Giáo trình XỬ LÝ TÍN HIỆU AUDIO VÀ VIDEO - Chương 5 pdf

GIỚI THIỆU Máy phát CD nói chung là thiết bị dân dụng dùng để ghi phát audio-video rất quen thuộc với mọi người, hiện nay trên thị trường xuất hiện rất nhiều chủng loại máy CD khác nhau

Chương 5 THIẾT BỊ GHI PHÁT AUDIO VÀ VIDEO

5.1 GIỚI THIỆU

Máy phát CD nói chung là thiết bị dân dụng dùng để ghi phát audio-video rất quen thuộc với mọi người, hiện nay trên thị trường xuất hiện rất nhiều chủng loại máy CD khác nhau, từ những mặt hàng nhập nguyên mẫu từ nước ngoài, đến những hàng lắp ráp sản xuất trong nước, phổ biến nhất là các nhãn hiệu như: Sony, JVC, Califonia…Tuy là các máy có nguồn gốc xuất xứ khác nhau nhưng nhìn chung chúng có những đặc điểm về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động gần giống nhau

So với các máy CD và VCD ra đời trước đây máy hát DVD hiện nay được sử dụng phổ biến nhất Với tính năng kỹ thuật cao và có khả năng đọc được nhiều định dạng đĩa, máy DVD đã trở thành thiết bị quen thuộc nhất ở mọi gia đình

5.2 MÁY PHÁT CD

Máy CD (Compact Disc Player) là thiết bị dùng để phát lại tín hiệu trên đĩa CD-DA Trong các máy CD dân dụng thường chỉ có mạch phát lại tín hiệu mà không có mạch ghi Dựa vào mục đích sử dụng mà máy CD có nhiều chủng loại khác nhau như: máy hát CD gia đình, máy CD dùng trên xe hơi, máy CD xách tay, máy CD kết hợp

5.2.1 Máy CD để bàn

Là loại máy CD dân dụng phổ biến, hình dạng giống như máy cassete, loại máy này có thể là loại sử dụng khay đĩa một đĩa hoặc nhiều đĩa Các đặc trưng cơ bản của máy:

- Loại hệ thống xử lý âm thanh dạng số dùng đĩa compact

- Đĩa thích hợp: đường kính 120mm, dày 1,2mm

- Thời gian phát: 60 đến 75 phút

- Tốc độ quay đĩa theo hệ thống CLV (1,2 đến 1,4 m/s)

- Dạng tính hiệu: tần số lấy mẫu là 44,1Khz

- Số bit lượng tử:16 bit

- Tốc độ truyền: 4,3218Mhz

- Hệ thống điều chế: EFM

- Đầu đọc dùng tia laser bước sóng 780nm

5.2.2 Máy CD dùng trên xe hơi

Là loại máy được trang bị trên các xe hơi đời mới Máy CD này có thể cắm vào dây cấm đưa tín hiệu CD vào hệ thống âm thanh đang sử dụng, vào máy radio cassete, hoặc nó có thể được lắp riêng Các kiểu mới sau này có cả mạch radio AM/FM.Các đặc trưng cơ bản của máy:

- Hệ thống: hệ thống xử lý âm thanh dạng số dùng đĩa compact

- Đĩa thích hợp: đường kính 120mm, dày 1,2mm

- Thời gian phát: 60 đến 75 phút

- Tốc độ quay đĩa: 200 đến 500 vòng/phút

- Đáp tần: 5 đến 20.000Hz, 2 kênh

- Dạng tính hiệu: tần số láy mẫu là 44,1Khz

- Số bit lượng tử: 16 bit

- Hệ thống: hệ thống xử lý âm thanh dạng số dùng đĩa compact

- Đầu đọc dùng tia laser bước sóng 780nm

- Công suất phát tia laser 0,04 mW

- Tốc độ quay đĩa: 200 đến 500 vòng/phút

- Đáp tần: 20 đến 20.000Hz, 2 kênh

- Dạng tính hiệu: tần số lấy mẫu là 44,1Khz

- Số bit lượng tử:16 bit

- Tốc độ truyền: 4,3218Mhz

- Hệ thống điêu chế: EFM

- Nguồn điện sử dụng: 9VDC, pin 6V

5.2.3 Máy CD kết hợp

Là máy CD có kết hợp các mạch xử lý tín hiệu radio AM/FM, mạch cassete, hay các máy sau này có cả chức năng của máy TV

