Giáo trình Kỹ thuật audio và video tương tự - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Giáo trình Kỹ thuật audio và video tương tự cung cấp cho người học các kiến thức: Tổng quan về hệ thống audio và video tương tự, hệ thống thu và phát thanh tương tự, hệ thống thu và phát hình trắng đen, hệ thống thu phát hình màu.

Lời nói đầu

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn.Phương pháp chung là phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin qua không gian bằngsóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ, xử lý và khôi phục lại tín hiệu gốc Về lịch sửcủa thông tin vô tuyến, vào đầu thế kỷ này Marconi đã thành công trong việc liên lạcvô tuyến qua Đại Tây dương, Kenelly và Heaviside đã phát hiện ra là tầng điện ly cóthể dùng làm vật phản xạ sóng điện từ Những yếu tố đó đã mở ra một kỷ nguyên thôngtin vô tuyến cao tần đại quy mô Vào năm 1960, phương pháp chuyển tiếp qua vệ tinh

đã được thực hiện và phương pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lưu của khíquyển đã xuất hiện Do những đặc tính ưu việt của mình, như dung lượng lớn, phạm vithu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến nói chung và kỹ thuật audio - videotương tự nói riêng đã được sử dụng rất rộng rãi trong phát thanh truyền hình quảng bá

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin khác nhưthông tin di động, vi ba số, cáp quang, thông tin vệ tinh.v.v, kỹ thuật audio-video tương

tự vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng và được phát triển ngày càng hoàn thiện vớinhững công nghệ đáp ứng được những đòi hỏi không những về mặt kết cấu mà cả vềmặt truyền dẫn, xử lý tín hiệu, bảo mật thông tin

Môn học Kỹ thuật audio-video gồm hai học phần: Kỹ thuật audio-video tương

tự và Kỹ thuật audio-video số Đây là hai môn học cơ sở trong chương trình đào tạo kỹsư ngành Công nghệ điện, điện tử của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định.Giáo trình được xây dựng phục vụ cho công tác đào tạo kỹ sư ngành Công nghệ Kỹthuật điện, điện tử, là tài liệu phục vụ cho việc học tập của sinh viên và tạo sự thốngnhất trong qúa trình giảng dạy

Giáo trình “Kỹ thuật audio và video tương tự” được xây dựng và biên soạn dựatrên các tài liệu tham khảo đã được liệt kê ở trang cuối của giáo trình Nội dung giáotrình đề cập đến những kiến thức cơ bản về kỹ thuật audio và video tương tự Ngoài ragiáo trình còn giới thiệu về một số mạch điện nguyên lý để sinh viên có thể tham khảo,nghiên cứu và vận dụng trong thực tế Cuối mỗi chương có các câu hỏi ôn tập để sinhviên có thể chủ động trong quá trình nghiên cứu và ôn thi kết thúc môn học Giáo trìnhgồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống audio và video tương tự

Chủ biên Th.s Trần Thái Sơn

Mục lục

Lời nói đầu 1

Ký hiệu các từ viết tắt 12

Chương 1 Tổng quan về hệ thống Audio và Video tương tự 1.1 Khái quát về tín hiệu tương tự .14

1.2 Đặc điểm hệ thống tín hiệu audio tương tự 15

1.2.1 Âm thanh tự nhiên 15

1.2.2 Tái tạo âm thanh điện tử 16

1.2.3 Thu âm 17

1.2.4 Tín hiệu audio tương tự 18

1.3 Đặc điểm hệ thống tín hiệu video tương tự 21

1.3.1 ảnh tự nhiên 21

1.3.2 Tín hiệu video tương tự 24

1.4 Câu hỏi ôn tập chương 1 29

Chương 2 Hệ thống thu - phát thanh tương tự 2.1 Những vấn đề chung về thu - phát thanh 30

2.1.1 Sóng điện từ và quá trình lan truyền sóng điện từ .30

2.1.2 Hệ thống thu - phát thanh 34

2.1.3 Khái niệm máy thu thanh 34

2.2 Hệ thống thu - phát thanh AM 37

2.2.1 Điều chế AM 37

2.2.2 Giải điều chế AM 43

2.2.3 Máy phát thanh AM 44

2.2.4 Máy thu thanh AM 45

2.2.5 Ưu nhược điểm của phát thanh AM 47

2.3 Hệ thống thu - phát thanh FM 48

2.3.1 Điều chế FM 48

2.3.2 Giải điều chế FM 50

2.3.3 Máy phát thanh FM 51

2.3.4 Máy thu thanh FM 53

2.3.5 Ưu nhược điểm của phát thanh FM 57

2.4 Các mạch điện cơ bản trong máy thu thanh 57

2.4.1 Mạch khuếch đại cao tần 57

2.4.2 Mạch đổi tần 59

2.4.3 Mạch khuếch đại trung tần 63

2.4.4 Mạch tách sóng 66

2.4.5 Sơ đồ nguyên lý máy thu thanh 74

2.5 Câu hỏi ôn tập chương 2 78

Chương 3 Hệ thống thu - phát hình đen trắng 3.1 Nguyên tắc truyền hình ảnh 79

3.1.1 ánh sáng, màu sắc và sự cảm thụ của mắt 79

3.1.2 Đặc tính của mắt người 80

3.1.3 Nguyên lý truyền hình ảnh 81

3.2 Dạng phổ của tín hiệu truyền hình 87

3.3 Dải thông tín hiệu truyền hình 88

3.3.1 Cấu trúc dải thông tín hiệu truyền hình 88

3.3.2 Cấu trúc kênh truyền hình 89

3.4 Tín hiệu hình tổng hợp 92

3.4.1 Dạng sóng tín hiệu hình tổng hợp 92

3.4.2 Xung đồng bộ và xung cân bằng 93

3.5 Sơ đồ khối máy phát hình đen trắng 94

3.5.1 Sơ đồ khối 94

3.5.2 Nguyên lý hoạt động 94

3.6 Sơ đồ khối máy thu hình đen trắng 96

3.6.1 Sơ đồ khối 96

3.6.2 Nguyên tắc hoạt động 96

3.7 Sơ đồ nguyên lý máy thu đen trắng 99

3.7.1 Sơ đồ nguyên lý TV SamSung BT 359R 99

3.7.2 Nguyên lý hoạt động 99

Chương 4 Hệ thống thu - phát hình màu 4.1 Những vấn đề cơ bản của truyền hình màu 103

4.1.1 Lý thuyết 3 màu cơ bản 103

4.1.2 Nguyên tắc truyền hình màu 107

4.1.3 Lựa chọn các tin tức truyền đi trong truyền hình màu 113

4.1.4 Tọa độ màu 118

4.1.5 Tạo các tín hiệu hiệu màu 119

4.2 Hệ truyền hình màu NTSC 120

4.2.1 Khái quát về hệ màu NTSC 120

4.2.2 Hệ tọa độ V, U và I, Q 121

4.2.3 Lựa chọn tần số sóng mang màu 122

4.2.4 Điều biên nén (SAM ) 124

4.2.5 Giải điều biên nén (SAM) 126

4.2.6 Điều chế vuông góc 127

4.2.7 Mã hoá hệ màu NTSC 128

4.2.8 Giải mã màu hệ NTSC 130

4.2.9 Kết luận về hệ NTSC 131

4.3 Hệ màu PAL 132

4.3.1 Khái quát về hệ PAL 132

4.3.2 Mã hoá PAL 135

4.3.3 Giải mã PAL 136

4.3.4 Kết luận về PAL 138

4.4 Sơ đồ khối của máy thu hình màu 139

4.4.1 Sơ đồ khối 139

4.4.2 Nguyên lý hoạt động 139

4.4 Các mạch điện cơ bản trong máy thu hình màu 141

4.5.1 Khối nguồn 141

4.5.2 Khối quét dòng 144

4.5.3 Khối quét mành 153

4.5.4 Khối cao tần ( Tuner) 157

4.5.5 Khối khuếch đại trung tần 159

4.5.6 Khối xử lý tín hiệu chói 162

4.5.7 Khối xử lý tín hiệu màu 166

4.5.8 Khối khuếch đại công xuất (KĐCS) sắc 168

4.5.9 Các mạch điện bổ trợ 171

4.6 Câu hỏi ôn tập chương 4 174

Danh mục tài liệu tham khảo 175

DANH MụC HìNH Vẽ

Chương 1

Hình 1.1a Dạng sóng tín hiệu tương tự; b Dạng sóng tín hiệu sốHình l.2 Hệ thống tái tạo âm thanh điện tử

