TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG

LÝ THUYẾT THÔNG TIN

Hưng Yên 2015

(Tài liệu lưu hành nội bộ)

1

Ch¦¬ng I: thiÕt bÞ ®Çu cuèi ©m thanh

1.1. M¸y ph¸t thanh ®iÒu biªn.

1.1.1. Lêi giíi thiÖu.

Tín hiệu vô tuyến có thể tạo ra bằng sự biến thiên của điện từ trường và sự biến thiên này

được truyền lan trong không gian tự do. Thiết bị tạo nên sự biến thiên này được gọi là máy phát

và anten phát đảm bảo cho việc truyền sóng trong không gian tự do đạt hiệu quả. Để thu được tín

hiệu vô tuyến, người ta cần phải thu một phần năng lượng điện từ và chuyển nó sang dạng tín

hiệu mà con người có thể cảm nhận được bằng một trong số các giác quan của mình. Đó chính là

máy thu (sẽ được đề cập ở phần sau). Năng lượng sóng điện từ được thu và mạch điện sau đó

được biến đổi thành tín hiệu âm thanh.

Giả thiết rằng tại một thời điểm máy phát truyền đi một tín hiệu hoàn toàn ngẫu nhiên (đó

là tín hiệu chứa tất cả các thành phần tần số và biên độ). Trong không gian tự do, không một máy

phát nào hoạt động mà không bị nhiễu tác động vì không gian tự do là môi trường truyền sóng

trung gian cho tất cả sóng điện từ. Tuy nhiên khi chúng ta giới hạn mỗi máy phát có một tần số

xác định (tín hiệu dạng Sin liên tục) thì có thể tránh được nhiễu, Thêm vào đó bằng cách kết hợp

một bộ lọc băng hẹp ở phía thu để loại bỏ được tất cả các thành phần tần số không mong muốn.

Với con người chủ yếu giao tiếp với nhau theo hai phương thức chính đó là nói và nghe.

Tiếng nói bình thường chứa các tần số nằm trong dải 10 Hz cho tới 5kHz và dải biên độ bắt đầu

từ tiếng nói thầm cho tới tiếng hét lớn. Việc truyền tiếng nói trong không gian tự do vấp phải hai

trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất là do can nhiễu lẫn nhau do dùng chung môi trường truyền sóng

trung gian. Trở ngại thứ hai là tần số thấp như tiếng nói thì không thể truyền lan hiệu quả trong

không gian tự do, với tần số cao thì điều này có thể thực hiện được. Xong ở tần số cao trên 20

kHz thì con người lại không thể nghe được mặc dù với tần số này vẫn chưa lớn để có thể truyền

sóng trong không gian tự do. Nếu như chúng ta có thể thực hiện việc thay đổi một số thông số của

nguồn tín hiệu tần số cao dạng sin liên tục theo tiếng nói thì việc trao đổi thông tin trong không

gian tự do là việc hoàn toàn có thể thực hiện được đó chính là điều chế. Việc thay đổi biên độ của

tín hiệu cao tần (gọi là sóng mang) theo tiếng nói được gọi là điều chế biên độ (AM – Amplitude

Modulation). Việc thay tần số của sóng mang theo tần số tiếng nói được gọi là điều chế tần số

(FM – Frequency Modulation), hoặc góc pha trong trường hợp này được gọi là điều pha (PM –

Phase Modulation).

1) Âm thanh :

Sóng âm : là sự thay đổi tính chất của môi trường đàn hồi khi có năng lượng âm truyền qua.

Môi trường truyền dẫn sóng âm phải là môi trường đàn hồi nên sóng âm tryền qua vật chất dạng

rắn, lỏng, khí.. nhưng không truyền trong môi trường chân không.

Tham số của âm thanh :

- Tốc độ truyền âm : Trong điều kiện khí quyển bình thường tốc độ truyền âm khoảng

330m/s, năng lượng âm bị tiêu hao dần nên không thể truyền xa được.

- Tần số âm thanh : tần số của âm đơn là số lần dao động trong 1 giây của các phần tử

không khí khi truyền âm thanh đơn vị là Hz (Hertz) chia làm 3 khoảng tần khác nhau

2

+ Hạ âm < Tần số âm tần (16-20000Hz) < Siêu âm

- Công suất âm thanh : Là năng lượng của âm thanh đi qua mặt phẳng vuông góc với

phương truyền âm tiết diện 1m2. Đơn vị tính Watt (W)

- Cường độ âm : Là năng lượng của âm thanh đi qua tiết diện 1 cm2 đặt vuông góc với

phương truyền âm trong thời gian 1S. Đơn vị tính W/cm2

2) Sóng âm phẳng và điều hòa :

Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho áp suất không khí bị thay đổi, lượng thay đổi đó

gọi là thanh áp P (áp suất âm thanh) đơn vị là Pascal

1Pa = N/m2

Thanh áp là hàm của các biến theo không gian thời gian P(x, y, z, t), nếu thanh áp không bị biến

đổi theo trục y và trục z mà chỉ phụ thuộc vào trục x và thời gian t thì ta có sóng âm là sóng

phẳng.

P = f(t-x/c), c : tốc độ truyền âm

Nếu sóng phẳng là điều hòa thì P phải là hàm điều hòa :

P= PmCos[2Πf (t-x/c)], Pm là biên độ, f là tần số.

3) Thính giác

Đặc điểm tai người : Có 3 bộ phận chính

- Tai ngoài có tác dụng định hướng nguồn âm, cộng hưởng tần số khoảng 3 KHz. Biến đổi âm

thanh thành năng lượng cơ học để truyền cho tai giữa.

- Tai giữa có 3 xương nhỏ nhất của cơ thể : Xương búa, xương đe, xương bàn đạp để phối hợp

trở kháng

- Tai trong : có tiền đình và màng basilar, tiền đình giúp cảm nhận sự thăng bằng, màng basilar

có khoảng 30000 tế bào lông xếp thành nhiều hàng dọc để cảm nhận và truyền tin âm thanh

lên não dưới dạng xung điện qua dây thần kinh.

Cảm thụ về biên độ gồm :

+ Ngưỡng nghe được : Là mức thanh áp nhỏ nhất của âm đơn mà tai người cảm thụ được là mức

giới hạn chuyển từ trạng thái nghe thấy sang không nghe thấy và ngược lại. Thanh áp hiệu dụng

điều hòa 1KHz bằng 2.10-5 N/m2.

+ Ngưỡng chói tai : Là mức thanh áp lớn nhất mà tai người cảm thụ được âm, là mức giới hạn mà

tai người cảm nhận được âm, nếu vượt quá sẽ gây tổn thương đến thính giác. Thanh áp hiệu dụng

điều hòa 1KHz bằng 20N/m2.

Cảm thụ về tần số :

Dải tần 16 – 20.000Hz là phạm vi tần số âm mà tai người có thể cảm thụ đươc gọi là âm tần. Cảm

thụ về tần số là thể hiện độ cao của âm, người ta thường dùng đơn vị đo Octave (Oct)

n= log2fn/ f0 = 3,34lg fn/ f0 , f0 = 20Hz

1Oct tương ứng với biến thiên gấp 2 lần về tần số so với tần số chuẩn f0

3

1.1.2. Lý thuyÕt ®iÒu chÕ biªn ®é.

1.Định nghĩa:

Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ,hoặc tần

số, hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band).

Mục đích của việc điều chế:

− Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của

nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten.

− Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian

− Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế giúp

chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp.

Điều kiện điều chế :

− Tần số sóng mang cao tần fC ≥ (8÷10) fmax, trong đó fmax tần số cực đại tín hiệu điều

chế BB.

− Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệ với biên

độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó.

− Biên độ sóng mang cao tần Vω > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB)

2. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AM: Điều chế biên độ là quá trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín

hiệu băng gốc).

m(t)=Vmcosωmt

A

B

Tần số đường bao ωs

Tần số sóng mang ωc

Sóng mang điều chế

Sóng mang chưa điều chế

Hình 1.1: Dạng sóng điều chế biên độ AM

4

a. Phương trình điều chế và hệ số điều chế:

Để đơn giản hóa công thức điều biên, ta giả thiết tín hiệu cần điều chế và tín hiệu sóng mang đều

có dạng sin với tần số góc lần lượt là ωs và ωc. Giả sử sóng mang có dạng.

uc(t) = A.cosωc.t (1.1.1) và tín hiệu cần điều chế có dạng

us(t) = B.cosωs.t (1.1.2)

Theo lý thuyết điều biên thì tín hiệu điều biên có dạng

uđb(t) = (A + B.cosωs.t).cosωc.t (1.1.3)

Biến đổi lượng giác của biểu thức 1.1.3 ta được.

uđb(t) = A.cosωc.t + kA/2[cos(ωc + ωs)t + cos(ωc - ωs)t] (1.1.4)

Với k = B/A là hệ số điều chế, trong đó: max minmax;

2

U UB A U B

−= = − (theo hình 1.2)

Sóng mangBiên độ

Biên tần dưới Biên tần trên

c + smin

c + smax

c - smin

c - smaxsmaxsmin

Hình 1.2: Phổ tần của sóng AM khi tín hiệu cần điều chế là một dải tần âm thanh

c

5

Từ biểu thức (1.1.4) ta thấy thành phần tín hiệu điều biên gồm ba thành phần tần số riêng

biệt: thành phần tần số sóng mang ωc, dải biên tần trên (ωc + ωs) và dải biên tần dưới (ωc - ωs).

Với ωs biến đổi từ ωsmin đến ωsmax là dải tần số của tín hiệu âm thanh đầu vào.

