Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD radio

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ HUY BÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THU THANH SỐ THEO CHUẨN HD–RADIO Ngành: Công nghệ Điện tử – Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điệ

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ HUY BÌNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THU THANH SỐ

THEO CHUẨN HD–RADIO

Ngành: Công nghệ Điện tử – Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRƯƠNG VŨ BẰNG GIANG

Hà Nội – 2009

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các dữ liệu, kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực

và có nguồn gốc rõ ràng

Tác giả

Lê Huy Bình

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ đã truyền thụ cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt những năm đại học và khóa học cao học Đặc biệt, trong quá trình thực hiện luận văn tôi luôn nhận được sự động viên, hướng dẫn tận tình của TS Trương Vũ Bằng Giang, tôi xin gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc

Xin được cảm ơn Đài Tiếng nói Việt Nam (VOV) đã cung cấp thông tin, phương tiện và tài liệu để tôi hoàn thành bản luận văn này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè cùng các đồng nghiệp của tôi, những người đã luôn bên cạnh cổ vũ động viên và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Hà Nội tháng 4 năm 2009 Tác giả: Lê Huy Bình

Trang 4

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 Tổng quan công nghệ phát thanh số HD-Radio 4

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Giới thiệu chung về công nghệ phát thanh số HD-Radio 5

Chương 2 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC và FM-IBOC 7

2.1 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC 7

2.1.1 Giới thiệu 7

2.1.2 Dạng sóng và phổ tín hiệu 11

2.1.3 Các mode dịch vụ và các lựa chọn hệ thống 15

2.1.4 Kênh logic 15

2.1.5 Các thành phần chức năng 21

2.2 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh số FM-IBOC .26

2.2.1 Giới thiệu 27

2.2.2 Các dịch vụ và các giao thức 28

2.2.3 Dạng sóng và phổ của tín hiệu 30

2.2.3.1 Phân vùng tần số và quy ước phổ 30

2.2.3.2 Hệ thống phát tín hiệu lai 32

2.2.3.3 Dạng tín hiệu lai mở rộng .34

2.2.3.4 Hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số 35

2.2.3.5 Tạp âm và những hạn chế khi phát tín hiệu 38

2.2.4 Cấu hình hệ thống 38

2.2.4.1 Các mode dịch vụ 38

2.2.4.2 Trễ tín hiệu tương tự 39

2.2.4.3 Mức công suất băng biên 40

2.2.5 Kênh logic 40

2.2.5.1 Đặc tính của các thông số 40

2.2.5.2 Chức năng của các thông số 41

2.2.5.3 Ánh xạ phổ 41

2.2.6 Các thành phần chức năng 51

Chương 3 Thiết kế máy thu HD-Radio 58

3.1 Xây dựng sơ đồ khối của máy thu HD-Radio 58

3.1.1 Sơ đồ khối của máy thu truyền thống 58

Trang 5

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy thu HD-Radio 59

3.2 Thiết kế phần cứng của máy thu HD-Radio 62

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý thực hiện máy thu HD-Radio 62

3.2.2 Đầu vào AM/FM – T4260 63

3.2.3 Bộ biến đổi ADC IF – AFEDRI8201 66

3.2.4 Bộ xử lý số băng tần sơ sở – TMS320DRI350 68

3.2.5 Bộ xử lý âm thanh số 70

3.2.5.1 Bộ xứ lý âm thanh số 8 kênh – TAS5508 70

3.2.5.2 Bộ xử lý âm thanh số với hiệu ứng 3 chiều – TAS3103A 74

3.2.6 Khuếch đại công suất âm thanh 76

3.2.6.1 Bộ khuếch đại công suất ra loa – TAS5121DKD 76

3.2.6.2 Bộ khuếch đại công suất cho tai nghe – TPA6100A2 77

3.2.7 Bộ điều khiển trung tâm – ATmega128L 78

3.2.8 Bộ hiển thị thông tin – LCD PG 12864 81

3.2.9 Mạch nguồn 82

3.2.10 Bảng danh sách linh kiện 83

3.3 Phần mềm điều khiển máy thu HD-Radio 84

KẾT LUẬN .85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Trang 6

i

Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AAB (Analog Audio Bandwidth) : Độ rộng băng thông âm

thanh tương tự AAS (Auxiliary Application Service) : Dịch vụ ứng dụng bổ trợ

ADC (Analog-to-Digital Converter) : Bộ biến đổi tương tự số

AFE (Analog Front End) : Khối đầu vào tương tự

AGC (Automatic gain control) : Điều khiển độ lợi tự động

AM (Amplitude Modulation) : Điều biến biên độ

BPF (Band Pass Filter) : Bộ lọc thông dải

DAC (Digital-to-Analog Converter) : Bộ biến đổi số tương tự

DDC (Digital Down Converter) : Bộ biến đổi xuống số hóa

DSP (Digital Signal Processing/Processor) : Xử lý tín hiệu số/ Bộ xử lý tín hiệu số FCC (Federal Communications Commission) : Hiệp hội Viễn thông liên bang (Mỹ) FEC (Forward Error Correction) : Sửa lỗi tiến