Hình 1.3 Micro đổi sóng âm thanh thành tín hiệu âm tần

Hình 1.4 Đồ thị đặc tuyến biên độ tần số audio điển hình

Hình 1.5 Hệ thống tái tạo ảnh điện tử

Hình 1.6 Dạng sóng tín hiệu video NTSC

Hình 1.7 Các ảnh kiểm tra và dạng sóng kiểm tra đặc tuyến tần sốHình 1.8 Đồ thị kiểm tra hình nêm

Hình 1.9 ảnh kiểm tra thang xám

Hình 1.10 Các tín hiệu thanh màu RGB và ảnh

Hình 1.11 Đồ thị hình tròn(a) và hình lưới (b)

Chương 2

Hình 2.1 Phổ tần số vô tuyến và miền ứng dụng

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thu phát thanh

Hình 2.3 Phổ của sóng điều chế

Hình 2.4 Nguyên lý điều chế AM

Hình 2.5 Phổ tín hiệu điều biên cơ bản

Hình 2.6 Phổ tín hiệu điều biên thực tế

Hình 2.7 Đặc tính điều chế tĩnh

Hình 2.8 Đặc tính biên độ tần số

Hình 2.9 Mạch điều biên dùng phần tử tuyến tính

Hình 2.10 Sơ đồ khối mạch điều chế theo phương pháp lọc

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điều chế đơn biên theo phương pháp quay phaHìmh 2.12 Sơ đồ khối máy phát thanh AM

Hình 2.13 Sơ đồ khối của máy thu đổi tần AM

Hình 2.14 Dạng sóng và phổ tần tín hiệu FM

Hình 2.15 Đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng

Hình 2.16 Nguyên lý phát thanh FM

Hình 2.17 Sơ đồ khối hệ thống phát thanh FM mono

Hình 2.18 Sơ dồ khối máy phát thanh FM Stereo

Hình 2.19 Phổ của tín hiệu FM Stereo

Hình 2.20 Sơ đồ khối máy thu thanh FM mono

Hình 2.21 Hệ số truyền đạt

Hình 2.22 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo

Hình 2.23 Sơ đồ mạch khuếch đại cao tần máy thu AMHình 2.24 Mạch đổi tần dùng 2 transistormáy thu AMHình 2.25 Mạch đồng chuẩn thống nhất

Hình 2.26 Mạch đổi tần máy thu RISING, Model RC-1616Hình 2.27 Bộ đổi tần máy thu SHARP RX-C939S

Hình 2.34 Đặc tuyến của diode và đồ thị của tín hiệu

Hình 2.35 Đồ thị thời gian của tín hiệu sau tách sóng

Hình 2.36 Mạch tách sóng dùng phần tử tuyến tính tham sốHình 2.37 Mạch tách sóng tần số lệch cộng hưởng

Hình 2.38 Mạch tách điều tần kiểu ghép đôi

Hình 3.9 Bố trí kênh truyền theo tiêu chuẩn OIRT hoặc CCIR

Hình 3.10 Bố trí kênh truyền theo tiêu chuẩn FCC

Hình 3.11 Dạng sóng tín hiệu hình tổng hợp

Hình 3.12 Xung đồng bộ và xung cân bằng

Hình 3.13 Sơ đồ khối máy phát hình đen trắng

Hình 3.14 Sơ đồ khối máy thu hìmh đen trắng

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý TV SamSung BT 359R

Chương 4

Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống thị giác

Hình 4.2 Phương pháp trộn 3 màu cơ bản

Hình 4.3 Hệ thống lọc màu loại hấp thụ

Hình 4.4 Hệ thống lọc màu loại giao thoa

Hình 4.5 Lăng kính lọc màu

Hình 4.6 Sơ đồ khối hệ thống phát tín hiệu mà cơ bản

Hình 4.7 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu truyền hình màu

Hình 4.8 Tính kết hợp giữa truyền hình màu và truyền hình đen trắngHình 4.9 Đèn hình đen trắng và đèn hình màu

Hình 4.10 Tạo tín hiệu hình đen trắng

Hình 4.11 Bảng chuẩn sọc màu đối với máy thu đen trắng

Hình 4.12 Các mức biên độ tín hiệu chói

Hình 4.13 Quãng biến thiên biên độ theo bảng chuẩn sọc màu

Hình 4.14 Tọa độ màu

Hình 4.15 Mạch tạo các tín hiệu chói và sắc

Hình 4.16 Quan hệ giữa trục I, Q và trục R-Y, B-Y

Hình 4.17 Tọa độ màu theo NTSC

Hình 4.18 Tín hiệu đồng bộ màu

Hình 4.19 Mạch điều biên cân bằng dùng TZT

Hình 4.20 Đồ thị thời gian dạng sóng điều biên nén

Hình 4.21 Mạch giải điều biên nén

Hình 4.22 Dạng sóng mạch giải điều biên nén

Hình 4.23 Điều chế hai tín hiệu màu

Hình 4.24 Sơ đồ mạch mã hoá NTSC

Hình 4.25 Tín hiệu hình màu tổng hợp NTSC

Hình 4.26 Dải tần của tín hiệu hình tổng hợp hệ NTSC

Hình 4.27 Sơ đồ khối mạch giải mã NTSC

Hình 4.28 Toạ độ màu hệ PAL

Hình 4.29 Phổ tín hiệu màu PAL

Hình 4.30 Tín hiệu đồng bộ màu hệ PAL

Hình 4.31 Sơ đồ khối mạch mã hoá PAL

Hình 4.32 Sơ đồ khối mạch giải mã hệ PAL

Hình 4.33 Tín hiệu video tổng hợp và giải tần hệ PAL

Hình 4.34 Sơ đồ khối máy thu hình màu

Hình 4.35 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn máy Daewoo

Hình 4.36 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Tivi model 6483Hình 4.37 Sơ đồ khối quét dòng

Hình 4.38 Mạch tách xung đồng bộ TV SAMSUNG BT-359RHình 4.39 Đặc tuyến làm việc của transistor chế độ hạn biênHình 4.40 Mạch tích phân và dạng sóng vào, ra của mạch 146Hình 4.41 Mạch vi phân và dạng sóng vào, ra của mạch

Hình 4.48 Cuộn lái ngang và lái dọc

Hình 4.49 Sơ đồ cấu trúc trong IC công suất dọc

Hình 4.50 Sơ đồ nguyên lý khối quét dọc

Hình 4.51 Sơ đồ khối khối cao tần

Hình 4.52 Mạch nguyên lý khối cao tần SONY KV 1487Hình 4.53 Sơ đồ khối trung tần

Hình 4.54 Mạch khuếch đại trung tần JVC C1490M

Hình 4.55 Sơ đồ khối mạch xử lý tín hiệu chói.

Hình 4.56 Mạch Khuếch đại chói Tivi JVC C-1490M

DANH MôC B¶NG BIÓU

B¶ng 2.1 Ký hiÖu vµ ph©n chia b¨ng tÇn theo CCIRB¶ng 2.2 TÝnh n¨ng c¸c ch©n IC CD1191

B¶ng 3.1 C¸c tham sè cña hÖ thèng truyÒn h×nhB¶ng 3.2 B¨ng LHF vµ VHF (49,75 MHz÷300 (MHz)B¶ng 3.3 B¨ng UHF (300 MHz÷960 MHz)

B¶ng 4.1 Céng tÝn hiÖu t¹i c¸c dßng quÐt

Ký hiệu các từ viết tắt

SIF 2 2ndSound Intermedium Frequency Trung tần tiếng thứ 2

ABL Autormatic Bright limited Tự động hạn chế độ sáng

ALC Autormatic Level Control Tự động điều chỉnh mứcAF-AMP Audio Fgrequency Amplifier Khuếch đại âm tần

AFC Autormatic Frequency Comparator Tự động so tần

AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh độ lợi

CCIR Comite Consultatif International des Ratio

Communication Uỷ ban tư vấn thông tin quốctếCIE International Commission on illumination Uỷ ban quốc tế về chiếu sáng

EHF Extremely Hight Fryquencies Các tần số cực kỳ cao

ELF Extremely Low fryquencies Các tần số cực kỳ thấp

FCC Federal Communication Commission Uỷ ban viễn thông liên bang

FM.Det Frequency Modulation Detection Tách sóng điều tần

HDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải cao

IF AMP Intermediate Fryquency Amp Khuếch đại trung tần

NTSC National Television System Committee Hiệp hội tiêu chuẩn truỳên

hình quốc tếPAL Phase Alternating Line Pha thay đổi lần lượt theo

từng dòng

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

RF AMP Radio fryquency Amplifyer Khuếch đại cao tần

SAM Suppress Amptitude Modulator Điều biên nén

SAW Surface Acoustics Wave Sóng âm truyền lan trên bề mặtSECAM Sequential Color with Memory Truyền lần lượt có nhớ