- Hệ thống: hệ thống xử lý âm thanh dạng số dùng đĩa compact

- Số bit lượng tử: 16 bit

- Đầu đọc dùng tia laser bước sóng 780nm

- Hệ thống vệt ghi: loại tùy động 3 tia

- Bộ lọc dạng số: loại vượt mẫu hai lần

- Công suất phát tia laser 0,04 mW

- Tốc độ quay đĩa: 200 đến 500 vòng/phút

- Đáp tần: 0 đến 18Hz, 2 kênh

- Điện áp ngõ ra: 0,95V danh định

- Dạng tính hiệu: tần số lấy mẫu là 44,1Khz

- Tốc độ truyền: 4,3218Mhz

- Hệ thống điêu chế: EFM

5.2.4 Sơ đồ khối và chức năng các khối

Khối RF: nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại

tín hiệu này cấp cho khối servo và xử lý tín hiệu âm thanh

Khối Data strobe: nhận tín hiệu từ khối RF để tách bit clock giải điều chế EFM

để trả lại mã nhị phân 8 bit của tín hiệu nguyên mẫu Ngoài ra khối này còn có nhiệm vụ tách tín hiệu đồng bộ khung để cấp cho mạch Spindle servo

Khối DSP (Digital signal processing): gọi là khối xử lý tín hiệu số nhận tín hiệu từ data strobe cấp cho mạch giải đan xen, sửa sai, và tách mã phụ

Khối xử lý audio: khối này nhận tín hiệu âm thanh từ DSP cấp cho mạch biến đổi D/A Tín hiệu kênh trái và kênh phải ngõ ra được lấy ra nhờ mạch tách kênh gồm hai mạch LPF

Khối servo gồm có 4 mạch servo cơ bản như sau:

Focus servo: nhận tín hiệu từ RF để điều chỉnh cuộn dây hội tụ, làm dịch chuyển vật kính theo phương thẳng đứng để chùm tia hội tụ đúng trên bề mặt CD Tracking servo: khối này nhận tín hiệu từ mạch RF cấp điện áp thay đổi cuộn tracking làm dịch chuyển vật kính theo phương nằng ngang để chùm tia laser luôn đọc đúng các track

Sled servo: nhận tín hiệu điều khiển từ mạch tracking servo để đưa ra điện áp điều chỉnh Sled motor, tạo tác động điều chỉnh cụm quang học theo từng bước trên các track từ phía vùng tâm đĩa ra ngoài Ngoài ra trên máy CD còn trang các hệ thống nạp đĩa hoặc đưa đĩa ra ngoài Toàn bộ vận hành của máy được điều khiển bởi khối vi xử lý

RF Amp Servo amp

Focus Servo

Tracking Servo

Sled Servo

Spindle Servo

Bitclock separate EFM demodulation Sync det

Data strobe

Deinterleave Error correction Sub code

RAM Data Signal

Processing

System control

Loading motor Display Sensor Power

Key matrix

D/A LPF

LPF

L- out

R- out

Head phone

Hình 5.1 Sơ đồ khối máy CD

Spindle servo: nhận tín hiệu phản hồi từ mạch xử lý tín hiệu số cung cấp điện

áp điều khiển vận tốc quay của Spindle motor Khối này phải đảm bảo vận tốc quay đĩa theo hệ thống CLV tức vận tốc dài không đổi nhưng vận tốc gốc thay đổi từ 500 vòng/phút khi cụm quang học ở trong cùng và giảm dần còn 200 vòng/phút khi cụm quang học di chuyển ra ngoài biên