FM (Frequency Modulation) : Điều biến tần số

Frequency Synthesizer : Bộ tổng hợp tần số

GCS (Ground Conductive Structure) : Cấu trúc dẫn điện trên mặt đất

I/O (Input/Output) : Đầu vào đầu ra

IBOC (In-Band On-Channel) : Trên băng trong kênh

IDS (IBOC Data System ) : Hệ thống dữ liệu IBOC

IF (Intermediate Frequency) : Trung tần

IF Filter (Intermediate Frequency filter) : Bộ lọc trung tần

LDO (Language Dependent Object) : Đối tượng phụ thuộc ngôn ngữ

LNA (Low noise amplifier) : Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MAC (Medium Access Control) : Tầng MAC

McBSP (Multichannel Buffered Serial Port) : Cổng nối tiếp đệm đa kênh

MF (Medium Frequency) : Tần số trung gian

MPS (Main Program Service) : Dịch vụ chương trình chính

NAB (National Association of Broadcasters ) : Hiệp hội phát thanh quốc gia

NPRM (Notice of Proposed Rulemaking) : Bản thông báo về phát hành luật NSRC (National Radio Systems Committee) : Ủy ban quốc gia về các hệ thống radio OFDM : Ghép kênh theo tần số trực giao

OSC (Oscillator) : Bộ tạo dao động

OSI (Open Systems Interconnection) : Mô hình kết nối các hệ thống mở PDS (Personal Data Service) : Dịch vụ dữ liệu cá nhân

Trang 7

ii

PHY (PHYsical, layer protocol) : Giao thức lớp vật lý

PIDS (Primary IBOC Data Service) : Dịch vụ dữ liệu IBOC chính

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : Bộ điều biến biên độ vuông góc

RBDS (Radio Broadcast Data System) : Hệ thống dữ liệu phát quảng bá radio

RF (Radio Frequency) : Tần số vô tuyến

S/N (Signal-to-Noise Ratio) : Hệ số tín hiệu trên tạp âm

SAP (Service Access Point) : Điểm truy cập dịch vụ

SCA

(Subsidiary Communications Authorization) : Ủy quyền truyền thông phụ trợ

SCCH (System Control Channel) : Kênh điều khiển hệ thống

SDU (Service Data Unit) : Khối dữ liệu dịch vụ

Sideband : Băng biên

SIS (Station Identification Service) : Dịch vụ xác định vị trí

THD+N

(Total Harmonic Distortion plus Noise) : Méo hòa âm tổng cộng + ồn

TI (Texas Instrument) : Hãng linh kiện Texas Instrument VCO (Voltage Controlled Oscillator) : Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VHF (Very High Frequency) : Tần số rất cao

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Tổng quan hệ thống IBOC 6

Hình 2-1 Mô hình phân lớp của AM IBOC 9

Hình 2-2 Sơ đồ khối hệ thống AM IBOC 10

Hình 2-3 Sơ đồ khối tầng RF (AM IBOC) 11

Hình 2-4 Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC lai 12

Hình 2-5 Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số 14

Hình 2-6 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA1 18

Hình 2-7 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA2 18

Hình 2-8 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA3 .19

Hình 2-9 Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA4 .19

Hình 2-10 Các khối chức năng của lớp 1 (AM IBOC) 21

Hình 2-11 Sơ đồ nguyên tắc khối trải tín hiệu 22

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên tắc khối điều khiển hệ thống 23

Hình 2-13 Khối phát tín hiệu OFDM (AM IBOC) 23

Trang 8

iii

Hình 2-14 Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC lai 25

Hình 2-15 Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số.26 Hình 2-16 Sơ đồ khối tầng RF (FM IBOC) 27

Hình 2-17 Sơ đồ khối hệ thống FM IBOC 28

Hình 2-18 Mô hình phân lớp của hệ thống FM IBOC 29

Hình 2-19 Các vùng tần số trong chế độ A 31

Hình 2-20 Các vùng tần số trong chế độ B 31

Hình 2-21 Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng thấp 32

Hình 2-22 Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng cao 32

Hình 2-23 Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai 33

Hình 2-24 Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai mở rộng 34

Hình 2-25 Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC toàn tín hiệu số 36

