TRƢỜNG 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
TRƢỜNG 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
Chƣơng 1 . CƠ SỞ VỀ AUDIO TƢƠNG TỰ ............................................................ 3
1.1. Âm thanh .......................................................................................................... 3
1.2. Tín hiệu audio .................................................................................................. 5
1.3. Sự cảm thụ của tai ngƣời đối với âm thanh ..................................................... 5
Chƣơng 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
Chƣơng 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
Chƣơng 4 . ĐẠI CƢƠNG VỀ TRUYỀN HÌNH TRẮNG ĐEN............................... 33
4.1. Nguyên lý chung về vô tuyến truyền hình ..................................................... 33
4.2. Tiêu chuẩn truyền hình................................................................................... 34
Chƣơng 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 đƣờng tiếng ........................................................................................... 49
Chƣơng 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 trƣng của màu sắc ....................................................... 53
6.3. Cấu trúc của mắt ngƣời .................................................................................. 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 tƣơng 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
Chƣơng 7 . SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH .................................................. 68
7.1. Khái niệm truyền hình số ............................................................................... 68
7.2. Biến đổi tín hiệu tƣơng tự - số (A/D) ............................................................. 69
7.2.1. Lấy mẫu tín hiệu...................................................................................... 70
7.2.2. Lƣợng tử hóa ........................................................................................... 72
7.2.3. Mã hóa ..................................................................................................... 73
7.3. Biến đổi tín hiệu số - tƣơng tự ....................................................................... 77
7.4. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4FSC NTSC ....................................... 78
7.5. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4FSC 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
Chƣơng 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 chƣơng 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” đƣợc biên soạn dùng làm tài liệu học
tập cho sinh viên bậc cao đẳng chính qui ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện
tử trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng. Bài giảng bao gồm 8 chƣơng, cung cấp cho
sinh viên những kiến thức cơ bản về các kỹ thuật điều chế tín hiệu tƣơng tự, số, các
tiêu chuẩn truyền hình màu, trắng – đen, kỹ thuật số đƣợc sử dụng phổ biến trên thế
giới, kỹ thuật truyền hình màu, các phƣơng 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 nhƣ sau:
- Chƣơng 1: Cơ sở về audio tƣơng tự
- Chƣơng 2: Hệ thống thu phát thanh AM
- Chƣơng 3: Hệ thống thu phát thanh FM
- Chƣơng 4: Đại cƣơng về truyền hình trắng đen
- Chƣơng 5: Máy thu hình trắng đen
- Chƣơng 6: Cơ sở vật lý của truyền hình màu và thiết lập hệ truyền hình màu
- Chƣơng 7: Số hóa tín hiệu truyền hình
- Chƣơng 8: Truyền dẫn tín hiệu truyền hình số
Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận đƣợc sự góp ý của bạn đọc để bài giảng đƣợc hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng
góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Điện – Điện tử, Khoa Kỹ thuật – Công nghệ,
Trƣờng Đại học Phạm Văn Đồng.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ đầy đủ
Amplitude Modulation Frequency Modulation Từ viết tắt AM FM
Voltage Controlled Oscillator VCO
Phase Locked Loop PLL
Federal Communications Commission FCC
Committee on CCIR
de OIRT Consultative International Radio Internationale Organisation Radiodiffusion et de Télévision
National Television System Committee NTSC
Phase Alternating Line PAL
MPEG Moving Picture Experts Group Elementary Stream ES
Packetized Elementary Stream PES
Transport Stream Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation TS PSK QAM
Digital Video Broadcasting DVB Ý nghĩa Điều chế biên độ Điều chế tần số Dao động kiểm soát bằng điện áp Vòng khóa pha Hội đồng thông tin liên bang Ủy ban tƣ vấn vô tuyến quốc tế Tổ chức phát thanh và truyền hình quốc tế Ủy ban hệ thống truyền hình quốc tế Pha thay đổi xen kẽ theo dòng Chuẩn nén ảnh động Luồng dữ liệu cơ sở Luồng dữ liệu cơ sở đóng gói Luồng truyền tải Điều chế dịch pha Điều chế trực pha Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu truyền hình của châu Âu
2
Chƣơng 1. CƠ SỞ VỀ AUDIO TƢƠNG TỰ
1.1. Âm thanh
Về mặt vật lý, âm thanh là dao động của sóng âm trong môi trƣờng đàn hồi
sinh ra khi có các vật thể dao động là nguồn âm. Trên thực tế, môi trƣờng đàn hồi là
các môi trƣờng chất rắn, chất lỏng, chất khí. Âm thanh không truyền đƣợc trong
môi trƣờng chân không. Một số chất truyền dẫn âm rất kém, thƣờng là loại mềm,
xốp nhƣ: bông, dạ, cỏ khô. Các chất này đƣợc gọi là chất hút âm, thƣờng đƣợc dùng
lót tƣờng các rạp hát, các hội trƣờng, v.v… để hút âm, giảm tiếng vang. Trong quá
trình lan truyền, nếu gặp phải các chƣớng ngại vật nhƣ tƣờng, núi đá, … thì phần
lớn năng lƣợng của âm thanh sẽ bị phản xạ trở lại, một phần nhỏ tiếp tục truyền lan
về phía trƣớc. Còn một phần nhỏ nữa của năng lƣợng âm thanh bị cọ xát với vật
chƣớng ngại, biến thành nhiệt năng tiêu tan đi. Nguồn âm có rất nhiều loại nhƣ:
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 lƣợng đặc trƣng sau.
a. Tần số: ký hiệu là: f, đơn vị tính là: Hertz (Hz)
Tần số dao động đƣợc 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 ngƣời nghe đƣợc nằm trong dải tần số từ 20 Hz
đến 20.000 Hz. Âm thanh có tần số lớn hơn 20 KHz đƣợc gọi là siêu âm. Âm thanh
có tần số nhỏ hơn 20 Hz đƣợc gọi là hạ âm. Tai ngƣời không thể nghe đƣợc siêu âm
và hạ âm. Dòng điện có tần số trong khoảng 20 Hz đến 20.000 Hz đƣợc 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 ngƣời thƣờng 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 đƣợc tính bằng thời gian để hoàn thành một lần dao động.
3
(1.1)
Trong đó: f là tần số sóng âm
c. Bước sóng: ký hiệu là: λ, đơn vị tính là: mét (m)
Bƣớc sóng đƣợc tính bằng khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm có cùng pha
dao động. Nói cách khác, bƣớc sóng là khoảng lan truyền của âm thanh trong một
chu kỳ dao động. Bƣớc sóng đƣợc tính nhƣ sau:
(1.2)
Trong đó: f: là tần số sóng âm
v: là vận tốc truyền của sóng âm trong không khí
Vận tốc truyền sóng âm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Thông thƣờng ta lấy
vận tốc truyền sóng âm trong một số môi trƣờng nhƣ sau: 340 m/s trong không khí,
1480 m/s trong nƣớc và 5000 m/s trong sắt.
Trong không khí, tốc độ lan truyền phụ thuộc vào nhiệt độ và đƣợc tính theo
công thức:
(1.3)
Trong đó: T0 là nhiệt độ tuyệt đối của không khí, tính theo thang độ Kelvin
(0K)
Nhƣ vậy, nhiệt độ càng cao thì âm thanh truyền càng nhanh. Tốc độ truyền âm trong không khí là 340 m/s tƣơng ứng với nhiệt độ môi trƣờng là 170C (2900K).
Vậy bƣớc sóng âm thanh tƣơng 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 lƣợng do nguồn âm bức xạ vào không
gian trong một đơn vị thời gian.
e. Cường độ âm
Cƣờng độ âm thanh là công suất trung bình của âm thanh đi qua một đơn vị
diện tích đặt vuông góc với phƣơng truyền. Ký hiệu của cƣờng độ âm là: I, đơn vị là: W/m2
f. Mức cường độ âm
4
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 ngƣời ta
thƣờng biểu diễn sự biến đổi cƣờng độ âm trên thang logarit. Cƣờng độ âm đƣợc
biểu diễn trên thang logarit đƣợc gọi là mức cƣờng độ âm, với đơn vị là: dB
L(dB) = 10lg
(đêxiben). Ký hiệu mức cƣờng độ âm là: L.
(1.4)
Với I0: là cƣờng độ âm nhỏ nhất có tần số 1000 Hz mà tai ngƣời có thể nghe
đƣợc, gọi là cƣờng độ âm chuẩn, I0 = 10-12 W/m2
Ngƣỡng nghe đƣợc định nghĩa là giá trị nhỏ nhất của mức cƣờng độ âm gây
đƣợc cảm giác âm ở tai con ngƣời. Ngƣỡng nghe còn phụ thuộc vào tần số âm. Do
đó, ngƣỡng nghe tại tần số 1000 Hz là 0 dB.
Ngƣỡng đau là giá trị lớn nhất của mức cƣờng độ âm gây ra cảm giác đau
nhức ở tai. Do đặc tính sinh lý của tai ngƣời, ngƣỡng đau không phụ thuộc vào tần
số âm. Mức cƣờng độ âm tại ngƣỡng đau khoảng 130 dB.
Miền nghe đƣợc của tai ngƣời là miền nằm giữa ngƣỡng nghe và ngƣỡng
đau. Miền nghe đƣợc phụ thuộc vào tần số âm thanh.
Đêxiben cũng là đơn vị đƣợc dùng khá nhiều trong kỹ thuật điện tử, đƣợc
dùng để biểu diễn gần đúng sự biến thiên trong khoảng rộng của một đại lƣợng nào
đó.
1.2. Tín hiệu audio
Âm thanh (tai ngƣời có thể nghe đƣợc) không thể truyền đi ở khoảng cách
xa. Do đó, để truyền âm thanh đi ngƣời ta thƣờng biến đổi năng lƣợng âm thanh
thành tín hiệu điện thông qua một hệ thống xử lý tín hiệu ở phía phát. Thiết bị đặc
trƣng trong hệ thống này là micro. Tại phía thu, các tín hiệu điện này đƣợc thu
nhận, xử lý và biến đổi ngƣợc lại thành âm thanh. Thiết bị đặc trƣng trong hệ thống
tái tạo lại âm thanh ở phía thu là loa.
Tín hiệu điện mang thông tin của âm thanh đƣợc gọi là tín hiệu audio. Ngoài
việc phục vụ cho mục đích truyền dẫn tín hiệu âm thanh đi xa, tín hiệu audio còn
đƣợc dùng để phục vụ cho mục đích xử lý và lƣu trữ âm thanh.
1.3. Sự cảm thụ của tai ngƣời đối với âm thanh
5
Ngƣời bình thƣờng có thể nghe đƣợc âm thanh trong dải tần số từ 20 Hz đến
20000 Hz. Tai ngƣời không thể nghe tốt nhƣ nhau ở tất cả các tần số. Điều này thể
hiện rõ qua sơ đồ biểu diễn giới hạn nghe của tai ngƣời nhƣ ở hình 1.1. Các đƣờng
cong trên sơ đồ là các đƣờng đẳng âm, có đơn vị phôn, biểu thị mức nghe to nhƣ
nhau. Phôn là đơn vị đo độ to nhỏ của âm thanh thông qua độ nhạy chủ quan của tai
ngƣời. Trục tung thể hiện mức cƣờng độ âm, có giá trị thay đổi từ 0 đến 130 dB. Từ
sơ đồ, ta có một số nhận xét nhƣ sau.
Hình 1.1. Giới hạn nghe của tai ngƣời
Tại tần số 1000 Hz, phôn tƣơng đƣơng với dB, do đó để xác định mức cƣờng
độ âm ở một tần số nào đó ngƣời ta thƣờng so sánh với mức cƣờng độ âm ở tần số
1000 Hz. Đây cũng là lý do, ta lấy cƣờng độ âm chuẩn ở tần số 1000 Hz.
Tai ngƣời nhạy cảm nhất với âm thanh có tần số nằm trong khoảng từ 3000
Hz đến 5000 Hz, tƣơng ứng với phần lõm thấp nhất của các đƣờng cong. Điều này
có nghĩa là, đối với những âm thanh nằm trong khoảng tần số này, chỉ cần một mức
cƣờng độ âm nhỏ thì tai ngƣời vẫn có thể nghe to nhƣ âm thanh ở các tần số khác
nhƣng có mức cƣờng độ âm lớn hơn. Ví dụ, xét đƣờng cong 10 phôn, ta thấy, với
âm thanh có tần số 3000 Hz, thì ta chỉ cần mức cƣờng độ âm nhỏ khoảng 5 dB là đã
6
có thể nghe to nhƣ âm thanh có tần số 100Hz và mức cƣờng độ âm lớn khoảng 30
dB.
Ngoài ra, tai ngƣời 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 đƣợc các nguồn âm khác nhau. Ví dụ tai ta có thể phân
biệt đƣợc hai loại nhạc cụ khác nhau dù cùng dạo một bản nhạc nhƣ nhau.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 1
1. Âm thanh là gì? Thế nào là siêu âm, hạ âm, âm trầm, âm bổng?
2. Vì sao trong các hội trƣờng, rạp hát ngƣời ta thƣờng ốp vào tƣờng những vật liệu
mềm, xốp?
3. Từ hình 1.1, giải thích và cho ví dụ về sự cảm thụ của tai ngƣời đối với âm
thanh?
7
Chƣơng 2. HỆ THỐNG THU PHÁT THANH AM
Điều chế là quá trình làm biến đổi dạng tín hiệu sóng mang tuân theo một
đặc trƣng nào đó của tín hiệu điều chế hoặc của tin tức mà ta cần truyền đi. Mục
tiêu chính của điều chế là tạo đƣợc một tín hiệu chứa nội dung tin tức nhƣng có
dạng thức phù hợp và có thể lan truyền trong môi trƣờng.
2.1. Điều chế AM
Điều chế tuyến tính là phƣơng pháp đơn giản nhất của điều chế tƣơng tự,
trong đó phổ tín hiệu tin tức chỉ thuần túy dịch chuyển trên thang tần số mà không
đổi dạng cấu trúc. Đặc trƣng 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 ƣớc về tín hiệu tin tức trong điều chế AM
- Tín hiệu tin tức x(t) đƣợc 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 nhƣ
hình 2.1.
Hình 2.1. Phổ biên độ tín hiệu tin tức
- Ta cũng giả sử rằng tín hiệu x(t) đƣợc chuẩn hóa về biên độ, nghĩa là:
|x(t)| ≤ 1 (2.1)
Để đơn giản hóa quá trình phân tích, ta giả thiết tín hiệu tin tức x(t) là một
hình sin thuần túy có tần số ωm
(2.2) x(t) = Amcosωmt
với: Am ≤ 1 và fm ≤ W
Hoặc x(t) là tổ hợp của nhiều thành phần hình sin:
(2.3) x(t) = A1cosω1t + A2cosω2t + …
với A1 + A2 + … ≤ 1 và max(f1, f2, …) ≤ W
8
Trong điều chế AM, biên độ của sóng mang biến thiên đồng dạng với dạng
sóng của tín hiệu tin tức. Nếu gọi Ac là biên độ ban đầu (lúc chƣa điều chế) của sóng
mang thì biên độ sóng mang đã điều chế là:
(2.4) A(t) = Ac[1 + µx(t)]
trong đó, µ là một số dƣơng, gọi là hệ số điều chế. Tín hiệu AM sẽ có dạng
nhƣ sau:
(2.5) xAM(t) = A(t)cosωct = Ac[1 + µx(t)]cosωct
xAM(t) = Accosωct + Acµx(t)cosωct
Tín hiệu tin tức có thể hoàn toàn đƣợc khôi phục lại bằng phƣơng pháp tách
sóng đƣờng bao khi thỏa mãn hai điều kiện sau:
(2.6) fc >> W và µ ≤ 1
Điều kiện fc >> 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 đƣờng 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 dƣới thể hiện tin tức (hình 2.2 a) và các tín hiệu điều chế AM ứng
với các trƣờng hợp µ < 1 (hình 2.2 b) và µ > 1 (hình 2.2 c). Ứng với trƣờng hợp
µ > 1, ta thấy có sự đảo pha làm thay đổi dạng đƣờng bao của tín hiệu AM, do đó
việc tách sóng đƣờng 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 nhƣ sau:
(2.7)
Trong đó, ta chỉ quan tâm đến thành phần tần số dƣơng, X(f – fc) chính là
phổ của tin tức X(f) bị dịch chuyển một khoảng fc trên thang tần số. Hình 2.3 thể
hiện toàn bộ phổ của XC(f).
9
Ta nhận thấy rằng phổ AM gồm một vạch sóng mang fc và các dải biên trên
và dƣới chung quanh fc. Đây là đặc tính của kiểu điều chế song biên. Từ hình vẽ 2.3
ta tính đƣợc băng thông của tín hiệu AM.
(2.8) BAM = fc + W – (fc – W) = 2W
Hình 2.2. Tin tức và các tín hiệu điều chế AM
Hình 2.3. Phổ tín hiệu AM
10
Tiếp theo, ta tính công suất trung bình của tín hiệu AM (trong trƣờng hợp
điện trở tải là 1Ω).
Vì giá trị trung bình của hàm cos luôn bằng 0 (trong trƣờng hợp này
đó:
(2.9)
Ta luôn mong muốn giá trị trung bình của tin tức là
suất chuẩn hóa là Sx =
(2.10)
Trong đó:
- Công suất sóng mang: (2.11)
- Công suất mỗi dải biên: (2.12)
Do đó: ST = Pc + 2Psb
(2.13)
Ta nhận thấy rằng với tin tức x(t) bị giới hạn bởi điều kiện |x(t)| ≤ 1, thì
|µx(t)| ≤ 1 và µ2Sx ≤ 1, từ (2.12) suy ra
Kết hợp với (2.13), ta có:
(2.14)
Ta thấy, tối thiểu 50% công suất đài phát AM đƣợc 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
11
không cao. Tuy ta chỉ xét cho một số trƣờng hợp giới hạn riêng của tin tức nhƣng
kết luận này đúng cho điều chế AM trong trƣờng hợp tổng quát.
Một số mạch điều chế AM đơn giản sử dụng các phần tử nhƣ diode, BJT, …
đƣợc mô tả nhƣ 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 đƣợc tích hợp
trong các IC nhƣ XR-2206. Ƣu 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
12
Giải điều chế là quá trình ở phía thu ngƣợc 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)cosω1t, đƣợc nhân với tín hiệu dao động nội cosω2t nhƣ hình 2.6.
(2.15) x(t).cosω1t.cosω2t =
Nếu f1 ≠ f2, 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 nhƣ ở hình 2.7. Tín
hiệu thu (đã điều chế) đƣợc nhân với tín hiệu dao động nội, sau đó đƣợc 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 đƣợc 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 trƣờng hợp tổng quát, biểu thức của tín hiệu AM có dạng nhƣ sau:
13
(2.16) xc(t) = [Kc + Kµx(t)]cosωct
Do đó, tín hiệu sau mạch nhân
y(t) = xc(t).ALOcosωct =
Mạch lọc thông thấp có băng thông B = W sẽ loại bỏ thành phần tần số 2ωc.
Do đó, ngõ ra của mạch lọc thông thấp là:
(2.17) yD(t) = KD[Kc + Kµx(t)]
Trong đó, KD là hệ số tách sóng
Thành phần DC của tín hiệu sau khi tách sóng là KDKC có thể bị loại trừ nhờ
các điện dung liên lạc hoặc biến thế ghép, cuối cùng ta nhận đƣợc thành phần
KDKµx(t) hoàn toàn đồng dạng với tín hiệu tin tức x(t).
c. Tách sóng đường bao
Mạch tách sóng đƣờng bao đƣợc mô tả nhƣ hình 2.8. Mạch đƣợc sử dụng
thƣờng xuyên cho giải điều chế AM, vì cấu trúc mạch rất đơn giản.
Hình 2.8. Mạch tách sóng đƣờng bao
Trong thời gian dẫn của diode, tụ điện C sẽ đƣợc 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 nhƣ hình 2.9. Tín hiệu này sẽ đƣợc 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.
14
Hình 2.9. Dạng tín hiệu sau khi tách sóng đƣờng 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.
(2.18)
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 đƣợc. 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 trƣớc khi đƣa 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 trƣớc khi điều chế
15
- 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 trƣớc khi phát đi
- Mạch khuếch đại công suất: để giảm ảnh hƣởng của nhiễu ngƣời ta thƣờng 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 đƣợc tín hiệu) trƣớc khi đƣa 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 hƣởng. Tần số cộng
hƣởng đƣợc 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 đƣợc,
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 fosc lớn hơn tần số sóng mang cao
tần fAM vừa thu đƣợc. Đối với tín hiệu AM, tần số chênh lệch này là 455 KHz (hoặc
465 KHz)
- Trộn tần AM: nhân tín hiệu cao tần AM và dao động nội, sau đó lọc bỏ bớt thành
phần tần số cao để tạo ra tín hiệu trung tần AM có tần số khoảng 455 KHz.
- Khuếch đại trung tần AM: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung tần đến một giá
trị đủ lớn để đƣa vào tách sóng. Đây là tầng khuếch đại chọn lọc, tải là mạch cộng
16
hƣởng có tần số cộng hƣởng đúng bằng trung tần và đảm nhận nhiệm vụ chọn lọc
các tần số lân cận, dải thông của mạch lọc bằng fo ±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 trƣớc khi đƣa ra loa, tái
tạo lại âm thanh.
- Mạch AGC: do sóng AM thu đƣợc lúc mạnh lúc yếu, làm cho âm thanh ở loa lúc
to lúc nhỏ. Để hạn chế hiện tƣợng này, giữ đều mức âm lƣợng, 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 đƣợc yếu thì tăng độ khuếch đại, khi tín hiệu thu đƣợc mạnh
thì giảm bớt độ khuếch đại.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 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) đƣợc 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 đƣợc 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?
17
Chƣơng 3. HỆ THỐNG THU PHÁT THANH FM
Nhƣ đã giới thiệu, điều chế là quá trình ghép tín hiệu tin tức vào các thông số
đặc trƣng của tín hiệu sóng mang cao tần. Trong chƣơng 2, chúng ta đã biết kiểu
điều chế theo biên độ sóng mang, còn gọi là điều chế AM. Chƣơng 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
3.1.1. Điều chế tần số FM
a. Điều chế FM
Xét một tín hiệu tin tức x(t) và sóng mang xc(t) có biên độ cố định Ac và pha
tức thời θ(t).
(3.1) xc(t) = Accosθ(t)
Thông thƣờng pha tức thời θ(t) có dạng sau.
(3.2) θ(t) = 2πfct + Φ(t)
Trong đó: fc 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 xc(t) đƣợc gọi
là tín hiệu điều chế góc.
Nếu tần số sóng mang fc 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
PM.
Vì hai kiểu điều chế này có tính chất tƣơng tự nhau, đều làm thay đổi góc
pha của sóng mang, nên trong nội dung môn học này ta chỉ tìm hiều về điều chế
FM.