Khối hiển thị: nhiệm vụ hiển thị các chế độ làm việc của máy như thời gian phát bản nhạc, số bản nhạc, đếm số track đang phát

Khối xử lý: nhận tín hiệu từ các khối đưa về để xuất ra các lệnh điều khiển

hoạt động của máy theo các chế độ làm việc tương ứng Ngoài ra, khối xử lý còn có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu: data, clock để giao tiếp với các mạch DSP, mạch servo

5.3 MÁY PHÁT VCD

Máy VCD (Video Compact Disc Player) là thiết bị dùng để phát lại tín hiệu trên đĩa VCD Về cấu tạo, máy VCD có các bộ phận giống như máy CD: cụm quang học, khối RF amp, khối DSP và khối servo Trên thực tế, máy đọc VCD luôn kèm theo chức năng đọc đĩa nhạc CD một cách tự động

Trên máy VCD người ta thiết kế mạch giải nén tín hiệu hình MPEG, mạch đổi tín hiệu hình từ số ra tương tự (video DA) và khối giải mã R,G,B cấp cho ngõ ra video Bên cạnh đó, người ta còn thực hiện các chức năng giải mã âm thanh stereo,

xử lý karaoke, ngắt lời, tăng giảm tone…để cấp cho ngõ audio out Tất cả các tiêu chuẩn của máy CD đều đúng với máy VCD Tuy nhiên, máy VCD còn có các tiêu chuẩn khác như: Tín hiệu NTSC 3,58/PAL (có thể thay đổi được trên mạch giải nén) Mức tín hiệu video ở ngõ ra: 1VPP Trở kháng: 75Ω, không cân bằng Thời gian phát tối đa: 75 phút

Sơ đồ khối

RF Amp Servo

Focus Servo

Tracking Servo

Sled Servo

Spindle Servo

DSP

Data signal processing

MPEG Decoder

Data BCK RLCK

System control

Loading motor Display Sensor Power

Video D/A encod RGB OSD

Video out

DRAM ROM

Video and audio processor

Hình 5.2 Sơ đồ khối máy VCD

5.4 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG MÁY VCD

Dựa vào chức năng hoạt động của các phần tử trong máy, người ta phân chia máy VCD làm 5 khối: khối nguồn, khối cơ, khối tín hiệu, khối vi xử lý và khối servo

5.4.1 KHỐI TÍN HIỆU

Do tín hiệu video có dải tần rộng và dung lượng dữ liệu lớn nên trước khi ghi tín hiệu lên đĩa người ta phải tiến hành nén phổ tần lại cho thích hợp, trong quá trình phát lại người ta phải tiến hành giải nén tín hiệu Sơ đồ khối mạch giải nén tín hiệu khi phát lại được biểu diễn ở hình 5.4

Hiện nay, người ta đã thống nhất tiêu chuẩn nén hình trong VCD là MPEG-1 với hình ảnh có độ phân giải là 252×288 và tần số quét dọc là 25Hz đối với hệ PAL,

độ phân giải 352×240 và tần số quét dọc là 30Hz đối với hệ NTSC

Máy VCD có khả năng đưa ra hình ảnh có hệ màu PAL và NTSC nhờ sự can thiệp vào phím ấn đổi hệ trên remote control hoặc phím trước mặt máy Vì vậy, khi

sử dụng máy VCD ta không cần quan tâm đến hệ màu và tiêu chuẩn dòng quét, tần

số quét, bản thân đĩa VCD cũng không phân biệt các chuẩn này Việc đổi các chuẩn

sẽ được thực hiện bởi các mã thông tin trên các đường dữ liệu mà khối giải mã MPEG nhận được