Tín hiệu sóng mang thường là tín hiệu sin có tần số cao

Giả sử Xc(t) = Vccosωct

Tín hiệu AM có dạng: YA M(t) = [Vc + m(t)].cosωt

Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosωmt

YA M(t) = [Vc + Vmcosωmt].cosωct = Vc[1 + Vm/Vc cosωmt].cosωct

= Vc[1 + K.cosωmt].cosωct

K: hệ số điều chế (chỉ số điều chế). Để điều chế không méo thì K ≤ 1 Trong trường hợp m(t) là

tổng các tín hiệu sin đơn tần:

m(t) = V1 cosω1t + V2 cosω2t + V3 cosω3t + ……

2 2 21 2 3 ...Am m m m= + + +

; 1, 2,3,..ii

c

vm i

v= = trong trường hợp tổng quát max min

max minA

v vm

v v

−=

+

b. Phổ của tín hiệu AM: Ta có: YA M(t) = [Vc + m(t)].cosωct = Vc.cosωct + m(t).cosωct

( ) ( ) ( ) ( )1

2AM c c c c cY V M Mπ δ ω ω δ ω ω ω ω ω ω= − + + + − + +

trong đó: m(t ) F → M (ω ) Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosωmt

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2

mAM c c c c m c m c m c m

VY V

ππ δ ω ω δ ω ω δ ω ω ω δ ω ω ω δ ω ω ω δ ω ω ω= − + + + − − + − + + + − + + +

c. Công suất của tín hiệu AM:

Pc : Công suất sóng mang

PUSB= PLSB: Công suất 2 dải biên (USB Upper Sideband, LSB Lower Sideband)

PUSB= PLSB= PC.K2/4

- Công suất tổng của tín hiệu AM: Pt = PC + PUSB + PLSB

- Dòng điện:

6

IC : dòng điện chưa điều chế

It : Dòng điện sau điều chế

2

. 12t c

KI I= +

VD: Trong máy phát AM khi chưa điều chế tín hiệu thì dòng chạy qua Ant là 2,5A, cho tín hiệu

dạng sin đi qua thì dòng Ant tăng lên 3A.

a) Tính hệ số điều chế K (ma)

b) Dòng điện chạy trong Ant bằng bao nhiêu nếu K = 60%

Nếu tín hiệu AM sau điều chế được cho qua 1 điện trở . Công suất rơi trên điện trở khi đó

gọi là công suất chuẩn:

_ _ _

1

2AM St c St m StP P P= +

trong đó: Pc_st : công suất của sóng mang; Pm_st : công suất của tín hiệu điều chế

Khi cho qua điện trở R:

Nếu tín hiệu là điện áp thì:

_AM St

AM

PP

R=

Nếu tín hiệu là dòng điện thì: _AM AM StP P R= ×

Hiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suất

của toàn bộ tín hiệu AM.

_

_

1 12 2m m St

AM AM St

P P

P Pη = =

Ví dụ: Tín hiệu AM áp được điều chế bởi một tín hiệu sin đơn tần m(t) = Vmcosωmt. Biết

Vmax = 50V; Vmin = 10V. Tính mA? Vm? PAM trên tải R = 50Ω? Hiệu suất điều chế.

Gợi ý ( max min

max minA

v vm

v v

−=

+, Vm = mA.Vc, Pc_st = Vc

2/2, Pm_st = Vm2/2, _AM St

AM

PP

R= ,

_

_

1 12 2m m St

AM AM St

P P

P Pη = = ; max min

2c

V VV

+= )

1.1.3. Thiết kế hệ thống

Việc lựa chọn tần số sóng mang cho một máy phát thanh nói chung được xem xét và

quyết định bởi chính phủ và các hiệp ước quốc tế. Cho dù việc ghép kênh phân chia theo tần số,

hai đài phát vẫn có thể gây nhiễu lẫn nhau nếu tần số sóng mang của các biên quá gần nhau. Theo

lý thuyết mỗi máy phát phải hoạt động ở một tần số nhất định và có độ rộng băng thông đủ lớn để

không gây can nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên, độ rộng băng thông bị hạn chế do phải xét tới giá thành

và sự phức tạp của kỹ thuật truyền dẫn được sử dụng. Trong thực tế, hai máy phát khi làm việc

vẫn gây ra nhiễu cho nhau trừ khi chúng truyền tín hiệu ở một mức công suất giới hạn và các máy

phát được đặt cách nhau ở khoảng cách đủ lớn. Khi máy phát thanh được đăng ký tần số thì điều

quan trọng là phải ổn định tần số này vì hai lý do:

7

- Thứ nhất nếu tần số sóng mang bị lệch khiến thính giả phải điều chỉnh lại máy thu theo

tần số đài phát, điều này không thể chấp nhận được đối với hầu hết khán giả.

- Thứ hai nếu một đài phát bị lệch tần số về phía một đài phát lân cận, các dải biên sẽ

chồng lên nhau gây ra nhiễu.

Tín hiệu sóng mang thường được tạo ra bằng bộ tạo dao động, để thỏa mãn yêu cầu về tần

số chính xác. Trong thực tế thường sử dụng bộ dao động bằng tinh thể. Trung tâm của bộ dao

động tinh thể là một tinh thể thạch anh được cắt và đánh bóng bằng các kỹ thuật tinh vi để có thể

duy trì được tần số dao động với giá trị sai số không đáng kể chỉ nằm trong một vài Hz. Hình 1.3

là sơ đồ khối của một máy phát thanh điển hình.

a/ Bộ dao động tinh thể

Mục đích của bộ dao động tinh thể là tạo ra tín hiệu sóng mang. Để giảm tối thiểu

can nhiễu tới các máy phát khác, tín hiệu này phải có độ méo cực nhỏ để máy phát có thể

làm việc ở một tần số ổn định. Độ sai lệch tần số nằm trong một giới hạn rất nhỏ, thường

chỉ ở khoảng vài Hz trên 107 Hz. Việc thiết kế một bộ dao động đặc biệt như vậy trong thực

tế thường sử dụng một tinh thể thạch anh.

b/ Bộ nhân tần

Mục đích của bộ nhân tần là để thu được một tín hiệu có tần số fc/n, với n là số

nguyên và tạo ra ở đầu ra một tần số fc. Một bộ nhân tần có thể là nhân đơn hoặc là nhân đa

tần. Đầu ra của bộ nhân tần đưa tới đầu vào sóng mang của bộ điều chế biên độ.

c/ Bộ điều chế biên độ

Bộ điều chế biên độ có hai đầu vào, đầu vào thứ nhất là tín hiệu sóng mang được tạo

ra từ bộ dao động tinh thể và được nhân với hệ số nhân phù hợp, còn đầu vào thứ hai là tín

hiệu điều chế (tiếng nói hoặc âm nhạc)

8

d/ Bộ khuếch đại âm tần

Các đầu vào bộ khuếch đại âm tần nhận tín hiệu từ micrô và nguồn cung cấp. Bộ

Khuếch đại âm tần sẽ khuếch đại tín hiệu này tới một mức tín hiệu yêu cầu để đưa tới bộ

điều chế biên độ.

e/ Bộ khuếch đại công suất cao tần

Mức công suất ở đầu ra bộ điều chế thường chỉ nằm trong khoảng vài Watt trong khi

công suất yêu cầu để quảng bá tín hiệu đạt hiệu quả lại nằm trong khoảng hàng chục kW. Bộ

khuếch đại cao tần thực hiện việc khuếch đại công suất đồng thời đảm bảo nhiệm vụ chức năng

phối hợp trở kháng với anten.

f/ Anten

Anten là thành phần mạch điện có nhiệm vụ biến đổi năng lượng ở đầu ra máy phát

thành sóng điện từ bức xạ vào không gian. Anten có nhiều hình dạng vật lý khác nhau, được

xác định dựa vào tần số làm việc và mô hình bức xạ yêu cầu. Đối với mục đích phát thanh anten

cần bức xạ công suất một cách đồng đều theo mọi hướng. Trái lại trong lĩnh vực truyền dẫn tín

hiệu khi việc bảo mật thông tin đóng vai trò quan trọng (ví dụ trên điện thoại) thì anten cần phải

có tính định hướng để giảm sự thu nhận trái phép.

1.2. M¸y thu thanh ®iÒu biªn

1.2.1. Lời giới thiệu

Nhiễu điện từ gây ra bởi máy phát được phát đi từ anten phát và lan truyền trong không

gian với vận tốc ánh sáng. Nếu sóng điện từ bắt gặp một vật dẫn thì trên vật dẫn sẽ xuất hiện dòng

điện. Cường độ dòng điện phụ thuộc vào cường độ cường độ trường điện từ. Anten máy thu sẽ

tạo ra dòng điện khi có sóng điện từ bức xạ lên nó. Hai chức năng cơ bản của máy thu radio là

- Tách ra được tín hiệu mong muốn nhận được từ các tín hiệu khác nhau mà anten thu được

- Khôi phục lại được thông điệp đã được điều chế vào sóng mang máy phát.

1.2.2. M¸y thu c¬ b¶n : ThiÕt kÕ hÖ thèng.

Để tách được tín hiệu yêu cầu từ những tín hiệu khác mà anten thu được, ta sử dụng một

anten thông dải quanh tần số sóng mang, có dải thông đủ lớn để có thể chứa được biên tần trên và

biên tần dưới. Ở ngoài dải tần cộng hưởng của bộ lọc thì tất cả các tần số khác đều bị suy hao

không còn khả năng gây nhiễu cho tín hiệu hữu ích. Để đơn giản người ta chỉ cần chế tạo một bộ

lọc cộng hưởng LC mà tần số cộng hưởng của nó chính là tần số sóng mang.

Để khôi phục lại toàn bộ thông tin từ nguồn tin ở phía phát người ta sử dụng một mạch

điện gọi là mạch tách sóng, nó bao gồm một diode và một mạch LC mắc song song như hình 1.6

(a).

Khi điện áp của dạng sóng đường bao tăng thì độ gợn sóng lớn hơn khi điện áp này giảm.

Nếu hằng số thời gian càng lớn thì độ gợn sóng càng nhỏ, tuy nhiên thì điều này làm tăng khả

năng điện áp ra sẽ khác dạng sóng đường bao khi điện áp vào đang giảm do sự cắt theo đường

9

chéo. Trên thực tế, tần số sóng mang rất lớn so với tần số điều chế do vậy độ gợn sóng nhỏ hơn

rất nhiều so với trong hình vẽ.

Tín hiệu đi vào mạch được biểu thị một cách thích hợp nhất là bằng một nguồn dòng lý

tưởng được nối với cuộn sơ cấp của biến áp. Nguồn dòng lý tưởng này biểu thị tất cả các dòng

điện trên anten do tất cả các trạm phát tín hiệu quảng bá trong không gian đưa tới. Các tín hiệu

được đưa vào mạch điều hưởng LC ghép song song, mạch này sẽ chọn ra và làm tăng biên độ của

tín hiệu nào đó có tần số sóng mang giống với tần số cộng hưởng của mạch LC. Trong hình 1.6c

ta thấy rằng chỉ có tín hiệu điều chế đã được cộng hưởng mới xuất hiện ở đầu vào của mạch tách

sóng.