Điều chế tần số FM đƣợc định nghĩa khi tần số tức thời f(t) biến thiên tỉ lệ
với tin tức x(t)
(3.3) f(t) = fc + fΔ.x(t) với fΔ < fc
Hệ số fΔ đƣợc gọi là độ dịch tần số, giới hạn fΔ < fc nhằm đảm bảo f(t) > 0;
thông thƣờng fΔ << fc
Trong trƣờng hợp tổng quát, pha và tần số tức thời của một tín hiệu có quan
hệ nhƣ sau:
18
(3.4)
Do đó, pha tức thời của tín hiệu sóng mang khi đã điều chế là:
(3.5)
Vậy, biểu thức của tín hiệu điều chế tần số FM là:
xFM(t) = Accos (3.6)
Biên độ tín hiệu FM là hằng số nên công suất trung bình của tín hiệu FM là:
(3.7) ST =
Để việc phân tích đƣợc đơn giản và dễ hiểu, giả sử tin tức chỉ là tín hiệu đơn
tần có dạng nhƣ sau: x(t) = Amcosωmt
Khi đó, tín hiệu FM có dạng nhƣ sau:
xFM(t) = Accos
hay xFM(t) = Accos (3.8)
Đặt
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
(3.9) xc(t) = xci(t).cosωct – xcq(t).sinωct
Trong đó:
xci(t) = AccosΦ(t) = Ac
xcq(t) = AcsinΦ(t) = Ac
Với điều chế băng hẹp, ta thừa nhận rằng: |Φ(t)| << 1(rad) (3.10)
19
(3.11) Do đó: xci(t) ≈ Ac và xcq(t) = Ac.Φ(t)
(3.12) Vậy: xc(t) = Accosωct – Ac Φ(t)sinωct
(3.13) Trong trƣờng hợp tín hiệu là tin tức đơn tần: Φ(t) = βsin(ωmt)
Điều kiện (3.10) có thể đƣợc 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) đƣợc triển khai thành:
xc(t) = Accosωct – Ac βsin(ωmt)sin(ωct)
Hay: (3.14) xc(t) = Accosωct –
Từ (3.14), ta thấy phổ của tín hiệu FM băng hẹp, tin tức đơn tần bao gồm
sóng mang và hai biên tƣơng tự nhƣ điều chế AM và đƣợc mô tả nhƣ hình 3.1
Hình 3.1. Phổ của tín hiệu FM băng hẹp, tin tức đơn tần
c. Điều chế FM băng rộng
Khi điều kiện điều chế băng hẹp không thỏa mãn, (3.9) đƣợc viết lại nhƣ sau:
(3.15) xc(t) = Ac[cosΦ(t).cosωct - sin Φ(t)sinωct]
Xét trƣờng hợp tín hiệu là tin tức đơn tần, Φ(t) có dạng nhƣ (3.13)
Khi đó, (3.15) có dạng nhƣ sau:
(3.16) xc(t) = Ac[cos(βsinωmt).cosωct - sin (βsinωmt)sinωct]
Áp dụng phép khai triển điều hòa của hai số hạng trong (3.16), ta có:
xc(t) = Ac (3.17)
Với n dƣơng, và , đƣợc gọi là hàm Bessel loại 1,
bậc n của đối số β. Hàm Bessel có đặc điểm sau: J-n(β) = (-1)nJn(β)
Từ (3.17), ta thấy phổ của tín hiệu FM gồm một sóng mang tần số fc và vô số
các vạch dải biên ở các tần số fc nfm đƣợc minh họa nhƣ hình 3.2.
20
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 fm, độ lớn luôn luôn tỉ lệ với hàm
Bessel Jn(β). Đồ thị hàm Bessel theo β hoặc theo n/ β có dạng nhƣ 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 fc.
- Khi β << 1, chỉ có các hàm Bessel tƣơng ƣng 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 trƣờng hợp điều chế FM băng hẹp. Với các trƣờng hợp còn lại của β,
21
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 đƣợc 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 hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu đƣợc
thực hiện nhƣ 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:
(3.18) BT = 2(fΔ + fm)
FM băng hẹp thƣờng có fΔ << fm, do đó:
(3.19) BT ≈ 2fm
- FM băng rộng có tính chống nhiễu cao dùng trong phát thanh FM quảng bá, phần
tiếng của truyền hình với độ dịch tần cực đại 75 KHz, băng thông BT của tín hiệu
FM đƣợc tính gần đúng là:
(3.20) BT = 2(fΔ + 2fm)
Với fm 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, ngƣời ta cần truyền tín hiệu âm thanh chất lƣợng 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 lƣợng 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
22
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 đƣợc 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 ƣu
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 đƣợc
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 đƣợc mô tả nhƣ hình 3.4.
Hình 3.4. Mạch điều chế FM dùng mạch dao động VCO
Giả sử điện dung tƣơng đƣơng của mạch có dạng biến thiên nhƣ sau:
(3.21) C(t) = Co – Cx(t)
Trong đó, Co là điện dung tĩnh ban đầu của mạch (gồm tụ C1 mắc song song
với điện dung tĩnh của varicap lúc chƣa 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 nhƣ BJT, FET.
Độ dịch tần số của mạch điều chế FM này đƣợc tính gần đúng.
fΔ = (3.22)
Trong đó: fc là tần số sóng mang lúc chƣa điều chế
Co là điện dung tĩnh ban đầu của mạch, C là độ lệch điện dung
phụ thuộc vào varicap.
23
Khuyết điểm lớn nhất của mạch điều chế FM dạng này là tần số sóng mang
không ổn định, do đó ngƣời ta thƣờng 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 đƣợc tích hợp vào một IC duy nhất. Tần số ngõ ra của các IC tƣơng đối chính
xác và ổn định. Công suất ngõ ra của các IC thƣờng tƣơng đối thấp nên rất thích
hợp cho các ứng dụng nhƣ 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 đƣợc 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 đƣợc 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:
xc(t) = Accosθc(t)
(3.23) với: dθc(t)/dt = 2π[fc + fΔx(t)]
24
Vậy, phép lấy đạo hàm theo thời gian của xc(t) sẽ là:
(3.24)
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 đƣờng 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 đƣờng bao, tín hiệu có dạng: 2πAc[fc + fΔx(t)], sau
khi qua khối loại bỏ tín hiệu DC, tín hiệu có dạng: 2πAcfΔx(t). Nhƣ vậy, ta đã tách
tín hiệu tin tức x(t) ra khỏi tín hiệu sóng mang. Dạng sóng ở từng giai đoạn có dạng
nhƣ hình vẽ 3.6.
b. Mạch tách sóng dùng vòng khóa pha (PLL)
25
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 tƣơng tự hoặc số. PLL là thành phần quan trọng trong mạch
điện tử thông tin, có rất nhiều ứng dụng nhƣ: lọc, tổng hợp tần số, giải điều chế,
điều chế, …
Sơ đồ khối cơ bản của PLL đƣợc mô tả nhƣ hình 3.8. Khi không có tín hiệu
ngõ vào vi, thì điện áp ngõ ra bộ khuếch đại vout = 0, bộ dao động VCO hoạt động ở
tần số tự nhiên fN (thƣờng đƣợc cài đặt bằng điện trở và tụ điện ngoài). Khi có tín
hiệu vào vi, 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 vd(t), chỉ sự sai biệt về pha
và tần số của hai tín hiệu trên. Điện áp vd(t) đƣợc lọc lấy thành phần biến đổi chậm
(tần số thấp) nhờ bộ lọc thông thấp (LPF), qua bộ khuếch đại và đƣa điện áp vào bộ
VCO, điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào. Đến khi tần số fo của
VCO gần bằng tần số vào fi, hệ thống hồi tiếp làm cho VCO đồng bộ (khóa) theo tín
hiệu vào. Ở trạng thái khóa (lock) tần số fo của VCO đồng nhất (bằng) tần số của tín
hiệu vào fi, 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 nhƣ hình 3.9.
Dải khóa của PLL (BL): là khoảng tần số lân cận fN của VCO mà PLL còn có
khả năng đồng nhất đƣợc tần số fo và fi, tức là khi tần số fi của tín hiệu vào nằm
ngoài dải này thì VCO sẽ không còn bám theo tần số fi, mà sẽ trở về dao động với
tần số tự nhiên fN. Ký hiệu dải khóa là: BL = fmax – fmin; với fmax và fmin là các tần số
cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện đƣợc khóa pha.
26
Dải bắt của PLL (BC): 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 đƣợc sự khóa pha khi việc khóa pha chƣa đƣợc thực hiện.
Dải khóa BL luôn rộng hơn dải bắt BC. PLL đƣợc gọi là khóa pha khi fo = fi.
Ở chế độ khóa pha, dao động fo của VCO bám đồng bộ theo tần số fi 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 đƣợc cài đặt đúng bằng tần số sóng mang của tín hiệu FM ngõ vào. Ngoài
ra, để có thể đồng bộ trong mọi trƣờng 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 phƣơng pháp trong đó tần số sóng mang cao tần thay đổi
tỷ lệ với tín hiệu điều chế. Thành phần chính của phƣơng pháp này là bộ VCO với
tần số dao động thay đổi theo điện áp. Nhƣợc điểm của phƣơng 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 nhƣ hình 3.10, tần số trung tâm của mạch dao động là
5.1MHz, đƣợc nhân lên 18 lần qua ba tầng khác nhau để tạo ra sóng mang sau cùng
của máy phát là 91.8MHz
27
Độ di tần trong phát thanh FM là: fΔ = 75kHz
Độ di tần ở ngõ ra mạch điều chế là: 75/18 = 4.167kHz
Hệ số điều chế: m = fΔ/fmax, với fmax = 15kHz và fΔ = 4.167kHz
Do đó, m = 0.2778
Hình 3.10. Máy phát FM Crosby
3.1.4. Sơ đồ khối máy thu thanh FM
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 hƣởng 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 đƣợc một giá trị cố định bằng 10.7 MHz.
Trộn tần FM: nhân tín hiệu cao tần thu đƣợc 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
28
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 nhƣ loa, thông
thƣờng sẽ có hai tín hiệu âm thanh từ hai hƣớng khác nhau, đó là âm thanh bên trái
và âm thanh bên phải, tƣơng 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. Trƣớc khi thực hiện điều chế FM stereo thì các tín
hiệu ở kênh trái và kênh phải sẽ đƣợc xử lý qua quá trình ghép kênh tần số. Tín hiệu
sau khi qua xử lý đƣợc gọi là tín hiệu dải nền.
Quá trình ghép kênh đƣợc mô tả nhƣ hình 3.12.
Hình 3.12. Sơ đồ mạch ghép kênh FM stereo
29
Tín hiệu âm thanh ngõ vào ở dạng lập thể (stereo) bao gồm hai kênh: trái
(xL(t)) và phải (xR(t)). Hai tín hiệu này đƣợc đƣa vào bộ lọc tiền nhấn Hpe trƣớc khi
qua ma trận cộng trừ để tạo ra các tín hiệu xL(t) + xR(t) và xL(t) – xR(t). Tín hiệu xL(t)
+ xR(t) đƣợc gọi là tín hiệu FM mono đƣợc điều chế FM bình thƣờng để các máy
thu mono vẫn có thể thu đƣợc.
Tín hiệu xL(t) – xR(t) sẽ qua bộ điều chế cân bằng một sóng mang 38kHz,
đƣợc 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 ngƣời ta sử dụng
kiểu điều chế này nhằm đảm bảo tính trung thực của tín hiệu phát. Ngoài ra, dao
động 19kHz cũng đƣợc ghép vào tín hiệu dải nền, dùng làm tín hiệu pilot. Tín hiệu
này có hai nhiệm vụ:
Thông báo cho máy thu biết đƣợc tín hiệu thu là stereo
Phục vụ cho việc tách sóng đồng bộ tại máy thu
Nhƣ vậy, ba thành phần tín hiệu: xL(t) + xR(t), xL(t) – xR(t) đƣợc điều chế cân
bằng và tín hiệu pilot 19 KHz đƣợc ghép chung thành tín hiệu dải nền xb(t), có phổ
nhƣ hình 3.13. Tín hiệu xb(t) sẽ đƣợc điều chế FM trƣớc khi truyền đi.
Hình 3.13. Phổ tín hiệu dải nền ghép kênh FM
Tƣơng ứng tại máy thu cũng sẽ có bộ tách sóng FM stereo nhƣ hình 3.14.
Tín hiệu FM sau khi đƣợc giải điều chế sẽ cho ra tín hiệu giải nền xb(t). Tín
hiệu giải nền sẽ đƣợc cho qua ba bộ lọc.
- Bộ lọc pilot (cộng hƣởng) để lấy tín hiệu đồng bộ tần số 19kHz
- Bộ lọc thông dải (23 – 53 KHz) để lầy thành phần xL(t) – xR(t)
- Bộ lọc thông thấp (0 – 15 KHz) để lấy thành phần xL(t) + xR(t)
Tín hiệu xL(t) – xR(t) (tần số 23 – 53 KHz) sẽ đƣợc đƣa qua bộ đổi tần cùng
với tín hiệu đồng bộ 19 KHz để tạo tín hiệu âm tần xL(t) – xR(t). Hai tín hiệu âm tần
30
xL(t) – xR(t) và xL(t) + xR(t) sẽ đƣợc đƣa qua ma trận cộng trừ để tạo nên các tín hiệu
2xL(t) và 2xR(t). Các tín hiệu này đƣợc khuếch đại trƣớc khi đƣa 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 nhƣ 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 nhƣ hình 3.16.
Hình 3.16. Sơ đồ khối máy thu thanh FM stereo
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 3
1. Một tín hiệu tin tức có tần số cực đại là 5kHz. Ƣớc lƣợng băng thông cho tín hiệu
FM điều chế tin tức này ứng với các độ di tần fΔ = 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100kHz
31
2. Hệ thống điều chế FM có độ di tần fΔ = 10kHz. Khi sử dụng hệ thống điều chế
này, ƣớc lƣợng 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 nhƣ sau:
Loại tín hiệu âm thanh Tầm tần số
Nói thầm, khó hiểu 500Hz đến 2kHz
Âm thanh thoại 200Hz đến 3.2kHz
Âm thanh trung thực cao 20Hz đến 20kHz
3. Các chƣơng trình phát thanh FM đƣợc 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 nhƣ thế nào để có thể bắt đƣợc tất cả các đài FM.
4. Một kênh FM quảng bá phát đồng thời các chƣơng 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 đƣợc sử dụng khi phát chƣơng 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.
32
Chƣơng 4. ĐẠI CƢƠNG VỀ TRUYỀN HÌNH TRẮNG ĐEN
4.1. Nguyên lý chung về vô tuyến truyền hình
Nhƣ đã đề cập trong chƣơng 1, tín hiệu âm thanh đƣợc chuyển đổi thành tín
hiệu điện gọi là tín hiệu audio. Trong kỹ thuật truyền hình còn có tín hiệu hình đƣợc
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 bƣớc cơ bản của một quá
trình truyền hình. Trƣớc khi đƣợc truyền đi, các tín hiệu audio và video đƣợc điều
chế và nhân tần để đạt đến băng tần quy định của kênh truyền. Sau đó hai tín hiệu
này đƣợc ghép kênh theo tần số để đƣợc một tín hiệu duy nhất. Tín hiệu này sau khi
đƣợc khuếch đại công suất sẽ đƣợc truyền ra ngoài không gian bằng anten phát dƣới
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 đƣợc điều chế FM, hình ảnh đƣợc điều chế AM.
Nhân tần: dùng để đƣa tần số các tín hiệu lên băng tần số đƣợc 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 đƣợc camera ở trung tâm truyền hình phân tích thành những
phần tử rất nhỏ, gọi là điểm ảnh. Dƣới góc nhìn 1 phút (1/60 độ) mắt ta không phân
33
biệt đƣợc 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 ngƣợc lại, đó là khôi phục hay tổng hợp lại hình
ảnh từ tín hiệu điện thu đƣợc. 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 đƣợc bố trí để lái chúng từ trái sang phải, gọi là
quét ngang hay quét dòng và lái chúng từ trên xuống dƣới 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 ngƣợc 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 đƣợc
ghép từ rất nhiều điểm ảnh đƣợc sắp xếp theo trật tự hàng và cột. Do đó, dựa trên
các đặc tính sinh học của mắt ngƣời 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 đƣợc sử dụng phổ biến là FCC, CCIR và OIRT. Các thông số kỹ thuật
cơ bản của ba tiêu chuẩn này đƣợc mô tả nhƣ trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các thông số quan trọng của 3 tiêu chuẩn truyền hình
Các tiêu chuẩn STT Các thông số kỹ thuật FCC CCIR OIRT
1 Số dòng quét trong mỗi hình 525 625 625
2 Số hình xuất hiện trong một giây 30 25 25
34
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 Phƣơng pháp điều chế tín hiệu hình Biên độ Biên độ Biên độ
10 Phƣơng pháp điều chế tín hiệu tiếng Tần số Tần số Tần số
11 Khoảng cách giữa sóng mang hình và 4.5MHz 5.5MHz 6.5MHz
tiếng
12 Độ rộng dải tần chung (hình, tiếng) 6MHz 7MHz 8MHz
13 Tần số trung tần hình 45.75MHz 38MHz 38MHz
14 Tần số trung tần tiếng 41.25MHz 32.5MHz 31.5MHz
15 Trung tần thứ hai của tiếng 4.5MHz 5.5MHz 6.5MHz
16 Khuôn hình (b:h) 4:3 4:3 4:3
Trong đó:
Tiêu chuẩn FCC: đƣợc áp dụng đầu tiên ở các nƣớc: Mỹ, Canada, Cuba, …
Tiêu chuẩn CCIR: đƣợc áp dụng lần đầu tiên ở các nƣớc Đức, Áo, Hà Lan,
Tiêu chuẩn OIRT: đƣợc áp dụng lần đầu tiên ở Liên Xô và các nƣớc XHCN
cũ.
Sau đây ta lấy chuẩn truyền hình trắng đen OIRT để phân tích một số thông
số đặc trƣng 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
ngƣời cách màn hình một khoảng bằng 6 lần chiều cao của hình thì góc tạo bởi mắt
ngƣời đến 2 dòng liên tiếp trên màn hình phải nhỏ hơn 1 phút (1/60 độ) (nhƣ mô tả
trong hình 4.2). Có nhƣ vậy, mắt ta mới không phân biệt đƣợc 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 lƣợt là: 525, 625 và 625 dòng.
35
Hình 4.2. Tiêu chuẩn xác định số dòng quét trên mỗi hình
b. Số hình trong một giây
Nhƣ đã đề cập ở phần trên, hình ảnh động ta nhìn thấy trên màn hình đƣợc
ghép từ rất nhiều ảnh tĩnh xuất hiện liên tiếp nhau. Dựa vào đặc tính lƣu ảnh của
mắt ngƣời, để ta có cảm giác hình ảnh xuất hiện liên tục, không gián đoạn, số hình
xuất hiện trong một giây phải lớn hơn hoặc bằng 24. Ngoài ra, nên chọn số hình
trên một giây là ƣớc số của tần số mạng điện xoay chiều để tránh hiện tƣợng rung
lắc hoặc có vết đen trên màn hình khi bộ lọc nguồn không đảm bảo chất lƣợng.
Tổng hợp các điều kiện trên, các chuẩn FCC, CCIR và OIRT chọn số hình trong
một giây lần lƣợt là 30, 25 và 25 (tƣơng ứng với tần số mạng điện xoay chiều lần
lƣợt là 60 Hz, 50 Hz và 50 Hz).
c. Cách quét dòng
Cách quét dòng truyền thống là quét liên tục, giống nhƣ việc đọc một quyển
sách. Chỉ có một điểm khác biệt là tia điện tử khi quét từ trái sang phải thì đồng thời
cũng quét từ trên xuống dƣới nhƣ hình 4.3. Khi quét đến mép phải màn hình thì
quay trở lại mép trái và tiếp tục quét dòng tiếp theo. Khi quét hết một hình ảnh thì
tia điện tử ở mép dƣới cùng bên phải của màn hình sẽ quay trở về mép trên cùng
bên trái của màn hình để quét hình ảnh tiếp theo.
Quá trình quét từ trái sang phải là quá trình quét thuận sẽ hiển thị các điểm
ảnh trên màn hình. Quá trình quét từ phải sang trái và quét từ góc cuối cùng bên
phải về góc trên cùng bên trái là quá trình quét ngƣợc dùng để đƣa tia điện tử về
những vị trí bắt đầu của một dòng hay một ảnh. Quá trình này không đƣợc hiển thị
hình ảnh trên màn hình nên phải có thêm tín hiệu xóa tia quét ngƣợc.
Tuy nhiên phƣơng pháp quét liên tục không còn đƣợc dùng trong kỹ thuật
truyền hình vì tần số xuất hiện hình/giây chƣa đủ lớn làm cho ngƣời xem vẫn có
36
cảm giác hình ảnh bị nhấp nháy rất khó chịu. Do đó, một phƣơng pháp khác đƣợc
sử dụng để khắc phục nhƣợc điểm này, đó là phƣơng pháp quét xen kẽ nhƣ mô tả
trong hình 4.4.
Hình 4.3. Phƣơng pháp quét liên tục
Hình 4.4. Phƣơng pháp quét xen kẽ
Các dòng không đƣợc quét liên tục theo thứ tự dòng 1, 2, 3, … thay vào đó
để hiển thị một ảnh sẽ có hai quá trình quét. Đầu tiên là quá trình quét dòng lẻ hay
còn gọi là quét mành lẻ, tƣơng ứng với việc quét các dòng 1, 3, 5, … Sau đó tia điện
tử sẽ đƣợc quét ngƣợc và tiếp tục quét các dòng chẵn hay còn gọi là mành chẵn,
tƣơng ứng với việc quét các dòng 2, 4, 6, … Quá trình đƣợc lặp lại cho các hình ảnh
tiếp theo. Phƣơng pháp quét xen kẽ giống nhƣ việc phân tích hình ảnh lớn cần hiển
thị thành hai hình ảnh nhỏ tƣơng ứng với các dòng chẵn và dòng lẻ, sau đó sẽ cho
hiển thị lần lƣợt từng hình ảnh. Do đặc điểm của mắt ngƣời không thể phân biệt
đƣợc hai dòng liền kề nhau nên ta sẽ thấy hai hình ảnh nhỏ là nhƣ nhau, kết quả là
37
tần số xuất hiện của các ảnh nhỏ sẽ gấp đôi so với ảnh lớn, do đó ta sẽ không còn
cảm giác hình ảnh bị nhấp nháy. Ví dụ đối với chuẩn OIRT, số lần xuất hiện của
ảnh trong một giây là 25, với phƣơng pháp quét xen kẽ ta sẽ có cảm giác có 50 hình
xuất hiện trong một giây, khắc phục đƣợc hiện tƣợng nhấp nháy khi xem.
d. Tần số quét ngang
Tần số quét ngang còn đƣợc gọi là tần số quét dòng. Với chuẩn OIRT, một
ảnh có 625 dòng và có 25 ảnh xuất hiện trong một giây. Do đó, số dòng xuất hiện
trong một giây là: 625x25 = 15625 dòng/giây, tƣơng ứng với tần số quét ngang là
15625 Hz và chu kỳ quét ngang là: 1/15625 = 64 μs. Hình 4.5 mô tả các khoảng
thời gian quét thuận và quét ngƣợc của một dòng.