SHF Super Hight Fryquencies Các tần số siêu cao

SNR Signal Noise Rate Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

Sync Sep Synchronous Separate Tách xung đồng bộ

UHF Ultra Hight Fryquencies Các tần số cực cao

VCO Voltage Controlled Oscillator Dao động điều khiển bằng điện áp

VHF Very Hight Fryquencies Các tần số rất cao

VLF Very Low Fryquencies Các tần số rất thấp

Chương 1

Tổng quan về hệ thống Audio và Video tương tự

1.1 Khái quát về tín hiệu tương tự.

Kỹ thuật điện tử là một trong những công cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹthuật trình độ cao (tự động hoá, tin học hoá, phương pháp công nghệ và vật liệumới ) Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo các thuật toán khácnhau Chúng có thể được phân loại theo dạng tín hiệu được xử lý Tín hiệu là số đo(điện áp, dòng điện) của một quá trình Sự thay đổi của tín hiệu theo thời gian tạo ra tintức hữu ích Trên quan điểm kỹ thuật người ta chia ra làm hai loại tín hiệu: tín hiệutương tự và tín hiệu số

Tín hiệu tương tự: là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian và biên độ có thể

nhận mọi giá trị trong khoảng biến thiên đó (hình 1.1a)

Tín hiệu số: là tín hiệu rời rạc hoá theo thời gian, biên độ chỉ lấy một số hữu hạn

giá trị trong khoảng biến thiên của nó mà thôi (hình 1.1b)

Hình 1.1a Dạng sóng tín hiệu tương tự; b Dạng sóng tín hiệu số

Để xử lý hai loại tín hiệu tương tự và số người ta dùng hai loại mạch cơ bản:mạch tương tự và mạch số Các mạch điện tử có thể sử dụng các thuật toán sau: khuếch

đại, dao động, điều chế, tách sóng, chỉnh lưu, điều khiển, tính toán (cộng, trừ, nhân,chia, tích phân, vi phân ) Trong nội dung của giáo trình này chỉ đề cập đến các mạch

điện tương tự, các mạch xử lý tín hiệu số sẽ được nghiên cứu trong giáo trình “Kỹthuật audio và video số”

Đối với mạch tương tự, người ta thường quan tâm đến hai tham số chủ yếu đó làbiên độ tín hiệu và độ khuếch đại tín hiệu Biên độ tín hiệu liên quan mật thiết đến độchính xác của quá trình xử lý tín hiệu và xác định mức độ ảnh hưởng của nhiễu đến hệ

U max

U

t

1 0

U

t

U min

thống Khi biên độ của nhiễu nhỏ cỡ mV hoặc àV thì nó có thể lấn át tín hiệu Vì vậykhi thiết kế các hệ thống điện tử cần lưu ý nâng cao biên độ tín hiệu ngay ở tầng đầucủa hệ thống Khuếch đại tín hiệu là chức năng quan trọng nhất của các mạch tương tự.

Nó được thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp trong các phần tử chức năng của hệ thống.Thông thường trong một hệ thống tương tự, người ta phân biệt các tầng xử lý tín hiệuriêng và các tầng khuếch đại công suất và điện áp riêng

Trong gần hai thập kỷ qua, do sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán, các mạch

tổ hợp tương tự đã đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử Mạch tổhợp tương tự không những đảm bảo thoả mãn các chỉ tiêu kỹ thuật mà còn có độ tincậy cao và giá thành hạ Tuy nhiên chúng thường được dùng ở phạm vi tần số thấp Sự

ra đời của bộ khuếch đại thuật toán là một bước ngoặt quan trọng trong quá trình pháttriển của kỹ thuật mạch tương tự Trong nhiều trường hợp dùng bộ khuếch đại thuậttoán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn dùng các mạchkhuếch đại rời rạc

Xu hướng của kỹ thuật mạch tương tự là nâng cao độ tích hợp của mạch Khi độtích hợp càng tăng thì có thể chế tạo các hệ thống có chức năng ngày càng hoàn hảohơn trên một chíp Đối với các mạch tổ hợp tương tự, nhà thiết kế thường chú ý giảm

số chủng loại, nhưng lại tăng khả năng sử dụng của từng chủng loại Tóm lại có haihướng phát triển của kỹ thuật mạch tương tự là giảm nhỏ kích thước bên trong củamạch khi chế tạo và tăng tính phổ biến của mạch trong ứng dụng

1.2 Đặc điểm hệ thống tín hiệu audio tương tự

1.2.1 Âm thanh tự nhiên

âm thanh là những biến đổi áp suất nhanh xảy ra trong không khí do nhiều quátrình tự nhiên gây nên Tiếng gió thổi trên cành cây, tiếng sóng biển vỗ bờ, tiếng chimhót lứu lo v.v tất cả đều là âm thanh tự nhiên Nhiều hệ thống do con người chế tạo

cũng tạo ra những biến đổi áp suất tương tự, đôi khi là có chủ định song đôi khi là dokhách quan Một dàn nhạc tạo ra những âm thanh có chủ định với mục đích thưởngthức âm nhạc trong khi âm thanh của một động cơ phản lực phát ra khi cất cánh lại

được coi là do khách quan gây nên

Tai con người phản ứng lại với những biến đối áp suất không khí ở phạm vi tần

số trong khoảng từ 30 Hz đến 15.000 Hz, sau đó đưa đến não bộ để phân tích Độ lớn

hay biên độ dao động của những biến đổi áp suất này tạo nên cảm giác về tiếng ồn Âmthanh chuyển động trong không khí theo quy tắc truyền sóng, vì vậy người ta có thểnghe thấy một âm thanh phát ra từ khoảng cách khá xa và những biến đổi áp âm thanhthường được gọi là sóng âm Trong mọi trường hợp, sóng âm thanh là sóng tương tự.Sóng âm thanh chuyển động trong không khí với vận tốc rất lớn Theo lý thuyết vềsóng, mối liên hệ giữa tần số f và bước sóngλlà:

λ= C / f (1.1)Trong đó C là vận tốc của sóng âm thanh Rất nhiều các tính chất khác của sóng

âm thanh có tầm quan trọng đối với việc thiết kế các thiết bị âm thanh Sóng âm sẽphản xạ với những bề mặt cứng, những bề mặt không hấp thụ sóng âm tạo nên hiệuứng về tiếng vọng và sự vang âm Sóng âm thanh bị nhiễu xạ - chúng có thể xuyên quacác lỗ hổng, các khe hở và đến từng ngóc ngách

Sóng âm thanh cũng có thể bị khúc xạ, nó sẽ bị bẻ cong khi vận tốc truyền thay

đổi ở những khu vực khác nhau với nhiệt độ và mật độ không khí khác nhau Tầm quantrọng của những hệ quả này là hàm điều kiện môi trường và bước sóng Về mặt toánhọc, việc tạo ra những đường truyền sóng âm thanh trong một môi trường thực tiễn kháphức tạp ở những khu vực không gian hẹp hơn, có thể có rất nhiều phản xạ mà khôngmột phản xạ nào có thể bị trễ hoặc khác biệt hẳn tới mức gọi là tiếng vọng Tuy nhiên,

âm thanh vẫn tiếp tục truyền đi trong phòng cho đến khi nó biến mất hoàn toàn do cóhiện tượng hấp thụ âm, ta gọi là hiện tượng tiếng vang

Hiện tượng tiếng vang tạo ra cảm giác về không gian, rất quan trọng trong quátrình mô phỏng âm thanh Ví dụ như việc mô phỏng âm thanh không thu được tiếngvang (trường hợp máy thu đặt gần, hoặc thậm chí đặt trực tiếp máy thu ngay tại nguồn

âm), âm thanh sẽ trở thành âm “chết”

1.2.2 Tái tạo âm thanh điện tử

Hình l.2 Hệ thống tái tạo âm thanh điện tử

âm thanh điện tử được gọi chung là audio Hình 1.2 minh hoạ một hệ thốngaudio điển hình Âm được thu từ nguồn nhờ một hoặc nhiều micro và những tín hiệu

audio thu được truyền qua hệ thống cho đến khi tới loa phát (bộ phận chuyển các tínhiệu điện thành sóng âm) Mục đích tái tạo âm thanh điện tử là để tải các sóng âmthanh đến những khoảng cách xa cả về không gian và thời gian, để người nghe có thểtiếp nhận như thể họ đang nghe âm trực tiếp từ nguồn Một mục đích khác nữa là đểchau chuốt âm thanh tự nhiên, làm cho âm thanh điện tử hay hơn âm gốc, hoặc tạo ranhững âm thanh mới không có trong tự nhiên.