Hình 2-26 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP1 42

Hình 2-33 Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS1 48

Hình 2-37 Các khối chức năng của lớp 1 (FM IBOC) 52

Hình 2-38 Khối chức năng phát tín hiệu OFDM (FM IBOC) 54

Hình 2-39 Hệ thống truyền dẫn (FM IBOC) 55

Hình 2-40 Khối chức năng trong phần truyền dẫn của hệ thống FM IBOC lai và FM IBOC lai mở rộng 56

Hình 3-1 Sơ đồ khối máy phát radio truyền thống 58

Hình 3-2 Sơ đồ khối máy thu radio truyền thống 58

Hình 3-3 Mô hình hoạt động của hệ thống HD-Radio 59

Hình 3-4 Sơ đồ nguyên lý máy thu HD–Radio 60

Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý thực hiện máy thu HD-Radio 62

Hình 3-6: Sơ đồ khối IC T4260 64

Hình 3-7 Sơ đồ ứng dụng IC T4260 65

Hình 3-8 Sơ đồ khối của AFEDRI8201 67

Trang 9

iv

Hình 3-9 Sơ đồ khối ghép nối AFEDRI8201 67

Hình 3-10 Sơ đồ khối TMS320DRI300 69

Hình 3-11 Sơ đồ khối TMS320DRI350 69

Hình 3-12 Sự khác nhau giữa DRI300 và DRI350 70

Hình 3-13 Sơ đồ khối chức năng của TAS5508 73

Hình 3-14 Khuyến cáo cấu hình kênh TAS5508 + TAS5121 73

Hình 3-15 Sơ đồ khối phần cứng TAS3103A 75

Hình 3-16 Sơ đồ khối chức năng của TAS3103A 75

Hình 3-17 Sơ đồ ứng dụng TAS5121 76

Hình 3-18 Sơ đồ ứng dụng của TPA6100A2 77

Hình 3-19 Sơ đồ chân ATmega128L 80

Hình 3-20 Màn hình LCD PG 12864-B 81

Hình 3-21 Sơ đồ khối chức năng LCD PG 12864 – B 81

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1 Tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống AM Hybrid 13

Bảng 2-2 Tóm tắt đặc tính phổ của hệ thống phát toàn số 14

Bảng 2-3 Qui định của FCC về phổ tần AM 15

Bảng 2-4 Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA1 17

Bảng 2-8 Tóm tắt dạng phổ của tín hiệu FM Hybrid 33

Bảng 2-9 Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống lai mở rộng 35

Bảng 2-10 Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống phát toàn tín hiệu số 37

Bảng 2-11 Quy định về FCC về phổ tần số FM 38

Bảng 2-12 Các dịch vụ được phép trên hệ thống FM IBOC 39

Bảng 3-1 Chức năng các chân của LCD PG 12864-B 81

Bảng 3-2 Bảng danh sách linh kiện cho thiết kế máy thu HD-Radio 83

Trang 10

Trang 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự phát triển vượt trội của các phương tiện truyền thông đại chúng khác so với radio, nhưng chúng ta không thể phủ nhận được tác động mạnh mẽ của radio đối với người nghe Chỉ thua truyền hình về mặt hình ảnh nhưng bù lại những tiện ích của radio thì lớn hơn rất nhiều Với một chiếc radio gọn nhẹ người ta có thể mang nó đi bất kì đâu và có thể nghe được mọi lúc mọi nơi, thêm vào đó giá cả hợp túi tiền Chỉ tính sơ số lượng máy điện thoại di động có tích hợp chức năng radio hay các mẫu xe ô tô được lắp radio cũng có thể thấy sức mạnh của radio vẫn là rất lớn

Trong sự phát triển như vũ bão của công nghệ kỹ thuật số vài thập niên trở lại đây, radio cũng có những bước tiến quan trọng nhằm lấy lại thị phần đã mất bởi các phương tiện truyền thông khác Sự ra đời của radio vệ tinh, radio internet và HD-Radio đã đánh mạnh vào thị hiếu của giới trẻ và các yêu cầu chất lượng ngày càng cao của người nghe Các công nghệ radio kỹ thuật số mới này cung cấp cho người nghe nhiều kênh lựa chọn hơn, chất lượng âm thanh tốt hơn (có thể tương đương chất lượng CD) và các dịch vụ dữ liệu khác Điều này đã mở ra cuộc cách mạng trong ngành phát thanh, nó là cơ hội lớn để các đài phát thu hút nhiều người nghe hơn và tăng doanh thu