Hình 4.5. Quá trình quét một dòng
e. Tần số quét dọc
Tần số quét dọc còn đƣợc gọi là tần số quét mành. Với kiểu quét xen kẽ tiêu
chuẩn OIRT hoặc CCIR, có 25 hình xuất hiện trong một giây, tƣơng ứng với 25
mành chẵn và 25 mành lẻ, do đó tần số quét mành là 50 Hz, ứng với chu kỳ là 1/50
= 20ms. Đối với chuẩn FCC, tần số này là 60Hz.
f. Các phương pháp điều chế
Trong kỹ thuật truyền hình, tín hiệu tiếng đƣợc điều chế theo tần số (FM) và
tín hiệu hình đƣợc điều chế theo biên độ âm (AM). Nghĩa là điểm trắng nhất của
hình tƣơng ứng với biên độ điện áp thấp nhất và xung đồng bộ hình tƣơng ứng với
biên độ cao nhất.
g. Dải thông và cấu trúc kênh truyền hình
Tín hiệu truyền hình bao gồm hai thành phần: hình và tiếng, do đó băng
38
thông của một kênh truyền hình cũng bao gồm hai dải thông dành cho tín hiệu hình
và tiếng nhƣ hình 4.6. Hình thức điều chế biên độ sẽ tạo ra tín hiệu có hai dải biên
trên và dƣới mang thông tin giống nhau nên băng thông của tín hiệu điều chế cũng
gấp đôi so với băng thông của tin tức. Do đó, để tiết kiệm băng thông cho kênh
truyền và tránh lãng phí công suất máy phát, ngƣời ta đã cắt đi một phần biên dƣới
của tín hiệu hình. Kết quả là băng thông tín hiệu hình theo chuẩn OIRT chỉ còn
7.25MHz. Độ rộng dải tần chung hay còn gọi là băng thông của một kênh truyền
(bằng tổng băng thông của tín hiệu hình và tiếng) theo chuẩn OIRT là 8 MHz.
Tín hiệu video đƣợc điều chế ở trung tần bằng sóng mang có tần số
fIF/video, = 38 MHz
Tín hiệu audio đƣợc điều chế ở trung tần bằng sóng mang có tần số
fIF/audio = 31.5 MHz
Khoảng cách tần số giữa sóng mang hình và tiếng luôn là :
|fIF/video – fIF/audio | = |fRF/video – fRF/audio| = 6.5 MHz
Tƣơng tự với các chuẩn FCC và CCIR, khoảng cách này là: 4.5MHz và
5.5MHz.
Hình 4.6. Băng thông của một kênh truyền hình chuẩn OIRT
Kỹ thuật truyền hình sử dụng một phần dải tần số trong phạm vi nhất định
cho truyền hình quảng bá. Các chƣơng trình truyền hình đƣợc truyền đi trên các
kênh truyền hình, băng thông mỗi kênh đƣợc xác định theo các chuẩn nhƣ trên.
Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng một phần các băng tần VHF (có tầm tần số từ
39
48MHz đến 300MHz) và UHF (có tầm tần số từ 300MHz đến 3000MHz) để truyền
dẫn các chƣơng trình truyền hình mặt đất. Việt Nam sử dụng tiêu chuẩn OIRT để
phân chia băng tần, do đó, băng thông của mỗi kênh là 8MHz và đƣợc phân chia
nhƣ bảng 4.2. Các tần số trong bảng 4.2 là các tần số sóng mang cao tần (fRF). Ở cao
tần, tần số sóng mang tiếng lớn hơn tần số sóng mang hình. Ngƣợc lại, do tính chất
của quá trình đổi tần nên ở trung tần, tần số sóng mang hình lớn hơn tần số sóng
mang tiếng và các tần số này cố định không đổi nhƣ trong bảng 4.1.
h. Phổ của tín hiệu hình
Phổ của tín hiệu hình đƣợc minh họa nhƣ hình 4.7. Trong đó, fH và fV lần
lƣợt là các tần số quét ngang và quét dọc. Từ hình vẽ ta thấy phổ của tín hiệu hình là
phổ gián đoạn gồm các hài của tần số quét ngang và các nhóm phổ quanh hài của
tần số quét ngang, trong đó hài có bậc càng cao thì có biên độ càng bé.
Phổ hình là phổ gián đoạn tức là giữa các nhóm phổ hài tần số quét ngang
tồn tại các khoảng trống. Có thể lợi dụng những khoảng trống này để truyền những
tín hiệu khác. Trƣờng hợp 2 tín hiệu có cấu trúc phổ nhƣ nhau, nếu bố trí các nhóm
phổ của tín hiệu thứ hai nằm vào các khoảng trống giữa các nhóm phổ của tín hiệu
thứ nhất, thì có thể truyền cả hai tín hiệu ấy trên một kênh thông tin, và phía thu có
thể tách chúng ra đƣợc. Tính chất này đƣợc ứng dụng trong kỹ thuật truyền hình
màu. Phổ của tín hiệu màu đƣợc sắp đặt vào các khoảng trống của phổ tín hiệu chói.
Hình 4.7. Phổ của tín hiệu hình trắng đen
40
Bảng 4.2. Bảng phân kênh tần số cho truyền hình mặt đất
41
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 4
1. Trình bày các giai đoạn cơ bản của một quá trình truyền hình.
2. Giải thích cơ sở chọn số hình ảnh truyền hình xuất hiện trong một giây? Nêu các
thông số cụ thể cho từng tiêu chuẩn truyền hình.
3. Trình bày nguyên lý quét mành đối với tiêu chuẩn FCC.
4. Trình bày cấu trúc phổ của một kênh truyền hình theo tiêu chuẩn OIRT. Vì sao
ngƣời ta giữ lại một phần biên tần dƣới của tín hiệu hình?
42
Chƣơng 5. MÁY THU HÌNH TRẮNG ĐEN
5.1. Sơ đồ khối tổng quát
Nhiệm vụ của máy thu vô tuyến truyền hình là tiếp nhận tín hiệu cao tần cảm
ứng trên anten thu, khuếch đại và biến đổi tín hiệu đó thành tín hiệu hình ảnh và âm
thanh, khôi phục lại hình ảnh và âm thanh đã phát đi. Vì tín hiệu hình có băng thông
khá rộng nên việc khôi phục hình ảnh trên ống thu đòi hỏi khá nhiều mạch phụ.
Hình 5.1 là sơ đồ khối tổng quát của một máy thu hình trắng đen.
Hình 5.1. Sơ đồ khối máy thu hình trắng đen
Có thể chia sơ đồ khối này thành hai nhóm chính nhƣ sau:
Nhóm thứ nhất có chức năng tạo ánh sáng trên màn ảnh, bao gồm khối
nguồn nuôi, khối đồng bộ, khối quét (quét dòng, quét mành), nhóm này hoạt
động trƣớc.
Nhóm thứ hai có chức năng thu và xử lý tín hiệu hình ảnh và âm thanh, bao
gồm khối chọn kênh, tách sóng, khuếch đại công suất âm tần và thị tần,
nhóm này thƣờng hoạt động sau nhóm thứ nhất.
Sau đây, ta sẽ lần lƣợt tìm hiểu về chức năng của từng khối trong sơ đồ trên.
5.2. Khối chọn kênh
Hình 5.2 là sơ đồ khối thể hiện các thành phần cơ bản của khối chọn kênh.
Ngõ vào khối chọn kênh là tín hiệu sóng mang cao tần từ anten. Ngõ ra khối chọn
kênh là tín hiệu trung gian có tần số thấp hơn, gọi là tín hiệu trung tần. Sau đây là
chức năng chính của các khối trong sơ đồ.
a. Khối cộng hưởng cao tần
43
Sóng vô tuyến truyền hình là các sóng điện từ bức xạ ra không gian từ các
đài phát. Mỗi đài phát nằm trên một kênh có dải tần số xác định. Anten thu sẽ thu
tất cả các sóng truyền hình có công suất đủ lớn. Chức năng chính của khối cộng
hƣởng cao tần là lựa chọn một băng tần số ứng với một kênh xác định từ rất nhiều
thành phần sóng điện từ đến đƣợc anten thu.
Thành phần chính của mạch cộng hƣởng là các khung cộng hƣởng LC song
song hoặc nối tiếp. Để có thể chọn đƣợc nhiều kênh khác nhau ứng với các tần số
cộng hƣởng khác nhau, ngƣời ta thƣờng sử dụng diode biến dung (varicap) trong
các khung cộng hƣởng này.
Hình 5.2. Sơ đồ khối của khối chọn kênh
b. Khối khuếch đại cao tần
Chức năng chính của khối khuếch đại cao tần là khuếch đại công suất tín
hiệu nhận đƣợc từ anten tới mức cần thiết, đảm bảo mức công suất tín hiệu cho các
tầng xử lý tiếp theo và tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Ngoài ra do tính đơn hƣớng,
mạch khuếch đại cao tần có tác dụng phân cách các thành phần phía sau với anten,
giảm khả năng sóng điện từ bức xạ ngƣợc ra lại anten gây nhiễu.
Vì có chức năng khuếch đại tín hiệu nên mạch khuếch đại cao tần thƣờng
đƣợc mắc theo sơ đồ E chung hoặc B chung. Tuy nhiên, việc thiết kế phải bảo đảm
hệ số khuếch đại trong giới hạn vừa phải để tránh hiện tƣợng dao động tự kích.
c. Mạch dao động nội
Tạo tín hiệu dao động hình sin có tần số thay đổi theo tần số tín hiệu ở ngõ
vào khối chọn kênh. Giả sử tần số tín hiệu của mạch dao động là fai, tần số sóng
mang trung tâm là fRF và tần số trung tần là fIF thì fIF = fai - fRF. Đối với các máy thu
44
hình bán dẫn, mạch dao động nội thƣờng đƣợc thiết kế theo sơ đồ 3 điểm điện dung
cực B chung vì tính ổn định cao.
Vì tần số tín hiệu trung tần đƣợc quy định là số cố định nên tần số của mạch
dao động nội phải bảo đảm luôn lớn hơn tần số tín hiệu cao tần một khoảng không
đổi. Do đó, mạch dao động nội cũng sử dụng diode biến dung đồng chỉnh giá trị với
diode biến dung sử dụng trong mạch cộng hƣởng.
d. Khối trộn tần
Khối trộn tần có chức năng chuyển tín hiệu tần số cao xuống tần số trung
gian (còn gọi là trung tần). Ngõ vào khối trộn tần đƣợc lấy từ mạch khuếch đại cao
tần và mạch dao động nội.
Trong các máy thu hình, tần số tín hiệu đƣợc chuyển xuống giá trị thấp hơn
nên mạch trộn tần thực chất là một mạch nhân tín hiệu nối tiếp với một mạch lọc
thông thấp nhƣ đã đề cập trong các chƣơng 2 và 3. Tần số tín hiệu ngõ ra (trung tần)
bằng hiệu tần số của hai tín hiệu ngõ vào. Giả sử tần số của bộ dao động nội là fai,
tần số sóng mang cao tần hình và tiếng lần lƣợt là fRF/video, fRF/audio, sóng mang trung
tần hình và tiếng lần lƣợt là fIF/video, fIF/audio thì:
fIF/video = fai - fRF/video
fIF/audio = fai - fRF/audio
Trong đó, các giá trị trung tần hình và tiếng có giá trị cố định tùy theo tiêu
chuẩn truyền hình nhƣ trong bảng 5.1.
Bảng 5.1. Các giá trị trung tần hình và tiếng theo các chuẩn truyền hình
Tiêu chuẩn FCC CCIR OIRT
45,75MHz 38MHz 38MHz fIF/video
41,25MHz 32,5MHz 31,5MHz fIF/audio
Khoảng cách 4,5MHz 5,5MHz 6,5MHz
Do khối trộn tần đƣợc thiết kế nhƣ trên nên tần số sóng mang cao tần tiếng
lớn hơn cao tần hình (fRF/video < fRF/audio) nhƣng qua bộ trộn tần thì tần số sóng mang
trung tần hình sẽ lớn hơn trung tần tiếng (fIF/video > fIF/audio) ở tất cả các chuẩn và
khoảng cách tần số giữa hai thành phần sóng mang này luôn không thay đổi.
45
Các mạch điện hoạt động ở tần số cao thƣờng có thêm một số hiệu ứng khác
biệt so với mạch điện thông thƣờng ở tần số thấp. Một mạch điện thƣờng chỉ làm
việc ổn định và hiệu quả ở một tần số nhất định. Do đó, để máy thu hình có thể hoạt
động ổn định, các tín hiệu phía sau khối chọn kênh luôn có tần số cố định. Cũng
chính vì vậy, việc thiết kế mạch điện ở cao tần trong kỹ thuật truyền hình cũng phải
có một số yêu cầu riêng nhƣ sau:
Đảm bảo phải phối hợp trở kháng với anten thu tránh hiện tƣợng phản xạ
sóng và nhiễu vào máy thu. Nếu phối hợp trở kháng không tốt thì sóng điện từ vào
máy thu sẽ bị phản xạ lại một phần ra anten, đến đây sóng lại vào máy thu và tiếp
tục bị phản xạ lại. Quá trình lặp lại nhƣ vậy cho đến lúc năng lƣợng giảm đủ nhỏ.
Sự phản xạ này tạo ra các hình phụ mờ bên cạnh hình chính. Số hình phụ tỉ lệ với số
lần phản xạ lại của sóng điện từ. Để có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu này, ngƣời ta đã
thống nhất chọn trở kháng của anten và mạch vào máy thu hình là 75Ω hoặc 300Ω.
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu phải đủ lớn. Giảm tới mức tối thiểu ảnh hƣởng của
các loại nhiễu bên ngoài, trong đó đặc biệt là nhiễu có tần số ảnh và tần số trung
gian. Do đó, ngƣời ta thƣờng đặt thêm các bộ lọc suy giảm nhiễu ở ngõ vào máy thu
hình.
Đảm bộ độ khuếch đại đồng đều ở tất cả các kênh
Độ rộng dải tần của mỗi kênh phải đúng tiêu chuẩn
Hình 5.3 là bộ chọn kênh trong thực tế trong các máy thu hình.
Hình 5.3. Bộ chọn kênh thực tế
Khối kênh bị hỏng có thể gây ra cho máy thu hình một số hiện tƣợng sau:
- Màn hình sáng và chỉ có nhiễu hạt
- Có hình nhƣng chất lƣợng không tốt có rất nhiều nhiễu hạt
46
- Máy thu hình chỉ thu đƣợc một số kênh
5.3. Khối khuếch đại trung tần hình
Khối khuếch đại trung tần hình thƣờng có từ 3 đến 5 tầng khuếch đại và cộng
hƣởng có các chức năng chính nhƣ sau:
Khuếch đại tín hiệu tần số trung gian đến mức cần thiết đảm bảo cho tầng
tách sóng hình làm việc bình thƣờng. Tín hiệu ở ngõ ra bộ trộn trong khối chọn
kênh có biên độ trong khoảng vài mV, trong khi hầu hết các bộ tách sóng, giải điều
chế yêu cầu mức tín hiệu khoảng vài V. Do đó, mạch khuếch đại trung tần hình
thƣờng dùng từ 2 đến 3 tầng khuếch đại mắc cực E chung, độ lợi mỗi tầng khoảng
20dB.
Đảm bảo độ chọn lọc cao, loại bỏ nhiễu từ các kênh truyền hình lân cận. Sau
khi qua khối khuếch đại trung tần hình biên độ các tín hiệu trung tần hình và tiếng
của các kênh lân cận phải suy giảm từ 40 đến 60dB.
Đảm bảo tỉ lệ giữa giá trị tín hiệu trung tần hình và tín hiệu trung tần tiếng ở
ngõ vào mạch tách sóng hình. Thông thƣờng, sau khi qua khối này, biên độ trung
tần tiếng giảm khoảng 26dB so với biên độ trung tần hình, do đó giảm ảnh hƣởng
của tín hiệu tiếng vào đƣờng hình.
Khi qua khối này, gần nhƣ chỉ có tín hiệu hình đƣợc khuếch đại nên còn
đƣợc gọi là khối khuếch đại trung tần hình. Vì tần số tín hiệu trung tần hình và tiếng
đã đƣợc chuẩn hóa, chức năng của khối trung tần hình cũng đã đƣợc xác định rõ nên
hiện nay khối trung tần hình trong đã đƣợc tích hợp vào các vi mạch (IC) chuyên
dụng nhƣ M52777, AN5138NK, … Các vi mạch này giúp cho quá trình thiết kế,
chế tạo trở nên đơn giản hơn và hoạt động ổn định hơn.
Khối khuếch đại trung tần hình bị hỏng có thể gây ra cho máy thu hình một
số hiện tƣợng nhƣ sau:
- Máy thu hình có hình mờ, tiếng yếu
- Màn hình sáng trắng, mịn và không có nhiễu hạt
5.4. Khối tách sóng hình và khuếch đại hình
Khối này có các chức năng sau:
47
Thực hiện tách sóng đƣờng bao AM tín hiệu trung tần hình để lấy tín hiệu
hình. Tín hiệu hình tổng hợp có biên độ trong khoảng 1Vpp đến 5Vpp
Hình thành tín hiệu trung tần tiếng thứ hai bằng quá trình tách sóng phách
(tách sóng và đổi tần) để đƣa đến mạch khuếch đại trung tần tiếng. Tín hiệu trung
tần tiếng thứ hai có tần số cố định: 6,5 MHz đối với tiêu chuẩn OIRT, 5,5 MHz đối
với tiêu chuẩn CCIR và 4,5 MHz đối với tiêu chuẩn FCC.
Mạch khuếch đại hình là mạch khuếch đại băng rộng thƣờng có từ 1 đến 3
tầng khuếch đại, có chức năng chính là khuếch đại tín hiệu hình đến mức cần thiết
(khoảng từ 40Vpp đến 100Vpp) để điều khiển mật độ tia điện tử đập vào màn hình.
5.5. Khối tự động điều chỉnh độ khuếch đại
Để ổn định độ tƣơng phản của hình, đảm bảo chất lƣợng hình ảnh thu đƣợc
không thay đổi theo cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc ở anten, ngƣời ta dùng mạch tự
động điều chỉnh độ khuếch đại, còn gọi là mạch AGC. Mạch AGC có chức năng tạo
điện áp một chiều có giá trị biến đổi theo mức tín hiệu ở ngõ ra khối khuếch đại
hình. Giá trị này đƣợc sử dụng để điều khiển sự thay đổi hệ số khuếch đại của các
khối khuếch đại cao tần (trong khối chọn kênh) và trung tần hình. Khi cƣờng độ tín
hiệu thu đƣợc ở anten lớn, hệ số khuếch đại của các khối khuếch đại hình sẽ đƣợc
điều chỉnh giảm và ngƣợc lại.
5.6. Khối đồng bộ
Khối đồng bộ có các chức năng nhƣ sau:
Mạch chọn xung đồng bộ có chức năng lọc lấy xung đồng bộ từ tín hiệu
video tổng hợp
Mạch tích phân có chức năng tách lấy xung đồng bộ mành để đồng bộ khối
quét mành, đảm bảo cho quá trình quét mành ở phía phát và phía thu hoạt động
đồng bộ
Mạch vi phân có chức năng tách lấy xung đồng bộ dòng để đồng bộ khối
quét dòng, đảm bảo cho quá trình quét dòng ở phía phát và phía thu hoạt động đồng
bộ
Mạch so sánh pha có chức năng so sánh pha và tần số của xung dòng do khối
quét dòng trong máy thu hình tạo ra với pha và tần số của xung đồng bộ dòng do
48
phía phát truyền đến. Ngõ ra mạch so pha là điện áp một chiều có giá trị phụ thuộc
vào sự sai lệch tần số và pha của xung dòng và xung đồng bộ dòng. Điện áp này
đƣợc sử dụng để điều khiển mạch tạo xung dòng có biên độ và pha bằng xung đồng
bộ dòng của phía phát.
Khối đồng bộ bị hỏng có thể gây ra cho máy thu hình một số hiện tƣợng nhƣ
sau:
- Hình ảnh bị trôi theo chiều ngang hoặc chiều dọc
- Hình ảnh bị đổ, méo, …
5.7. Khối quét
Khối quét bao gồm khối quét dòng và khối quét mành.
Khối quét mành có các chức năng sau:
o Tạo điện áp răng cƣa tần số mành, cung cấp cho cuộn lệch mành
o Tạo xung để tắt tia điện tử ở màn hình trong quá trình quét ngƣợc
o Trong một số trƣờng hợp tạo điện áp một chiều cung cấp cho cực gia
tốc đèn hình
Khối quét dòng có các chức năng sau:
o Tạo điện áp răng cƣa tần số dòng, cung cấp cho cuộn lệch dòng
o Tạo xung để tắt tia điện tử ở màn hình trong quá trình quét ngƣợc
o Tạo điện áp một chiều cao đến hàng chục KV, cung cấp cho anod thứ
hai của đèn hình.
o Tùy theo từng loại đèn hình, khối này còn tạo các điện áp một chiều
cung cấp cho điện cực gia tốc, điện cực hội tụ của đèn hình, hoặc
cung cấp cho các tầng khác.
Khối quét bị hỏng có thể gây ra cho máy thu hình một số hiện tƣợng nhƣ sau:
- Khi bật nguồn màn hình có vạch sáng nằm ngang hoặc thẳng đứng
- Màn hình có khung sáng nhƣng không mở hết màn ảnh
5.8. Khối đƣờng tiếng
Khối đƣờng tiếng bao gồm các khâu xử lý tín hiệu âm thanh trƣớc khi xuất ra
loa của máy thu hình. Chức năng các khối cụ thể nhƣ sau:
49
Khối khuếch đại trung tần tiếng: dùng để khuếch đại tín hiệu trung tần thứ
hai của âm thanh (lấy từ khối tách sóng trung tần hình).
Mạch hạn biên: có chức năng khử điều biên ký sinh của tín hiệu hình lên tín
hiệu tiếng điều tần.
Khối tách sóng âm thanh: có chức năng tách sóng FM nhằm tách tín hiệu âm
thanh ra khỏi sóng mang trung tần
Khuếch đại tiếng: có chức năng khuếch đại công suất của tín hiệu âm thanh
sau tách sóng trƣớc khi đƣa ra loa.
Khi khối đƣờng tiếng bị hỏng thì máy thu hình thƣờng không có tiếng, hoặc
có tiếng nhƣng bị rè, ù và nghe không rõ.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 5
1. Trình bày chức năng của các khối cơ bản trong sơ đồ khối chọn kênh. Nêu một số
hiện tƣợng của máy thu hình khi hỏng khối kênh.
2. Trình bày các chức năng cơ bản của khối khuếch đại trung tần hình. Nêu một số
hiện tƣợng của máy thu hình khi hỏng khối khuếch đại trung tần hình.
3. Trình bày các chức năng cơ bản của khối tách sóng hình và khuếch đại hình.
4. Trình bày các chức năng cơ bản của khối đồng bộ. Nêu một số hiện tƣợng của
máy thu hình khi hỏng khối đồng bộ.
5. Trình bày các chức năng cơ bản của khối quét (mành và dòng). Nêu một số hiện
tƣợng của máy thu hình khi hỏng khối quét.
6. Trình bày các chức năng cơ bản của khối đƣờng tiếng.
50
Chƣơng 6. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA TRUYỀN HÌNH MÀU VÀ THIẾT LẬP HỆ
TRUYỀN HÌNH MÀU
6.1. Ánh sáng và nguồn sáng
6.1.1. Ánh sáng
Ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ có bƣớc sóng nằm trong khoảng từ
380nm đến 780nm. Đây là các dao động điện từ mà mắt ngƣời có thể cảm nhận
đƣợc. Dải bức xạ điện từ có bƣớc sóng ngắn hơn ánh sáng là tia tử ngoại, tia X và
tia Gamma. Dải bức xạ điện từ có bƣớc sóng dài hơn ánh sáng là tia hồng ngoại, dài
hơn nữa là sóng vô tuyến (radio) và sóng âm thanh. Hình 6.1 mô tả phổ của bức xạ
điện từ và vị trí của sóng ánh sáng trong phổ.
Hình 6.1. Phổ của bức xạ điện từ
Ánh sáng thƣờng đƣợc chia thành hai loại: ánh sáng đơn sắc và ánh sáng phức
hợp.
Ánh sáng đơn sắc là sóng điện từ chỉ chứa một bƣớc sóng xác định. Có thể
xem ánh sáng đơn sắc là bức xạ điện từ có dải tần rất hẹp. Một ví dụ thực tế của ánh
sáng đơn sắc là tia laser.