1.2.3 Thu âm

Thiết bị chính để chuyển sóng âm thành tín hiệu điện là micrô Có rất nhiều loạimicro khác nhau từ loại đơn giản đến phức tạp Nhìn chung, micro bao gồm một bộphận chuyển đổi sóng âm thành dao động cơ học trong môi trường từ hoặc điện, hoặctrên một bộ phận chuyển đổi cơ điện như thiết bị đầu đọc áp điện Việc chuyển đổi cóthể được dựa trên cả sự thay đổi áp suất của sóng âm thanh và vận tốc của các phần tửkhông khí trong sóng âm Những micro nhạy cảm với áp suất thường có xu hướng là vôhướng, trong khi những loại micro nhạy cảm với vận tốc thường có hai hướng Một sốthiết kế khác của micro được dựa vào sự kết hợp của kỹ thuật thụ cảm Cơ chế hoạt

động của micro là sự kết hợp phức tạp của các yếu tố âm thanh và điện tử

Hình 1.3 Micro đổi sóng âm thanh thành tín hiệu âm tần

Tín hiệu âm tần là tín hiệu của sóng âm thanh sau khi được đổi thành tín hiệu

điện thông qua micro Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong khônggian, khi sóng âm thanh va chạm vào màng micro làm cho màng micro rung lên, cuộndây gắn với màng micro được đặt trong từ trường của nam châm sẽ dao động, ở hai đầucuộn dây ta thu được một điện áp cảm ứng , đó chính là tín hiệu âm tần Tín hiệu âmtần có giải tần từ 20 Hz đến 20.000 Hz và không có khả năng bức xạ thành sóng điện từ

để truyền đi xa trong không gian, do đó để truyền tín hiệu âm tần đi xa hàng ngàn Km,người ta phải gửi tín hiệu âm tần cần truyền vào sóng cao tần gọi là sóng mang Sau đósóng mang bức xạ thành sóng điện từ truyền đi xa với vận tốc ánh sáng.

1.2.4 Tín hiệu audio tương tự

Mọi tín hiệu âm thanh thu được đều có đặc điểm chung là rất nhỏ và phải đượckhuếch đại đến mức độ phù hợp cho quá trình xử lý hoặc chuyển đổi sang dạng số.Hầu hết âm thanh tự nhiên là sự kết hợp phức tạp các sóng âm thanh có tần số và dạngsóng khác nhau Vì vậy, phổ của một tín hiệu âm thanh tiêu biểu đều phức tạp nhưnhau gồm một hoặc nhiều tần số cơ bản, sóng hài của những tần số đó và các sản phẩmcủa sự biến điệu xuyên Vì đa số tần số cơ bản của âm thanh đều dưới 500 Hz nênquang phổ trên mức tần số này chỉ bao gồm sóng hài Chúng có đặc điểm là biên độdao động thấp hơn phổ của tần số cơ bản Điều này có nghĩa là mật độ năng lượng củaphổ âm thanh sẽ giảm ở những tần số cao Đây là một đặc tính cần được khai tháctrong quá trình nén tín hiệu hoặc trong các hệ thống giảm tạp âm

Tín hiệu âm thanh là lưỡng cực, vì vậy chúng dao động trên hoặc dưới giá trịkhông Khi đặc tuyến tần số có hiện tượng bị cắt ở thành phần tần số thấp sẽ không cóthành phần một chiều trong bất kỳ một tín hiệu nào Không giống như các tín hiệuvideo vốn có cấu trúc dựa vào quá trình quét ảnh, tín hiệu audio tương tự hoàn toànkhông có cấu trúc Không có bất cứ khoảng nào trong tín hiệu audio mà ta có thế đoán

được các giá trị của nó, hoặc có thể trèn thêm thông tin vào được Kỹ thuật audio tương

tự đã và đang được phát triển rất mạnh mẽ, các đặc tính của tín hiệu được hiểu rất cặn

kẽ và các phương pháp đo hiệu quả được sử dụng rộng rãi Nguyên lý cơ bản để xâydựng dạng phổ rất quan trọng trong việc nghiên cứu các đặc tính của tín hiệu audio.Thành phần hệ thống bị suy giảm sẽ kéo theo sự suy yếu tín hiệu tương tự, vì vậynhững sản phẩm sử dụng cho những hệ thống lớn cần phải có các đặc tính bền vữnghơn Đây là nhược điểm cố hữu của hệ thống tương tự Dưới đây là các đặc tính quantrọng của tín hiệu audio

1.2.4.1 Đặc tuyến biên độ tần số

Khoảng tần số từ 20 Hz đến 20 KHz cộng 0,1 dB nhằm dự phòng các tầnganalog đã tạo nên đặc thù của đặc tuyến tần số Như đã đề cập ở trên, hầu như tai củangười không thể nghe được ngoài phạm vi 30 Hz đến 15.000 Hz, và không ai có thể

phát hiện được sự thay đổi đặc tuyến ở 0,1 dB Đặc tuyến tần số tương tự được đo nhờmột loạt các tín hiệu hình sin ở đầu vào có tần số khác so với tần số của bộ phận đangkiểm tra, và quan sát biên độ của tín hiệu đầu ra Đặc tuyến thường được trình bày dướidạng biểu đồ biên độ – tần số Hình l.4 là một ví dụ về đặc tuyến dạng phẳng trongkhoảng +20 dB trên phạm vi từ 20 Hzữ20.000 Hz.

Do phạm vi tần số rộng, thang đo tần số được chia theo logarit và tung độ đượctính theo dB tương đương với đặc tuyến ở một tần số “trung tâm’, thường là 1.000 Hz.Phần lớn các đơn vị đều thể hiện đặc tuyến dạng “phẳng” trên toàn phạm vi tần sốtrung tâm và dốc xuống ở mỗi đầu Trong một vài trường hợp, có thể xảy ra hiện tượngcộng hưởng hoặc những hiện tượng nhiễu loạn trong dải băng tần Đặc tuyến tần số

được xác định rõ bằng cách đưa ra một giá trị dung sai, trong khoảng đó đặc tuyến phảithực sự có ảnh hưởng đến phạm vi tần số được xác định

Hình 1.4 Đồ thị đặc tuyến biên độ tần số audio điển hình

1.2.4.2 Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR)

Mọi hệ thống điện tử đều có tạp âm Vấn đề chỉ là ở chỗ giữ cho tạp âm vừa đủnhỏ so với các tín hiệu yêu cầu để toàn bộ chỉ tiêu hoạt động của hệ thống có thể chấpnhận được Trong một hệ thống audio tương tự, tỷ lệ giữa tín hiệu trên tạp âm (SNR)

được xác định bằng dB tương đương với mức độ tín hiệu “bình thường” Đối với hệthống audio, cả tạp âm và tín hiệu đều được tính theo giá trị sai lệch bình phương trungbình (rms) Hệ thống này được thiết lập cho mức độ tín hiệu bình thường ở 0 dB, tín

A (dB)

hiệu bị khử và tín hiệu thu được ở đầu ra (được xác định là tạp âm) được đo xấp xỉbằng 0 dB Đây là một phương pháp đo đơn giản cho kết quả là một số đơn Chúng ta

sẽ có thêm những thông tin khác về tạp âm khi kiểm tra quang phổ của tín hiệu tạp âm

Điều này cũng quan trọng đối với các hệ thống audio vì độ nhạy của tai với tạp âmgiảm xuống ở vị trí cuối tạp âm tần số Trong khi một hệ thống đo lường tốt sẽ phải có

đặc tuyến không đổi trong toàn phạm vi tần số

1.2.4.3. Méo

Tính phi tuyến của các đặc tính chuyển đổi ở hệ thống analog gây ra hiện tượngméo (biến dạng) ở miền tần số, người ta có thể coi sự méo là những thành phần tần sốtạp do sự xuất hiện của một tín hiệu gây ra Những thành phần này là sóng hài của tín

hiệu, do vậy còn gọi là biến dạng hài Các đặc tính đưa ra đều là biến dạng hài toànphần (THD), và khi sự biến dạng hài toàn phần vượt quá khoảng 1% thì ta có thể nghethấy sự biến dạng này Các thành phần của hệ thống analog thường đưa ra những giá trịnhỏ hơn rất nhiều để dự phòng trong hệ thống lớn