Do diode chỉ thông khi điện áp ở anode cao hơn so với catode nên chỉ có phần dương của

tín hiệu xuất hiện trên điện trở ra. Bởi vì tụ điện được mắc song song với điện trở nên khi diode

thông, tụ điện được nạp đến giá trị đỉnh của điện áp, khi điện áp vào thấp hơn điện áp đã nạp trên

tụ, diode sẽ bị ngắt và tụ sẽ phóng điện qua điện trở với điện áp suy giảm theo

hàm mũ

.

Với sự lựa chọn hằng số thời gian RC một cách chính xác dạng sóng của điện áp ra sẽ như trong

hình 1.6c. Dạng sóng này thực chất là đường bao của tín hiệu sóng mang với độ gợn sóng bằng

tần số sóng mang. Có thể dùng bộ lọc thông thấp để loại bỏ những gợn sóng này.

Mạch điện trong hình 1.6a đã được sử dụng khá tốt như một máy thu trong thực tế với

điện trở R được thay thế bằng một tai nghe trở kháng cao. Nhưng chắc chắn rằng một mạch điện

Hình 1.6: a) Mạch tách sóng đường bao

b) Tín hiệu vào mạch tách sóng đường bao

c) Tín hiệu ra từ mạch tách sóng

b)

c)

t

t

10

đơn giản như vậy sẽ có những hạn chế. Năng lượng trong mạch được cung cấp hoàn toàn từ phía

phát và phía thu tăng lên, hơn nữa khả năng triệt tín hiệu nhiễu từ các máy phát khác của mạch

điều hưởng LC là có hạn do vậy một máy thu như thế sẽ phải chịu nhiễu lớn từ các máy phát

khác. Những hạn chế này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng cấu hình máy thu đổi tần

được mô ta dưới đây.

1.2.3 Máy thu đổi tần : Thiết kế hệ thống.

Máy thu radio đổi tần nhận tín hiệu cao tần và biến đổi nó thành một tần số cố định gọi là

tần số trung tần (IF), khi đó sẽ dễ dàng hơn để thực hiện việc lọc nhiễu đồng thời cung cấp một

chút độ lợi về công suất hoặc khuếch đại thành tín hiệu mong muốn.

Máy thu đổi tần có những ưu điểm sau:

- Độ khuếch đại đồng đều hơn trên cả băng sóng vì tần số trung tần tương đối thấp và ổn

định khi tín hiệu vào thay đổi.

- Mạch vào làm nhiệm vụ chọn lọc các tín hiệu cần thu và loại trừ các tín hiệu không cần

thu cũng như các nhiễu khác nhờ có mạch cộng hưởng, tần số cộng hưởng được điều chỉnh

đúng bằng tín hiệu cần thu f0.

- Khuếch đại cao tần nhằm mục đích khuếch đại bước đầu cho tín hiệu cao tần thu được từ

Anten.

- Bộ đổi tần gồm mạch dao động nội và mạch trộn tần. Khi trộn 2 tần số dao động nội fn và

tín hiệu cần thu f0 ta được tần số trung gian hay còn gọi là trung tần, giữa tần số dao động nội

và tần số tín hiệu cần thu

Ftt =f0 + fn = Const

Khi tần số tín hiệu từ đài phát thay đổi từ f0min → f0max thì tần số dao động nội cũng phải thay

đổi từ fnmin → fnmax để đảm bảo hiệu số giữa chúng luôn là hằng số.

Đối với máy thu điều biên ( AM ): ftt = 465KHZ hay 455KHz

Đối với máy thu điều tần ( FM ): ftt = 10,7MHz

- Bộ khuếch đại trung tần: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung tần đến một giá trị đủ lớn để

đưa vào mạch tách sóng. Đây là một tầng khuếch đại chọn lọc, tải là mạch cộng hưởng có tần

số cộng hưởng đúng bằng trung tần.

- Tầng tách sóng: có nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần ra khỏi tín hiệu sóng mang cao tần, sau đó

đưa tín hiệu vào mạch khuếch đại âm tần.

Sơ đồ khối thông thường của một máy thu đổi tần AM được biểu diễn như trong hình 1.7.

Trên anten bao gồm các dòng điện từ các máy phát khác nhau phát tới nó. Bước đầu là sử dụng

một mạch điều hưởng khuếch đại tần số cao tần để làm tăng tín hiệu sóng mang mong muốn và

các biên của nó. Máy thu được thiết kế sao cho bộ khuếch đại cao tần có khả năng điều chỉnh tần

số bằng cách thay đổi giá trị của tụ điện trong mạch điều hưởng. Tụ điện này được ghép cơ khí

hoặc ’gộp’ với một tụ điện khác là một bộ phận hình thành nên mạch dao động nội.

Tấn số của bộ dao động nội và tần số đưa đến mạch khuếch đại cao tần đã điều hưởng

được lựa chọn theo cách như sau: giá trị của bộ tụ thay đổi nhưng chúng duy trì sự sai khác cố

định giữa hai tần số trên. Tín hiệu ra từ bộ dao động nội và bộ khuếch đại cao tần đưa vào bộ trộn

11

tần. Thực chất bộ trộn tần nhân hai tín hiệu trên với nhau và cho ra một tín hiệu bao gồm tổng và

hiệu của hai tần số đưa vào. Do sự sai khác giữa tín hiệu cao tần thu được và tần số dao động nội

được cố định lại nên hiệu của chúng là một số không đổi và giá trị này tương ứng với giá trị của

bộ tụ đã bị thay đổi.

Hình 1.7. Sơ đồ khối của máy thu đổi tần, tụ điều hướng cao tần được gộp với tụ quy định

tần số của bộ dao động nội. Trong một máy thu AM thông thường tần số dao động nội

luôn lớn hơn tần số cộng hưởng của mạch khuếch đại cao tần là 455 kHz trên toàn dải tần

có thể điều chỉnh.

Tín hiệu ra từ bộ trộn tần được đưa vào bộ khuếch đại trung tần, bộ khuếch đại trung tần

được thiết kế để lọc ra hiệu tần trên cùng với các biên tần của nó đồng thời làm suy giảm tất cả

các tần số khác hiện có. Khi hiệu tần được cố định lại (với các đài radio FM, tần số trung tâm là

445 kHz) yêu cầu về bộ lọc phải tương đối dễ thiết kế và phải có đặc tuyến ngưỡng rõ ràng.

Đầu ra của bộ khuếch đại trung tần gồm tần số trung tần và hai biên tần của nó được đưa

tới mạch tách sóng đường bao. Mạch tách sóng đường bao sẽ loại bỏ tần số trung tần, giữ lại tín

hiệu âm tần, tín hiệu này được khuếch đại qua mạch khuếch đại âm tần tới mức có thể đưa ra loa.

Rõ ràng sẽ có sự khác biệt lớn giữa tín hiệu thu được từ những trạm phát mạnh, ở gần và

trạm phát yếu, ở xa. Để giảm thiểu sự khác biệt này một mạch tự điều khuếch (AGC) được sử

dụng để điều chỉnh tín hiệu đưa vào mạch tách sóng đường bao tới một giá trị định trước. Bước

xử lý đáng quan tâm nhất trong hệ thống là ở bộ trộn tần. Có hai kiểu bộ trộn tần cơ bản là bộ

nhân tương tự và kiểu chuyển mạch. Bộ nhân tần tương tự nhân tín hiệu cao tần và tín hiệu dao

động nội, do vậy, khi tín hiệu sóng mang đã được điều chế là :

im(t) = A(1+ k sinωst)sinωct (1.2.1)

Và tín hiệu dao động nội là :

io(t) = BsinωLt (1.2.2)

Thì tín hiệu ra của bộ trộn tần là :

i(t) = A(1+ksinωst)sinωct×BsinωLt (1.2.3)

12

i(t) = 2

1AB(1 + ksinωst)[cos(ωL - ωc)t – cos(ωL+ ωc)t] (1.2.4)

i(t) = 2

1AB[cos(ωL - ωc)t – cos(ωL + ωc)t + ksinωstcos(ωL - ωc)t - ksinωstcos(ωL + ωc)t] (1.2.5)

i(t) = 2

1ABcos(ωL - ωc)t – cos(ωL + ωc)t

+ 2

1k[sin(ωL - ωc - ωs) t + sin(ωL - ωc + ωs) t]

- 2

1k[sin(ωL + ωc - ωs) t + sin(ωL + ωc + ωs) t] (1.2.6)

Hình 1.8. Biểu diễn phổ tần số

Phổ tần của biểu thức (1.2.6) được biểu diễn ở hình 1.8. Lưu ý đây là biểu thức đã được

đơn giản hóa để cho rõ ràng hơn. Sự hình thành tích số trong biểu thức (1.2.3) không phải là một

quá trình chính xác và nó có xu hướng tạo ra nhiều tần số do những sóng hài phụ và sóng hài bậc

cao hơn có trong tín hiệu cao tần và tín hiệu dao động nội. Tín hiệu cao tần và tín hiệu dao động

nội được biểu thị rõ ở đầu ra. Điều quan trọng là loại bỏ tất cả những tín hiệu không mong muốn

ra khỏi băng tần trung tần và làm biên độ của chúng suy giảm xuống rất thấp. Có thể thấy được

rằng sự trộn tần sẽ đem lại thêm hai sóng mang và các biên tần của chúng, hai sóng mang này có

tần số tương ứng với tổng (ωL + ωc) và hiệu (ωL - ωc) giữa tín hiệu dao động nội và các tần số

sóng mang.

Lúc này tín hiệu tần mong muốn (trung tần) có thể được lọc nhờ tầng lọc trung tần của

máy thu. Chú ý rằng hoạt động của bộ trộn tần không làm ảnh hưởng đến các biên tần. Để làm rõ

sự biến đổi của tín hiệu xảy ra trong toàn bộ hệ thống, băng AM quảng bá (600KHz ÷1600KHz)

ωs

(ωL

- ω

c -

ωs)

(ωL

- ω

c)

(ωL

- ω

c +

ωs)

(ωc -

ωs)

ωc

(ωc +

ωs)

ωL

(ωL

+ ω

c -

ωs)

(ωL

+ ω

c)

(ωL

+ ω

c + ω

s)

Biê

n độ

Tín

hiệ

u đi

ều c

hế

Tấn

số

sóng

man

g

Tru

ng tầ

n

Tần

số

da

o độ

ng n

ội

Tần số góc

13

được dùng làm ví dụ trong bảng 1.1. Bộ trộn tần đặt ra hai vấn đề trực tiếp là sự lựa chọn tần số

dao động nội và chiến lược thiết kế của bản thân bộ trộn tần.