Ánh sáng phức hợp là tập hợp nhiều ánh sáng đơn sắc. Đây là dạng ánh sáng
ta thƣờng gặp trong tự nhiên. Một dạng đặc biệt của ánh sáng phức hợp là ánh sáng
trắng, trong đó phổ năng lƣợng đƣợc phân bố đều từ 380nm đến 780nm.
6.1.2. Nguồn sáng
Nguồn tạo ra ánh sáng là nguồn sáng. Những vật thể tự nó có khả năng phát
ra ánh sáng là nguồn sáng sơ cấp, nhƣ: mặt trời, đèn điện, đèn dầu, … Những vật có
thể phản xạ ánh sáng rọi từ nguồn sáng sơ cấp, hoặc những vật thể cho ánh sáng
xuyên qua gọi là nguồn sáng thứ cấp. Phần lớn các vật thể xung quanh ta là những
vật thể phản xạ hoặc cho ánh sáng đi qua.
51
Mọi vật rắn khi nung nóng đều bức xạ năng lƣợng. Khi nhiệt độ vật thể thay
đổi thì phân bố phổ năng lƣợng của ánh sáng mà nó bức xạ cũng thay đổi theo làm
cho vật phát ra những ánh sáng có màu sắc khác nhau. Khi nhiệt độ của vật thể thay
đổi từ thấp đến cao thì vật thể sẽ lần lƣợt phát ra tia hồng ngoại (là bức xạ không
nhìn thấy đƣợc), màu đỏ, màu cam, màu vàng, … Khi nhiệt độ nung rất cao thì ánh
sáng phát ra là màu trắng là tổng hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có năng lƣợng nhƣ
nhau.
6.2. Màu sắc
6.2.1. Màu sắc
Khi chiếu ánh sáng trắng qua một lăng kính ta sẽ thu đƣợc một dải bao gồm
nhiều màu sắc thay đổi liên tục từ màu này qua màu khác và không có ranh giới rõ
ràng. Dải màu này đƣợc gọi là phổ màu. Tuy vậy, ngƣời ta vẫn phân phổ màu thành
bảy màu chính, mỗi màu chiếm một khoảng phổ nhất định nhƣ hình 6.2.
Hình 6.2. Phân bố phổ màu
Khi ánh sáng trắng chiếu vào một vật thì một số bƣớc sóng trong phổ màu bị
vật đó hấp thu hoàn toàn hoặc một phần. Các bƣớc sóng không bị hấp thu còn lại
trong phổ màu sẽ phản chiếu đến mắt cho ta cảm giác về màu sắc của vật đó. Vậy,
màu sắc của vật không phải là nguồn sáng. Màu sắc của vật đƣợc phần biệt là nhờ
tính chất phản xạ ánh sáng của vật.
Ngoài ra màu sắc của vật không chỉ phụ thuộc vào tính chất phản xạ của nó
mà còn phụ thuộc vào nguồn sáng chiếu lên vật đó. Khi phổ phân bố năng lƣợng
52
của nguồn chiếu sáng thay đổi thì màu sắc của vật chiếu sáng cũng đƣợc thay đổi.
Ví dụ: khi chiếu ánh sáng màu lên vật phản xạ mọi bƣớc sóng ta thấy vật có màu
giống với màu của nguồn sáng.
6.2.2. Các thông số đặc trƣng của màu sắc
a. Độ chói (Luminance)
Độ chói là cảm nhận của mắt với cƣờng độ của nguồn sáng hoặc của nguồn
sáng sơ cấp rọi lên vật quan sát.
b. Sắc thái (Hue)
Sắc thái của một màu là thông số chủ quan chỉ tính chất của màu. Ví dụ: khi
ta nói màu đỏ, màu vàng, màu lam, … là chỉ sắc của màu. Sắc thái phụ thuộc vào
bƣớc sóng trội trong phổ phân bố năng lƣợng của bức xạ ánh sáng.
c. Độ bão hòa (Saturation)
Độ bão hòa của một màu chỉ sự tinh khiết của màu đó với màu trắng, là khả
năng màu đó bị pha loãng bởi ánh sáng trắng nhiều hay ít. Nói cách khác, độ bão
hòa màu là thông số chỉ mức độ đậm nhạt của màu. Màu chứa càng nhiều ánh sáng
trắng, độ bão hòa màu càng thấp.
Ví dụ: khi ta nói màu đỏ thẫm, màu đỏ tƣơi, v.v… thì đều có sắc thái là màu
đỏ, nhƣng độ bão hòa màu của chúng khác nhau. Độ bão hòa của màu đõ thẫm thấp
hơn của màu đỏ tƣơi.
Bảng 6.1 là tổng hợp ba đặc tính của màu sắc theo các thông số tƣơng ứng.
Hình 6.3 mô tả sự khác biệt trong đặc tính của các màu dựa theo các thông số trong
bảng 1.6.
Bảng 6.1. Ba đặc tính của màu sắc
Độ chói Sắc thái Độ bão hòa
Màu sáng/tối Màu gì? Màu đậm/nhạt
Cƣờng độ mạnh/yếu Phổ tần số rộng/hẹp Ba đặc tính của màu sắc Cảm thụ về màu sắc Thông số tƣơng ứng Tần số chính của màu
53
Hình 6.3. Sự khác biệt về đặc tính của các màu
6.3. Cấu trúc của mắt ngƣời
Hình 6.4 mô tả cấu trúc đơn giản hệ thống thị giác của con ngƣời. Mắt là bộ
phận đầu tiên của hệ thống này, có chức năng tiếp nhận ánh sáng từ thế giới bên
ngoài.
Hình 6.4. Hệ thống thị giác của con ngƣời
- Thủy tinh thể: là một trong những phần đầu tiên của mắt, có cấu trúc nhƣ một thấu
kính lồi. Thủy tinh thể có khả năng đàn hồi thay đổi độ cong làm cho tiêu cự của
thấu kinh có thể thay đổi đƣợc.
- Võng mô (võng mạc): là lớp nhạy cảm với ánh sáng chiếm gần hết mặt phía trong
của mắt. Khi nhìn một vật dù ở xa hay ở gần, thủy tinh thể phải thay đổi độ cong,
điều chỉnh tiêu cự để ảnh của vật khi qua thủy tinh thể phải luôn nằm trên võng
mạc.
- Hoàng điểm: điểm giữa của võng mạc, nơi tập trung các tế bào nhạy cảm với ánh
sáng.
Để có thể cảm nhận đƣợc ánh sáng và màu sắc, trên võng mạc của mắt có hai
loại tế bào: tế bào hình trụ và tế bào hình nón
54
+ Tế bào hình trụ: nằm rải rác khắp võng mạc, cho cảm giác về độ chói (cƣờng độ
ánh sáng), làm việc trong tất cả điều kiện ánh sáng mạnh và yếu.
+ Tế bào hình chóp: nằm tập trung ở hoàng điểm, cho cảm giác về cả cƣờng độ sáng
và màu sắc, chỉ nhạy cảm đối với ánh sáng mạnh, do đó chỉ làm việc tốt trong điều
kiện ánh sáng ban ngày.
6.4. Thuyết ba màu
Nhiều thực nghiệm đã chứng minh, tất cả các màu trong tự nhiên có thể đƣợc
tổng hợp bằng cách trộn ba màu cơ bản theo những tỷ lệ khác nhau. Tổ hợp đƣợc
xem là ba màu cơ bản khi chúng thỏa mãn yêu cầu: ba màu độc lập truyến tính.
Nghĩa là, trộn hai màu bất kỳ trong ba màu theo tỷ lệ bất kỳ đều không thể tạo ra
màu thứ ba.
Để chuẩn hóa việc đo màu trên thế giới, dựa vào các kết quả thực nghiệm,
Ủy ban quốc tế về chiếu sáng (CIE) đã quy định ba màu cơ bản đó là:
+ Màu đỏ, ký hiệu là R, có bƣớc sóng: λR = 700nm
+ Màu lục, ký hiệu là G, có bƣớc sóng: λG = 546,8nm
+ Màu lam, ký hiệu là B, có bƣớc sóng: λB = 435,8nm
Các hệ màu đƣợc xác định từ ba màu cơ bản trên còn gọi là hệ màu RGB.
Ngày nay hệ màu RGB đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
truyền hình.
Để có đƣợc các màu khác nhau ta trộn ba màu cơ bản theo những tỉ lệ thích
hợp. Hình 6.5 là mô tả sự trộn màu với ba màu cơ bản có tỉ lệ nhƣ nhau. Vùng giao
thoa của ba màu sẽ có màu trắng. Các vùng giao thoa còn lại tạo thành các màu
khác nhau, mang tính chất bổ phụ với màu cơ bản còn lại.
Cũng từ thực nghiệm, ngƣời ta nhận thấy nếu chiếu một chùm sáng trắng có
cƣờng độ (độ chói) chuẩn 100% vào mắt ngƣời thì ánh sáng đỏ sẽ cho mắt cảm giác
độ chói là 30%, ánh sáng lam là 11% và ánh sáng lục là 59%. Từ đó suy ra độ chói
Y của một màu đƣợc tạo thành từ ba màu cơ bản R, G, B.
Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B (6.1)
Với R, G, B là độ chói của các màu cơ bản
55
Hình 6.5. Sự trộn màu
6.5. Nguyên lý camera màu và đèn hình màu
6.5.1. Nguyên lý camera màu
Dụng cụ cơ bản trong hệ thống quang học để phân tích ảnh màu thành các
ảnh đơn màu là các bộ lọc màu. Bộ lọc màu có chức năng hấp thụ hoặc phản xạ một
đoạn quang phổ của chùm tia tới và cho đoạn quang phổ còn lại đi qua. Sau đây là
hai nguyên lý cơ bản để phân tích ảnh trong camera màu.
a. Camera sử dụng bộ lọc loại hấp thụ
Bộ lọc loại hấp thu thƣờng là những tấm bản mỏng bằng thủy tinh màu hoặc
bằng các chất nhựa trong suốt nhuộm màu. Đôi khi ngƣời ta còn làm bằng các dung
dịch đƣợc pha màu chứa trong các bình chứa dẹt có thành song song. Hình 6.6 mô
tả nguyên lý của các camera sử dụng bộ lọc hấp thu. Các gƣơng bán trong suốt cho
một phần chùm tia sáng đi qua, phần còn lại bị phản xạ. Sau khi chùm tia sáng qua
hệ thống gồm hai gƣơng bán trong suốt sẽ đƣợc tách thành ba chùm tia sáng khác
nhau. Các gƣơng phản xạ toàn phần sẽ hƣớng các chùm tia sáng này đến các bộ lọc
hấp thu để tách lấy ba thành phần màu cơ bản R, G và B. Các thành phần này đƣợc
đƣa đến dụng cụ biến đổi quang điện (còn gọi là ống Vidicon) để chuyển thành ba
tín hiệu điện áp tƣơng ứng VR, VG và VB.
Hệ thống lọc màu bằng bộ lọc hấp thụ có nhƣợc điểm lớn là hiệu suất ánh
sáng rất thấp, làm cho độ nhạy của camera thấp. Vì vậy, thực tế ngƣời ta ít sử dụng
bộ lọc hấp thụ cho camera.
56
Hình 6.6. Lọc màu hấp thụ
b. Camera sử dụng bộ lọc loại giao thoa
Hình 6.7. Lọc màu giao thoa
Bộ lọc giao thoa sử dụng nguyên lý phản xạ và thông qua do hiện tƣợng giao
thoa khi ánh sáng có bƣớc sóng λ khác nhau đi qua những môi trƣờng có chiết xuất
khác nhau. Các dụng cụ quang học có nguyên lý hoạt động này đƣợc bố trí nhƣ
trong hình 6.7. Cách bố trí này tƣơng tự nhƣ kiểu sử dụng bộ lọc hấp thụ nhƣng các
gƣơng bán trong suốt lúc này đƣợc thay thế bằng các gƣơng lọc màu có nguyên lý
hoạt động nhƣ đã đề cập ở trên. Gƣơng lọc màu thứ nhất phản xạ các tia sáng màu
lam (B), cho qua các tia lục (G) và đỏ (R). Gƣơng lọc màu thứ hai phản xạ các tia
sáng đỏ, cho qua các tia còn lại. Bằng cách bố trí hai gƣơng lọc màu và phản xạ
57
toàn phần ta đã tách đƣợc ba thành phần màu cơ bản. Các khâu xử lý tiếp theo
giống nhƣ camera sử dụng bộ lọc màu hấp thụ.
Trong các camera còn có một số thành phần khử méo, khử nhiễu quang học
và cân bằng đƣờng đi của các tia sáng màu cơ bản của cùng một ảnh.
6.5.2. Tổng hợp màu
Giả sử các tín hiệu màu cơ bản (R, G, B) đã phân tích ở camera đƣợc truyền
đi đến máy thu và không bị nhiễu. Máy thu sẽ có chức năng tổng hợp lại hình ảnh từ
ba thành phần màu cơ bản này. Về nguyên tắc máy thu hình màu phải có ba ống
phóng tia điện tử tƣơng ứng với ba màu. Ba ống phóng này sẽ phóng các tia điện tử
đến cùng một điểm trên màn hình để có lại điểm ảnh nhƣ đã đƣợc phân tích ở
camera theo thuyết ba màu.
Phƣơng pháp tổng hợp màu nhƣ trên là phƣơng pháp đồng thời, nghĩa là các
màu cơ bản xuất hiện đồng thời và đƣợc trộn tại cùng một điểm ảnh trên màn hình.
Phƣơng pháp này cho hình ảnh có chất lƣợng cao nhƣng thiết bị lại rất cồng kềnh,
khó chế tạo và khá đắt tiền. Do đặc tính sinh học, mắt ngƣời không thể phân biệt
đƣợc những điểm có kích thƣớc rất nhỏ và nằm rất gần nhau. Do đó, các tia điện tử
của các màu không cần phải hội tụ tại một điểm trên màn hình. Thực tế ngƣời ta
nhận thấy có thể tổng hợp một điểm ảnh màu bằng cách sắp xếp ba điểm hoặc ba
vạch màu cơ bản gần nhau. Đây cũng là cơ sở cho việc chế tạo các loại đèn hình
màu kiểu ống phóng tia điện tử (CRT) vẫn còn đƣợc sử dụng phổ biến đến ngày
nay.
6.5.3. Đèn hình màu
Ngày nay, hầu hết các máy thu hình màu đều có nguyên lý tổng hợp hình ảnh
nhƣ đã đề cập ở phần trên. Ở cổ đèn hình màu có bố trí ba hoặc một súng điện tử để
tạo ra ba tia điện tử. Màn huỳnh quang của đèn hình màu gồm vô số điểm hoặc sọc
huỳnh quang có thành phần hóa học khác nhau. Mỗi điểm hoặc sọc chỉ phát ra một
trong ba màu cơ bản tùy thuộc vào thành phần hóa học của chất huỳnh quang phủ
lên đó. Diện tích các điểm hoặc sọc và khoảng cách giữa chúng rất nhỏ. Chúng
đƣợc sắp xếp gần nhau và xen kẽ theo một trật tự nhất định.
58
Hiện nay, các máy thu hình màu đều sử dụng loại đèn hình màu ba súng điện
tử. Phần tiếp theo sẽ trình bày nguyên lý cơ bản của các loại đèn hình này.
a. Đèn hình Delta (dạng điểm)
Đây là loại đèn hình màu có cấu trúc dạng điểm do RCA chế tạo lần đầu tiên
vào năm 1956. Ba súng bắn tia điện tử tƣơng ứng với ba màu cơ bản đƣợc bố trí
trên ba đỉnh của một tam giác đều có tâm trùng với trục của ống đèn hình nhƣ hình 6.8. Nếu nhìn từ phía đuôi đèn hình trục của súng điện tử nghiêng khoảng 10 so với
trục đèn hình.
Hình 6.8. Nguyên lý của đèn hình delta
Hình 6.9 mô tả cấu trúc cơ bản của đèn hình delta. Màn hình huỳnh quang
gồm nhiều điểm rất nhỏ, mỗi điểm khi bị tia điện tử đập vào sẽ phát ra một màu cơ
bản. Ba điểm huỳnh quang kề nhau phát ra các màu cơ bản khác nhau và hình thành
một bộ ba. Mỗi bộ ba tạo thành một điểm ảnh trên màn hình. Phía trƣớc cách màn
hình huỳnh quang khoảng 10mm là màn chắn, đƣợc làm bằng lá kim loại rất mỏng
(khoảng 0,15mm) và đƣợc đục lỗ. Số lƣợng lỗ tròn trên màn chắn bằng số bộ ba
trên màn hình huỳnh quang. Màn chắn có tác dụng giúp ba tia điện tử hội tụ trƣớc
khi đập vào màn hình. Điều này giúp cải thiện đáng kể độ sạch màu của đèn hình.
Hình 6.9. Cấu trúc cơ bản của đèn hình delta
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của đèn hình màu delta gần giống với lý
thuyết trộn màu nên đèn hình delta cho chất lƣợng màu cao nhất trong tất cả các
loại đèn hình màu.
59
Tuy nhiên, đèn hình màu delta cũng có rất nhiều nhƣợc điểm. Cơ cấu hội tụ
phức tạp, việc hiệu chỉnh rất khó khăn nên khó hoạt động theo mong muốn và hiệu
suất thấp là hai nhƣợc điểm lớn, khó khắc phục của đèn hình loại này. Do đó, đèn
hình màu dạng điểm hiện tại ít đƣợc sử dụng trong các máy thu hình màu.
b. Đèn hình Trinitron
Đèn hình trinitron đƣợc hãng điện tử Sony giới thiệu lần đầu tiên vào năm
1968. Ba ống phóng tia điện tử đƣợc bố trí trên trục nằm ngang với ống phóng tia G
nằm giữa và hai ống phóng hai tia R và B nằm đối xứng hai bên nhƣ hình 6.10.
Màn huỳnh quang bây giờ gồm các sọc đỏ, lục và làm xếp xen kẽ nhau nhƣ
hình 6.10. Màn chắn đục lỗ đƣợc thay đổi bằng màn chắn bao gồm các khe hở nằm
song song nhau. Do đó, bộ ba lúc này bao gồm ba sọc màu xếp xen kẽ theo chiều
ngang.
Hình 6.10. Cấu trúc đèn hình Trinitron
Do cấu trúc có nhiều cải tiến so với đèn hình delta nên việc hiệu chỉnh đèn
hình trinitron đơn giản, do đó, mạch hội tụ điện tử cũng đơn giản hơn sơ với đèn
hình delta. Hiệu suất của đèn hình trinitron lớn nhất trong các loại đèn hình màu
đƣợc giới thiệu trong bài giảng này, chính vì vậy cho đến nay Sony vẫn sử dụng đèn
hình trinitron trong các sản phẩm của mình.
Đèn hình trinitron cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ độ tinh màu theo chiều
dọc kém vì cấu trúc không có ranh giới giữa các dòng nên đƣờng quét của dòng bên
trên có thể bị nhòe vào đƣờng quét của dòng bên dƣới. Sự trộn màu không hoàn hảo
do cấu trúc vạch màu xếp thẳng hàng theo chiều ngang làm góc độ đến mắt ngƣời
của ba màu RGB không đồng đều.
60
c. Đèn hình Inline
Đèn hình Inline đƣợc hãng điện tử General Electric giới thiệu vào những
năm đầu thập kỷ 70. Về nguyên lý đèn hình Inline giống nhƣ đèn hình trinitron, đó
là hiển thị điểm ảnh theo bộ ba vạch màu xếp xen kẽ theo hàng ngang. Nhƣng để
tăng độ tinh màu theo chiều dọc, các sọc màu đƣợc ngắt ra từng quãng tƣơng ứng
với từng dòng một. Vì vậy, màn chắn trƣớc màn hình cũng có sự thay đổi nhƣ hình
6.11.
Hình 6.11. Cấu trúc đèn hình Inline
Đèn hình Inline có đầy đủ những ƣu điểm của đèn hình dạng sọc màu. Ngoài
ra, đèn hình Inline đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm nhòe màu theo chiều dọc của đèn
hình trinitron nhƣng bù lại hiệu suất của đèn hình Inline thấp hơn so với trinitron.
Hiện nay, cấu trúc đèn hình Inline đƣợc sử dụng phổ biến trong các loại đèn hình
màu ống phóng tia điện tử.
6.6. Vấn đề tƣơng hợp
Truyền hình màu ra đời khi truyền hình trắng – đen đã trƣờng thành và đang
đƣợc sử dụng phổ biến, rộng rãi, cơ sở hạ tầng truyền hình đã hoàn thiện. Vì vậy,
vấn đề đặt ra cho truyền hình màu là phải tận dụng đƣợc các điều kiện sẵn có để
làm đa dạng, phong phú thêm các chƣơng trình và không làm ảnh hƣởng đến truyền
hình trắng – đen. Tức là, phải đảm bảo các máy thu hình trắng – đen cũng phải thu
đƣợc các chƣơng trình truyền hình màu và ngƣợc lại. Đây chính là vấn đề tƣơng
hợp trong việc thiết lập hệ truyền hình màu.
Để đáp ứng vấn đề tƣơng hợp, truyền hình màu phải đƣợc xây dựng trên cơ
sở các tiêu chuẩn của truyền hình trắng – đen nhƣ đã đề cập ở chƣơng 4. Ta nhận
thấy rằng, tín hiệu độ chói UY cũng phụ thuộc tuyến tính vào các tín hiệu màu cơ
bản theo công thức:
61
(6.2) UY = 0,3UR + 0,59UG + 0,11UB
Do đó, để có đƣợc ba tín hiệu màu cơ bản (RGB) để có thể khôi phục lại ảnh
màu dựa trên nguyên lý trộn màu, ta chỉ cần biết ba trong số bốn tín hiệu (YRGB)
hoặc một tổ hợp của ba trong số bốn tín hiệu trên. Trên cơ sở này, để thỏa mãn vấn
đề tƣơng hợp, ngƣời ta nhận thấy phải truyền đi các thành phần tín hiệu video nhƣ
sau:
- Tín hiệu độ chói UY để bảo đảm các máy thu hình trắng – đen có thể thu đƣợc các
chƣơng trình truyền hình màu.
- Nhƣ ta đã biết, băng thông của một kênh truyền hình có giới hạn (rộng nhất là
8MHz theo tiêu chuẩn OIRT), trong khi các tín hiệu màu cơ bản (RGB) có băng
thông khá lớn, khó có thể ghép trên cùng một kênh truyền hình trắng – đen. Ngoài
ra, việc truyền đi các tín hiệu màu cơ bản là không hợp lý vì các khối màu của máy
thu hình màu phải làm việc ngay cả khi thu các chƣơng trình trắng – đen, điều này
không thật sự cần thiết. Yêu cầu đặt ra là các tín hiệu truyền đi có băng thông đủ
nhỏ để có thể ghép trên cùng một kênh truyền hình trắng – đen và các tín hiệu này
phải triệt tiêu khi phát chƣơng trình trắng – đen. Ngƣời ta nhận thấy, hai tín hiệu UR
- UY và UB - UY thỏa mãn cả hai điều kiện này, đây cũng là các tín hiệu đƣợc truyền
đi cùng với độ chói, gọi là các tín hiệu mang màu.