Quá trình xác định biến dạng analog được thực hiện nhờ sử dụng một tín hiệu

âm thuần hình sin (đối với toàn hệ thống) và ở điểm đo, quá trình lọc ra tín hiệu âmthuần sẽ do một thiết bị lọc khác đảm nhiệm Cái còn lại sau bộ lọc này chính là THD.Tuy nhiên, nó cũng chứa cả tạp âm của hệ thống, điều này có thể sẽ hạn chế đến quátrình đo những biến dạng nhỏ trong các hệ thống ồn THO được xác định là số phầntrăm của mức độ tín hiệu bình thường, tất cả được phân định bằng phép đo sự sai lệchbình phương trung bình Biến dạng có thể là một hàm tần số tín hiệu và điều này có thể

có ý nghĩa trong việc thiết kế hệ thống Song hầu như chỉ tiêu kỹ thuật đưa ra đều bỏqua vấn đề này và xác định biến dạng cho một tần số tín hiệu là 1000 Hz

1.2.4.4 Dịch chuyển pha

Nếu trễ thời gian ở hệ thống analog thay đổi theo tần số tín hiệu, hệ thống sẽbáo lỗi dịch chuyển pha Ban đầu, tai ta có vẻ như không nghe thấy những lỗi này.Người ta vẫn đang tranh cãi về tầm quan trọng của dịch chuyển pha ở thiết bị audio.Tuy nhiên, dịch chuyển pha có thể xác định được và đôi khi được xác định rõ trong cácthành phần của hệ thống chất lượng cao Lưu ý là thông số này rất quan trọng đối vớimột hệ thống video, ở hệ thống này nó được gọi là méo thời gian truyền nhóm Người

ta đo sự dịch chuyển pha nhờ sử dụng một tín hiệu hình sin ở đầu vào và so sánh phatín hiệu ở đầu ra với đầu vào Nếu dịch chuyển pha là một hàm tần số tuyến tính của tínhiệu đầu vào, khi đó sự trễ là ổn định và không có biến dạng Do vấn đề ở đây là biến

dạng quan trọng như thế nào đối với thiết bị âm thanh, nên sẽ không có một chuẩn mựcnào về đo đạc hoặc là các đặc tính của nó cả.

1.2.4.5 Méo sai tốc âm tần

Các tín hiệu audio tương tự truyền qua một số thiết bị như máy ghi băng từ tínhhoặc máy quay đĩa có thể phải chịu sự biến điệu tần số do có sự chuyển động không

đồng nhất về chuyển động cơ học của băng và đĩa Nó được xác định bởi những lượng

số của méo sai tốc âm tần và phách động (W&F) Người ta đo W&F bằng cách đặt mộttín hiệu kiểm tra có tần số 3,15 khz lên hệ thống và đo đầu ra thông qua một bộ táchsóng biến điệu tần số FM được điều chỉnh đến tần số kiểm tra W&F được xác định làbiến điệu tần số toàn phần, rms biểu thị số phần trăm của tần số kiểm tra Một hệthống tốt sẽ phải đọc dưới 0,1%, ở mức này chúng ta không thể nghe thấy Một số tiêuchuẩn đáp ứng được quá trình đo này, chúng sẽ thay đổi các đơn vị đo được sử dụng vàquá trình lọc ở kênh cần đo tuy nhiên vẫn phải tôn trọng đúng tần số kiểm tra Hầu hếtquá trình đo đều hạn chế độ rộng băng tần của W&F ở phạm vi từ 0,5 Hz đến 200 Hz,song vẫn có những chuẩn mực đo độ rộng băng tần cao hơn nhiều để thu sóng FM nhờcác hoạt động tạo âm ở cơ cấu băng

1.3 Đặc điểm hệ thống tín hiệu video tương tự

1.3.1 ảnh tự nhiên

Hình 1.5 Hệ thống tái tạo ảnh điện tử

Truyền hình là một hệ thống tín hiệu hình ảnh và tín hiệu âm thanh được pháttriển rất nhanh Cơ sở của hệ thống truyền hình là dựa trên đặc tính của thị giác Mục

đích của hệ thống tái tạo ảnh điện tử (video) là thu ảnh tự nhiên và tái tạo lại với nhữngkhoảng cách về không gian, hoặc thời gian, hoặc cả hai (hình 1.5) ảnh tự nhiên là

những gì mà chúng ta có thể trông thấy xung quanh thế giới thực – chúng được tạo rabởi các nguồn từ ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo phản xạ lên các vật thể mà

ta có thể trông thấy ở đây chúng ta quan tâm đến hai thuộc tính nhìn thấy của cảnhquan là màu sắc và độ chói Những cảnh tự nhiên ít khi được tạo nên từ một nguồnsáng đơn sắc ảnh tại mọi điểm trong cảnh quan là tổng của ánh sáng từ các nguồn

đồng nhất với ánh sáng phản xạ từ các vật xung quanh Sự chiếu sáng vừa nêu đã đượcsửa đổi bởi các thành phần phản chiếu từ các vật xung quanh môi trường tạo ra một sựchiếu sáng hiệu quả mà màu sắc và độ sáng của nó thay đổi theo từng cảnh Đối vớinhững cảnh phức tạp hơn, mắt người có thể thích nghi được với sự thay đổi theo từngkhu vực chiếu sáng cho đến lúc không còn cảm nhận được nữa khi quan sát trực tiếp

Hệ thống tái tạo hình ảnh cũng cần phải tạo ra một kết quả tương tự

Muốn vậy, quá trình chuyển đổi ảnh – tín hiệu phải hoàn toàn đồng bộ và đồngpha với quá trình chuyển đổi tín hiệu - ảnh thì mới khôi phục được ảnh quang đã truyền

đi Để thực hiện được sự đồng bộ và đồng pha, trong hệ thống truyền hình phải dùngmột bộ tạo xung đồng bộ Xung đồng bộ được đưa đến bộ chuyển đổi ảnh – tín hiệu

để khống chế quá trình phân tích ảnh, đồng thời đưa đến bộ xử lý tín hiệu hình để cộngvới tín hiệu hình rồi truyền sang phía thu, tín hiệu hình đã cộng thêm xung đồng bộ gọi

là tín hiệu truyền hình

* Thị giác con người

Con mắt của chúng ta là một thiết bị rất đặc biệt – bao gồm trên 100.000.000(l08) phần tử cảm biến với một hệ thống điều khiển độ sáng cho phép nhìn rõ ở mộtphạm vi rộng Hai mắt kết hợp với não tạo ra khả năng nhận biết các vật trong không

gian ba chiều Mặc dù hầu hết các hệ thống tái tạo điện tử không có các tính năng nàynhưng bằng cách thiết kế như các đặc điểm của mắt trong bộ não điện tử, hệ thống sẽ

có khả năng đáp ứng nhiều mục đích ứng dụng

* Độ phân giải

Thị lực trung bình của mắt là 10/10, vùng trung tâm thị lực là một cung có gócnhìn khoảng l/60o Đây là độ phân giải của mắt, tất nhiên chỉ áp dụng đối với những

ảnh của các vật thể trên thang xám; còn đối với ảnh màu, độ phân giải của mắt sẽ giảm

đi Độ phân giải ở đây có nghĩa là mắt người có thể nhìn rõ các vật thể có kích thướckhoảng 1cm khi nhìn từ khoảng cách là 3m Trường nhìn của mắt gần bằng 180o, mộtngười có thể phân biệt được 10.800 vật thể ngang qua trường nhìn Tuy nhiên, độ phângiải của mắt giảm dần từ trung tâm của thị giác, vì vậy tổng số vật thể trong thực tế là

ít hơn nhiều

Hệ thống ảnh điện tử phân biệt được một số lượng lớn các vật thể trong ảnh đơnsắc, vì vậy nó thường được thiết kế sao cho màn hình hiển thị có kích thước nhỏ hơntổng trường nhìn của mắt Do đó, hầu hết hình ảnh đều được quan sát bởi phần có độphân giải đầy đủ nhất của mắt Và độ phân giải đầy đủ cũng là yếu tố quan trọng cần