Tần số ảnh là tần số của tín hiệu không mong muốn, đó là tần số khi được kết hợp với tín

hiệu dao động nội sẽ cho ra tần số trung tần. Bộ khuếch đại cao tần thông thường có thể triệt được

tần số ảnh nhưng việc này sẽ gặp khó khăn nếu tín hiệu mong muốn thu được rất yếu còn tín hiệu

ảnh lại rất mạnh.

Cao tần (KHz)

Giới hạn tần số thấp Giới hạn tần số cao

Tín hiệu đến 600±5 1600±5

Tần số dao động nội, fL 600+455=1055 1600+455=2055

Tần số trung tần, fk 455 455

Tần số ảnha, fim 1055+455=1510 2055+455=2510

Đầu ra bộ khuếch đại trung

tần, fk ± fs 455±5 455±5

Mạch tách sóng đường bao 0÷5 0÷5

Bảng 1.1

(1) Qua bảng 1.1 có thể thấy được rằng tần số dao động nội được chọn sao cho nó cao hơn tín

hiệu cao tần thu. Có nhiều lý do tốt để thực hiện việc này. Tỷ số giữa giá trị cực đại và cực tiểu

của điện dung yêu cầu để có thể điều chỉnh dao động nội trên toàn dải phát quảng bá là 3.79 trong

trường hợp chọn tần số dao động nội cao hơn tần số cao tần thu được. Ngược lại, nếu chọn tần số

dao động nội thấp hơn tỷ số trên sẽ là 62.4. Sẽ rất khó để chế tạo một biến dung như vậy với độ

dung sai thích hợp.

(2) Sự trộn tần đã sớm được đề cập đến và được xem như việc nhân tương tự. Tuy nhiên hoạt

động chính xác của một bộ nhân tương tự là một vấn đề quan trọng. Một bộ nhân tương tự thô sơ

có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một thiết bị có đặc tuyến điện áp – dòng điện là không

tuyến tính. Một diode tiếp giáp p-n thông thường có thể được dùng để thực hiện việc này. Bộ trộn

tần kiểu chuyển mạch sử dụng một diode hoặc một transistor mang dòng điện tỷ lệ với tín hiệu

cao tần và sẽ chuyển nó từ trạng thái này sang trạng thái khác tại tần số dao động nội.

1. Mạch vào :

Là mạch mắc giữa Anten và tầng đầu tiên của máy thu, có nhiệm vụ chủ yếu là nhận tín

hiệu từ Anten, chọn lọc các tín hiệu cần thu, do vậy mạch vào thường là mạch cộng hưởng.

Những yêu cầu cơ bản đối với mạch vào:

- Hệ số truyền đạt lớn và ổn định trên toàn băng sóng : KV = UV/EA

14

UV: điện áp đưa đến máy thu.

EA: suất điện động cảm ứng trên Anten.

- Đảm bảo điện độ chọn lọc: chọn lọc tần số lân cận, tần số ảnh fa = f0 + 2 ftt , và chọn

lọc tần số lọc thẳng.

- Đảm bảo độ méo tần số cho phép trong dải tần số làm việc từ fomin → fomax.

Mạch vào ghép điện dung với Anten.

Sơ đồ mạch và đáp ứng tần số:

Hình 1.9 : Sơ đồ mạch ghép nối điện dung & đáp ứng tần số

Anten được nối với mạch cộng hưởng thông qua điện dung ghép Cgh. Mạch cộng

huởng là một khung cộng hưởng LC, gồm một tụ xoay Cx, một tụ tinh chỉnh CT và một cuộn

dây L1. Tần số cộng hưởng được điều chỉnh bằng đúng bằng tần số tín hiệu cần thu fo. Qua

cuộn ghép cao tần L1: L2, tín hiệu thu được được đưa đến cực Base của mạch khuếch đại

cao tần.

Trị số của điện dung ghép Cgh= 5 → 30pF

Nhược điểm : Hệ số truyền đạt không đồng đều trên cả băng sóng.

Mạch vào ghép điện cảm với Anten.

Sơ đồ mạch và đáp ứng tần số:

Hình 1.10 Sơ đồ mạch ghép nối điện cảm & đáp ứng tần số

15

- Tín hiệu từ Anten qua cuộn ghép Lgh cảm ứng qua mạch cộng hưởng gồm tụ Cx, CT và

cuộn dây L1. Mạch cộng hưởng được điều chỉnh để chọn lọc lấy tín hiệu cần thu và cảm ứng

sang cuộn L2 để đưa đến cực Base của mạch khuếch đại cao tần.

- Hệ số truyền đạt của mạch vào dạng này tỉ lệ với hệ số phẩm chất của khung cộng

hưởng LC. Muốn tăng độ nhạy của mạch phải tăng L1 và giảm Lgh, nhưng L1cũng

không thể tăng quá lớn mà phải chọn dung hòa hai giá trị này để tránh ảnh hưởng đến tần

số cộng hưởng của mạch.

- Nhược điểm của mạch ghép điện cảm là hệ số truyền dẫn cũng không đồng đều trên toàn băng

sóng. Tuy nhiên so với mạch ghép điện dung thì mạch này có độ chọn lọc cao hơn và hệ số

truyền dẫn cũng đồng đều hơn nên được sử dụng rộng rãi trong thực tế.

2. Mạch khuếch đại cao tần :

Bộ khuếch đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều chế cao tần đến một giá

trị nhất định để đưa cho bộ đổi tần, các mạch khuếch đại cao tần thường được mắc kiểu CE

hoặc CB. Đối với băng sóng AM thì kiểu mắc CE là thích hợp vì tận dụng được hệ số

khuếch đại cao của dạng ghép này, còn đối với băng sóng FM thì kiểu ghép CB là thích

hợp hơn vì có băng thông làm việc rất rộng. Tầng khuếch đại cao tần cũng có thể là tầng

khuếch đại không cộng hưởng với tải là điện trở, điện cảm hoặc R-L hay biến áp nhưng phổ

biến hơn cả vẫn là tải cộng hưởng tại một tần số nào đó.

Hình 1.11 Mạch khuếch đại cao tần tải điện trở

Đây là bộ khuếch đại dải rộng, có hệ số khuếch đại tương đối đồng đều trong một

dải rộng từ vài chục đến vài MHz, tuy nhiên mạch không có khả năng chọn lọc tần số. Điện

trở tải R1 thường được sử dụng trong khoảng vài k Ω .

3. Mạch đổi tần

Mạch đổi tần là mạch biến đổi tín hiệu cao tần điều chế thành các tín hiệu có tần số thấp

hơn và không đổi gọi là trung tần. Dạng của tín hiệu điều chế sau khi đổi tần không thay đổi

mà chỉ thay đổi tần số sóng mang.Mạch đổi tần gồm 2 phần: Mạch tạo dao động nội và mạch

đổi tần ( trộn tần ).

16

Hình 1.12 Tín hiệu trước và sau trộn tần

Người ta đã chứng minh rằng nếu trộn 2 tín hiệu có tần số khác nhau là f1 và f2 trên

một phần tử phi tuyến thì sẽ nhận được ở đầu ra ngoài thành phần f1, f2 còn xuất hiện các

thành phần tổng f1+f2 và hiệu f1-f2. Nếu dùng mạch lọc cộng hưởng ta dễ dàng nhận

được tín hiệu có tần số hiệu f1-f2, và tần số hiệu này cũng chính là trung tần. Để tín hiệu

trung tần có tần số cố định khi tín hiệu thu từ Anten có tần số fo biến đổi thì tần số dao

động nội cũng phải thay đổi tương ứng, trong máy thu thanh người ta giải quyết vấn đề này

bằng cách sử dụng các tụ xoay đồng trục ở mạch vào và mạch dao động nội.

Trong sơ đồ hình 1.13 ( T 1 ) vừa làm nhiệm vụ dao động vừa làm nhiệm vụ trộn tần. Điện

áp tín hiệu được đưa vào cực B, điện áp dao động nội được đưa vào cực E. Khi tạo dao động

thì C1 được xem như nối mass cho cực B, mạch trở thành ghép BC và thành phần quyết

định dao động là khung L4C2, tín hiệu dao động nội được đưa đến cực E bằng tụ C2, đây

chính là thành phần hồi tiếp dương để trộn với tín hiệu cần thu.

Khi làm nhiệm vụ trộn tần thì C2 và L4 xem như nối mass cho E và T1 là mạch ghép CE.

Tín hiệu trộn tần được đưa vào cực B và lấy ra từ cuộn cảm ứng trên khung cộng hưởng từ cực

C.

Nhược điểm của mạch này là độ ổn định kém do transistor đảm nhận cùng lúc 2 nhiệm vụ

dao động và trộn tần.

Hình 1.13 Mạch trộn tần

17

4. Khuếch đại trung tần

Khối khuếch đại trung tần là một mạch khuếch đại cộng hưởng có nhiệm vụ khuếch

đại tín hiệu trung tần đến một giá trị đủ lớn để đưa vào mạch tách sóng, bộ khuếch đại

trung tần quyết định phần lớn độ chọn lọc và độ nhạy của máy thu.

Nếu dùng transistor rồi, khối trung tần có thể gồm 1, 2 hoặc 3 tầng khuếch đại ghép, còn

nếu dùng IC thì mạch khuếch đại trung tần thường được tích hợp chung với mạch tách sóng.

Hình 1.14 Mạch khuếch đại trung tần cộng hưởng kép

• C4L2: khung cộng hưởng tại tần số trung tần

• R1R2: phân cực cho mạch khuếch đại trung tần

• R3: điện trở ổn định nhiệt và đóng vai trò mạch hồi tiếp dòng nối tiếp

• C2: tụ thoát cao tần ( loại bỏ hồi tiếp áp nối tiếp )

• Tụ C3: hồi tiếp áp song song để ổn định tín hiệu ra

Mạch có hệ số khuếch đại rất lớn tại tần số trung tần, tại các tần số khác hệ số khuếch đại

giảm nhanh chóng.