HD-Radio là công nghệ phát thanh mới tiên tiến, là một trong trong những bước tiến lớn nhất trong nhiều thập kỉ qua Bản quyền Radio là của iBiquity Digital HD-Radio ra đời nhằm mang lại chất lượng âm thanh và nhiều lựa chọn mới cho các đài phát Công nghệ mới này cho phép các hãng truyền thông sử dụng những sóng hiện tại để đồng thời gửi đi những tín hiệu số và tín hiệu tương tự Theo đó, người nghe

sẽ chỉ cần một bộ thu thanh cũ là có thể tiếp tục thưởng thức các chương trình mà họ yêu thích Để nghe âm thanh tốt hơn và có những lựa chọn khác, người dùng sẽ cần một bộ thu thanh mới Công nghệ mới này cung cấp cho người nghe chất lượng âm thanh FM tương đương với chất lượng CD, còn AM sẽ được nâng cấp lên bằng chất lượng của FM Một đặc tính của HD-Radio làm nó trở nên phổ biến đó là các thông tin như tên bài hát và nghệ sĩ sáng tác, tình trạng giao thông, cập nhật thời tiết, tin tức và những lời cảnh báo khẩn cấp có thể truyền qua màn hình

HD-Radio dần xuất hiện ở rất nhiều nước trên thế giới, trong đó có Đông Nam Á Trên khắp nước Mỹ, hơn 1.500 trạm AM và FM đang phát sóng sử dụng công nghệ HD-Radio và có hơn 700 kênh HD2 miễn phí trên sóng FM HD-Radio xuất hiện lần

Trang 11

Trang 2

đầu tiên ở Pháp vào tháng 4-2006, ở Thái Lan vào tháng 3-2006, ở Philippines vào tháng 11-2005, và xuất hiện ở nhiều quốc gia nữa như Thụy Sĩ, Brazil, NewZealand

…

Các hãng điện tử lớn cũng đưa ra các sản phẩm HD-Radio của mình Các hãng Cambridge, Boston, JVC, Yahama… đều tung ra nhiều model HD-Radio với sự đa dạng về tính năng là giá cả Hãng Sony cũng đã giới thiệu sản phẩm HD-Radio đầu tiên vào tháng 7-2007

Các hãng sản xuất ô tô cũng đã lắp đặt HD-Radio cho các model mới nhất của mình Volvo là nhà sản xuất ô tô đầu tiên tại Mỹ ứng dụng công nghệ HD-Radio kỹ thuật

số trên hầu hết các mẫu xe Hãng Ford đã lắp đặt HD-Radio cho model năm 2008, các model 2005-2007 cũng có thể trang bị HD-Radio Các hãng lớn như Hyundai Corp, BMW AG và Jaguar đã có kế hoạch sử dụng thiết bị này và một số hãng khác cũng đang có kế hoạch tương tự

Lịch sử phát thanh Việt Nam đánh dấu bởi mốc 11h30 phút ngày 7-9-1945, Đài Tiếng nói Việt Nam chính thức cất tiếng chào đời Nội dung buổi phát thanh đầu tiên bằng tiếng Việt bắt đầu bằng câu: “Đây là Tiếng nói của Việt Nam, phát thanh từ Hà Nội, thủ đô nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà” Đến nay tất cả các tỉnh, thành phố trên cả nước đều có đài phát thanh riêng Đài Tiếng nói Việt Nam là đài phát thanh quốc gia,

là cơ quan thuộc Chính phủ, cùng với các đài địa phương thực hiện chức năng thông tin, tuyên truyền đường lối, chính sách của Đảng và pháp luật của Nhà nước, góp phần nâng cao dân trí, phục vụ đời sống tinh thần của nhân dân bằng các chương trình phát thanh Với nhiệm vụ quan trọng như vậy đặt ra yêu cầu cho các đài phát luôn phải không ngừng cải tiến kỹ thuật áp dụng công nghệ tiến tiến để nâng cao chất lượng phát thanh

Công nghệ HD-Radio có nhiều thuận lợi để triển khai tại Việt Nam Các đài phát hoàn toàn có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có, điều này giúp tiết kiệm chi phí chuyển đổi công nghệ Không phải cấp thêm giải tần, các đài phát có thể mở thêm nhiều hệ mới trên cùng băng tần đã có Các đài phát có thể phát song song cả tín hiệu phát thanh kỹ thuật số và tín hiệu phát thanh tương tự Tần số phát thanh là tài nguyên quốc gia và công nghệ HD-Radio cho phép khai thác hiệu quả tài nguyên này

Việc nâng cao chất lượng phát thanh cũng là yêu cầu cấp bách Ngày càng nhiều người nghe nhất là giới trẻ yêu cầu chất lượng âm thanh tốt hơn các dịch vụ dữ liệu

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	420,61 KB