được sử dụng trong các thao tác tính toán hình ảnh điện tử

Một đặc điểm khác cũng yêu cầu sử dụng độ phân giải đầy đủ là khả năngchuyển động của mắt để mang vật thể cần nhìn vào trung tâm thị giác Một màn hìnhhiển thị ở góc rộng, khi nhìn gần, sẽ gặp phải một số vấn đề đó là người xem sẽ nhìntrực tiếp vào bất cứ phần nào trên màn hình thu hút họ trước mắt Do vậy toàn bộ mànhình cần phải có độ phân giải cao

ảnh trong các hệ thống truyền hình tương tự được miêu tả là một chuỗi các

điểm ảnh Hệ thống hiển thị cần phải được thiết kế sao cho các điểm ảnh không bị lộdiện nếu không nó sẽ gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng ảnh Người ta thường hạn chế

số lượng các điểm trong ảnh vừa đủ để người xem ở khoảng cách nhìn quy định, hoặclớn hơn, không thể phân tích được Một thông số quan trọng cần tính đến ở đây là tỉ lệnhìn, được xác định là tỉ lệ giữa khoảng cách người xem (tính từ màn hình) với độ caocủa ảnh:

PH

d

Trong đó VR là tỉ lệ nhìn; d là khoảng cách từ mắt tới màn hình; PH là độ cao

của ảnh (lấy theo cùng đơn vị của d)

Khi sử dụng hình ảnh theo độ phân giải trên đây, số lượng tối đa của các điểm

1.3.2 Tín hiệu video tương tự

Các tín hiệu video do quá trình quét ảnh tạo nên được xử lý trong camera và

định dạng theo tiêu chuẩn của camera Cùng với việc xác định các tần số quét ảnh, tiêuchuẩn video tương tự cũng xác định rõ dạng sóng của tín hiệu video

1.3.2.1.Dạng sóng tín hiệu video

Hình 1.6a Dạng sóng tín hiệu video NTSC Theo chu kỳ quét dòng; b.Theo chu kỳ quét mành

Hình 1.6 biểu diễn dạng sóng tín hiệu video theo hệ truyền hình màu NTSC

Đây chỉ là sự mô phỏng tương đối Các dạng sóng tín hiệu video tương tự có thế nhìnthấy trên màn hiện thị dạng sóng, nó được đồng bộ hoá với tín hiệu của cả ảnh và tỉ lệdòng, mành Thông tin video thường là ngẫu nhiên và tất nhiên nó sẽ thay đổi khi ảnhthay đổi Tuy nhiên, phần xoá dòng và đồng bộ hoá tín hiệu video không thay đổi vàlặp đi lặp lại, vì vậy chúng xuất hiện rất nét Hình 1.6a là dạng tín hiệu video trong mộtchu kỳ quét dòng, nó minh hoạ chi tiết dữ liệu trong khoảng xoá dòng bao gồm xung

đồng bộ dòng và burst đồng bộ màu Burst đồng bộ màu bao gồm ít nhất 8 chu kỳ sóngmang màu Hình 1.6b minh hoạ chi tiết khoảng xoá mành Trong khoảng xoá mành cóchứa một xung lớn để đồng bộ quá trình quét mành, tuy nhiên trong khoảng xung rộngnày, các xung hẹp lại bị biến thành hình răng cưa để đồng bộ quá trình quét dòng

(b)

Vì mối quan hệ giữa sự dịch các xung dòng và xung mành, giữa mành chẵn vàmành lẻ, nên các xung hình răng cưa trong khoảng đồng bộ mành và các xung cânbằng ở xung quanh có tần số gấp đôi Nhờ đó xung mành và các xung quanh nó giốngnhau cả ở mành chẵn và mành lẻ Hầu hết các hệ thống truyền hình đều có một vài bộphận và tín hiệu video phải được truyền giữa các bộ phận đó, vì vậy phải đề ra các tiêuchuẩn kết nối video để xác định các bộ kết nối, mức điện áp Điều này giúp cho các bộphận của các nhà sản xuất khác nhau có thể kết nối cùng một hệ thống Đầu vào và đầu

ra của một hệ thống video luôn là tương tự ngay cả khi hệ thống đó đã được số hoátoàn bộ, người ta vẫn sử dụng các thông số video tương tự để đánh giá hệ thống số.Phần này sẽ bàn đến những thông số video quan trọng nhất

1.3.2.2 Các tham số cơ bản của tín hiệu video tương tự

1.Đặc tuyến tần số video

Một kênh video phải truyền được tất cả các thành phần tần số của tín hiệu doquá trình quét tạo nên Nó nằm trong phạm vi từ tần số thành phần một chiều (tần sốbằng 0) đến tần số cao nhất tương ứng với độ phân giải dòng tối đa của hệ thống Đốivới một hệ thống bắt đầu bằng camera, đặc tuyến tần số được đo bằng cách đọc mộthoặc hai đồ thị kiểm tra ở phía trước camera và quan sát đặc tuyến của hệ thống nhờmột bộ kiểm tra ảnh và một bộ kiểm tra dạng sóng (hình 1.7)

Hình 1.7 Các ảnh kiểm tra và dạng sóng kiểm tra đặc tuyến tần số

Đồ thị của ảnh kiểm tra dạng đa burst dùng để đo đặc tuyến tần cao trong cáckênh video được thiết kế với một bộ kiểm tra dạng sóng đồng bộ với quá trình quétdòng Các burst có tần số tăng dần cung cấp sáu điểm kiểm tra đặc tuyến Burst có tần

số thấp nhất là 0,5 MHz, vì vậy ảnh này chỉ kiểm tra điểm cuối đặc tuyến tần cao

2 Thang xám

Hình 1.9 ảnh kiểm tra thang xám

Đặc tuyến thang xám được kiểm tra bằng một ảnh có dạng bậc thang hoặc bằngmột tín hiệu có dạng bậc thang được biểu diễn trên hình 1.9 Đặc tuyến này bao gồm

các bậc thang xám cân bằng Các bậc này có thể được tạo lại tuyến tính bởi hệ thống.Bằng cách đưa ra hai ảnh: một đi lên và một đi xuống, chúng ta có thể so sánh được

đặc tuyến của điểm giữa Với một hệ thống tuyến tính thực sự, điểm giữa sẽ gặp nhauchính xác ở 50% thang xám (dạng sóng tuyến tính) Nếu hệ thống kiểm tra có lỗigamma thì các bậc này sẽ gặp nhau ở điểm khác (dạng sóng phi tuyến)

3 Tỉ lệ tín hiệu trên tạp nhiễu

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp nhiễu (SNR) được đo bằng cách đo tách riêng tín hiệu vàtạp nhiễu Tuy nhiên, ở một hệ thống tương tự, tín hiệu đồng bộ và tín hiệu xoá phảicùng xuất hiện thì mới có tín hiệu Phép đo SNR, vì vậy được thực hiện bằng cách cungcấp một tín hiệu mành dạng phẳng, tín hiệu này thường phải là 50% độ chói đồng đềucủa thang xám Cổng đo tạp nhiễu dùng để đo sự thay đổi tạp nhiễu của mành xám

Đồng thời, mành phẳng có thể được quan sát trên bộ kiểm tra dạng sóng và chúng ta cóthể đánh giá được độ dày của dòng thuộc mành phẳng Công thức tính SNR:

Hình 1.10 Các tín hiệu thanh màu RGB và ảnh

Việc kiểm tra màu sắc phụ thuộc vào bản chất hệ thống đó là tổng hợp haythành phần ở hệ thống thành phần, chỉ tiêu màu sắc được xác định bởi sự kết hợp cácmức độ tín hiệu Đối với việc kiểm tra các tín hiệu dạng này, cần phải đưa vào hệ thốngmột tín hiệu màu RGB dạng thanh Một hệ thống được điều chỉnh đúng sẽ tạo ra các

tín hiệu màu RGB dạng thanh ở đầu ra của nó Hình 1.10 mô tả một ảnh màu dạngthanh và các dạng thanh RGB của nó.

Một hệ thống tổng hợp sẽ tạo ra các dạng thanh đặc tính với định dạng của nó

Ví dụ, dạng thanh NTSC cho ảnh màu dạng thanh như mô tả trong hình thứ ba củaHình 1.9 Hình màu dạng thanh ở một hệ thống NTSC hay PAL cũng có thể được quansát trên một màn hình đặc biệt là màn hình dao động tạo thanh hiển thị các thành phầnchói, màn hình này chỉ rõ toạ độ cực màn hình của pha và biên độ sóng mang

5 Độ tuyến tính của quá trình quét ảnh

Do có sự thay thế hầu hết các các ống chân không bằng màn hình tinh thể lỏng,tính tuyến tính của quá trình quét ảnh không còn là một vấn đề khó khăn như trước đâynữa Tuy nhiên, hầu hết các màn hình hiện nay vẫn là kiểu CRTs, do vậy quét tuyếntính vẫn là một vấn đề nan giải Đo độ tuyến tính thường được thực hiện với hai môhình, đồ thị hình tròn và hình lưới (Hình 1.11)

đường kẻ nào nằm hoàn toàn ở ngoài đường tròn, độ tuyến tính sẽ lớn hơn2%.