Ưu điểm: hệ số khuếch đại khá lớn, độ chọn lọc cao

Nhược điểm:

• Dải thông hẹp, độ trung thực kém

• Muốn tăng độ nhạy của máy thu thường người ta chọn phương pháp tăng độ khuếch đại

của mạch khuếch đại trung tần, tuy nhiên trong mạch trên, khi tăng hệ số khuếch đại → hiện

tượng tự kích. Vì vậy người ta thường mắc thêm tụ C3 để tạo mạch hồi tiếp âm áp song song

cho mạch

5. Mạch tách sóng đường bao

Mạch tách sóng biên độ thường sử dụng là mạch tách sóng diode. Nếu diode mắc

nối tiếp với điện trở tải gọi là tách sóng diode, nếu diode mắc song song với điện trở tải gọi là

tách sóng song song. Mạch tách sóng song song được dùng trong trường hợp cần ngăn thành

phần một chiều với trung tần. Tuy nhiên, trong thực tế người ta hay dùng mạch tách sóng

nối tiếp.

18

Hình 1.15 mạch tách sóng nối tiếp

Nguyên lý hoạt động của mạch: diode D1 và tụ C trong mạch đóng vai trò mạch

chỉnh lưu cao tần có tác dụng chỉnh lưu và lọc thành phần tín hiệu trung tần và giữ lại thành

phần tín hiệu âm tần.

Do mạch tách sóng chỉ hoạt động ở tần số trung tần nên việc chọn loại diode và giá trị

tụ C phải phù hợp.

Trong thực tế C = 5 → 20nF; R = 5 → 10 KΩ. Diode tách sóng phải sử dụng

loại chuyên dùng. Trong một số máy thu người ta còn sử dụng mạch tách sóng dùng

transistor. Thông thường trong các mạch này, transistor được phân cực ở chế độ khuếch đại

yếu.

6. Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

Do nhiều nguyên nhân mà tín hiệu do máy thu thu được có thể không đồng đều nhau, lúc

mạnh, lúc yếu điều đó dẫn đến âm lượng thay đổi lúc to, lúc nhỏ. Để hạn chế điều này và giữ

cho âm lượng máy thu ổn định khi tín hiệu vào thay đổi trong một phạm vi rộng, thông

thường trong các máy thu thanh được thiết kế thêm mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

cho các tầng khuếch đại cao tần và trung tần. Khi tín hiệu thu yếu, hệ số khuếch đại các

tầng tăng lên và khi tín hiệu thu tăng lên thì hệ số

khuếch đại của các tầng này giảm đi.

1.3. M¸y ph¸t thanh ®iÒu tÇn.

1.3.1. Lêi giíi thiÖu.

Biên độ của tín hiệu dạng sin tần số cao (sóng mang) được biến đổi theo dạng sóng của

một tín hiệu âm tần (điều chế) để cho một sóng điều biên, dạng sóng này có thể được phát, thu và

giải điều chế khôi phục lại tín hiệu âm thanh ban đầu.

Đối với phát thanh điều tần (FM), tần số của sóng mang biến thiên quanh một giá trị cố

định theo biên độ của tín hiệu âm thanh. Biên độ sóng mang được giữ cố định. Dạng sóng của

một sóng mang hình sin được điều chế bởi một sóng dạng răng cưa được vẽ ở hình 1.16.

19

Vs

t

t

Vfm

Hình 1.16. Tần số dạng xung răng cưa Vs, điều chế một sóng mang để cho ra Vfm. Lưu ý rằng

quan hệ biến thiên tần số đã được phóng đại lên cho rõ. Trong phát thanh FM sự biến thiên tần

số có quan hệ với sóng mang nhỏ hơn 0,15%.

Tất cả các tín hiệu được truyền tải bởi bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào dù sớm hay muộn

cũng bị tác động bởi tạp âm. Bởi vậy độ nhạy của hệ thống thông tin đối với tạp âm là vấn đề hết

sức quan trọng. Tạp âm có thể được định nghĩa như là « sự biến đổi ngẫu nhiên chồng tầng lên

tín hiệu ». Trong các hệ thống AM, thông tin được truyền tải nằm ở đường bao của tín hiệu sóng

mang. Do đó tạp âm sẽ xuất hiện trên đường bao và đóng vai trò trực tiếp trong việc làm sai lệch

tín hiệu. Trong các hệ thống FM thông tin được truyền tải nằm trong sự biến thiên của tần số sóng

mang quanh một giá trị xác định. Biên độ của tín hiệu FM được giữ không đổi và quả thực nếu có

các thay đổi về biên độ của tín hiệu FM, chúng sẽ bị loại bỏ bằng cách cắt đi trước khi điều chế.

Với việc so sánh như trên, có thể thấy rằng các hệ thống FM ít nhạy cảm hơn đối với việc

suy giảm do tạp âm.

1.3.2. Lý thuyÕt vÒ ®iÒu chÕ tÇn sè.

Trong khi một tín hiệu điều chế xung răng cưa cho dạng đơn giản của tín hiệu FM, thì tín

hiệu điều chế sin là dạng đơn giản nhất xuất phát từ các biểu thức toán học để biểu diễn tín hiệu

FM. Một điện áp dạng sin có thể được biểu diễn như sau :

Uc(t) = Acosωct (1.3.1)

Uc(t) = Acosθ(t) (1.3.2)

Với ω là hằng số biểu diễn vận tốc góc của hình sin còn θ là góc pha. Nói chung, mối

quan hệ giữa góc pha và vận tốc góc được cho bởi :

dt

td )(θ=ω(t) (1.3.3)

Trong một hệ thống điều tần, ω được biến đổi quanh một giá trị cố định ωc, theo tín hiệu

điều chế được giả thiết trong trường hợp này cũng là dạng sin :

Us(t) = Bcosωst (1.3.4)

20

Vận tốc góc tức thời tại thời điểm bất kỳ :

ωi = ωc + ∆ωccosωst (1.3.5)

Thay các giá trị tức thời vào phương trình (1.3.3)

ωi(t) = dt

tid )(θ (1.3.6)

Thế phương trình (1.3.5) vào phương trình (1.3.6) và thực hiện tích phân

θi(t) = φ + ∫t

c dt0

ω + ∫t

sc tdt0

cosωω (1.3.7)

Với φ là giá trị góc pha ban đầu, nói chung thường cho bằng 0 nên :

θi(t) = ωct + ts

s

c ωω

ωsin

∆

Đặt s

c

ω

ω∆= mf ta có θi(t) = ωct + mf sinωst

Sau đó thế θi(t) vào phương trình (1.3.2) được:

Ufm(t) = Acos(ωct + mf sinωst) (1.3.8)

Ufm(t) = Re tmtj sfc

eAωω sin

.+

(1.3.9)

Khai triển thành chuỗi Fourier phức nhờ hệ số hàm Bessel loại I.

Kết quả được :

Ufm(t) = Ajo(mf) cosωct + J1(mf)[cos(ωc+ωs)t - cos(ωc - ωs)t]

+ J2(mf)[cos(ωc+2ωs)t + cos(ωc - 2ωs)t] +

+ J3(mf)[cos(ωc+3ωs)t - cos(ωc - 3ωs)t] + … (1.3.10)

Với Jn(mf) được vẽ dựa trên mf với các giá trị n thay đổi như ở hình 1.17.

Từ phương trình (1.3.10) có thể thấy rằng :

(1) Tần số sóng mang ωc hiện tại và biên độ của nó được xác định bằng chỉ số điều chế mf.

(2) Các hạng thức tiếp theo biểu diễn hai tần số là tổng (ωc+ωs) và hiệu (ωc - ωs) của sóng mang

và tín hiệu điều chế với biên độ j1(mf).

(3) Hai hạng thức tiếp theo có biên độ j2(mf) và các dải tần số (ωc+2ωs) và (ωc - 2ωs).

(4) Có một số vô hạn các tổng và hiệu của sóng mang và các bội số nguyên lần của tín hiệu điều

chế.

21

Hình 1.17. Đồ thị hàm Besel bậc nhất jn(mf) dựa trên mf, với n = 0,1,2,3.

Các giá trị jn(mf) được dùng để tính biên độ của các biên tần xuất hiện trong tín hiệu FM.

Điều này nói lên rằng, để truyền một sóng sin đơn giản bằng hệ thống FM, thì phải cần

một băng thông vô hạn để thích ứng với tất cả các dải biên. Tuy nhiên, từ hình 1.17 có thể thấy

rằng, khi n tăng thì biên độ của các dải biên giảm và phân bố năng lượng của chúng suy giảm

nhanh chóng. Không giống với hệ thống AM, ở hệ thống FM với một chỉ số điều chế lớn hơn giới

hạn có thể gây ra méo nghiêm trọng, chỉ số điều chế của FM không hề có giới hạn trên trừ khi

điều chế một tín hiệu có tần số cố định ωs, việc tăng chỉ số điều chế mf làm cho độ di tần của tín

hiệu FM so với sóng mang lớn hơn. Điều này có nghĩa là băng thông số lớn hơn. Với điều kiện là

không có các yêu cầu về giới hạn băng thông và để cho phép một số lớn nhất các đài phát FM

hoạt động với độ méo và nhiễu nhỏ nhất, độ di tần cực đại cho phát thanh FM dân dụng được cho

ở mức ±75 kHz. Tuy nhiên, khi nguồn tín hiệu có giá trị vượt quá giới hạn ±75 kHz, dải thông

thực tế được đặt ở mức 200kHz.

Các kênh thông tin điều tần còn có thể được biết đến nằm trong dải tần khoảng từ 1600

kHz đến 4000MHz. Các thành phần phổ tần này được dành để sử dụng cho cảnh sát, các kênh

tiếng của truyền hình VHF và UHF, thông tin di động VHF, và thông tin điểm nối điểm. Đối với

dải tần của đài phát thanh FM dân dụng nằm trong dải từ 88 đến 108 MHz.

1.3.3. Phư¬ng ph¸p thiÕt kÕ hÖ thèng.

1.3.3.1. ThiÕt kÕ hÖ thèng c¬ b¶n.

Một phương pháp đơn giản để tạo ra một tín hiệu FM là bắt đầu bằng một bộ dao động LC

bất kỳ. Tần số của bộ dao động được xác định bởi giá trị của C và L. Nếu một tụ điện biến đổi ∆C

được mắc song song với C và sự biến đổi dung kháng tỷ lệ với tín hiệu điều chế thì sẽ nhận được

một tín hiệu FM.

22

Hình 1.18. Bộ dao động điện dẫn âm

Xét một bộ dao động điện dẫn âm như vẽ ở hình 1.18. Điện dẫn âm có thể được tạo ra

bằng diot tunel, đèn năm cực được phân cực thích hợp, hoặc một transistor tiếp giáp lưỡng cực

cùng với một mạch hồi tiếp thích hợp.