Băng thông của hai tín hiệu UR – UY và UB – UY chỉ khoảng 1,5 MHz. Theo
thực nghiệm màu lục (G) khá nhạy cảm với mắt ngƣời nên tín hiệu UG – UY đòi hỏi
băng thông cao hơn so với hai tín hiệu UR – UY và UB – UY. Đây cũng là lý do
ngƣời ta không chọn tín hiệu mang màu là UG – UY. Tín hiệu này sẽ đƣợc khôi
phục tại phía thu theo công thức dƣới đây.
UY = 0,3UR + 0,59UG + 0,11UB
0,3UY + 0,59 UY + 0,11 UY = 0,3UR + 0,59UG + 0,11UB
→ 0,59(UG – UY) = -0,3(UR – UY) – 0,11(UB – UY)
(6.3) → UG – UY = (UR – UY) - (UB – UY)
Khi truyền đi tín hiệu đen – trắng, các tín hiệu thành phần màu cơ bản có giá
trị bằng nhau: UR = UG = UB = k (0 ≤ k ≤ 1), tín hiệu độ chói theo (6.2):
UY = 0,3UR + 0,59UG + 0,11UB = 0,3k + 0,59k + 0,11k = k
62
Do đó: UR – UY = 0 và UB – UY = 0, tức là tín hiệu mang màu bị triệt tiêu khi
truyền đi chƣơng trình truyền hình trắng – đen.
a. Ghép kênh tín hiệu mang màu vào tín hiệu độ chói
Mặc dù ta đã chọn đƣợc các tín hiệu video cần thiết, nhƣng nếu ta truyền
đồng thời các tín hiệu này đi một cách riêng lẻ thì băng thông của một kênh truyền
vẫn không thể đáp ứng đƣợc cho cả ba tín hiệu. Do đó, ta cần phải sử dụng kỹ thuật
ghép kênh để đảm bảo tín hiệu truyền hình màu có thể truyền trên một kênh trắng –
đen.
Hình 6.12. Nguyên lý ghép kênh tín hiệu mang màu và tín hiệu độ chói
Hình 6.12 mô tả nguyên lý ghép kênh tín hiệu mang màu vào tín hiệu độ
chói. Nhƣ ta đã biết trong chƣơng 4, phổ của tín hiệu độ chói rộng vô hạn nhƣng
không liên tục. Ta có thể lợi dụng đặc điểm này để ghép hai tín hiệu mang màu vào
những khoảng trống giữa các vạch phổ của tín hiệu độ chói. Ở phía thu ta có thể sử
dụng các bộ lọc thông dải để tách các tín hiệu màu ra khỏi tín hiệu độ chói.
Để dịch chuyển phổ của tín hiệu mang màu lên vùng trống trong phổ của tín
hiệu chói, ta cần phải nhân tín hiệu mang màu với một dao động, hay còn gọi là
sóng mang phụ có tần số fSC. Vấn đề đặt ra là tần số sóng mang phụ đƣợc chọn nhƣ
thế nào để các tín hiệu ở phía thu không bị ảnh hƣởng lẫn nhau.
b. Vấn đề chọn sóng mang phụ
Tần số sóng mang phụ phải thỏa mãn một số điều kiện nhƣ sau:
- Từ hình 6.12, ta thấy để đảm tín hiệu mang màu nằm xen kẽ giữa các vùng phổ
của tín hiệu chói, tần số sóng mang phụ nên đƣợc chọn nhƣ sau:
(6.4) fSC = (n + )fH
Với fH: là tần số quét ngang, có giá trị tùy thuộc vào tiêu chuẩn truyền hình
63
Tuy nhiên, công thức trên chỉ là một cơ sở để chọn lựa fSC không nhất thiết
phải chính xác hoàn toàn, việc lựa chọn fSC chỉ cần đảm bảo tín hiệu độ chói và các
tín hiệu mang màu không ảnh hƣởng lẫn nhau.
- Tuy tín hiệu độ chói có phổ vô hạn nhƣng biên độ của các thành phần phổ nhỏ dần
ở các vùng tần số cao. Trên cơ sở đặc điểm này, ta nên chọn sóng mang phụ có tần
số cao để đƣa tín hiệu mang màu lên vùng cao tần của tín hiệu độ chói, đồng thời
tăng đến mức có thể biên độ của tín hiệu mang màu để giảm bớt ảnh hƣởng của độ
chói lên tín hiệu mang màu.
- Tần số sóng mang phụ phải nhỏ hơn băng thông của một kênh truyền hình nhằm
bảo đảm tất cả các thành phần đều nằm trong băng thông của một kênh.
Trong truyền hình, tín hiệu độ chói và tổ hợp các tín hiệu mang màu đƣợc
gọi là các tín hiệu video thành phần, tín hiệu sau quá trình ghép kênh đƣợc gọi là tín
hiệu truyền hình màu (video) tổng hợp. Quá trình biến đổi từ các tín hiệu màu cơ
bản (RGB) thành tín hiệu truyền hình màu tổng hợp đƣợc gọi là quá trình mã hóa
tín hiệu màu, đƣợc mô tả nhƣ hình 6.13. Ba thành phần cơ bản sử dụng trong quá
trình này là: ma trận, bộ trộn và bộ cộng.
Hình 6.13. Quá trình mã hóa tín hiệu màu
- Ma trận: bao gồm các mạch cộng, trừ để từ các tín hiệu màu cơ bản cho ra các tín
hiệu video thành phần, trong đó tổ hợp các tín hiệu mang màu vuông pha với nhau.
- Bộ trộn: là một bộ nhân tín hiệu hay còn gọi là bộ điều chế vuông góc, cho phép
bằng một tần số sóng mang phụ có thể mang đi hai tin tức độc lập là hai tín hiệu
mang màu.
- Bộ cộng: cộng tín hiệu độ chói và tổ hợp các tín hiệu mang màu sau điều chế để
tạo tín hiệu truyền hình màu duy nhất.
64
Phía bên thu sẽ tách tín hiệu truyền hình màu tổng hợp thành các tín hiệu
màu cơ bản R, G, B. Quá trình biến đổi ngƣợc đó gọi là quá trình giải mã tín hiệu
màu.
6.7. Các hệ truyền hình màu
6.7.1. Hệ truyền hình màu NTSC
NTSC là hệ truyền hình màu có tính tƣơng hợp đầu tiên trên thế giới, ra đời
vào năm 1950 tại Mỹ. Hệ NTSC đƣợc xây dựng dựa trên tiêu chuẩn FCC.
Hệ truyền hình NTSC sử dụng các tín hiệu video thành phần bao gồm: độ
chói (UY) và tổ hợp các tín hiệu mang màu vuông pha nhau (UI và UQ).
Với: UI = 0,735UR-Y – 0,268UB-Y
UQ = 0,487UR-Y + 0,413UB-Y
Trƣớc khi ghép kênh, hai tín hiệu UI và UQ đƣợc điều chế vuông góc trên
cùng một sóng mang phụ có tần số fSC. UI và UQ có băng thông khá nhỏ với giá trị
lần lƣợt là 1,5 MHz và 0,5 MHz, do đó giảm thiểu tối đa ảnh hƣởng giữa tín hiệu độ
chói và các tín hiệu mang màu.
Việc lựa chọn tần số tín hiệu sóng mang (fSC) dựa trên hai cơ sở:
fSC = (n + )fH
Tần số quét ngang theo chuẩn FCC: fH = 15750 Hz, nhƣng thực tế có sai số
0,1%, do đó: fH = 15734,25 Hz
Từ thực nghiệm ngƣời ta chọn n = 227, do đó, tần số sóng mang phụ:
fSC = (n + )fH ≈ 3,58 MHz
Với hệ NTSC 625 dòng, fH = 15625 Hz, chọn n = 283, do đó tần số sóng
mang phụ sẽ là:
fSC = (n + )fH ≈ 4,43 MHz
Các hệ NTSC trên còn đƣợc gọi là: NTSC 3.58 và NTSC 4.43
Để đảm bảo vấn đề đồng bộ màu và tách sóng màu, ngƣời ta truyền đi
khoảng từ 8 đến 10 chu kỳ xung sóng mang phụ, đặt ở sƣờn sau các xung xóa dòng
65
với biên độ bằng 0,9 lần biên độ xung đồng bộ. Các xung này còn đƣợc gọi là xung
đồng bộ màu hay là burst màu.
6.7.2. Hệ truyền hình màu PAL
Hệ truyền hình màu PAL đƣợc giới thiệu từ năm 1966 tại Đức. Hệ PAL đƣợc
xây dựng dựa trên tiêu chuẩn CCIR và khắc phục một số nhƣợc điểm của hệ NTSC.
Hệ truyền hình PAL sử dụng các tín hiệu video thành phần bao gồm: độ chói
(UY) và tổ hợp các tín hiệu mang màu vuông pha nhau (UV và UU).
Với: UV = 0,877UR-Y
UU = 0.493UB-Y
Trƣớc khi ghép kênh, hai tín hiệu UV và UU đƣợc điều chế vuông góc trên
cùng một sóng mang phụ có tần số fSC. UV và UU đều có băng thông 1,3 MHz.
Tần số sóng mang phụ đƣợc lựa chọn theo công thức: fSC = (n - )fH + fV
Với n là số nguyên, fH = 15625 Hz, là tần số quét ngang, fV = 50 Hz, là tần số
quét dọc.
Chọn n = 284, khi đó: fSC = (n - )fH + fV = 4,43 MHz
Cũng giống nhƣ hệ NTSC, để đảm bảo vấn đề đồng bộ màu và tách sóng
màu, ngƣời ta đặt ở sƣờn sau các xung xóa dòng các burst màu. Điểm khác biệt so với hệ NTSC là các bust màu có pha luôn thay đổi góc 1800 theo từng dòng để đồng
bộ với tín hiệu UV cũng thay đổi pha theo từng dòng.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 6
1. Trình bày các thông số đặc trƣng của màu sắc.
2. Trình bày ngắn gọn nội dung của thuyết ba màu.
3. Trình bày nguyên lý hoạt động của camera màu.
4. Trình bày nguyên lý hoạt động, ƣu điểm, khuyết điểm của các loại đèn hình màu:
Delta, Trinitron và Inline.
5. Vì sao trong kỹ thuật truyền hình màu tƣơng tự, các tín hiệu video thành phần
bao gồm: độ chói (Y) và sắc (R-Y và B-Y) mà không phải là các màu sắc cơ bản
(R,G,B)?
66
6. Trình bày cơ sở của việc ghép kênh tín hiệu mang màu vào tín hiệu độ chói.
7. Trình bày cơ sở của việc chọn sóng mang phụ. Áp dụng để tìm sóng mang phụ
thích hợp cho hai hệ truyền hình màu NTSC và PAL.
67
Chƣơng 7. SỐ HÓA TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH
7.1. Khái niệm truyền hình số
a. Khái quát chung
Truyền hình kỹ thuật số hay còn gọi là truyền hình số là công nghệ phát sóng
mới, tiên tiến giúp truyền tín hiệu hình ảnh và âm thanh dƣới dạng dòng dữ liệu số.
Số hóa tín hiệu truyền hình là xu hƣớng phát triển của ngành công nghiệp truyền
hình trên thế giới nhằm đạt đƣợc một sự thống nhất chung, đó là một hệ thống
truyền hình hoàn toàn kỹ thuật số có chất lƣợng cao và dễ dàng phân phối trên kênh
thông tin. Các nƣớc phát triển trên thế giới nhƣ Mỹ, Anh, Pháp, Nhật, Đức, … đã
hoàn thành việc chuyển đổi sang tín hiệu truyền hình số. Khối các quốc gia Đông
Nam Á cũng đặt ra mục tiêu hoàn thành việc số hóa tín hiệu truyền hình vào năm
2020.
Tại Việt Nam, việc số hóa tín hiệu truyền hình bắt đầu từ năm 2001 theo tiêu
chuẩn DVB của châu Âu. Dự kiến việc chuyển đổi sẽ hoàn thành vào năm 2020
theo lộ trình chung của khu vực. Đà Nẵng là thành phố đầu tiên trong khu vực hoàn
thành việc số hóa tín hiệu truyền hình. Đến thành 6/2016, các thành phố trực thuộc
trung ƣơng còn lại (Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Cần Thơ) cũng đã
chuyển một số kênh truyền hình từ tƣơng tự sang số.
Nguyên lý của một hệ thống truyền hình số đƣợc mô tả nhƣ trong hình 7.1.
Tín hiệu truyền hình ở dạng tƣơng tự sẽ đƣợc biến đổi thành chuỗi bit số bằng bộ
biến đổi tƣơng tự - số (A/D). Sau các quá trình xử lý nhƣ nén, ghép kênh, mã hóa
kênh, chuỗi bit này sẽ đƣợc điều chế trƣớc khi đƣợc truyền đi qua kênh thông tin.
Sau khi nhận đƣợc tín hiệu truyền hình, ở máy thu sẽ diễn ra quá trình giải điều chế
và xử lý ngƣợc lại nhƣ giải mã kênh, giải nén, tách kênh để có đƣợc chuỗi bit đã
truyền đi. Chuỗi bit này đƣợc đƣa qua bộ biến đổi số - tƣơng tự (D/A) để khôi phục
lại tín hiệu truyền hình ở dạng tƣơng tự trƣớc khi đƣa ra các thiết bị nghe nhìn. Cấu
trúc của các bộ mã hóa và giải mã kênh phụ thuộc vào hệ thống truyền hình số.
b. Một số ưu điểm của truyền hình số
Có thể tiến hành rất nhiều khâu xử lý nhằm nâng cao chất lƣợng tín hiệu âm
thanh và hình ảnh. Chất lƣợng chƣơng trình truyền hình số cao hơn hẳn có với
68
truyền hình tƣơng tự với âm thanh trung thực, hình ảnh sắc nét, sinh động, không có
hiện tƣợng bóng ma. Trong truyền hình tƣơng tự quá trình xử lý tín hiện thƣờng gây
ra méo tích lũy.
Hình 7.1. Hệ thống truyền hình số
Truyền hình số có hiệu quả sử dụng tần số rất lớn. Nếu nhƣ truyền hình
tƣơng tự chỉ cho phép truyền tải một chƣơng trình trên một kênh 8MHz thì truyền
hình số có khả năng truyền tải rất nhiều chƣơng trình trên một kênh 8MHz. Chính
vì vậy, khi chuyển sang truyền hình số một phần lớn băng tần trƣớc kia sử dụng cho
truyền hình tƣơng tự sẽ đƣợc giải phóng và đƣợc sử dụng cho nhiều dịch vụ, tiện
ích khác.
Tín hiệu truyền hình số có thể dễ dàng đƣợc lƣu trữ và đọc/ghi rất nhiều lần
mà không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của tín hiệu. Đặc điểm này giúp truyền
hình số có thêm dịch vụ truyền hình xem lại.
Một trong những ƣu điểm lớn của tín hiệu truyền hình số là khả năng chống
nhiễu cao nhờ những bit kiểm tra lỗi đi cùng với chuỗi bit dữ liệu. Hầu hết các
mạch kiểm tra ngoài chức năng phát hiện còn có chức năng sửa lỗi cho chuỗi dữ
liệu, bảo đảm chất lƣợng của tín hiệu truyền hình luôn ổn định ngay cả trong kênh
thông tin có nhiễu lớn.
7.2. Biến đổi tín hiệu tƣơng tự - số (A/D)
Biến đổi tín hiệu tƣợng tự - số (còn gọi là biến đổi A/D) là quá trình chuyển
đổi một tín hiệu ở dạng tƣơng tự thành chuỗi bit nhị phân. Quá trình này bao gồm
ba khâu cơ bản đƣợc mô tả nhƣ hình 7.2. Chúng ta sẽ lần lƣợt tìm hiểu về các khâu
này ở các phần tiếp theo.
69
Hình 7.2. Quá trình biến đổi tƣợng tự - số
7.2.1. Lấy mẫu tín hiệu
Lấy mẫu là bƣớc đầu tiên trong quá trình biến đổi tƣơng tự - số. Đây là quá
trình rời rạc hóa tín hiệu tƣơng tự theo thời gian bằng tần số lấy mẫu fs, kết quả cho
ta một chuỗi các mẫu rời rạc.
Xét quá trình lấy mẫu tín hiệu x(t) với tần số fs nhƣ hình vẽ 7.3.
Hình 7.3. Lấy mẫu tín hiệu
Khoảng thời gian giữa các mẫu sẽ là:
(7.1)
Giá trị của mẫu thứ n đƣợc tính nhƣ sau:
(7.2) xn = x(nTs)
Từ đó, ta thấy rằng quá trình lấy mẫu đã phá vỡ hoàn toàn tín hiệu x(t) ban
đầu. Do đó, sẽ có nhiều thành phần cao tần chen vào phổ của tín hiệu lấy mẫu. Do
đó, để có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, quá trình lấy mẫu phải thỏa mãn định lý
lấy mẫu.
Định lý lấy mẫu
70
Để có thể biểu diễn chính xác tín hiệu x(t) bởi các mẫu x(nTs), tín hiệu lấy
mẫu và tần số lấy mẫu phải thỏa mãn hai điều kiện nhƣ sau:
Tín hiệu lấy mẫu x(t) phải có băng thông hữu hạn, tức là phổ của tín hiệu
phải đƣợc giới hạn chỉ chứa những thành phần tần số nhỏ hơn một tần số lớn nhất
(fmax) nào đó.
Tần số lấy mẫu phải đƣợc chọn lớn hơn ít nhất là hai lần fmax.
(7.3) fs ≥ 2fmax
hay biểu diễn theo thời gian lấy mẫu
(7.4) Ts ≤
Theo định lý lấy mẫu, tần số lấy mẫu nhỏ nhất có thể đƣợc sẽ bằng hai lần
tần số lớn nhất của tín hiệu lấy mẫu fs = 2fmax. Tần số này đƣợc gọi là tốc độ
Nyquist. Đại lƣợng fs/2 đƣợc gọi là tần số Nyquist hay còn gọi là tần số gấp.
Trong xử lý tín hiệu số, mỗi ứng dụng sẽ có một tần số lấy mẫu đặc trƣng.
Trong lĩnh vực truyền hình số, âm thanh thoại có tần số lớn nhất là 4 KHz, do đó có
thể đƣợc lấy mẫu với tần số nhỏ nhất là 8 KHz, các tín hiệu audio và video có tần số
cao nhất lần lƣợt là 20 KHz và 5 MHz (đối với hệ PAL), do đó các tín hiệu này có
thể đƣợc lấy mẫu với tần số nhỏ nhất lần lƣợt là 40 KHz và 10 MHz. Thực tế, tần số
lấy mẫu tín hiệu video còn phụ thuộc vào tín hiệu chói, tín hiệu video thành phần,
tín hiệu video tổng hợp, hệ thống truyền hình màu và thƣờng cao hơn so với các tần
số trên. Trong trƣờng hợp lấy mẫu tín hiệu video màu tổng hợp, tần số lấy mẫu (fs)
thƣờng lớn hơn nhiều lần so với tần số sóng mang phụ (fsc). Thông thƣờng ngƣời ta
chọn fs = 3fsc hoặc fs = 4fsc
- Với fs = 3fsc
+ Tần số lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp hệ PAL:
fs(PAL) = 3fsc = 3 x 4,43 = 13,3 MHz
+ Tần số lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp hệ NTSC:
fs(NTSC) = 3fsc = 3 x 3,58 = 10,7 MHz
- Với fs = 4fsc: chất lƣợng khôi phục tín hiệu rất tốt nhƣng sẽ làm tăng tốc độ bit tín
hiệu số
71
Trong thực tế, hầu hết các tín hiệu không đƣợc giới hạn tần số. Do đó, để có
thể thỏa mãn định lý lấy mẫu, ngƣời ta thƣờng cho tín hiệu qua bộ lọc thông thấp
trƣớc khi lẫy mẫu. Bộ lọc này đƣợc gọi là “bộ tiền lọc chống hiện tƣợng chồng lấn
phổ”. Tần số cắt fc của bộ tiền lọc phải không đƣợc vƣợt quá tần số Nyquist (fc ≤
fs/2).
7.2.2. Lƣợng tử hóa
Bƣớc tiếp theo trong quá trình biến đổi A/D là lƣợng tử hóa. Trong quá trình
này biên độ đỉnh – đỉnh của tín hiệu đƣợc chia thành các mức cố định, gọi là mức
lƣợng tử. Khoảng cách giữa hai mức liền kề nhau gọi là bƣớc lƣợng tử, độ rộng
lƣợng tử hay độ phân giải lƣợng tử. Đối với trƣờng hợp lƣợng tử hóa đều thì độ
rộng lƣợng tử bằng nhau. Trong một số trƣờng hợp tín hiệu biến đổi nhanh ngƣời ta
thƣờng dùng phƣơng pháp lƣợng tử hóa không đều, khi đó các bƣớc lƣợng tử không
bằng nhau. Trong phạm vi giáo trình này chỉ xét phƣơng pháp lƣợng tử hóa đều.
Sau quá trình này, các mẫu có đƣợc từ quá trình lấy mẫu sẽ có biên độ bằng các
mức lƣợng tử.
Xét một bộ chuyển đổi A/D đƣợc đặc trƣng bởi tầm toàn thang R (tƣơng ứng
với giá trị biên độ đỉnh – đỉnh) và có số bit mã hóa là B. Trong trƣờng hợp lƣợng tử hóa đều, tầm toàn thang R sẽ đƣợc chia đều thành 2B mức lƣợng tử nhƣ trong hình
7.3. Khi đó, độ rộng lƣợng tử đƣợc tính nhƣ sau:
(7.5) Q =
Nếu bộ ADC là đơn cực, các mức lƣợng tử sẽ thay đổi từ 0 đến (R - Q).
Trong thực tế tín hiệu thƣờng ở dạng lƣỡng cực nên bộ biến đổi ADC lƣỡng cực
thƣờng phổ biến hơn. Các mức lƣợng tử của bộ ADC này thay đổi từ -R/2 đến (R/2
– Q). Có hai phƣơng pháp lƣợng tử hóa.
- Các mẫu sẽ đƣợc chuyển đến mức lƣợng tử gần nhất, gọi là lƣợng tử hóa làm tròn
- Các mẫu chuyển đến mức lƣợng tử ngày dƣới nó, gọi là lƣợng tử hóa rút bớt.
Nguyên tắc này thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế do tín hiệu lƣợng tử hóa ít
méo dạng so với tín hiệu tƣơng tự.
72
Việc lƣợng tử hóa sẽ làm phát sinh sai số của tín hiệu đã lƣợng tử so với tín
hiệu ban đầu. Để đặc trƣng cho sai số này, ngƣời ta sử dụng sai số lƣợng tử hiệu
dụng erms.
(7.6)
Ví dụ: Trong một ứng dụng âm thanh số, tín hiệu đƣợc lấy mẫu với tốc độ 44
KHz và các mẫu đƣợc lƣợng tử hóa bằng bộ chuyển đổi A/D có tầm toàn thang lá
10V. Xác định số bit biểu diễn một mẫu (B) nếu sai số lƣợng tử hiệu dụng phải thấp
hơn 50μV. Sau đó tính sai số hiệu dụng thực sự và tốc độ bit theo bps.
Sai số lƣợng tử hiệu dụng:
Do đó,
Làm tròn thành B = 16 bit
Khi đó, sai số lƣợng tử hiệu dụng thực sự là:
Tốc độ bit: BfS = 16 x 44 = 704 kbps
7.2.3. Mã hóa
Mã hóa trong bộ biến đổi A/D là quá trinh chuyển đổi các mức lƣợng tử có
đƣợc từ quá trình lƣợng tử hóa thành những chuỗi bit xác định. Có ba nguyên tắc
mã hóa: đơn cực, lƣỡng cực offset và lƣỡng cực bù hai.
a. Mã hóa nhị phân đơn cực
Đƣợc sử dụng khi giá trị tín hiệu không âm. Để sử dụng nguyên tắc mã hóa
này ta có quy ƣớc nhƣ sau:
- Các mức lƣợng tử cách đều nhau bằng khoảng lƣợng tử và thay đổi từ 0 đến R - Q
- Tất cả các bit mã hóa đều bằng 0 tƣơng ứng với mức lƣợng tử nhỏ nhất (0).