Laser Pickup Amp RF DSP

MPEG Video Decoder

Video DAC

RGB Encoder R,G,B

OSD Data clock

RF converter

(μp)

Video out

Video out

Mạch xử

lý audio

Hình 5.3 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu video trong máy VCD

ƒ Khối giải nén MPEG video

Khối giải nén MPEG làm nhiệm vụ giải nén tín hiệu video và audio khi phát lại, do trong lúc ghi cả hai tín hiệu này cùng được nén và ghi lên VCD Khối giải nén cũng là bộ phận khác nhau căn bản giữa máy CD và VCD

Tín hiệu từ khối DSP cấp cho khối giao tiếp chủ (host interface) theo ba đường tín hiệu, sau đó cấp cho khối DRAM controller, tại khối này có nhiều đường data

(dữ liệu), address (địa chỉ), điều khiển (control) liên lạc với bộ nhớ RAM ở bên ngoài Cuối cùng, khối video display là khối giao tiếp với mạch D/A của bộ phận hình ảnh

DRAM controller

Host interface

Video display unit

MPEG decording

Internal processor

Colour space converter

Data FIFO

Data control

Data

BCK

LRCK

DRAM BUS

Hình 5.4 Sơ đồ khối mạch MPEG

ƒ RAM và ROM sử dụng trong máy VCD

DRAM (Dynamic Random Access Memory): bộ nhớ truy xuất trực tiếp loại

động, gọi tắt là RAM động Các bộ nhớ RAM động sử dụng trong VCD thường có dung lượng từ 1M đến 16Mbyte, trong khi đó bộ nhớ ROM thường được sử dụng với dung lượng khoảng 1Mbyte Chúng thường sử dụng kèm với mạch giải nén MPEG để lưu trữ dữ liệu và tăng tốc độ xử lý trên IC giải nén

MPEG DECODER

Hình 5.5 Sơ đồ giao tiếp IC ROM và MPEG

ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc, ROM sử dụng trong VCD thường có dung lượng nhỏ hơn DRAM, chúng cũng được liên lạc trực tiếp lên khối giải nén video Các chân địa chỉ A (address) có thể là các tuyến địa chỉ nhớ MA (memory address) hoặc dữ liệu nhớ MD (memory tata) liên lạc với mạch giải nén

ƒ Khối RGB-DAC

Khối RGB-DAC có nhiệm vụ chuyển đổi các bit dữ liệu chứa hình ảnh bao gồm các thông tin về chói, màu, đồng bộ…thành tín hiệu dạng tương tự để có thể

cung cấp cho ngõ vào của máy thu hình (màn hình thử) Sơ đồ khối của mạch DAC được thể hiện như hình 5.6

RGB-Thông thường người ta đưa dữ liệu theo ba tuyến khác nhau, mỗi tuyến chứa

8-16 bit đổi thành các tín hiệu R,G, B dạng tương tự

Khối giải mã RGB có nhiệm vụ lấy các tín hiệu R,G,B dạng tương tự tại ngõ ra

để tái tạo các tín hiệu truyền hình, các tín hiệu đồng bộ ngang (H.sync), đồng bộ dọc (V.sync)

ƒ Khối giải ném âm tần

Trong máy đọc đĩa hình, ngoài khối giải nén tín hiệu hình, người ta thiết kế khối chức năng giải nén tín hiệu âm thanh nhằm tái tạo tín hiệu âm thanh đã được nén cùng với tín hiệu hình Sơ đồ khối của khối giải nén âm tần như hình 5.7

MPEG AUDIO

MPEG

LPF

LPF D/A

RAM

L out

R out

Hình 5.7 Sơ đồ khối mạch giải nén âm tần

Ngõ ra tín hiệu âm thanh này được lấy từ dữ liệu của khối giải nén hình ảnh MPEG, sau đó được xử lý giải nén, chuyển đổi D/A, tách hai kênh trái phải riêng biệt sau đó khuếch đại cấp cho hai ngõ audio out L-R Ngoài ra, trên khối giải nén