Tần số của bộ dao động được cho bởi

ω2c =

LC

1 (1.3.16)

Khi một tụ điện biến đổi ∆C được mắc song song với C, thì tần số của mạch dao động sẽ là :

(ωc ± ∆ωc)2 =

)(

1

CCL ∆± (1.3.17)

Bất kỳ một diot tiếp giáp p-n nào khi được phân cực ngược cũng có thể tạo thành ∆C. Tuy

nhiên mối quan hệ giữa ∆C và điện áp phân cực là không tuyến tính và do đó sẽ nhận được các

bước tương ứng, cũng như khi sử dụng hai diot đẩy kéo hay chế tạo các diot đặc biệt (ví dụ các

diot thông số hoặc các diot với các tiếp giáp siêu dốc, cả hai loại diot trên đều nằm trong sự phân

loại tụ điện được điều khiển bằng điện áp).

Việc tạo ra các tín hiệu FM trực tiếp trong thực tế rất khó thực hiện. Giả sử máy phát làm

việc ở tần số 100MHz, thì các yêu cầu về cảm kháng và dung kháng tương ứng xấp xỉ bằng 160

nH và 16pF. Các cảm kháng và dung kháng tạp kết hợp với mạch điện sẽ làm cho việc thực hiện

khó trở thành hiện thực. Một ý tưởng thực tế là tạo tín hiệu FM ở một tần số thấp, với yêu cầu

các giá trị của L và C lớn hơn, sau đó sử dụng một số tầng của các bộ nhân tần để tăng tần số tới

giá trị yêu cầu. Giả sử tín hiệu FM tần số thấp được tạo ra ở tần số 200kHz. Khi đó các giá trị

tương ứng của L và C là 1,27mH và 500pF, khi tần số được nhân lên 500 lần (thực tế là 29 = 512)

để đưa nó tới băng tần FM dân dụng, độ di tần cực đại là 75 kHz/500 = 150Hz bởi vậy độ di tần

sẽ không vượt quá giới hạn cho phép. Khi đó yêu cầu đối với điện dung biến đổi ∆C = 2,5pF. Giá

trị này nằm trong khoảng biến đổi điện dung của diot tiếp giáp p-n. Sơ đồ khối của hệ thống được

cho ở hình 1.19.

Hình 1.19. Một thiết kế máy phát FM cải tiến, trong đó tín hiệu FM được tạo ra ở một tần số thấp

và sau đó được nhân với một hệ số nhân thích hợp để nhận được tần số yêu cầu.

23

Việc thiết kế toàn bộ các khối được vẽ ở hình 1.19 đã được thảo luận trước đây. Tuy

nhiên, các yêu cầu về ổn định tần số của hệ thống vẽ ở hình 1.19 là không thực tế.

Một trong các yêu cầu của một máy phát đó là tần số của nó phải luôn được giữ nguyên ở

một giá trị xác định để tần số của máy phát không bị trôi và gây nhiễu cho các kênh thông tin

khác. Trong sơ đồ khối vẽ ở hình 1.19 không mắc thêm các thành phần để đảm bảo tần số trung

bình của chu kỳ đài không thay đổi. Một sơ đồ thay thế được vẽ ở hình 1.10, trong đó tần số sóng

mang của tín hiệu FM được so sánh với tần số của bộ dao động được ổn định bằng tinh thể và kết

quả của tín hiệu sai lệch sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh tần số sóng mang.

Hình 1.20. sơ đồ thay thế máy phát FM

1.3.3.2. Phân tích sơ đồ máy phát FM

Bộ dao động chủ là một mạch dao động kiểu LC tương tự như một bộ dao động điện dẫn

âm đã được thảo luận trước đây. Sự biến thiên ∆C tạo ra tín hiệu FM. Đầu ra được đưa tới khối

khuếch đại đệm, nó tạo ra sự cách ly giữa bộ dao động với tải của nó để khi tải thay đổi sẽ gây

ảnh hưởng rất nhỏ đến sự hoạt động của mạch dao động. Tín hiệu tiếp tục được đưa tới khối hạn

biên. Thành phần biên độ của tín hiệu FM đã được hạn biên sau đó được đưa tới khối trộn mà một

đầu vào khác của nó nhận tín hiệu từ một khối dao động tinh thể. Hiệu tần được khuếch đại thích

hợp, lọc và đưa tới khối tách sóng biến điệu tần số để tạo ra một tín hiệu một chiều tỷ lệ với hiệu

giữa tần số yêu cầu và tần số của khối dao động tinh thể. Tín hiệu một chiều hay tín hiệu sai số

được sử dụng để giữ bộ dao động chủ sóng làm việc tại tần số yêu cầu. Sử dụng sơ đồ này có thể

thực hiện việc ổn định tần số của bộ dao động tinh thể dựa trên bộ dao động chủ. Cần chú ý rằng

hằng số thời gian của tín hiệu sai số được chọn sao cho nó có thể hiệu chỉnh độ lệch tần trong một

chu kỳ dài của khối dao động chủ mà không làm ảnh hưởng đến độ lệch tần của chu kỳ ngắn bởi

tín hiệu điều chế. Đầu ra của khối hạn biên/lọc được đưa tới một chuỗi các bộ nhân để nâng tần

số tới một giá trị yêu cầu. Sau đó khối khuếch đại công suất sẽ khuếch đại công suất tín hiệu tới

giá trị mong muốn và đưa ra anten bức xạ tín hiệu.

1.3.3.3. ThiÕt kÕ khèi tù ®éng ®iÒu chØnh tÇn sè.

Hai khối mới được đưa vào hệ thống để thực hiện việc biến đổi thông số. Đó là khối hạn

biên và tách sóng biến điệu tần số. Việc thiết kế mạch điện của các khối này như sau :

24

a. Khối hạn biên

Một tín hiệu FM trung thực phải có biên độ không đổi. Trong thực tế các mạch điện phi

tuyến gây ra sự biến đổi đường bao của tín hiệu FM liên quan tới tín hiệu điều chế, tức vị trí của

tín hiệu điều biên. Một điều hiển nhiên đó là bất kỳ một tín hiệu AM nào xuất hiện trong hệ thống

FM sẽ gây can nhiễu với tín hiệu trong quá trình giải điều chế, vì hầu hết các bộ giải điều chế FM

đều biến đổi sự biến thiên của tần số thành sự biến thiên của biên độ trước khi tách sóng. Lý do

thứ hai để hạn chế biên độ của tín hiệu FM, đó là tạp âm xuất hiện trong kênh thông tin thường

nằm bên trên đường bao của tín hiệu và do đó bằng cách xén bớt biên độ của tín hiệu thì một vài

thành phần tạp nhiễu sẽ bị loại bỏ.

Bộ hạn biên lý tưởng có thể chấp nhận tại đầu vào một tín hiệu có biên độ bất kỳ và biến nó

thành một tín hiệu có biên độ không đổi. Một phép gần đúng trong thực tế để cải thiện bộ hạn biên

lý tưởng được thực hiện bằng cách khuếch đại đầu vào bằng với hệ số khuếch đại lớn và cắt một

phần nhỏ đối xứng qua trục thời gian. Do đó tín hiệu ra sẽ có dạng sóng vuông. Để trở lại dạng sin,

tín hiệu phải được đưa qua một bộ lọc thông dải để loại bỏ tất cả các sóng hài và chỉ còn lại thành

phần cơ bản. Bộ hạn biên có ba khối: khối tiền khuếch đại, khối xén đối xứng, và khối lọc thông

dải. Sơ đồ khối hệ thống được vẽ ở hình 1.11.

Ở mục lý thuyết điều chế tần số cho thấy một tín hiệu FM có một số vô hạn các dải biên

nhưng trong thực tế không cần phải giữ lại tất cả các dải biên để duy trì một mức trung thực cao.

Khi làm việc tại chỉ số điều chế cho phép, mf = 5 và các dải biên giữ lại với các hệ số jn (mf) lớn

hơn 0,01 (ví dụ.,1% của sóng mang không được hạn chế) điều này cho 8 dải biên đầu tiên phải

giữ lại. Khi các dải biên có khoảng cách ωs, và ωs có giá trị lớn nhất bằng 15kHz, độ rộng băng

thông bằng 240kHz.

Hình 1.21. Sơ đồ khối biểu diễn chi tiết bộ hạn biên/lọc

Hệ số Q (ở mức – 3dB) của khối tiền khuếch đại với băng thông yêu cầu sẽ chỉ trên 400.

Tuy nhiên, điều này có ý nghĩa là các dải biên xa nhất phải chịu suy giảm 3dB so với sóng mang

gần hơn này, gây ra sự biến thiên lớn về biên độ của tín hiệu. Trong thực tế, tín hiệu điều chế

được tạo nên từ một số lượng lớn các tần số rời rạc điều này gây khó khăn cho việc tính toán dải

thông yêu cầu. Có thể sử dụng một bộ khuếch đại có đáp tuyến tần số bằng phẳng nhưng nó có

nhược điểm là khuếch đại dưới mức tạp âm và trên mức phổ quan tâm. Để dung hòa các yếu tố

trên cần phải sử dụng một mạch khuếch đại điều hưởng có hệ số Q thấp hơn nhiều. Nó có ưu

điểm là sự biến thiên nhỏ nhất về đáp tuyến của nó ở toàn bộ phổ tần được chiếm giữ bởi các dải

thông có nghĩa và suy giảm tạp âm xuất hiện trong thành phần phổ còn lại. Một hệ số Q tải bằng

20 là thỏa mãn.

Trong thực tế chấp nhận phương án tạo ra tín hiệu FM ở một tần số thấp và sử dụng một

số tầng của các bộ nhân tần để đưa tới tần số hoạt động. Nếu tín hiệu FM được tạo ra tại tần số

25

200kHz, độ di tần gần đúng vào khoảng 150Hz. Băng thông thích hợp để thích ứng với 8 dải biên

sẽ là 470Hz.

Hình 1.22 minh họa sơ đồ khối mạch điện của bộ tiền khuếch đại và tải của nó, bộ hạn

biên cân bằng. Việc thiết kế chi tiết một bộ khuếch đại tương tự sẽ không được nhắc ở đây. Tuy

nhiên, điều lưu ý đó là các diot có thể xem như ngắn mạch và do điện trở R sẽ được mắc song

song với mạch cộng hưởng.