1.4 Câu hỏi ôn tập chương 1

1 Khái quát về tín hiệu tương tự

2 Trình bày các đặc điểm cơ bản của tín hiệu audio tương tự

3 Trình bày các đặc điểm cơ bản của tín hiệu video tương tự

Chương 2

Hệ thống thu - phát thanh tương tự

2.1 Những vấn đề chung về thu - phát thanh

2.1.1 Sóng điện từ và quá trình lan truyền sóng điện từ.

2.1.1.1 Sự hình thành sóng điện từ

Khi có một điện tích dao động, nó sẽ bức xạ ra sóng điện từ bao gồm điệntrường và từ trường biến thiên Bản chất của sóng điện từ gần giống như sóng cơ học(phát xạ, tán xạ, giao thoa ), nhưng nó khác sóng cơ học ở chỗ đối với sóng cơ học chỉtruyền lan trong môi trường có sự đàn hồi, còn sóng điện từ truyền lan trong môitrường bất kỳ, đặc trưng cho sóng điện từ gồm hai thông số là tần số và bước sóng:

được chỉ ra trên hình 2.1

Hình 2.1 Phổ tần số vô tuyến và miền ứng dụng

Phổ này kéo dài từ các tần số dưới tần số âm thanh (vài hz) đến các tia vũ trụ(1022 Hz) và được chia thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần Theo uỷ ban tư vấn vềthông tin vô tuyến quốc tế (CCIR), toàn bộ dải tần số vô tuyến được chia ra thành cácbăng nhỏ hơn, có tên gọi và ký hiệu như bảng 2.1.

Bảng 2.1 Ký hiệu và phân chia băng tần theo CCIR

17 0,3 EHzữ3 ÊHz Tia gamma

18 3 EHzữ30 EHz Tia vũ trụ

Chú thích: 1 THz (Terahertz) = 1012Hz

1 PHz (Petahert) = 1015 Hz

1 EHz (Exahert) 1018Hz

- Các tần số cực kỳ thấp (ELF) có giá trị nằm trong phạm vi 30 ữ 300 Hz chứacác tần số mạng điện xoay chiều và các tín hiệu đo lường từ xa rất thấp.

- Các tần số tiếng nói (VF) có giá trị nằm trong phạm vi 300 Hz ữ 3 kHz chứacác tần số kênh thoại tiêu chuẩn

- Các tần số rất thấp (VLF) có giá trị nằm trong phạm vi 3 ữ30 kHz chứa phầntrên dải nghe được của tiếng nói Dùng cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyêndụng của chính phủ

- Các tần số thấp (LF) có giá trị nằm trong phạm vi 30 kHz ữ 300 kHz thườnggọi là sóng dài, chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

- Các tần số trung bình (MF) có giá trị nằm trong phạm vi 300 kHz ữ 3 MHzthường gọi là sóng trung chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại, ngoài ra cũng được

sử dụng cho hàng hải và hàng không

- Các tần số cao (HF) có giá trị nằm trong phạm vi 3 MHzữ30 MHz thường gọi

là sóng ngắn, được sử dụng với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạchàng hải, hàng không, phát thanh quảng bá

- Các tần số rất cao (VHF) có giá trị nằm trong phạm vi 30 MHz ữ 300 MHzthường gọi là sóng mét dùng cho thông tin di động, hàng hải, phát thanh thương mại

- Các tần số cực cao (UHF) có giá trị nằm trong phạm vi 300 MHz ữ 3 GHzthường gọi là sóng đề xi mét dùng cho các kênh truyền hình thương mại, thông tin di

động mặt đất, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

- Các tần số siêu cao (SHF) có giá trị nằm trong phạm vi 3 GHz ữ 30 GHzthường gọi là sóng cen ti mét chủ yếu dùng cho các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

- Các tần số cực kỳ cao (EHF) có giá trị nằm trong phạm vi 30 GHzữ300 GHzthường gọi là sóng mi li mét, ít được sử dụng cho thông tin vô tuyến

- Các tần số hồng ngoại có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ữ 300 THz, nóichung không gọi là sóng vô tuyến Nó được sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìmnhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học

- Các ánh sáng nhìn thấy có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ữ 3 PHz dùngtrong hệ thống thu phát truyền hình và sợi quang Các tia cực tím, tia X, tia gamma vàtia vũ trụ rất ít sử dụng trong thông tin

2.1.1.2 Quá trình truyền lan sóng điện từ

Sóng vô tuyến điện phát ra từ đài phát có dạng sóng cầu nhưng đến đài thu cóthể coi như là sóng phẳng Sóng điện từ truyền lan trong không gian gồm có 2 tia là tiasóng trời và tia sóng đất Tia sóng trời xuyên thẳng lên bầu trời thường bị tầng khíquyển tiêu hao Tia sóng đất thì lan truyền trên mặt đất, tia đất có các vật cản như nhàcửa, đồi núi Chính vì vậy người ta phải căn cứ vào địa hình, khu vực cụ thể để chọnphương án thông tin tối ưu

2.1.1.3 ảnh hưởng của môi trường đến sự truyền sóng

1 Các tầng khí quyển

Bầu khí quyển bao quanh trái đất được chia làm nhiều lớp Khoảng cách từ 20

km trở xuống gọi là tầng đối lưu Mật độ không khí của tầng này biến đổi liên tục vàngười ta lợi dụng sự không đều của khí quyển để thực hiện thông tin tia sóng cực ngắn(thông tin viba) bằng cách phát sóng với góc ngẩng phù hợp tạo ra sự phản xạ từ các

đám mây, các bụi vũ trụ

Trong khoảng từ 25 km đến 80 km được gọi là tầng bình lưu, tia sóng sẽ đithẳng không bị phản xạ

Khoảng từ 80 km đến 400 km được gọi là tầng điện li Tầng điện li hình thành

do sự đốt nóng của mặt trời làm cho các chất khí bị biến đổi và tạo thành vùng điệntích (ion) có mật độ khác nhau bao quanh trái đất Nó thay đổi theo kinh độ, vĩ độ, thay

đổi theo thời gian trong ngày mùa hay trong năm

2 ảnh hưởng của tầng điện li tới sự truyền sóng

- Các băng sóng trung và băng sóng ngắn thì tia trời không vượt qua được tầng

điện li Bởi vậy người ta dùng băng sóng ngắn để thông tin radio toàn cầu theo hìnhthức phản xạ từ tầng điện li qua một bước nhảy hay nhiều bước nhảy

- Đối với tia sóng đất chỉ đi được với khoảng cách 1000 km Đối với băng UHFtia đất chỉ đi được tối đa 50 km Muốn thông tin bằng tia đất thì 2 antena phải trôngthấy nhau (nghĩa là trên quãng đường đi nó không bị hấp thụ)

- Khi thực hiện thông tin bằng tia trời và tia đất có những vùng mà tia đất chưatới, tia trời thì vượt qua người ta gọi là vùng câm điếc (vùng chết)

- Thông tin qua tầng điền li còn xảy ra hiện tượng pha ding (âm thanh lúc tolúc nhỏ) Nguyên nhân do tầng điện li có độ cao thấp khác nhau, mật độ khí quyểnkhác nhau và nó bị biến đổi liên tục do phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng mặt trời Vì

vậy sóng phản xạ từ tầng điện ly tới máy thu sẽ biến đổi làm tín hiệu lúc to lúc bé Đểkhắc phục hiện tượng này người ta thu phân lập nhiều antena ở nhiều vị trí khác nhau

để chọn ra anten tốt nhất

2.1.2 Hệ thống thu - phát thanh

2.1.2.1 Sơ đồ khối

Cấu trúc cơ bản của hệ thống thu – phát thanh được minh hoạ trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thu phát thanh

2.1.2.2 Nhiệm vụ

Mỗi hệ thống thu - phát thanh bao gồm 3 bộ phận:

+ Đài bá âm gồm nhiều phòng bá âm có cấu trúc đặc biệt theo đúng các tiêuchuẩn kỹ thuật về âm thanh (như độ cách âm, độ phản xạ và khúc xạ âm thanh )+ Phòng bá âm thực hiện việc thu âm và biến đổi âm thanh thu được để truyềntới đài phát

+ Đài phát có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu âm thanh từ đài bá âm truyền tới,khuếch đại lên cho đủ lớn rồi đưa tới điều chế với sóng cao tần do chính máy phát của

đài phát tạo ra Tín hiệu sau điều chế sẽ được khuếch đại và đưa tới anten phát rakhông trung Tín hiệu được bức xạ ra môi trường truyền sóng dưới dạng sóng điện từ.+ Máy thu thanh có nhiệm vụ chọn lọc tín hiệu từ đài phát đưa tới, sau đó khuếch

đại, giải điều chế, loại bỏ thành phần sóng mang để khôi phục lại tín hiệu âm tần ban

Dựa vào đặc điểm cấu tạo người ta chia ra làm hai loại máy thu thanh:

Antena phát

Máy thu thanh

Antena thu

+ Máy thu thanh khuếch đại thẳng.