Ví dụ: xét bộ biến đổi A/D đơn cực có số bit biễu diễn một mẫu B = 3 và tầm
toàn thang R = 4V
Tổng số mức lƣợng tử là: 2B = 23 = 8 mức
73
Khoảng lƣợng tử:
Theo quy ƣớc, mức lƣợng tử nhỏ nhất là 0V tƣơng ứng với chuỗi bit 000. Do
đó, việc biến đổi các mức lƣợng tử thành các chuỗi bit nhị phân đƣợc thực hiện theo
ánh xạ nhƣ trong bảng sau.
Mức lƣợng tử Chuỗi bit Mức lƣợng tử Chuỗi bit
0 000 2 100
0,5 001 2,5 101
1 010 3 110
1,5 011 3,5 111
b. Mã hóa nhị phân lưỡng cực offset
Thực tế các tín hiệu điện thƣờng có cả giá trị âm và dƣơng, do đó ngƣời ta
thƣờng sử dụng các bộ biến đổi A/D lƣỡng cực. Để sử dụng nguyên tắc mã hóa
lƣỡng cực offset, ta có một số quy ƣớc nhƣ sau:
- Các mức lƣợng tử cách đều nhau bằng khoảng lƣợng tử và thay đổi từ -R/2 đến
R/2 – Q
- Mức lƣợng tử nhỏ nhất (-R/2) đƣợc biểu diễn bằng chuỗi bit 0
Ví dụ: xét bộ biến đổi A/D lƣỡng cực có số bit biễu diễn một mẫu B = 3, tầm
toàn thang R = 4V và mã hóa theo nguyên tắc lƣỡng cực offset
Khoảng lƣợng tử:
Theo quy ƣớc, mức lƣợng tử nhỏ nhất là -2V ứng với chuỗi bit 000. Do đó,
việc biến đổi các mức lƣợng tử thành các chuỗi bit nhị phân đƣợc thực hiện theo
ánh xạ nhƣ trong bảng sau.
Mức lƣợng tử Chuỗi bit Mức lƣợng tử Chuỗi bit
0 100 -2 000
0,5 101 -1,5 001
1 110 -1 010
1,5 111 -0,5 011
c. Mã hóa nhị phân lưỡng cực bù 2
74
Thực tế các tín hiệu truyền hình số đƣợc biểu diễn bằng mã lƣỡng cực bù 2,
do đó mã này thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong kỹ thuật truyền hình. Để sử
dụng nguyên tắc mã hóa lƣỡng cực bù 2, ta có một số quy ƣớc nhƣ sau:
- Các mức lƣợng tử cách đều nhau bằng khoảng lƣợng tử và thay đổi từ -R/2 đến
R/2 – Q
- Mức lƣợng tử nhỏ nhất (-R/2) có bit MSB bằng 1, các bit còn lại đều bằng 0, mức
lƣợng tử 0 có chuỗi bit biểu diễn đều bằng 0
Ví dụ: xét bộ biến đổi A/D lƣỡng cực có số bit biễu diễn một mẫu B = 3, tầm
toàn thang R = 4V và mã hóa theo nguyên tắc lƣỡng cực bù 2
Khoảng lƣợng tử:
Theo quy ƣớc, mức lƣợng tử nhỏ nhất là -2V ứng với chuỗi bit 100 và mức
lƣợng tử 0V đƣợc biểu diễn bằng chuỗi bit 000. Do đó, việc biến đổi các mức lƣợng
tử thành các chuỗi bit nhị phân đƣợc thực hiện theo ánh xạ nhƣ trong bảng sau.
Mức lƣợng tử Chuỗi bit Mức lƣợng tử Chuỗi bit
-2 100 0 000
-1,5 101 0,5 001
-1 110 1 010
-0,5 111 1,5 011
Phương pháp xấp xỉ liên tiếp
Việc chuyển đổi các mẫu thành số nhị phân nhƣ để cập ở phần trên đƣợc
thực hiện bằng cách lập bảng để tìm ánh xạ giữa mức lƣợng tử và chuỗi bit. Tuy
nhiên phƣơng pháp này không thật sự hiệu quả khi tăng độ dài chuỗi bit biểu diễn
một mẫu và đặc biệt là không thể hiện thực bằng phần cứng. Một trong những
phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến để chuyển đổi một mẫu tín hiệu thành dạng số
ở dạng một chuỗi bit là xấp xỉ liên tiếp. Thuật toán đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ 7.4. Giả
sử chuỗi bit biểu diễn là b1b2…bB, đầu tiên B bit bị xóa về 0. Tiếp theo, bắt đầu từ
bit có trọng số cao nhất (MSB) b1, lần lƣợt từng bit trong chuỗi đƣợc bật lên 1 và sẽ
có sự đánh giá để xác định xem các bit này đƣợc giữ nguyên giá trị hay phải bị xóa
về 0. Quá trình đánh giá đƣợc thực hiện bằng cách so sánh hai giá trị x(n) và xQ(n),
75
ngõ ra C tƣơng ứng với giá trị của bit đang đƣợc đánh giá phụ thuộc vào hai ngõ
vào nhƣ sau:
Hình 7.4. Thuật toán xấp xỉ liên tiếp
Bit đang đƣợc đánh giá sẽ thay đổi theo ngõ ra C. Ngõ vào so sánh xQ(n)
đƣợc tính theo bảng 7.1
Bảng 7.1. Ngõ vào đánh giá thuật toán xấp xỉ liên tiếp
Loại chuyển đổi Quan hệ vào/ra
Nhị phân đơn cực
Nhị phân lƣỡng cực offset
Nhị phân lƣỡng cực bù 2 xQ = R(b12-1 + b22-2 + …. + bB2-B) xQ = R(b12-1 + b22-2 + …. + bB2-B – 0,5) xQ = R( 2-1 + b22-2 + …. + bB2-B – 0,5)
Một số lƣu ý khác:
- Đối với phƣơng pháp lƣợng tử làm tròn, ngõ vào so sánh x(n) đƣợc thay thế
bằng x’(n), với x’(n) = x(n) + Q/2
- Đối với nguyên tắc mã hóa lƣỡng cực bù 2, bit có trọng số lớn nhất b1 có
giá trị nhƣ sau:
Ví dụ: Bộ biến đổi A/D có tầm toàn thang R = 4V, số bit biểu diễn một mẫu
B = 6 bit. Tìm chuỗi bit biểu diễn cho mẫu x(n) = -1,2628V sử dụng các phƣơng
pháp lƣợng tử và mã hóa sau:
a. Lƣợng tử làm tròn, mã hóa lƣỡng cực offset
76
- Khoảng lƣợng tử: Q = R/2B = 4/26 = 0,0625 - Sử dụng phƣơng pháp lƣợng tử làm tròn nên ngõ vào so sánh là x’(n): x’(n) = x(n) + Q/2 = -1,2628 + 0,0625/2 = -1,23155
Giả sử chuỗi bit biểu diễn một mẫu có dạng: b1b2…b6
- Sử dụng loại chuyển đổi nhị phân lƣỡng cực offset nên ngõ vào so sánh
xQ(n) có dạng nhƣ sau:
xQ = R(b12-1 + b22-2 + …. + bB2-B – 0,5)
Lập bảng thể hiện thuật toán xấp xỉ liên tiếp
test C b1b2b3b4b5b6 xQ
100000 0 > -1,23155 0 b1
010000 -1 > -1,23155 0 b2
001000 -1,5 < -1,23155 1 b3
001100 -1,25 < -1,23155 1 b4
001110 -1,125 > -1,23155 0 b5
001101 -1,1875 > -1,23155 0 b6
Vậy chuỗi bit biểu diễn cho mẫu x(n) = -1,2628V là 001100
b. Lƣợng tử rút bớt, mã hóa lƣỡng cực bù 2
Sử dụng phƣơng pháp lƣợng tử rút bớt và mã hóa nhị phân lƣỡng cực bù 2
nên các ngõ vào so sánh là x(n) và xQ(n)
Với x(n) = -1,2628V và xQ(n) = R( 2-1 + b22-2 + …. + bB2-B – 0,5)
Vì x(n) = -1,2628 < 0 nên b1 = 1, ta chỉ cần đánh giá các bit còn lại
Lập bảng thể hiện thuật toán xấp xỉ liên tiếp
test C b1b2b3b4b5b6 xQ
110000 -1 > -1,2628 0 b2
101000 -1,5 < -1,2628 1 b3
101100 -1,25 > -1,2628 0 b4
101010 -1,375 < -1,2628 1 b5
101011 -1,3125 < -1,2628 1 b6
Vậy chuỗi bit biểu diễn cho mẫu x(n) = -1,2628V là 101011
7.3. Biến đổi tín hiệu số - tƣơng tự
77
Có chức năng khôi phục lại tín hiệu tƣơng tự từ chuỗi bit nhị phân nhận
đƣợc. Mạch biến đổi số - tƣơng tự gồm rất nhiều thành phần, trong đó thành phần
chính là bộ biến đổi số - tƣơng tự, làm việc theo nguyên tắc cộng điện áp hoặc cộng
dòng.
7.4. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4FSC NTSC
Các tiêu chuẩn video số tổng hợp ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu phải có một
tiêu chuẩn chung cho tín hiệu truyền hình số để tiện cho việc chế tạo các bộ thu
truyền hình kỹ thuật số cũng nhƣ chia sẻ các chƣơng trình truyền hình số. Trên nhu
cầu đó, hai hệ thống tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video tổng hợp đã đƣợc phát triển
rộng rãi, đó là các tiêu chuẩn 4fSC NTSC và 4fSC PAL. Sau đây ta sẽ tìm hiểu một số
thông số kỹ thuật của hai tiêu chuẩn này.
Quá trình lấy mẫu tín hiệu video tổng hợp theo tiêu chuẩn NTSC đƣợc thực
hiện với tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ nên tiêu chuẩn này còn gọi là 4fSC
NTSC. Do đó, tần số lấy mẫu tín hiệu video chuẩn 4fSC NTSC là: fS = 4 x 3,58 =
14,32 MHz. Với tiêu chuẩn NTSC, tần số quét dòng là fH = 15734,25 Hz, ta tính đƣợc số mẫu trên một dòng video NTSC là: fS/fH = 14,32.106/15734,25 = 910 mẫu.
Trong đó, nhƣ mô tả trong hình 7.5, số mẫu tích cực là 768 mẫu, 142 mẫu còn lại sử
dụng cho việc đồng bộ dòng video.
Hình 7.5. Các mẫu tín hiệu trên dòng video số tổng hợp chuẩn 4fSC NTSC
Việc lƣợng tử hóa đƣợc thực hiện theo thang lƣợng tử đều, mã hóa mỗi mẫu
bằng 8 hoặc 10 bit. Hình 7.6 mô tả thang lƣợng tử trong trƣờng hợp mã hóa mỗi
78
mẫu tín hiệu video bằng 10 bit. Từ hình vẽ ta thấy giá trị giá trị điện áp đỉnh – đỉnh
của tín hiệu video là 1304,2mV (thay đổi từ -306,1mV đến 998,1mV). Giá trị này
đƣợc chia thành 1024 mức lƣợng tử, mỗi mức biểu diễn một tín hiệu màu sắc hoặc
tín hiệu đồng bộ. Bốn mức lƣợng tử cao nhất (3FC đến 3FF) và thấp nhất (000 đến
003) là các mức dự phòng không đƣợc sử dụng cho bất kỳ tín hiệu nào. Một số mức
lƣợng tử quan trọng khác đƣợc liệt kê trong bảng 7.2.
Hình 7.6. Thang lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC NTSC
Bảng 7.2. Các mức lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC NTSC
Giá trị lượng tử (HEX) Các mức tín hiệu
3FC, 3FD, 3FE, 3FF Mức bảo vệ
Mức lƣợng tử hóa cao nhất 3FB
Mức đỉnh tín hiệu màu 3CC
Mức trắng 320
Mức đen 11A
Mức xóa 0F0
Đỉnh đồng bộ 010
004 Mức lƣợng tử hóa thấp nhất
Mức bảo vệ 003, 002, 001, 000
79
7.5. Tín hiệu video số tổng hợp tiêu chuẩn 4FSC PAL
Cũng giống nhƣ tiêu chuẩn NTSC, tín hiệu video tổng hợp chuẩn PAL đƣợc
lấy mẫu với tần số bằng 4 lần tần số sóng mang phụ nên tiêu chuẩn này còn đƣợc
gọi là 4fSC PAL. Do đó, tần số lấy mẫu tín hiệu video chuẩn 4fSC PAL là: fS = 4 x
4,4336 = 17,7344 MHz.
Với tiêu chuẩn PAL, tần số quét dòng fH = 15625 Hz, do đó, số mẫu trên một dòng video chuẩn PAL là: fS/fH = 17,7344.106/15625 = 1135 mẫu. Trong đó, nhƣ
mô tả ở hình 7.7, số mẫu tích cực là: 948 mẫu, 187 mẫu còn lại sử dụng cho việc
đồng bộ dòng video.
Hình 7.7. Các mẫu tín hiệu trên dòng video số tổng hợp chuẩn 4fSC PAL
Việc lƣợng tử hóa đƣợc thực hiện theo thang lƣợng tử đều, mã hóa mỗi mẫu
bằng 8 hoặc 10 bit. Hình 7.8 mô tả thang lƣợng tử trong trƣờng hợp mã hóa mỗi
mẫu tín hiệu video bằng 10 bit. Từ hình vẽ ta thấy giá trị giá trị điện áp đỉnh – đỉnh
của tín hiệu video là 1238,3mV (thay đổi từ -304,8mV đến 933,5mV). Giá trị này
đƣợc chia thành 1024 mức lƣợng tử, mỗi mức biểu diễn một tín hiệu màu sắc hoặc
tín hiệu đồng bộ. Một số mức lƣợng tử quan trọng đƣợc liệt kê trong bảng 7.3.
Bảng 7.3. Các mức lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC PAL
Các mức tín hiệu Giá trị lượng tử (HEX)
Mức bảo vệ 3FC, 3FD, 3FE, 3FF
Mức lƣợng tử hóa cao nhất 3FB
Mức đỉnh tín hiệu màu 3FB
80
Mức trắng 34C
Mức đen 100
Mức xóa 100
Đỉnh đồng bộ 004
004 Mức lƣợng tử hóa thấp nhất
Mức bảo vệ 003, 002, 001, 000
Hình 7.8. Thang lƣợng tử tín hiệu video tổng hợp chuẩn 4fSC PAL
Tín hiệu video số tổng hợp có ƣu điểm tốc độ dữ liệu thấp nên chỉ cần băng
thông nhỏ, nhƣng có khá nhiều nhƣợc điểm, trong đó nổi bật là:
- Phụ thuộc vào hệ thống truyền hình tƣơng tự nên gây ra khó khăn trong việc trao
đổi các chƣơng trình truyền hình
- Tín hiệu video số tổng hợp rất khó xử lý và tạo kỹ xảo truyền hình
Do đó, kiểu số hóa tín hiệu video tổng hợp thƣờng ít đƣợc sử dụng. Để khắc
phục các nhƣợc điểm trên, ngƣời ta xây dựng tiêu chuẩn số hóa tín hiệu video bằng
cách số hóa các tín hiệu video thành phần.
81
7.6. Tín hiệu video số thành phần
Đối với tiêu chuẩn video số thành phần, các tín hiệu đƣợc lấy mẫu và mã hóa
là tín hiệu độ chói (Y) và hai tín hiệu màu (R-Y và B-Y).
Để đảm bảo vấn đề đồng bộ, ngoài yêu cầu phải thỏa mãn định lý lấy mẫu,
tần số lấy mẫu tín hiệu video thành phần đƣợc chọn là bội số của tần số quét dòng
của cả hai tiêu chuẩn truyền hình 525/60 và 625/50. Việc lấy mẫu đƣợc thực hiện
cho ba tín hiệu nên tùy theo tiêu chuẩn mà mỗi tín hiệu có tần số lấy mẫu khác
nhau, nhƣng đều dựa trên tần số chuẩn fo = 3,375 MHz. Sau đây ta xét một số tiêu
chuẩn lấy mẫu tín hiệu video số thành phần.
a. Tiêu chuẩn 4:4:4
Tín hiệu chói và hai tín hiệu màu thành phần đều đƣợc lấy mẫu với tần số
fS = 4fo = 4x3,375 = 13,5 MHz
Hình 7.9 mô tả các điểm lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:4:4. Tiêu chuẩn này cho
khả năng khôi phục hình ảnh với chất lƣợng tốt nhất, thuận tiện cho việc xử lý tín
hiệu, Tuy nhiên, tiêu chuẩn này yêu cầu tốc độ bit khá lớn.
Hình 7.9. Tiêu chuẩn 4:4:4
Với hệ PAL, màn hình có 576x720 điểm ảnh, nếu mã hóa mỗi mẫu bằng 10
bit thì tốc độ bit tối thiểu phải là: 720 x 576 x 3 x 10 x 25 = 311,04 Mbps (hệ PAL
có tần số hình là 25 hình/s)
Tiêu chuẩn này thƣờng đƣợc sử dụng cho truyền hình số chất lƣợng cao.
b. Tiêu chuẩn 4:2:2
- Tín hiệu chói đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(Y) = 4fo = 4 x 3,375 = 13,5 MHz
- Tín hiệu màu đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(R,B) = 2fo = 2 x 3,375 = 6,75 MHz
Hình 7.10 mô tả các điểm lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:2:2. Điểm ảnh đầu tiên
đƣợc lấy mẫu cả ba tín hiệu chói và màu, điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu tín hiệu
82
chói. Bộ giải mã màu sẽ sử dụng phƣơng pháp nội suy để tìm các tín hiệu màu ở
điểm ảnh này. Điểm ảnh tiếp theo sẽ đƣợc lấy mẫu đầy đủ cả ba tín hiệu. Quá trình
sẽ tiếp tục đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho toàn bộ một ảnh.
Hình 7.10. Tiêu chuẩn 4:2:2
Với hệ PAL, màn hình có 576x720 điểm ảnh, nếu mã hóa mỗi mẫu bằng 10
bit thì tốc độ bit tối thiểu phải là: (720 + 360 + 360) x 576 x 10 x 25 = 207,36 Mbps
c. Tiêu chuẩn 4:1:1
- Tín hiệu chói đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(Y) = 4fo = 4 x 3,375 = 13,5 MHz
- Tín hiệu màu đƣợc lấy mẫu với tần số: fS(R,B) = 1fo = 1 x 3,375 = 3,375
MHz
Hình 7.11 mô tả các điểm lấy mẫu theo tiêu chuẩn 4:1:1. Điểm ảnh đầu tiên
đƣợc lấy mẫu cả ba tín hiệu chói và màu, ba điểm ảnh tiếp theo chỉ lấy mẫu tín hiệu
chói. Bộ giải mã màu sẽ sử dụng phƣơng pháp nội suy để tìm các tín hiệu màu ở các
điểm ảnh này. Điểm ảnh tiếp theo sẽ đƣợc lấy mẫu đầy đủ cả ba tín hiệu. Quá trình
sẽ tiếp tục đƣợc lặp lại nhƣ vậy cho toàn bộ một ảnh.
Hình 7.11. Tiêu chuẩn 4:1:1
Với hệ PAL, màn hình có 576x720 điểm ảnh, nếu mã hóa mỗi mẫu bằng 10
bit thì tốc độ bit tối thiểu phải là: (720 + 180 + 180) x 576 x 10 x 25 = 155,52 Mbps
83
Tiêu chuẩn này có tốc độ bit thấp nhất trong ba tiêu chuẩn, thƣờng sử dụng
cho các dịch vụ hoặc chƣơng trình truyền hình chất lƣợng trung bình.
Thang lƣợng tử đƣợc sử dụng để mã hóa các mẫu là thang đều, mỗi mẫu
đƣợc mã hóa bằng 8 hoặc 10 bit. Các mức lƣợng tử cụ thể cho tín hiệu độ chói và
tín hiệu mang màu đƣợc mô tả nhƣ trong bảng 7.4 và 7.5.
Bảng 7.4. Các mức lƣợng tử cho tín hiệu độ chói
Mã hóa 8 bit Mã hóa 10 bit
3FC, 3FD, 3FE, 3FF Các mức bảo vệ FF
Mức lƣợng tử hóa cao nhất 3FB FE
Mức trắng 3AC EB
Mức xóa 040 10
Mức lƣợng tử hóa thấp nhất 004 01
000, 001, 002, 003 Các mức bảo vệ 00
Bảng 7.5. Các mức lƣợng tử cho tín hiệu mang màu
Mã hóa 8 bit Mã hóa 10 bit
3FC, 3FD, 3FE, 3FF Các mức bảo vệ FF
Mức lƣợng tử hóa cao nhất 3FB FE
Mức dƣơng cao nhất 3C0 F0
Mức xóa 200 80
Mức âm cao nhất 040 10
Mức lƣợng tử hóa thấp nhất 004 01
Các mức bảo vệ 000, 001, 002, 003 00
7.7. Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản – CCIR601
Việc đề ra một tiêu chuẩn truyền hình số nhằm các mục đích sau:
- Thuận tiện cho quá trình sản xuất, trao đổi chƣơng trình
- Tƣơng thích cho tất cả các thiết bị video số
- Dễ dàng trong việc xử lý tín hiệu
Một số nguyên tắc cần phải quan tâm khi lựa chọn các thông số.
84
- Lựa chọn tín hiệu mã hóa là video tổng hợp hay video thành phần: thực tế cho
thấy phƣơng pháp mã hóa các tín hiệu video thành phần sẽ cho chất lƣợng hình ảnh
tốt hơn.
- Chọn các thông số lấy mẫu tín hiệu video: bao gồm cấu trúc lấy mẫu và tần số lấy
mẫu. Sử dụng cấu trúc lấy mẫu phổ biến, đó là cấu trúc trục giao. Tần số lấy mẫu
phải thỏa mãn định lý lấy mẫu và các điều kiện đồng bộ. Do đó, tần số lấy mẫu
đƣợc chọn là 13,5 MHz cho tín hiệu độ chói và 6,75MHz cho tín hiệu màu.
Tiêu chuẩn truyền hình số cơ bản có tên gọi là CCIR-601. Tiêu chuẩn này
phù hợp cho cả hai hệ truyền hình 525 và 625, còn đƣợc gọi là tiêu chuẩn 4:2:2.
Một số thông số kỹ thuật đƣợc cho trong bảng 7.6
Bảng 7.6. Các thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn CCIR-601
Thông số Hệ 525/60 Hệ 625/60 STT
Y, (R-Y) và (B-Y) 1 Tín hiệu đƣợc số hóa
2 Tổng số mẫu mỗi dòng
858 864 - Tín hiệu chói
429 432 - Mỗi tín hiệu màu
Cấu trúc lấy mẫu trực giao, cố định, lặp 3 Cấu trúc lấy mẫu lại theo dòng, mành và ảnh
Tần số lấy mẫu
4 - Tín hiệu chói 13,5MHz
- Tín hiệu màu 6,75 MHz
5 Phƣơng thức mã hóa Lƣợng tử hóa đều, mã hóa 8 bit/mẫu
Số mẫu tích cực trên một dòng
6 - Tín hiệu chói 720
- Tín hiệu màu 360
Tổng số mức 0 – 255 mức
- Tín hiệu chói 220 mức
7 + Mức đen mức 16
+ Mức trắng mức 235
- Tín hiệu màu 255 mức, đối xứng qua trục tại mức 128
85
7.8. Tín hiệu audio số
Quá trình số hóa tín hiệu audio cũng đƣợc thực hiện thông qua ba bƣớc cơ
bản nhƣ tín hiệu video, đó là: lấy mẫu, lƣợng tử và mã hóa.
- Tần số lấy mẫu tín hiệu âm thanh tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể
+ 32 KHz: cho các ứng dụng truyền dẫn
+ 44,1 KHz: cho các ứng dụng lƣu trữ, ghi băng PAL, NTSC
+ 48 KHz: cho truyền thanh, truyền hình quảng bá
- Các giá trị tín hiệu audio đƣợc biểu diễn theo dạng số bù 2: giá trị âm khi
bit MSB bằng 1, giá trị dƣơng khi bit MSB bằng 0
- Số bit biểu diễn cho một mẫu: 16, 20 hoặc 24 bit tùy vào ứng dụng cụ thể
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 7
1. Trình bày các ƣu điểm nổi bật của truyền hình số.
2. Trình bày định lý lấy mẫu.
3. Một hệ thống hòa âm số stereo, ghi âm riêng biệt, mỗi kênh lấy mẫu ở tần số
48KHz và mã hóa mỗi mẫu 20 bit. Các mẫu số hóa này đƣợc lƣu trên một đĩa cứng
để xử lý sau này. Cần bao nhiêu dung lƣợng đĩa cứng để ghi một ca khúc trong thời
gian 4 phút?
4. Bộ biến đổi tƣơng tự - số có tầm toàn thang R = 2V, lƣợng tử rút bớt, mã hóa
lƣỡng cực bù 2, mỗi mẫu đƣợc biểu diễn bằng 6 bit.
a. Xác định sai số lƣợng tử hiệu dụng
b. Tìm chuỗi bit biểu diễn cho các mẫu: 0,367V và -0,812V
5. Thế nào là tiêu chuẩn video số thành phần 4:4:4, 4:2:2 và 4:1:1. Trong hệ NTSC,
tính tốc độ dữ liệu tối thiểu cho từng tiêu chuẩn trên.
6. Nêu các tiêu chuẩn của truyền hình số cơ bản (CCIR601) cho cả hai hệ 525/60 và
625/50?
86
Chƣơng 8. TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH SỐ
8.1. Hệ thống ghép kênh và truyền tải
8.1.1. Truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2
MPEG-2 đƣợc xây dựng từ năm 1994, đây là tiêu chuẩn mã hóa có nén hình
ảnh động. Tiêu chuẩn này cho phép kết hợp dữ liệu nén của âm thanh, hình ảnh và
các loại dữ liệu khác vào một luồng dữ liệu duy nhất phục vụ cho việc lƣu trữ và
truyền dẫn. MPEG-2 hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi để truyền dẫn tín hiệu truyền
hình số mặt đất, vệ tinh và cáp. Hình 8.1 mô tả các thành phần chính của hệ thống
truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2.
Hình 8.1. Truyền tải theo tiêu chuẩn MPEG-2
Tiêu chuẩn MPEG-2 là sự kết hợp của nhiều tiêu chuẩn, trong đó ba tiêu
chuẩn đƣợc sử dụng trong truyền tải là: ISO/IEC 13818-1, ISO/IEC 13818-2 và
ISO/IEC 13818-3.
- ISO/IEC 13818-2: quy định tiêu chuẩn dùng để mã hóa tín hiệu hình (video).
- ISO/IEC 13818-3: quy định tiêu chuẩn dùng để mã hóa tín hiệu tiếng (audio)
87
- ISO/IEC 13818-1: quy định cấu trúc đóng gói các luồng dữ liệu cơ sở và ghép
kênh các gói dữ liệu.
Các luồng dữ liệu cơ sở (còn gọi là ES) là các tín hiệu video và audio sau khi
đƣợc số hóa và nén, với chiều dài gần nhƣ vô tận và chỉ chứa những thông tin cần
thiết để có thể khôi phục lại tín hiệu hình và tiếng ban đầu.
8.1.2. Đóng gói luồng dữ liệu cơ sở (PES)
Đóng gói luồng dữ liệu cở sở là việc chèn thêm các trường bit vào đầu mỗi
luồng dữ liệu cơ sở phục vụ cho việc đồng bộ dữ liệu trên đƣờng truyền, phát hiện
và sửa sai dữ liệu bên phía thu, giúp phía thu nhận biệt đƣợc các thông tin phụ của
luồng dữ liệu, …
Việc đóng gói luồng dữ liệu cơ sở đƣợc mô tả nhƣ hình 8.2. Phần chèn thêm
vào là tiêu đề, còn gọi là trường header. Trƣờng tiêu đề bao gồm một số trƣờng
khác có kích thƣớc nhỏ hơn.
Hình 8.2. Đóng gói luồng dữ liệu cơ sở
- Trường mã khởi đầu: có kích thƣớc 3 byte (24 bit) và có giá trị cố định là
000001H, dùng để nhận biết khởi đầu của một luồng dữ liệu cở sở đã đƣợc đóng gói
(còn gọi là PES).
- Chỉ số ID của luồng: có kích thƣớc 1 byte (8 bit) dùng để phân biệt các luồng dữ
liệu khác nhau cũng nhƣ thể loại của luồng dữ liệu cơ sở.
+ Chỉ số ID có giá trị từ C0H đến DFH: luồng dữ liệu audio
+ Chỉ số ID có giá trị từ E0H đến EFH: luồng dữ liệu video
Từ đó ta thấy mỗi header có thể phân biệt đƣợc 16 chƣơng trình video và 32
chƣơng trình audio. Từng chƣơng trình trong số 48 chƣơng trình (video và audio)
đều có thể kèm theo dữ liệu riêng của ngƣời dùng.
88
- Trường dung lượng của luồng dữ liệu cơ sở (ES): có kích thƣớc 2 byte (16 bit),
dùng để chỉ dung lƣợng của luồng dữ liệu cở sở (ngay sau header) tính theo đơn vị
byte. Do đó, mỗi gói PES chỉ có thể mang luồng dữ liệu cở sở có dung lƣợng tối đa là 64Kbyte (216 byte).
- Trường tùy chọn: có thể có hoặc không có trong PES tùy vào ứng dụng cụ thể.
Trƣờng này cũng bao gồm một số trƣờng nhỏ hơn có kích thƣớc khác nhau dùng để
thể hiện một số thông tin của luồng dữ liệu cơ sở nhƣ: thông tin về bản quyền, dữ
liệu cơ sở là bản gốc hay bản sao chép, trƣờng chứa các bit kiểm tra lỗi và sửa sai
dữ liệu, các thông tin riêng tƣ của ngƣời dùng, …
8.1.3. Ghép kênh luồng chƣơng trình
Thông thƣờng có hai phƣơng thức cung cấp thông tin video và audio số tới
ngƣời sử dụng: từ các nguồn phát tại chỗ nhƣ ổ đĩa cứng, các đĩa quang (CD, DVD)
và từ mạng truyền hình quảng bá thông qua cáp, vệ tinh hoặc truyền thông mặt đất.
MPEG-2 định nghĩa hai phƣơng pháp ghép kênh phục vụ cho cả hai phƣơng thức
trên.
Luồng chƣơng trình đƣợc thiết kế để truyền dẫn trong môi trƣờng không tạp
nhiễu và sai nhầm, ví dụ nhƣ việc đọc/ghi ổ đĩa cứng, đĩa quang, … Hình 8.3 mô tả
phƣơng pháp ghép kênh luồng chƣơng trình. Quá trình này chỉ đơn thuần là việc
ghép các gói PES lại với nhau theo trật tự nhất định (thƣờng là theo tuần tự thời
gian). Do không có trƣờng phân biệt các chƣơng trình khác nhau nên tại một thời
điểm chỉ có thể ghép một kênh chƣơng trình.
Hình 8.3. Ghép kênh luồng chƣơng trình
Vì môi trƣờng truyền dẫn phát sóng thực tế mà chúng ta quan tâm luôn có
tạp nhiễu và sai nhầm, do đó không thể dùng luồng chƣơng trình mà phải dùng
luồng truyền tải.
8.1.4. Ghép kênh luồng truyền tải
89
Việc ghép kênh luồng truyền tải không chỉ là việc ghép các gói PES của
cùng một chƣơng trình lại với nhau mà còn là việc ghép nhiều chƣơng trình lại để
có thể truyền dẫn trên một cùng một kênh. Hình 8.4 mô tả phƣơng pháp ghép kênh
luồng truyền tải. Khác biệt cơ bản nhất của ghép kênh luồng truyền tải so với ghép
kênh luồng chƣơng trình là các gói dữ liệu vào ghép kênh đều có chiều dài 184
byte.
Hình 8.4. Ghép kênh luồng truyền tải
Mỗi gói PES (bao gồm cả header của PES) đƣợc chia thành những gói nhỏ
hơn có chiều dài cố định 184 byte nhƣ mô tả trong hình 8.5. Riêng đối với gói dữ
liệu cuối cùng nếu không đủ 184 byte sẽ đƣợc thêm một số byte để đủ chiều dài 184
byte. Các byte thêm vào đƣợc gọi là trƣờng Adaptation, sẽ không đƣợc giải mã ở bộ
thu. Mỗi gói nhỏ có kích thƣớc 184 byte này sẽ đƣợc gắn thêm một tiêu đề (header)
có kích thƣớc 4 byte để tạo thành những gói dữ liệu có kích thƣớc đều nhau 188
byte, gọi là gói TS. Các gói TS này đƣợc ghép nối tiếp nhau tạo thành luồng truyền
tải.
Hình 8.5. Chia gói PES thành các gói TS
90
Cũng nhƣ gói PES, mỗi gói TS đều có phần tiêu đề (header) dùng để đồng
bộ, định thời và chống lỗi đƣờng truyền. Hình 8.6 mô tả cấu trúc của một TS
header. Ý nghĩa của một số trƣờng trong TS header nhƣ sau:
- Sync byte: có độ dài 8 bit với giá trị cố định là 47H, đóng vai trò là từ đồng bộ thể
hiện khởi đầu của một gói TS
- Transport Error Indicator: cờ báo lỗi truyền dẫn. Khi tỉ lệ sai nhầm bit (BER)
vƣợt quá giá trị cho phép, cờ này sẽ bật lên 1
- Start Indicator: cờ báo bắt đầu một gói PES. Khi truyền một gói PES mới, cờ này
sẽ đƣợc bật lên 1
- Transport Priority: cờ báo gói TS đƣợc ƣu tiên truyền dẫn
- PID: có chiều dài 13 bit thể hiện chỉ số của gói PES. Đây là trƣờng rất quan trọng
trong header. Do gói PES đƣợc chia nhỏ thành nhiều gói TS nên trƣờng này dùng
để nhận biết gói TS thuộc gói PES nào. Các gói TS của cùng một luồng dữ liệu cơ
sở sẽ có cùng chỉ số PID. Các giá trị PID đƣợc mô tả nhƣ trong bảng 8.1. Ta thấy có
khoảng 8175 giá trị PID (từ 0010H đến 1FFEH) đƣợc dùng để gán cho các luồng sơ
cấp PES, nhƣ vậy có thể ghép tối đa đến hơn 8000 luồng cơ sở vào một kênh truyền
tải.
Hình 8.6. Cấu trúc của TS header
- Scrambling Control: chỉ chế độ trộn dữ liệu trong trƣờng dữ liệu TS
- Adaptation Field Control: gồm 2 bit điều khiển trƣờng Adaptation. Hai bit này
dùng để xác định có hay không trƣờng Adaptation trong dữ liệu TS. Bảng 8.2 thể
hiện ý nghĩa của các giá trị trong trƣờng này.
91
- Continuity Counter: có chiều dài 4 bit, sẽ tăng lên 1 đơn vị theo các gói TS kế tiếp
nhau thuộc về cùng một luồng gói sơ cấp PES (cùng PID). Điều này cho phép phía
thu có thể sắp xếp lại các gói TS theo đúng thứ tự ở phía phát.
- Adaptation Filed: sự xuất hiện của trƣờng này trong gói TS phụ thuộc vào giá trị
của trƣờng Adaptation Field Control. Adaptation Field có độ dài thay đổi mang
thông tin về các giá trị đƣợc gắn thêm vào trong phần dữ liệu TS khi cần thiết.
Bảng 8.1. Bảng các giá trị PID của TS header
Giá trị PID Mô tả
0000H Bảng hiệp hội chƣơng trình
0001H Bảng truy cập có điều kiện
0002H – 000FH Dành riêng
Dành cho luồng PES, bảng thông tin đặc 0010H – 1FFEH tả chƣơng trình, …
1FFFH Gói rỗng
Bảng 8.2. Các giá trị của trƣờng Adaptation Field Control
Mô tả Giá trị
Giá trị dự phòng, không sử dụng 00
Không có trƣờng Adaptation, chỉ có dữ liệu PES trong dữ liệu TS 01
Chỉ có trƣờng Adaptation, không có dữ liệu PES trong dữ liệu TS 10
Trong dữ liệu TS, theo sau trƣờng Adaptation là dữ liệu PES 11
Từ các lý thuyết truyền tải trên, ta thấy luồng truyền tải MPEG-2 rất linh
hoạt, thể hiện dƣới hai đặc điểm sau:
- Các chƣơng trình đƣợc định nghĩa là sự kết hợp của các luồng bit dữ liệu cơ sở có
đánh dấu chỉ số (ID) để nhận dạng. Các luồng bit dữ liệu sơ cấp có thể xuất hiện
trong một hoặc nhiều chƣơng trình khác nhau. Các chƣơng trình cũng có thể đƣợc
sửa đổi cho phù hợp với một số yêu cầu đặc biệt. Ví dụ: cùng một chƣơng trình
truyền hình, nhƣng phần audio có thể đƣợc thay đổi cho phù hợp với ngôn ngữ từng
vùng, tức là cùng một luồng video kết hợp với hai luồng audio khác nhau để phục
vụ cho các khu vực khác nhau.
92
- Nhiều chƣơng trình khác nhau có thể đƣợc ghép kênh trong cùng một hệ thống
truyền tải, do đó, có thể khai thác tối đa băng thông của một kênh truyền. Việc thêm
các chƣơng trình, các dịch vụ mới chỉ đơn thuần là ghép thêm các luồng dữ liệu cơ
sở mới và gán các chỉ số ID mới.
8.2. Kỹ thuật điều chế số cơ sở
8.2.1. Điều chế dịch pha PSK
Điều chế dịch pha PSK là phƣơng pháp điều chế tín hiệu số, trong đó, thay vì
đƣợc truyền dƣới dạng các chuỗi bit, thông tin sẽ đƣợc truyền đi dƣới dạng các biểu
trƣng (còn gọi là symbol), mỗi symbol mang thông tin của 1, 2, 3 hoặc nhiều bit
hơn. Trong trƣờng hợp tổng quát một symbol mang thông tin của n bit thì ta sẽ có tổ hợp M = 2n symbol mà một sóng mang có thể biểu diễn đƣợc, nên kiểu điều chế này
còn đƣợc gọi là điều chế M-PSK. Cụ thể hơn, trong điều chế M-PSK, pha của sóng
mang sẽ dịch theo những góc đều nhau tùy thuộc vào số bit đƣợc biểu diễn trong
một symbol.
Ví dụ, trong trƣờng hợp một symbol mang 1 bit, khi đó sẽ có tổ hợp M = 2
symbol, ta có kiểu điều chế 2-PSK hay BPSK, còn đƣợc gọi là điều chế dịch pha hai trạng thái. Hai trạng thái này cách nhau góc 180o (2π/2 = π radian). Nếu một symbol mang 2 bit, ta phải dùng bốn trạng thái pha cách đều nhau một góc 90o (2π/4 = π /2
radian) tƣơng ứng với bốn trƣờng hợp của 2 bit nhị phân, do đó ta có kiểu điều chế
4-PSK hay QPSK, còn gọi là điều chế dịch pha bốn trạng thái. Trƣờng hợp điều chế
M-PSK tổng quát, cần phải có M trạng thái pha khác nhau của sóng mang cách đều nhau góc 360o/M (hoặc 2π/M radian). Kiểu điều chế này còn đƣợc gọi là điều chế
dịch pha M trạng thái.
Biểu thức toán học của kiểu điều chế M-PSK có dạng nhƣ sau:
(8.1) vM-PSK(t) = Acos(ωot + 2πi/M + λ)
trong đó:
+ A: biên độ sóng mang
+ ωo = 2πfo, với fo là tần số sóng mang
+ i = 0, 1, 2, …, M – 1 chỉ số thứ tự của từng trạng thái pha sóng mang
+ λ: kết hợp với 2πi/M tạo thành pha ban đầu của sóng mang
93
- Với M = 4, ứng với điều chế QPSK
+ Giả sử λ = 0, khi đó, các cặp bit 00, 01, 11, 10 (tƣơng ứng với i = 0, 1, 2, 3)
sẽ ứng với các góc pha ban đầu là 0, π/2, π và 3π/2. Các trạng thái này có thể đƣợc
biểu diễn bằng giản đồ vector nhƣ trong hình vẽ 8.7a.
+ Giả sử λ = π/4, khi đó các cặp bit 00, 01, 11, 10 sẽ ứng với các góc pha ban
đầu là π/4, 3π/4, 5π/4 và 7π/4. Các trạng thái này có thể đƣợc biểu diễn bằng giản
đồ vector nhƣ trong hình vẽ 8.7b.
Hình 8.7. Giản đồ vector của kiểu điều chế QPSK ứng với λ = 0 và λ = π/4
Khoảng cách d giữa các trạng thái biểu diễn trên giản đồ vector đặc trƣng
cho khả năng phân biệt giữa trạng thái này với trạng thái khác. Giá trị d càng nhỏ
thì khả năng nhận sai trạng thái dẫn đến sai bit càng lớn và ngƣợc lại. Từ các giản
đồ vector trên ta thấy khoảng cách giữa hai trạng thái gần nhất là d = A√ , với A là
biên độ sóng mang, tỉ lệ với công suất sóng mang. Do đó, công suất sóng mang
càng lớn thì khoảng cách d càng lớn làm giảm xác suất nhận sai bit.
- Với M = 8, ứng với điều chế 8-PSK
Giả sử λ = 0, giản đồ vector biểu diễn các trạng thái điều chế 8-PSK đƣợc
mô tả nhƣ hình 8.8.
Từ giản đồ vector hình 8.8 ta thấy khoảng cách giữa hai trạng thái gần nhất
đã giảm đáng kể so với kiểu điều chế QPSK. Do đó với cùng một công suất sóng
mang, xác suất nhận sai bit của kiểu điều chế 8-PSK cao hơn so với QPSK.
94
Hình 8.8. Giản đồ vector của kiểu điều chế 8-PSK
8.2.2. Điều biên trực pha QAM
Điều biên trực pha QAM là sự kết hợp giữa điều pha và điều biên của sóng
mang đối với chuỗi số.
Trong phƣơng pháp điều chế M-PSK, để tăng hiệu suất sử dụng băng tần với
cùng một tốc độ bit, ta cần phải tăng bậc điều chế, có nghĩa là tăng M. Tuy nhiên,
nhƣ đã đề cập ở trên, khi tăng M, khoảng cách d giữa các trạng thái kề nhau sẽ giảm
và xác suất thu sai bit sẽ tăng. Để khắc phục khó khăn này, ta dùng phƣơng pháp
điều chế QAM thay cho kiểu điều chế M-PSK khi truyền số liệu trên cùng một dải
băng tần với tốc độ bit không đổi.
Xét kiểu điều chế QAM 16 trạng thái biểu diễn 4 bit số nhị phân, còn gọi là
16-QAM. Các trạng thái của 16-QAM trong không gian tín hiệu đƣợc mô tả nhƣ
hình 8.9. Các điểm trạng thái QAM không phân bố đều trên các vòng tròn nhƣ điều
chế M-PSK mà phân bố cách đều nhau trong mặt phẳng tọa độ vuông.
Khoảng cách giữa các trạng thái phụ thuộc vào năng lƣợng bit. Khi năng
lƣợng bit tăng, tƣơng ứng với công suất phát tăng hoặc tốc độ bit giảm, khoảng cách
d giữa các trạng thái sẽ tăng và do đó xác suất thu sai sẽ giảm.
Thực tế, QPSK, 16-QAM, 64-QAM và 256-QAM là các kiểu điều chế đƣợc
sử dụng phổ biến trong truyền hình số.
95
Hình 8.9. Các trạng thái của tín hiệu 16-QAM
8.3. Truyền hình cáp
8.3.1. Giới thiệu về hệ thống truyền hình cáp
Hệ thống truyền hình cáp (CATV) là thuật ngữ đƣợc dùng để chỉ chung cho
các hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến.
Tại Việt Nam, truyền hình cáp vô tuyến MMDS sử dụng sóng điện từ có
băng tần 2,5GHz – 2,69GHz. Tuy nhiên, từ năm 2010, dịch vụ truyền hình MMDS
đã dừng phát sóng do phải nhƣờng lại băng tần cho các dịch vụ vô tuyến khác. Do
đó, truyền hình cáp hiện nay thƣờng đƣợc gọi là truyền hình cáp hữu tuyến, trong
đó tín hiệu truyền hình đƣợc truyền dẫn bằng cáp quang hoặc cáp đồng trục. Trong
thực tế, mạng truyền hình cáp là mạng lai giữa cáp đồng trục và cáp quang.
Trong quá trình xây dựng mạng truyền hình vô tuyến quảng bá, các nhà kỹ
thuật truyền hình gặp phải vấn đề là sóng điện từ không thể đến đƣợc các vùng lõm
sóng, tức là các khu vực có địa hình phức tạp, bị che khuất, … Giải pháp đƣợc đề ra
cũng là nền tảng của công nghệ truyền hình cáp hiện nay. Tín hiệu đƣợc thu tại
những điểm có sóng tốt, sau khi đƣợc xử lý sẽ đƣợc dẫn đến nơi thu bằng dây cáp.
96
Về mặt kỹ thuật, truyền hình cáp hữu tuyến có những ƣu điểm vƣợt trội so
với các hệ thống truyền hình vô tuyến.
- Ít chịu ảnh hƣởng của nhiễu công nghiệp do tín hiệu truyền hình đƣợc truyền dẫn
bằng các sợi cáp có khả năng chống nhiễu cao, đảm bảo chất lƣợng tín hiệu
- Không bị ảnh hƣởng của các điều kiện địa lý nhƣ thời tiết, địa hình. Truyền hình
cáp hữu tuyến đặc biệt phù hợp với các đô thị đông dân cƣ
- Không chiếm dụng phổ tần số vô tuyến mà vẫn có thể truyền dẫn một số lƣợng lớn
các kênh truyền hình. Điều này đặc biệt hữu ích khi tài nguyên tần số ngày càng bị
thu hẹp do xuất hiện ngày càng nhiều dịch vụ sử dụng sóng vô tuyến điện từ
- Không gây can nhiễu cho các trạm phát sóng nghiệp vụ khác do tín hiệu đƣợc
truyền dẫn trong các sợi cáp đƣợc cách ly và chống nhiễu tốt
- Có khả năng tích hợp dịch vụ truyền hình số và các dịch vụ hai chiều khác nhƣ
internet, thoại, …
- Về mặt thẩm mỹ: truyền hình cáp hữu tuyến không sử dụng anten, góp phần tăng
vẻ mỹ quan cho các thành phố
Truyền hình cáp có nhƣợc điểm lớn nhất đó là, việc triển khai mạng cáp hữu
tuyến tốn rất nhiều chi phí thời gian và công sức. Do đó, các dịch vụ cáp hầu hết
đều là các dịch vụ tốn phí.