Hình 1.22. Sơ đồ mạch điện của bộ tiền khuếch đại và bộ xén cân bằng.

Hình 1.23. Sử dụng hai diot-zener mắc đối nhau là một sự cải tiến cho bộ hạn biên đối xứng được

vẽ ở hình 1.22.

b. Bộ hạn biên đối xứng

Một bộ hạn biên đối xứng đơn giản được vẽ ở hình 1.22. Điện trở R được chọn để sao cho

hệ số Q của mạch cộng hưởng xấp xỉ bằng 20. Việc thiết kế chi tiết của một mạch cộng hưởng

song song với một hệ số Q xác định sẽ không được nhắc ở đây.

Đầu ra của bộ hạn biên sẽ vào khoảng 0,7V khi sử dụng các diot silicon đơn hoặc là bội

của 0,7V, phụ thuộc vào bao nhiêu diot được mắc nối tiếp nhau để xác định mức hạn biên. Hiển

nhiên là việc hạn biên càng khắt khe thì tín hiệu ở đầu ra càng có khả năng là sóng vuông nhưng

lại yêu cầu hệ số khuếch đại của các tầng tiếp theo lớn hơn.

Một thiết kế là tối ưu khi mức hạn biên cao là sử dụng các diot Zenner mắc đối nhau như

vẽ ở hình 1.23. Diot Zenner tạo ra một mức khóa nhạy hơn so với một diot thông thường. Với

cách mắc này, thì chỉ một trong hai diot Zenner là làm việc như một diot Zenner trong khi diot

còn lại cho dòng chảy qua theo chiều thuận. Chúng đổi vai trò cho nhau khi cực tính điện áp cung

cấp thay đổi.

c. Bộ lọc thông dải

26

Thật có lý khi giả thiết cho rằng đầu ra của khối hạn biên là dạng sóng hình vuông. Tần số

của sóng hình vuông biến thiên nhưng nó ở giữa của tần số sóng mang. Việc phân tích chuỗi

Fourier cho thấy rằng thành phần hài có giá trị nhất của sóng hình vuông là hài bậc ba. Bởi vậy

với sóng mang phụ là 200kHz, thì hài bậc ba sẽ là 600kHz. Một mạch cộng hưởng song song đơn

giản được điều hưởng tới tần số sóng mang thì cần phải lọc ra các thành phần hài. Nhưng, như

trước đây, việc lựa chọn hệ số Q của mạch điều hưởng phải được thực hiện để đảm bảo rằng tất

cả các dải biên có giá trị đều nằm trong dải thông của bộ lọc và chịu mức suy giảm nhỏ nhất.

d. Bộ tách sóng biến điệu tần số

Mục đích của bộ tách sóng biến điệu tần số là để chuyển sự biến thiên về tần số thành sự

biến thiên về biên độ. Một bộ biến đổi tần số - biên độ được theo sát bởi một bộ tách sóng đường

bao được sử dụng để khôi phục tin tức được chứa trong tín hiệu điều chế. Các đặc tuyến truyền

đạt của hai mạch điện có thể được sử dụng cho việc biến đổi tần số-biên độ được vẽ ở hình 1.24

Mạch điện đơn giản nhất có đặt tuyến vẽ ở hình 1.24(a) là một mạch thông cao RC đơn

giản với tần số góc của nó lớn hơn rất nhiều so với tần số góc sóng mang của tín hiệu FM. Hình

1.24(b) minh họa đặc tuyến của một bộ thông thấp đơn giản với tần số góc của nó được chọn thấp

hơn rất nhiều so với tần số sóng mang. Cả hai mạch điện đều dựa trên nguyên tắc, chuyển tín hiệu

FM thành tín hiệu AM. Tuy nhiên, trong thực tế tần số sóng mang phụ của hệ thống vẽ ở hình

1.10 chỉ vào khoảng 200kHz, trong khi sự biến thiên được giới hạn với một giá trị cực đại

±150Hz. Khi cả hai mạch điện này có độ dốc bằng 6dB/octave, thì sự biến thiên về biên độ của

các mạch điện này sẽ vượt quá ngưỡng thấp nhất. Việc sử dụng một bộ khuếch đại có hệ số

khuếch đại lớn kèm theo mạch thỉ làm tăng thêm tạp âm. Một phương pháp tốt hơn là tìm một

mạch điện có độ dốc về biên độ lớn nhiều so với tần số.

Một mạch cộng hưởng RLC có sự biến thiên nhanh về biên độ đối với tần số ở cả hai biên

của tần số cộng hưởng, đặc biệt khi hệ số Q của mạch cao. Mạch điện và đáp tuyến của nó được

vẽ trên hình 1.15. Rõ ràng mạch điện này có xu hướng gây ra sự méo dạng, đặc biệt đối với các

sóng hài (sự phi tuyến là bất đối xứng).

Hình 1.24. Các đặc tuyến yêu cầu của một bộ biến đổi tần số-biên độ : (a) mạch thông cao

và (b) mạch thông thấp.

27

Hình 1.25. Một mạch cộng hưởng LC đơn được sử dụng như là một bộ biến đổi tần số-biên độ.

Trong trường hợp này, sườn dốc dương (thông cao) được sử dụng. Sườn dốc âm (thông thấp) sẽ

là hiệu ứng cân bằng. Chú ý rằng bởi sự phi tuyến của cả hai sườn dốc nên chúng có ưu điểm của

một hàm bậc hai, các thành phần méo của mạch điện chủ yếu là các hài chẵn

e. Mạch tách sóng đường bao

Mục đích của bộ tách sóng đường bao là để hiệu chỉnh độ di tần chu kỳ dài của bộ dao

động chủ trong khi cho phép độ di tần chu kỳ ngắn được gây ra bởi tín hiệu điều chế. Do đó hằng

số thời gian được chọn dựa trên tần số thấp nhất xuất hiện trong tín hiệu điều chế, ωsmin, sẽ làm

cho hệ thống hiệu chỉnh tần số không phải làm việc. Điều kiện này được thỏa mãn khi hằng số

thời gian của bộ tách sóng, τdet, được chọn sao cho

ωsminτdet >> 1

1.4. M¸y thu thanh ®iÒu tÇn

1.4.1. Lêi giíi thiÖu.

Trong điều chế biên độ, tần số của sóng mang được giữ không đổi trong khi biên độ của

nó được biến đổi theo biên độ của tín hiệu điều chế. Trong điều chế tần số, biên độ của sóng

mang được giữ không đổi trong khi tần số của nó biến đổi theo biên độ của tín hiệu điều chế.

Hiển nhiên, cần có một mạch điện biến sự thay đổi tần số thành sự biến thiên về biên độ - những

phương pháp kỹ thuật được sử dụng trong tách sóng AM, cũng có thể được sử dụng cho FM.

Trong mục bộ tách sóng biến điệu tần số, ba mạch điện chuyển đổi sự thay đổi tần số

thành sự thay đổi biên độ đã được thảo luận và đặc tính của chúng về độ tuyến tính cũng như dải

động đã được khảo sát. Từ đó thấy rằng máy thu FM cũng phải có các chức năng cơ bản giống

như máy thu AM. Cấu trúc của máy thu FM được minh họa ở hình 1.26

28

Hình 1.26: Sơ đồ khối của máy thu FM dân dụng cùng các dải tần và các độ rộng băng.

Kỹ thuật thu đổi tần được sử dụng trong FM vì cùng lý do như được sử dụng trong AM,

nó chuyển đổi tất cả các tín hiệu tần số thu được thành một tần số trung gian cố định mà tại tần số

đó quá trình lọc có thể được thực hiện một cách có hiệu quả.

Nhiệm vụ của anten là cảm ứng được phần năng lượng điện từ được phát đi từ máy phát.

Những nguyên tắc cơ bản được ứng dụng để thiết kế một anten, tuy nhiên trong phát thanh FM,

tần số của năng lượng điện tử nằm giữa khoảng 88 đến 108 MHz nên thực tế cần phải có những

anten mà kích thước vật lí của chúng nằm trong giới hạn thích hợp.

Mức công suất của bộ khuếch đại cao tần được nâng lên đến mức có thể được sử dụng

trong bộ trộn tần để biến đổi tần số trung tâm thành một tần số thấp hơn tần số trung tần (IF). Bộ

trộn tần cùng bộ dao động nội chuyển đổi tín hiệu cao tần thu thành một tần số trung tần 10.7

MHz. Không có gì đặc biệt về tần số trung tần 10.7 MHz ngoại trừ tại một tần số tương đối thấp

như vậy, yêu cầu giá trị của các cuộn cảm và các tụ điện phải đủ lớn để giảm thiểu hiệu ứng nhiễu

loạn điện từ trong mạch. Tại tần số cố định này việc lọc được thực hiện triệt để loại trừ những tín

hiệu không mong muốn được sinh ra trong quá trình trộn tần, những tín hiệu nhiễu và tạp âm.

Tín hiệu sau khi lọc được đưa tới bộ hạn biên. Sự cần thiết của bộ hạn biên trở nên tất yếu

khi tín hiệu FM thường được chuyển đổi thành tín hiệu AM trong bộ tách sóng điều tần trước khi

nó được tách sóng. Điều này có nghĩa là bất kì sự thay đổi nào về biên độ tín hiệu FM sẽ được đặt

lên tín hiệu gốc từ bộ tách sóng điều tần và do đó gây ra méo dạng. Bộ hạn biên cắt triệt để tín

hiệu thành biên độ cố định và do đó lọc ra được những hài không mong muốn. Tín hiệu sau đó

được đưa tới bộ tách sóng điều tần (bộ chuyển đổi tần số - biên độ) và bộ tách sóng đường bao.

Bộ khuếch đại âm tần khuếch đại tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng lên một mức thích hợp để đưa

ra loa.