+ Máy thu thanh đổi tầnDựa vào cách điều chế người ta phân ra hai loại:

+ Máy thu thanh điều biên (AM)

+ Máy thu thanh điều tần (FM)

2.1.3.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản trong máy thu thanh

1 Độ nhạy

Biểu thị khả năng thu tín hiệu yếu của máy thu, được xác định bằng sức điện

động cảm ứng tối thiểu của tín hiệu tại anten để bảo đảm cho máy thu làm việc bìnhthường Đơn vi đo thường thường rất nhỏ cỡ microvolt, ký hiệu là EA Những máythu có chất lượng cao thường có độ nhạy E A nằm trong khoảng 0,5àV → 10àV

Độ nhậy càng nhỏ thì chất lượng máy thu càng cao Máy thu dân dụng có độ nhậykhoảng 50àVữ150àV

Ngoài ra máy thu cũng phải có khả năng chọn lọc và nén tạp âm, tức là đảmbảo tỷ số S/N ở mức cho phép Thông thường để thu tốt thì biên độ tín hiệu phải lớnhơn tạp âm ít nhất 10 lần (khoảng 20 dB) Điều kiện làm việc bình thường của máythu là:

+ Đảm bảo công suất ra danh định

+ Đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N)

Muốn nâng cao độ nhạy của máy thu thì hệ số khuếch đại của nó phải lớn vàmức tạp âm nội bộ của nó phải thấp (nghĩa là phải giảm tạp âm của tầng đầu) ở tần sốsiêu cao (f >30 MHz), độ nhạy của máy thu thường được xác định bằng công suất,không xác định bằng sức điện động cảm ứng trên anten

2 Độ chọn lọc

Độ chọn lọc là khả năng chọn lọc các tín hiệu cần thu và loại bỏ các tín hiệukhông cần thiết cũng như các tạp âm tác động vào Anten Độ chọn lọc thường đượcthực hiện bằng những mạch cộng hưởng và phụ thuộc vào số lượng, chất lượngcũng như độ chính xác khi hiệu chỉnh

A A

+ Ao: là hệ số khuếch đại tại tần số f0

+ Af: là hệ số khuếch đại tại tần số f

3 Chất lượng lặp lại tin tức

Phản ánh mức khác nhau giữa tín hiệu giải điều chế do máy thu phục hồi và tínhiệu điều chế bên máy phát Nó được đánh giá bằng độ méo của tín hiệu (méo phituyến, méo tần số, méo pha), chủ yếu là xét độ méo ở tầng khuếch đại công suất âmtần để cho tín hiệu ra loa không bị biến dạng so với tín hiệu đưa tới bộ điều chế củamáy phát

4 Dải tần của máy thu

Dải tần của máy thu là khoảng tần số mà m á y thu có thể điều chỉnh để thu

được các sóng phát thanh với các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu Máy thu thanh thường

5 Méo tần số: Là khả năng khuếch đại ở những tần số khác nhau sẽ khác nhau

do trong sơ đồ máy thu còn có phần tử L, C Méo tần số có thể đánh giá bằng đặctuyến tần số

6 Phạm vi tần số công tác: Là khoảng tần số mà máy thu có thể thu được với các

điều kiện khác nhaun mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu đề ra

7 Công suất ra: Là công suất tín hiệu âm thanh cấp ra loa Tuỳ theo đơn đặt

hàng mỗi máy thu sẽ có một công suất ra danh định khác nhau

2.2 Hệ thống thu - phát thanh AM

2.2.1 Điều chế AM

2.2.1.1 Lý do phải thực hiện điều chế

Sóng âm tần (dòng âm tần) mà ta muốn truyền đi không có khả năng bức xạ đi

xa Chỉ có sóng cao tần (dòng cao tần) mới có khả năng bức xạ đi xa Vì vậy ta phảinhờ sóng cao tần “chuyên chở” sóng âm tần đi xa Để thực hiện được việc này người tacho sóng âm tần tác dụng vào sóng cao tần và được một dạng sóng mới gọi là: sóng

điều chế Như vậy sóng điều chế vừa có tần số cao vừa mang tin tức Người ta gọi sóngcao tần đã điều chế là sóng mang

Trong thực tế sóng cao tần được điều chế bởi cả một dải âm tần rất rộng từ fmin

ữfmax Vì vậy sóng điều chế sẽ gồm sóng mang và hai dải biên tần Máy thu muốn có

độ trung thực cao thì phải thu được cả dải sóng từ f0- fmaxđến f0+ fmax(Hình 2.3)

Hình 2.3 Phổ của sóng điều chế

2.2.1.2 Khái niệm về điều chế

Điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùngphổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi.Mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, vớicác tần số sang mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tầntrên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền

Một cách tổng quát điều chế là quá trình ghi tin tức vào 1 dao động cao tần đểchuyển đi xa nhờ biến đổi một thông số nào đó của sóng mang (như biên độ, tần số,pha ) tuỳ theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau:

điều chế biên độ (AM), điều chế tần số( FM), điều chế pha (PM) và các biến thể củachúng: SSB, DSB (dạng tương tự), FSK, PSK, QPSK, MPSK (dạng số) Tin tức gọi làtín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là tải tin Dao động cao tần mang tin tức gọi làdao động cao tần đã điều chế

f0

2.2.1.3 Điều chế biên độ

1 Khái niệm điều chế biên độ (điều biên )

Điều biên là quá trình cấy tin tức vào tải tin làm cho biên độ của tải tin biến đổitheo quy luật của tin tức còn tần số của tải tin không đổi

Nguyên lý điều chế AM được minh hoạ trên hình 2.4

Hình 2.4 Nguyên lý điều chế AM

Giả sử tin tức Vsvà tải tin Vtđều là dao động điều hòa:

vs= Vscosωst và vt= Vtcosωtt với ωt>>ωs (2.4)

Khi đó tín hiệu điều biên sẽ là:

Phổ của tín hiệu điều biên có dạng như hình 2.5

Hình 2.5 Phổ tín hiệu điều biên cơ bản

V

Khi tín hiệu điều chế có phổ biến thiên từ (ωminữ ωmax) thì phổ của tín hiệu điềubiên có dạng như hình 2.6.

Hình 2.6 Phổ tín hiệu điều biên thực tế

2 Quan hệ năng lượng trong điều biên

Công suất tải tin là công suất bình quân trong 1 chu kỳ của tải tin:

R

V dt V

T R R

V R I

t hd

hd t

2 sin

.

1

0 2 2

2

2

~ 2

~

t t

V

Tương tự :

t t

t

bt m V m V m P

2 2 2 2

2

2

4

1 ) 2

.(

P P

Từ biểu thức (2.5) suy ra:

3 Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đã điều biên

- Hệ số méo phi tuyến.

) (

) 3 ( ) 2

2

s t

s t s

t

I

I I

±

I (ωt + nωs) với n > 2 là biên độ dòng điện ứng với hài bậc cao của tín hiệu

điều chế

I (ωt+ ωs): Biên độ các thành phần biên tần

Trong đó: It: Biên độ tín hiệu ra

Vs: Giá trị tức thời của tín hiệu vàoA: Giá trị cực đại

B: Tải tin chưa điều chế

Với mo: hệ số điều chế lớn nhất ; m : Hệ số điều chế tại tần số đang xét

Để đánh giá độ méo tần số này, người ta căn cứ vào đặc tuyến biên độ và tần số(Hình 2.8)

Hình 2.8 Đặc tính biên độ tần số