8.3.2. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình cáp
Nhƣ mô tả trong hình 8.10, mạng truyền hình cáp bao gồm ba thành phần
chính: trung tâm truyền hình (Headend), mạng phân phối tín hiệu và các thiết bị
thuê bao.
Hình 8.10. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền hình cáp
- Trung tâm truyền hình (Headend): là nơi cung cấp, quản lí các chƣơng trình cho
hệ thống truyền hình cáp. Các chƣơng trình có thể đƣợc thu từ các trung tâm khác
thông qua vệ tinh, vô tuyến mặt đất, cáp hoặc các các chƣơng trình do trung tâm
97
trực tiếp sản xuất. Đây cũng là nơi thu thập các thông tin giám sát trạng thái, kiểm
tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển mạng.
- Mạng phân phối tín hiệu: là môi trƣờng truyền dẫn tín hiệu từ Headend đến các
thuê bao. Đối với truyền hình cáp hữu tuyến, mạng phân phối là hệ thống dây cáp
(cáp quang, cáp đồng trục, …), các bộ chuyển mạch và khuếch đại tín hiệu. Mạng
phân phối là bộ phận quyết định đến chất lƣợng dịch vụ và khả năng mở rộng, nâng
cấp hệ thống.
- Thiết bị thuê bao: trong truyền hình cáp là các máy thu hình. Rộng hơn là các bộ
chia tín hiệu dùng để sử dụng đồng thời nhiều dịch vụ nhƣ: truyền hình, internet, …
8.3.3. Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến
a. Mạng toàn cáp đồng trục
Đây là mạng chỉ sử dụng cáp đồng trục để phân phối tín hiệu truyền hình từ
trung tâm truyền hình đến các thuê bao. Đây là hình thức phân phối tín hiệu ban đầu
của truyền hình cáp hữu tuyến. Tuy vậy, ngoài nhƣợc điểm chung của hình thức
truyền dẫn tín hiệu hữu tuyến là chi phí triển khai lắp đặt rất lớn, hình thức này còn
có rất nhiều nhƣợc điểm khác
- Truyền dẫn bằng cáp đồng trục có mức suy hao tín hiệu lớn, đặc biệt mức suy hao
tỉ lệ với khoảng cách truyền dẫn, do đó cần phải đặt rất nhiều bộ khuếch đại tín hiệu
trên đƣờng truyền làm cho các chi phí khác kèm theo.
- Do phải sử dụng khá nhiều bộ khuếch đại để khôi phục lại tín hiệu trên đƣờng
truyền nên các tín hiệu nhiễu cũng đƣợc tích lũy, khuếch đại theo và thƣờng không
đƣợc loại bỏ hết tại phía thu, nên càng xa trung tâm truyền hình chất lƣợng tín hiệu
càng giảm, do đó, bán kính phục vụ của mạng bị hạn chế.
- Cũng do đặc điểm tín hiệu bị suy hao trên đƣờng truyền nên việc giữ công suất
cân bằng cho tất cả các thuê bao là vấn đề khó khăn. Để có thể truyền tín hiệu đi xa,
các trung tâm truyền hình phải tăng công suất phát, nhƣng giải pháp này lại ảnh
hƣởng đến các thuê bao ở gần trung tâm truyền hình. Do đó, các thuê bao ở gần
Headend thƣờng đƣợc trang bị thêm thiết bị thụ động để làm suy giảm bớt mức tín
hiệu gọi là Pad.
98
Để giải quyết các nhƣợc điểm trên, ngƣời ta thay cáp trung kế đồng trục bằng
cáp quang. Toàn hệ thống vừa có cáp quang và cáp đồng trục, gọi là mạng kết hợp
cáp quang và cáp đồng trục.
b. Mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục (HFC)
Mạng HFC kết hợp cả cáp quang và cáp đồng trục, đƣợc mô tả nhƣ trong
hình 8.11. Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các node quang là cáp quang, còn
từ các node quang đến thuê bao là cáp đồng trục.
Hình 8.11. Mạng HFC
- Mạng truyền dẫn: bao gồm hệ thống cáp quang và các bộ chia tín hiệu (còn gọi là
Hub) sơ cấp, có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu truyền hình từ Headend đến các khu
vực xa.
- Mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống cáp quang và các Hub thứ cấp và node
quang. Tín hiệu quang từ các Hub sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu điện tại các node
quang để truyền đến thuê bao qua cáp quang.
- Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục truyền dẫn tín hiệu truyền hình
từ node quang đến các thiết bị thuê bao.
Ƣu điểm của hệ thống này đến từ việc truyền dẫn tín hiệu thông qua cáp
quang. Cáp quang có ƣu điểm vƣợt trội so với các phƣơng thức truyền dẫn khác, đó
là: băng thông rất lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, tín hiệu truyền dẫn là tín hiệu quang
99
gần nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu điện từ, bảo đảm chất lƣợng tín hiệu trên
đƣờng truyền.
Tuy nhiên, việc lắp đặt hệ thống cáp quang và các thiết bị quang đòi hỏi độ
chính xác rất cao và chi phí rất lớn so với việc lắp đặt cáp đồng trục, đây cũng là
nhƣợc điểm lớn nhất của hệ thống cáp quang nói chung.
8.3.4. Tiêu chuẩn DVB-C
Tại Việt Nam, tín hiệu truyền hình đƣợc số hóa theo tiêu chuẩn DVB của
Châu Âu. Mỗi phƣơng thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình có một tiêu chuẩn riêng.
- Truyền hình cáp hữu tuyến: số hóa theo tiêu chuẩn DVB-C
- Truyền hình mặt đất: số hóa theo tiêu chuẩn DVB-T
- Truyền hình vệ tinh: số hóa theo tiêu chuẩn DVB-S
Với tiêu chuẩn DVB-C, tín hiệu truyền hình số đƣợc nén theo chuẩn MPEG-
2 và sử dụng phƣơng thức điều chế tín hiệu số một sóng mang, có mức điều chế cao
nhƣ 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 256-QAM. Tín hiệu truyền hình số đƣợc ghép
kênh theo thời gian nên trên băng thông 8MHz của một kênh truyền hình tƣơng tự
có thể truyền đƣợc nhiều hơn một kênh truyền hình số.
Ngoài ra việc truyền dẫn tín hiệu số qua cáp có khả năng chống nhiễu cao,
luồng dữ liệu số đƣợc chèn thêm các bit có khả năng tự phát hiện và sửa lỗi nên tại
phía thu tín hiệu truyền hình gần nhƣ đƣợc khôi phục hoàn toàn, giúp cho chất
lƣợng hình ảnh và âm thanh cải thiện đáng kể so với truyền hình tƣơng tự. Tiêu
chuẩn DVB-C sử dụng Reed-Solomon cho chức năng phát hiện và sửa sai dữ liệu ở
phía thu.
Hiện nay, tiêu chuẩn DVB-C đã có phiên bản thứ hai là nâng cấp của phiên
bản đầu tiên, gọi là DVB-C2. Tiêu chuẩn DVB-C2 có một số thay đổi so với DVB-
C. Những thay đổi này nhằm mục đích sử dụng băng tần có hiệu quả hơn, tăng
cƣờng khả năng chống nhiễu trong quá trình truyền dẫn tín hiệu và tăng tốc độ
truyền dữ liệu. Một số thay đổi cụ thể nhƣ sau:
- Phƣơng pháp điều chế một sóng mang trong tiêu chuẩn DVB-C đƣợc thay thế
bằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM.
100
- Mã sửa sai Reed-Solomon trong DVB-C đƣợc thay thế bằng hai tầng mã sửa sai:
BCH (mã ngoài, đƣợc ghép vào từng gói dữ liệu) và LDPC (mã trong, theo tỉ lệ
n/m).
- Phƣơng pháp điều chế QAM đƣợc mở rộng đến 4096-QAM.
Băng thông của cáp khá lớn nên ngoài một phần băng thông sử dụng cho các
kênh truyền dẫn tín hiệu truyền hình số, cáp còn đƣợc sử dụng cho các dịch vụ khác
nhƣ truyền số liệu, internet, …
8.4. Truyền hình số mặt đất
8.4.1. Sơ đồ hệ thống truyền hình số mặt đất
Truyền hình số mắt đất có đầy đủ những ƣu điểm của truyền hình số nói
chung.
- Tiết kiệm băng thông: truyền hình số có khả năng truyền tải nhiều hơn một
chƣơng trình trên một kênh truyền hình tƣơng tự. Đặc điểm này giúp giải phóng
một số băng tần trên dải tần số đƣợc sử dụng cho truyền hình tƣơng tự hiện nay.
- Chất lƣợng: truyền hình số có chất lƣợng âm thanh và hình ảnh cao hơn hẳn so với
truyền hình tƣơng tự.
Những đặc điểm trên giúp truyền hình số mặt đất ngày càng phổ biến và
đang thay thế dần truyền hình tƣơng tự. Rất nhiều quốc gia trên thế giới đã số hóa
hoàn toàn tín hiệu truyền hình mặt đất. Tại Việt Nam, đề án số hóa truyền hình mặt
đất cũng đang đƣợc triển khai. Theo lộ trình, đến năm 2020, truyền hình kỹ thuật số
mặt đất sẽ thay thế hoàn toàn truyền hình tƣơng tự mặt đất.
Hình 8.12 mô tả khái quát cấu trúc của một hệ thống truyền hình số mặt đất.
Hình 8.12. Khái quát hệ thống truyền hình số mặt đất
- Studio số: là các trung tâm truyền hình có chức năng thu nhận hoặc tự sản xuất và
lƣu trữ các chƣơng trình truyền hình đã đƣợc số hóa.
101
- Mã hóa nguồn: có chức năng nén dữ liệu nguồn để giảm bớt tốc độ dữ liệu (tốc độ
bit). Việc nén dữ liệu đƣợc hiểu là bỏ bớt một phần dữ liệu thể hiện các thông tin dƣ
thừa hoặc các thông tin lặp đi lặp lại của nguồn dữ liệu số.
- Mã hóa kênh truyền: chèn thêm có các dữ liệu phụ vào luồng dữ liệu cơ sở với
mục đích đồng bộ, thể hiện thông tin chƣơng trình, phát hiện và sửa lỗi trên đƣờng
truyền …
- Điều chế: sử dụng các phƣơng pháp điều chế số cơ sở điều chế luồng dữ liệu phục
vụ cho việc truyền dẫn.
- Giải điều chế: quá trình tách luồng dữ liệu khỏi sóng mang.
- Giải mã kênh truyền: đọc các thông tin đồng bộ, thông tin về chƣơng trình, kiểm
tra và sửa lỗi đƣờng truyền.
- Giải mã nguồn: giải nén và khôi phục lại luồng dữ liệu cơ sở.
- D/A: biến đổi tín hiệu truyền hình dạng số thành dạng tƣơng tự để xuất ra máy thu
hình.
8.4.2. Tiêu chuẩn DVB-T
DVB-T là tiêu chuẩn số hóa tin hiệu truyền hình mặt đất của châu Âu đƣợc
lựa chọn để số hóa truyền hình mặt đất tại Việt Nam. Tiêu chuẩn DVB-T có một số
đặc điểm nhƣ sau:
- Mã hóa nguồn: sử dụng tiêu chuẩn nén MPEG-2 để nén dữ liệu truyền hình số
- Mã hóa kênh truyền: sử dụng hai tầng chống lỗi (phát hiện và sửa sai) đƣờng
truyền là Reed-Solomon (mã ngoài) và mã xoắn Viterbi (mã trong). Mã ngoài đƣợc
ghép vào mỗi gói dữ liệu truyền đi (có chiều dài 188 byte) có chức năng phát hiện
và sửa lỗi cho gói dữ liệu dài. Mã Reed-Solomon có khả năng sửa lỗi hoàn toàn khi tỉ lệ lỗi nhỏ hơn 2.10-4 (cứ 2.104 bit thì có 1 bit lỗi). Mã trong thƣờng đƣợc ghép
chung với dữ liệu theo tỉ lệ n/m (cứ m bit truyền đi thì có n bit mang thông tin). Với
chuẩn DVB-T thì tỉ lệ n/m có thể là: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.
- Truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM với các
kiểu điều chế số cơ sở là: QPSK, 16-QAM và 64-QAM
- Tốc độ bit thông thƣờng là: 24 Mbps, có thể đạt cực đại 31,7 Mbps
102
- Yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/N): lớn hơn 16,7 dB (khi truyền với tốc độ
24Mbps)
Hiện nay, tiêu chuẩn DVB-T đã có phiên bản thứ hai là nâng cấp của phiên
bản đầu tiên, gọi là DVB-T2. Tiêu chuẩn DVB-T2 có một số thay đổi so với DVB-
T. Những thay đổi này nhằm mục đích sử dụng băng tần có hiện quả hơn, tăng
cƣờng khả năng chông nhiễu trong quá trình truyền dẫn tín hiệu và tăng tốc độ
truyền dữ liệu. Một số thay đổi cụ thể nhƣ sau:
- Hai tầng chống lỗi Viterbi-Reed-Solomon đƣợc thay thế bằng LDPC-BCH có khả
năng chống lỗi tốt hơn và có nhiều lựa chọn tỉ lệ mã hóa hơn (có thêm hai tỉ lệ 3/5
và 4/5).
- Bổ sung thêm kỹ thuật điều chế số cơ sở: 256-QAM
- Nâng cao tốc độ dữ liệu: tốc độ thông thƣờng là: 40 Mbps, tốc độ tối đa là: 45,5
Mbps
- Yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn: 10,8 dB (so với 16,7 dB khi truyền với
tốc độ 24 Mbps).
8.5. Truyền hình vệ tinh
8.5.1. Giới thiệu
Việc sử dụng vệ tinh cho hệ thống truyền hình quảng bá đƣợc bắt đầu từ
những năm 70 của thế kỷ XX và phát triển với tốc độ rất nhanh chóng. Điểm khác
biệt lớn nhất của truyền hình vệ tinh so với truyền hình cáp và mặt đất là môi trƣờng
truyền dẫn. Việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình đƣợc thực hiện thông qua một trạm
đặt trên không gian, thông thƣờng là vệ tinh địa tĩnh.
Các thành phần của một hệ thống truyền hình vệ tinh đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ
8.13. Một trạm mặt đất muốn truyền tín hiệu truyền hình sẽ thực hiện phát tín hiệu
lên vệ tinh theo đƣờng lên, gọi là uplink, bằng anten có búp sóng hẹp. Tín hiệu đƣợc
thu nhận tại vệ tinh sẽ đƣợc khuếch đại và dịch chuyển tần số xuống dải tần số phát
xuống qua bộ chuyển đổi, gọi là bộ phát đáp. Tín hiệu đƣợc truyền xuống mặt đất
thông qua đƣờng xuống, gọi là downlink. Vùng mặt đất mà vệ tinh có thể phủ sóng
đƣợc gọi là vệt vệ tinh. Phạm vi của vệt có thể thay đổi tùy thuộc vào công suất bức
xạ của vệ tinh.
103
Hình 8.13. Hệ thống truyền hình vệ tinh
Hình 8.14 mô tả một hệ thống thu tín hiệu truyền hình vệ tinh quảng bá của
đầu cuối gia đình.
Hình 8.14. Hệ thống thu tín hiệu truyền hình vệ tinh của đầu cuối gia đình
104
Khối thu ngoài trời bao gồm bộ nhiễu thấp LNB thƣờng đƣợc đặt ở tiêu điểm
của một thiết bị thu tín hiệu vệ tinh có dạng parabol, còn gọi là chảo parabol. Bộ
LNB có chức năng chính là khuếch đại nhiễu thấp và bƣớc đầu đổi tần tín hiệu
(trong trƣờng hợp này tín hiệu truyền hình vệ tinh quảng bá có dải tần số 12,2 đến
12,7 GHz sẽ đƣợc đổi tần xuống dải tần số 950 đến 1450 MHz). Tín hiệu sau đổi
tần sẽ đƣợc dẫn đến đầu thu vệ tinh bằng cáp đồng trục. Đầu thu có chức năng giải
mã tín hiệu vệ tinh thành tín hiệu truyền hình trƣớc khi đƣa đến máy thu hình.
Do những đặc thù riêng của môi trƣờng truyền dẫn nên truyền hình vệ tinh
có một số ƣu điểm nổi bật nhƣ sau:
- Vì khoảng cách truyền rất lớn, tầm phủ sóng rộng khắp trái đất nên truyền hình vệ
tinh rất thích hợp cho các chƣơng trình quảng bá bên ngoài lãnh thổ một quốc gia
hoặc chƣơng trình tƣờng thuật trực tiếp các sự kiện lớn đến từng quốc gia trên thế
giới.
- Đƣờng truyền vệ tinh không bị ảnh hƣởng bởi điều kiện địa lý, tín hiệu truyền
hình vệ tinh có thể đến với những vùng sâu, vùng xa, đại dƣơng, hải đảo, … những
nơi mà truyền hình cáp và truyền hình mặt đất không thể phủ sóng tới.
Tuy nhiên, truyền hình vệ tinh cũng có những nhƣợc điểm rất đặc trƣng,
trong đó đặc biệt là tác động lớn của nhiễu bên ngoài làm cho chất lƣợng của truyền
hình vệ tinh không tốt nhƣ truyền hình cáp và mặt đất. Các nguồn nhiễu có thể bắt
nguồn từ môi trƣờng truyền dẫn hoặc điều kiện thời tiết mƣa, gió, … Các anten thu
và phát nếu mất đồng chỉnh cũng sẽ làm tín hiệu bị tổn hao đáng kể. Khi vệ tinh đi
vào vùng tối của trái đất, mất nguồn cung cấp điện từ mặt trời, khi đó vệ tinh sẽ sử
dụng nguồn năng lƣợng dự trữ cũng làm cho công suất phát của vệ tinh giảm đi một
phần. Đây cũng là vấn đề mang tính đặc trƣng của vệ tinh.
8.5.2. Băng tần vệ tinh
Vì vệ tinh ở vị trí rất cao so với mặt đất nên sóng điện từ sử dụng trong thông
tin vệ tinh cũng phải có tần số rất cao để có thể xuyên qua tầng khí quyển trái đất.
Những sóng điện từ loại này nằm trong dải tần sóng viba có tần số lớn hơn 1GHz.
Theo tiêu chuẩn quốc tế, các vệ tinh viễn thông sử dụng các dải tần số L (1 –
2GHz), S (2 – 4GHz), C (4 – 8GHz), X (8 – 12GHz), Ku (12 – 18GHz), K (18 –
105
26GHz), Ka (26 – 40GHz) và dải tần số có bƣớc sóng milimet. Trong đó, các dải
tần C và Ku đƣợc sử dụng rộng rãi cho truyền hình. Bảng 8.3 mô tả các dịch vụ ứng
với các băng tần cụ thể.
Bảng 8.3. Băng tần dịch vụ truyền hình vệ tinh
Dịch vụ Băng tần Phát lên (GHz) Phát xuống (GHz)
5,925 – 6,425 3,7 – 4,2 C Truyền thông cố định (FSS) 14,0 – 14,5 11,7 – 12,2 Ku
Ku Truyền thông quảng bá (BSS) 17,3 – 17,8 12,2 – 12,7
Đƣờng truyền dành cho truyền thông quảng bá có công suất lớn nhất, đƣợc
sử dụng cho cả các chƣơng trình truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. Các đƣờng truyền
còn lại có công suất nhỏ hơn, đƣợc sử dụng cho các chƣơng trình truyền hình cố
định.
Từ bảng 8.3 ta thấy, mỗi băng tần đều có băng thông 0,5 GHz (500 MHz)
cho cả đƣờng lên và đƣờng xuống. Băng thông này đƣợc chia thành các băng con,
mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp. Độ rộng băng tần thông thƣờng của bộ
phát đáp là 36 MHz cùng với khoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4 MHz, do đó
băng thông của một bộ phát đáp thƣờng là 40 MHz. Vì vậy, băng tần 500 MHz có
thể đảm bảo cho 12 bộ phát đáp. Bằng cách chỉnh phân cực anten (đứng – ngang,
phải – trái), ta có thể tăng bộ phát đáp lên gấp hai lần, tức là một băng tần có thể có
24 kênh 40 MHz, 12 kênh cho mỗi phân cực. Hình 8.15 cho thấy quy hoạch tần số
và phân cực cho vệ tinh thông tin băng C.
Hình 8.15. Quy hoạch tần số và phân cực băng C
106
8.5.3. Tiêu chuẩn DVB-S
DVB-S là tiêu chuẩn số hóa tín hiệu truyền hình vệ tinh của châu Âu đƣợc
lựa chọn để số hóa tín hiệu truyền hình vệ tinh ở Việt Nam. Cũng giống nhƣ các
tiêu chuẩn DVB-C và DVB-T, DVB-S sử dụng tiêu chuẩn mã hóa nguồn MPEG-2,
mã phát hiện và sửa sai Reed-Solomon và Viterbi, kiểu điều chế số cơ sở là: QPSK,
8-PSK và 16-QAM.
DVB-S2 là tiêu chuẩn thế hệ thứ hai, là phiên bản nâng cấp của DVB-S. Với
việc tăng hệ số điều chế, DVB-S2 cho phép khai thác có hiệu quả hơn băng thông
của một bộ phát đáp. Mã chống lỗi Reed-Solomon và Viterbi trong DVB-S cũng
đƣợc thay thế bằng mã LDPC và BCH trong DVB-S2.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 8
1. Thế nào là luồng dữ liệu cơ sở (ES), luồng dữ liệu cơ sở đóng gói (PES), luồng
chƣơng trình, luồng truyền tải?
2. Giải thích các trƣờng trong tiêu đề (Header) của luồng dữ liệu cơ sở đóng gói
(PES)? Vì sao mỗi PES chỉ có thể mang dữ liệu với dung lƣợng tối đa là 64KB?
3. Giải thích các trƣờng trong tiêu đề (Header) của luồng truyền tải (TS)?
4. Giải thích nguyên lý ghép kênh luồng truyền tải?
5. Trình bày những ƣu điểm nổi bật của truyền hình cáp hữu tuyến.
6. Mô tả khái quát một hệ thống truyền hình số mặt đất.
7. Trình bày những ƣu điểm nổi bật và khuyết điểm của truyền hình vệ tinh.
8. Vì sao sóng mang sử dụng trong truyền hình vệ tinh có tần số rất cao?
107
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đỗ Hoàng Tiến, Dƣơng Thanh Phƣơng, Giáo trình Kỹ thuật truyền hình, Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, năm 2004.
[2]. Vũ Đình Thành, Nguyên lý thông tin tương tự - số, Nhà xuất bản ĐHQG Tp.Hồ
Chí Minh, 2003.
[3]. Hoàng Đình Chiến, Mạch điện tử thông tin, Nhà xuất bản ĐHQG Tp.Hồ Chí
Minh, 2013.
[4]. Lê Tiến Thƣờng, Xử lý số tín hiệu và wavelets, Nhà xuất bản ĐHQG Tp.Hồ Chí
Minh, 2012
[5]. Nguyễn Kim Sách, Truyền hình số có nén và multimedia, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật, 2000
[6]. A. Bruce Carlson, Communication Systems, McGraw-Hill Fourth Edition, 2002.
[7]. European Standard ETSI EN 300 v1.6.1, 2009
108