Mặc dù cấu trúc các máy thu AM và FM có nhiều điểm tương đồng tuy nhiên cũng có

những điểm khác biệt đòi hỏi những thiết kế và những cách xây dựng khác nhau. Đó là những

điểm sau:

1. Tần số sóng mang cao hơn (88 ÷ 108 MHz) được sử dụng trong FM đòi hỏi giá trị của cả cuộn

cảm và tụ điện trong mạch điều hưởng phải nhỏ. Điều này đồng nghĩa với việc điện cảm tạp

tán và điện dung tạp tán sẽ được xem như là đáng kể đối với giá trị thiết kế, do vậy gây ra ảnh

hưởng lớn hơn trong các mạch điều hưởng. Trong thiết kế, mặc dù có thể thực hiện những biện

29

pháp thích hợp để hợp nhất những ảnh hưởng của sự nhiễu loạn điện từ cố định trong một

mạch điện nhưng còn có những giá trị thay đổi khác của các phần tử ví dụ như hệ số nhiệt độ,

hệ số rung động, có thể gây ra độ lệch đủ lớn đòi hỏi phải có sự tái điều chỉnh của máy thu

trong suốt quá trình thu. Bộ dao động nội là nơi dễ bị ảnh hưởng nhất từ các thành phần tạp

tán, do nó phải làm việc ở tần số lớn hơn tần số sóng mang là 10.7MHz. Để đảm bảo sự ổn

định của bộ dao động, mạch điện có hệ số Q cao, các tụ điện có hệ số nhiệt âm và sự tự điều

khiển tần số (AFC) được sử dụng. Một số bộ khuếch đại cao tần đầu vào FM sử dụng những

thành phần mạch có thông số phân tán như cáp đồng trục và những đường truyền dẫn (hệ

thống các vật dẫn như dây dẫn, ống dẫn sóng…)

2. Với tần số trung tần 10.7MHz, dải tần mà các nhiễu ảnh có thể hình thành là từ 109.4MHz đến

129.4 MHz. Dải tần này được dành riêng cho hệ thống vô tuyến định vị dẫn đường. Điều đó

cho thấy rằng một trạm FM không thể gây nhiễu cho một trạm khác nhưng gây nhiễu cho một

hệ thống vô tuyến định vị dẫn đường thì có thể. Trong AM, nhiễu có thể được giảm thiểu

bằng cách khuếch đại vi sai tín hiệu mong muốn lên một mức tương đối so với tín hiệu ảnh.

Trong FM, bộ khuếch đại điều hưởng cao tần có hệ số Q cao được sử dụng để phục vụ cho

mục đích này.

3. Việc sử dụng bộ khuếch đại điều hưởng có hệ số Q cao trong tầng cao tần đòi hỏi tần số của bộ

dao động nội phải rất ổn định, độ lệch của nó so với tần số cao phải chính xác và đưa ra mức

biến động tối thiểu từ tần số trung tâm được chọn. Bản thân bộ dao động nội không có được

những khả năng này nhưng khi được kết hợp với mạch AFC và những biện pháp ổn định khác,

hoạt động của bộ dao động nội có thể thỏa mãn những yêu cầu trên.

4. Bộ lọc trung tần lý tưởng là bộ lọc có đặc tuyến dải thông bằng phẳng và có các sườn dốc

đứng. Đỉnh bằng phẳng được yêu cầu để chống lại những tần số phụ thuộc vào sự biến đổi

biên độ. Các sườn dốc đứng để loại trừ những nhiễu tạp được sinh ra từ quá trình trộn tần và

những kênh lân cận. Hai phương pháp kỹ thuật xoay quanh một số tầng mạch điều hưởng kế

tiếp nhau được sử dụng để đạt được đặc tuyến gần đúng so với bộ lọc lý tưởng. Thứ nhất, tất

cả các mạch cộng hưởng có cùng một tần số cộng hưởng – được xem là sự điều hưởng đồng

bộ. Thứ hai, tần số cộng hưởng được định ở các điểm khác nhau trong dải thông – được xem

như sự điều hưởng lệch.

1.4.2. ThiÕt kÕ c¸c thµnh phÇn : An ten, bé K§ cao tÇn, bé dao ®éng néi, bé ®æi tÇn, tÇng trung

tÇn, bé h¹n biªn, bé t¸ch sãng biÕn ®iÖu tÇn sè.

1.4.2.1. Anten

Điểm quan trọng cần nhớ là anten là một thiết bị thuận nghịch tức nó có thể được sử dụng

cho cả phát tín hiệu cũng như thu tín hiệu. Cấu trúc anten có chuẩn bức xạ sóng đất tốt thì cũng sẽ

có đáp ứng tốt đối với sự bức xạ sóng đất khi nó được sử dụng ở chế độ thu.

Thông thường, các máy thu FM dân dụng sử dụng hai kiểu anten: anten roi đứng, được sử

dụng phổ biến nhất ở những máy thu trên ô tô còn anten lưỡng cực hoặc anten lưỡng cực xếp

được sử dụng ở những máy thu FM xách tay hoặc để bàn.

30

Cho rằng anten roi đứng giống như một anten thẳng đứng được tiếp đất, anten nửa sóng

làm việc ở khoảng giữa của băng tần FM sẽ có độ dài khoảng 1.5m. Một anten như vậy có thể

được lắp trên các phương tiện truyền thông một cách tiện lợi. Mô hình trường của những anten

thẳng đứng tiếp đất được cho ở hình 1.27.

Có thể thấy rằng, khi chiều cao anten h nhỏ hơn nửa bước sóng λ thì đáp ứng của anten bị

giới hạn đối với sóng đất. Các trạm FM dân dụng được thiết kế để hoạt động trong phạm vi nội

vùng do vậy các anten của nó phải đảm bảo phần lớn năng lượng bức xạ được đưa và sóng đất.

Một máy thu AM với anten có chiều cao nhỏ hơn hoặc bằng λ/2 sẽ có đặc tuyến tốt.

Anten lưỡng cực và biến thế của nó, anten lưỡng cực xếp thông thường được sử dụng ở

những máy thu FM để bàn. Chúng có thể được sử dụng kết hợp với các phần tử định hướng

và/hoặc các phần tử phản xạ để tăng độ tăng ích của anten. Đó chính là anten Yagi-Uda. Việc

thiết kế anten là vượt quá phạm vi của chương học này. Tuy nhiên một số bài mẫu về anten sẽ

được trình bày ở những phần tiếp theo và bạn đọc nên tham khảo thêm trong giáo trình Anten và

truyền sóng.

Hình 1.27. (a) Đồ thị bức xạ khi h xấp xỉ bằng λ/10. (b) Đồ thị bức xạ khi h xấp xỉ bằng λ/4. Chú

ý sự kéo dài ra một chút của đồ thị dọc theo mặt đất. (c) Đồ thị bức xạ bị méo nhiều hơn khi h

tăng lên xấp xỉ λ/2. (d) Khi h gần bằng 5λ/8, sóng đất bị kéo dài hơn nữa sóng trời xuất hiện. (e)

với h xấp xỉ bằng 3λ/4, sóng trời tăng đáng kể trong khi sóng đất suy giảm.

31

1.4.2.2. Bộ khuếch đại cao tần.

Mục đích của bộ khuếch đại cao tần là nâng công suất của tín hiệu tới so với tất cả các tín

hiệu khác mà anten thu được lên một mức để có thể sử dụng được trong bộ biến đổi tần số. Chức

năng thứ hai của bộ khuếch đại cao tần là nó đóng vai trò như một tải nối với anten do đó tín hiệu

anten không bị phản xạ tại giao tiếp giữa anten và phần máy gây ra tổn hao công suất.

Độ rộng băng thông của tín hiệu FM trong phát thanh dân dụng được tính xấp xỉ 240KHz.

Với tần số sóng mang khoảng 100MHz, hệ số Q yêu cầu có giá trị khoảng 400. Hệ số Q cao như

vậy thường không thể đạt được với một bộ khuếch đại điều hưởng cao tần đơn giản, phương pháp

giải quyết trong thực tế là sử dụng mạch điện có hệ số Q thấp hơn và hiệu chỉnh nó ở cấp trung

tần tiếp sau đó. Phương pháp kỹ thuật xen kẽ trong đó sử dụng một số tầng nối tiếp nhau được

cách ly bởi các bộ khuếch đại đệm. Để hệ thống máy thu đổi tần làm việc, giá trị tần số dao động

nội phải được duy trì sự sai khác 10.7MHz trên toàn bộ dải tần FM. Trong trường hợp đối với

AM, các tần số thường thấp, một số độ lệch có thể chấp nhận được mà không gây nguy ảnh

hưởng nghiêm trọng đối với tín hiệu. Với hệ thống FM, các tần số cao hơn rất nhiều, tỉ lệ biến

động nhỏ của một hoặc cả hai tần số cao tần và tần số dao động nội có thể gây ra những thay đổi

lớn ở tần số trung tần. Để khắc phục vấn đề này, sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số của

bộ dao động nội.

1.4.2.3. Bộ dao động nội

Bộ dao động nội có thể tạo ra một số dạng dao động thông thường với một phần tử tích

cực như transistor lưỡng cực. Nó phải cung cấp đủ công suất cho bộ trộn tần. Trị số của các cuộn

cảm và các tụ điện phải được lựa chọn để giảm thiểu hiệu ứng nhiễu loạn điện tử trong mạch. Bộ

dao động nội phải được kết hợp chặt chẽ với mạch AFC để ổn định độ lệch tần số so với bộ

khuếch đại cao tần (có cộng hưởng).

1.4.2.4. Bộ đổi tần.

Bộ đổi tần cơ bản đã được thảo luận ở mục trước. Với ứng dụng này bộ trộn FET cổng

kép được sử dụng do có ưu điểm về độ dò tín hiệu dao động nội ra anten qua bộ khuếch đại cao

tần nhỏ. Với tín hiệu dò như vậy và sự bức xạ của nó có thể gây nhiễu cho lĩnh vực thông tin khác

và các thiết bị vô tuyến vị dẫn đường.

1.4.2.4. Tầng trung tần.

Tần số trung tâm cho phát thanh FM dân dụng là 10.7MHz. Độ rộng băng thông yêu cầu

của bộ lọc là khoảng 240KHz, tần số trung tâm là 10.7MHz, độ lớn của hệ số Q khoảng 45.

Thường nhận thấy bộ khuếch đại qua hai hoặc nhiều tầng cộng hưởng được xen kẽ bởi những bộ

khuếch đại đệm thích hợp.

1.4.2.5 Bộ hạn biên.

Theo lý thuyết, bộ khuếch đại cao tần, bộ trộn tần và bộ khuếch đại trung tần đều có đáp

ứng biên độ bằng phẳng trong dải thông của chúng. Nhưng trong thực tế thì không đúng như vậy.

Kết quả là tín hiệu ở bộ khuếch đại trung tần có sự thay đổi về biên độ tương ứng với tần số. Đây

là một dạng tín hiệu AM và nó phải được loại bