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

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 viết tắt
AM
FM
VCO

PLL
FCC
CCIR
OIRT
NTSC
PAL
MPEG
ES
PES
TS
PSK
QAM
DVB

Từ đầy đủ
Amplitude Modulation
Frequency Modulation

Ý nghĩa
Điều chế biên độ
Điều chế tần số
Dao động kiểm soát bằng
Voltage Controlled Oscillator
điện áp
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
Hội đồng thông tin liên
Federal Communications Commission
bang
Consultative

Committee
on Ủy ban tƣ vấn vô tuyến
International Radio
quốc tế
Organisation
Internationale
de Tổ chức phát thanh và
Radiodiffusion et de Télévision
truyền hình quốc tế
Ủy ban hệ thống truyền
National Television System Committee
hình quốc tế
Pha thay đổi xen kẽ theo
Phase Alternating Line
dòng
Moving Picture Experts Group
Chuẩn nén ảnh động
Elementary Stream
Luồng dữ liệu cơ sở
Luồng dữ liệu cơ sở đóng
Packetized Elementary Stream
gói
Transport Stream
Luồng truyền tải
Phase Shift Keying
Điều chế dịch pha
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế trực pha
Tiêu chuẩn số hóa tín hiệu
Digital Video Broadcasting

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


T

1
f

(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:


Trong đó:

v
f

(1.2)

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:
v  331

To
(m / s)
273

(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
(đêxiben). Ký hiệu mức cƣờng độ âm là: L.
L(dB) = 10lg

I
I0

(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
x(t) = Amcosωmt

(2.2)

với: Am ≤ 1 và fm ≤ W
Hoặc x(t) là tổ hợp của nhiều thành phần hình sin:
x(t) = A1cosω1t + A2cosω2t + …
với A1 + A2 + … ≤ 1 và max(f1, f2, …) ≤ W

8

(2.3)


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:
A(t) = Ac[1 + µx(t)]

(2.4)

trong đó, µ là một số dƣơng, gọi là hệ số điều chế. Tín hiệu AM sẽ có dạng
nhƣ sau:
xAM(t) = A(t)cosωct = Ac[1 + µx(t)]cosωct

(2.5)

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:
fc >> W và µ ≤ 1

(2.6)

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:
XC ( f ) 

1
1
AC . ( f  f C )  AC . X ( f  f C )
2
2

(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.
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

(2.8)

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

ST  xc2 (t )  Ac cos c t  Ac x(t ) cos c t 

2

 Ac2 1  x(t ) cos2  c t
2



 Ac2 1   2 x 2 (t )  2x(t )

1  cos2 2 t
c

Vì giá trị trung bình của hàm cos luôn bằng 0 (trong trƣờng hợp này
<cos2ωct> = 0), nên tất cả các thành phần đi cùng với <cos2ωct> sẽ bị triệt tiêu. Do
đó:
Ac2  2 Ac2 2
ST 

x (t )  Ac2 x(t )
2
2

(2.9)

Ta luôn mong muốn giá trị trung bình của tin tức là <x(t)> = 0, gọi công

suất chuẩn hóa là Sx = <x2(t)>, (2.9) sẽ trở thành:
ST 

1 2
Ac (1   2 S x )
2

(2.10)

Trong đó:
- Công suất sóng mang: Pc 

1 2
Ac
2

- Công suất mỗi dải biên: Psb 

(2.11)

1 2 2
1
Ac  S x   2 S x Pc
4
2

Do đó: ST = Pc + 2Psb

(2.12)
(2.13)

Ta nhận thấy rằng với tin tức x(t) bị giới hạn bởi điều kiện |x(t)| ≤ 1, thì
1
2

|µx(t)| ≤ 1 và µ2Sx ≤ 1, từ (2.12) suy ra Psb  Pc
Kết hợp với (2.13), ta có:
1

 Pc  2 S T

P  1 S
 sb 4 T

(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.
x(t).cosω1t.cosω2t =

x(t )
x(t )
cos(1   2 )t 
cos(1   2 )t
2
2

(2.15)

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


xc(t) = [Kc + Kµx(t)]cosωct

(2.16)

Do đó, tín hiệu sau mạch nhân
y(t) = xc(t).ALOcosωct =

ALO
K c  K  x(t )  K c  K  x(t )cos 2 c t
2

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:
yD(t) = KD[Kc + Kµx(t)]

(2.17)

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.
W 

1
 f C
RC

(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).
xc(t) = Accosθ(t)

(3.1)

Thông thƣờng pha tức thời θ(t) có dạng sau.
θ(t) = 2πfct + Φ(t)

(3.2)

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)
f(t) = fc + fΔ.x(t)

với fΔ < fc

(3.3)

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


d (t )
;  (t )    ( )d
dt
t

 (t ) 

(3.4)

Do đó, pha tức thời của tín hiệu sóng mang khi đã điều chế là:
 (t )    ( )d  2  ( f c  f  x( ))d  c t  2f   x( )d
t

t

(3.5)

t

Vậy, biểu thức của tín hiệu điều chế tần số FM là:




xFM(t) = Accos c t  2f   x( )d 


(3.6)



t

Biên độ tín hiệu FM là hằng số nên công suất trung bình của tín hiệu FM là:
ST =

1 2
Ac
2

(3.7)

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 c t  2f   Am cos( m  )d 




hay xFM(t) = Accos  c (t ) 


Đặt  



t


f
Am sin( m t )

fm


(3.8)

f
Am
fm

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
xc(t) = xci(t).cosωct – xcq(t).sinωct

(3.9)

Trong đó:
xci(t) = AccosΦ(t) = Ac 1  1  2 (t )  ......




2!



xcq(t) = AcsinΦ(t) = Ac (t )  1  3 (t )  ......


3!



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

19

(3.10)


Do đó: xci(t) ≈ Ac và xcq(t) = Ac.Φ(t)

(3.11)

Vậy: xc(t) = Accosωct – Ac Φ(t)sinωct

(3.12)

Trong trƣờng hợp tín hiệu là tin tức đơn tần: Φ(t) = βsin(ωmt)

(3.13)

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:

xc(t) = Accosωct –

1
1
Ac  cos(c  m )t  Ac  cos(c  m )t
2
2

(3.14)

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:
xc(t) = Ac[cosΦ(t).cosωct - sin Φ(t)sinωct]

(3.15)

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:
xc(t) = Ac[cos(βsinωmt).cosωct - sin (βsinωmt)sinωct]

(3.16)

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



J

n  

Với n dƣơng, và J n (  ) 

1
2



n

(  ) cos( c  n m )t

 e

j (  sin   n )

(3.17)

d , 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