4.2 Tiêu chuẩn truyền hình

Do hình ảnh ta nhìn thấy trên truyền hình là hình ảnh không liên tục mà được ghép từ rất nhiều điểm ảnh được sắp xếp theo trật tự hàng và cột Do đó, dựa trên các đặc tính sinh học của mắt người việc hiển thị hình ảnh phải đảm bảo một số tiêu chuẩn để ta không nhận thấy sự khác biệt giữa hình ảnh trên màn hình và hình ảnh ngoài đời thực Trên thế giới có nhiều chuẩn truyền hình, trong đó có ba chuẩn chính và đã được sử dụng phổ biến là FCC, CCIR và OIRT Các thông số kỹ thuật

cơ bản của ba tiêu chuẩn này được mô tả như trong bảng 4.1

Bảng 4.1 Các thông số quan trọng của 3 tiêu chuẩn truyền hình

STT Các thông số kỹ thuật Các tiêu chuẩn

FCC CCIR OIRT

1 Số dòng quét trong mỗi hình 525 625 625

2 Số hình xuất hiện trong một giây 30 25 25

3 Cách quét Xen kẽ Xen kẽ Xen kẽ

4 Độ rộng dải tần hình 4MHz 5MHz 6MHz

5 Tần số quét ngang (quét dòng) 15.750Hz 15.625Hz 15.625Hz

6 Chu kỳ quét ngang (quét dòng) 63.5 µs 64 µs 64 µs

7 Tần số quét dọc (quét mành) 60Hz 50Hz 50Hz

8 Chu kỳ quét dọc (quét mành) 16.7 ms 20 ms 20 ms

9 Phương pháp điều chế tín hiệu hình Biên độ Biên độ Biên độ

10 Phương pháp điều chế tín hiệu tiếng Tần số Tần số Tần số

11 Khoảng cách giữa sóng mang hình và

 Tiêu chuẩn FCC: được áp dụng đầu tiên ở các nước: Mỹ, Canada, Cuba, …

 Tiêu chuẩn CCIR: được áp dụng lần đầu tiên ở các nước Đức, Áo, Hà Lan,

 Tiêu chuẩn OIRT: được áp dụng lần đầu tiên ở Liên Xô và các nước XHCN

cũ

Sau đây ta lấy chuẩn truyền hình trắng đen OIRT để phân tích một số thông

số đặc trưng của tín hiệu truyền hình

a Số dòng quét mỗi hình

Việc chọn số dòng quét mỗi hình phải đủ lớn để đảm bảo sao cho khi mắt người cách màn hình một khoảng bằng 6 lần chiều cao của hình thì góc tạo bởi mắt người đến 2 dòng liên tiếp trên màn hình phải nhỏ hơn 1 phút (1/60 độ) (như mô tả trong hình 4.2) Có như vậy, mắt ta mới không phân biệt được ranh giới giữa 2 dòng, hình ảnh nhìn thấy sẽ mịn và thật hơn

Bằng cách tính toán trên cơ sở thực nghiệm, các tiêu chuẩn truyền hình FCC, CCIR và OIRT đã chọn số dòng quét lần lượt là: 525, 625 và 625 dòng