âm tần người ta còn thực hiện các chức năng dành cho karaoke bao gồm các tầng mix giữa các ngõ vào micro và âm nhạc nền, tăng âm tone cho phần mic…

ƒ Khối vi xử lý chủ

Khối vi xử lý chủ (host μcom) trên máy đọc VCD có nhiệm vụ giao tiếp với khối giải nén hình thông qua các đường liên lạc HA (host address), HD (host data)

Giao tiếp với khối giải nén âm thanh, giao tiếp với các bộ nhớ ROM/RAM và giao tiếp với khối vi xử lý chính của máy

5.4.2 KHỐI NGUỒN

Khối nguồn trong máy VCD làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho tất cả các khối trong máy hoạt động, bằng cách tạo ra các mức điện áp thích hợp cung cấp cho các mạch điện Dựa vào nguyên lý làm việc ta phân khối nguồn ra làm hai loại

- Nguồn AT (all time): là nguồn xuất hiện ngay khi cấp điện vào không chịu

sự tác động điều khiển của vi xử lý Ví dụ như nguồn cấp cho IC vixử lý,

5.4.2.1 Khối nguồn ổn áp tuyến tính

Mạch nguồn ổn áp tuyến tính là mạch nguồn thường được sử dụng trong các thiết bị xử lý âm thanh như máy cassette, biến thế thường được cấu tạo từ những cuộn dây và lõi sắt (sillic) Phần tử điều hòa điện áp là các phần tử tuyến tính: transistor, zener, IC ổn áp…Sơ đồ khối như hình 5.8

+ _

Hình 5.8 Sơ đồ khối nguồn ổn áp tuyến tính

Ưu điểm của loại nguồn này là cấu tạo đôn giản dể chế tạo dể sửa chữa, có độ

ổn định cao do tần số điện áp ngõ vào và ra khi chưa chỉnh lưu là không đổi, có thể chế tạo bộ nguồn có công suất lớn

Nhược điểm loại nguồn này là biến thế kích thước lớn bất tiện sử dụng

Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý nguồn ổn áp tuyến tính

5.4.2.2 Khối nguồn ổn áp xung

Nguồn ổn áp xung là nguồn có phần tử điều hòa điện áp là xung dao động tạo

ra từ mạch dao động điều khiển Sơ đồ khối nguồn ổn áp xung như biểu diễn ở hình 5.10

Hình 5.10 Sơ đồ khối nguồn ổn áp tuyến tính

Nguyên tắc thực hiện: trong thời gian khoá đóng cuộn dây cấp dòng từ nguồn qua tải (RL).Trong thời gian khóa mở cuộn dây xả dòng theo chiều ngược lại qua

RL và qua D, switch đóng mở là một khóa điện đóng mở theo xung điều khiển

Điều khển

từ vi xử lý

+V out +V in

Ưu điểm: nguồn có tầm ổn áp lớn, biến thế kích thước nhỏ tiện lợi sử dụng, cho nên hầu hết các thiết bị điện tử sau này thường sử dụng nguồn ổn áp xung

Nhược điểm: nguồn có cấu tạo phức tạp khó chế tạo khó sửa chữa, có độ ổn định không cao, thường xuyên gây nhiểu do luôn thay đổi ở mạch dao động

Về nguyên tắc người ta thực hiện ổn áp xung theo 3 phương pháp như sau:

ƒ Phương pháp thay đổi tần số

Trong phương pháp này điện áp ngõ ra được thay đổi bằng cách giữnuyên thời gian TON, nhưng thay đổi thời gian TOFF Phương pháp này còn gọi là phương pháp thay đổi tần số xung

T ON T OFF

Nhược điểm của phương pháp này là khi tần số thay làm cho các tải có tần số thay đổi theo dẫn đến độ gợn són sẽ thay đổi trong quá trình làm việc, bởi vì khi tính toán thiết kế các linh kiện người ta chỉ căn cứ vào đáp ứng tần số ở một giá trị nhất định

Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý nguồn ổn áp xung

ƒ Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Với phương pháp nàyy người ta giữ nguyên tần số của xung đóng mở, nhưng thay đổi thời gian TON Đây là phương pháp rất phổ biến thường hay được sử dụng

vì mạch này hoạt động ổn hơn

Trong nguồn ổn áp xung ta thấy có phần tử tạo dao động, phần tử đóng ngắt, phần tử lọc nhiễu và đặc biệt là cầu chỉnh lưu nằm trước biến thế

Sau mạch chỉnh lưu ta thấy có các tụ lọc gợn có kích thước lớn Dựa vào giá trị điện áp danh định ghi trên tụ mà ta có thể suy đoán được các mức áp trên mạch mà

ta đang dò Ví dụ tụ hoá có giá trị 2200μF/16V thì ta suy ra mức điện áp trên hai đầu tụ có thể là 12V và không vượt quá 16V Trong mạch nguồn ta còn thấy các phần tử ổn áp như transistor, IC ổn áp, diode zenner

5.4.3 KHỐI SERVO

Khối servo trong máy CD gồm có bốn mạch servo chính: focus servo, tracking

servo, sled servo, spindle servo, làm nhiệm vụ điều chỉnh vận tốc quay và pha quay của các motor, đồng thời điều chỉnh chùm tia laser của đầu đọc, đảm bảo cho việc ghi phát tín hiệu trên CD luôn được trung thực

5.4.3.1 Mạch Focus servo

Sơ đồ mạch focus servo như biểu diễn ở hình 5.12 Khối này nhận tín hiệu từ

RF, điều chỉnh cuộn dây hội tụ, làm dịch chuyển vật kính theo phương thẳng đứng

để chùm tia hội tụ đúng trên bề mặt CD để tín hiệu phát lại là trung thực nhất

Tùy thuộc vào vị trí của vật kính so với CD mà chùm sáng có các hình dạng khác nhau Cường độ sáng nhận được từ các diode A+C và B+D được đưa đến mạch khuếch đại so sánh để tạo ra tín hiệu sai lệch hội tụ (FE), sau đó đến mạch so pha, mạch khuếch đại thúc cấp điện áp sai lệch cho cuộn dây hội tụ sẽ tạo ra từ trường di chuyển vật kính theo phương thẳng đứng sao cho khoảng cách của vật kính đúng với bề mặt CD để chùm tia hội tụ lên CD thành một điểm cực nhỏ khi đó tín hiệu phát lại là trung thực nhất

Hình 5.12 Sơ đồ khối mạch Focus servo máy VCD

Khi khoảng cách vật kính đúng với CD thì chùm sáng hội tụ lên các diode cảm quang là vệt sáng hình tròn, khi đó cường độ sáng nhận được của A+C=B+D làm cho áp sai lệch hội tụ tạo ra từ mạch khuếch đại so sánh bằng 0, tức là vật kính đã đúng không cần điều chỉnh

Khi khoảng cách vật kính quá gần với CD thì chùm sáng hội tụ lên các diode cảm quang là vệt sáng hình elip đứng, khi đó cường độ sáng nhận được của diode A+C > B+D làm cho áp sai lệch hội tụ tạo ra từ mạch khuếch đại so sánh có giá trị dương (+), điện áp này cấp cho cuộn dây tạo từ trường di chuyển vật kính xa CD

Khi khoảng cách vật kính quá xa với CD thì chùm sáng hội tụ lên các diode cảm quang là vệt sáng hình elip ngang, khi đó cường độ sáng nhận được của diode

C

D

I/V converter

I/V converter A + C

+ _ Focus Error

Laser

diode

Pit

Đĩa compact Tia chính

Phase correc Drive

Focus coil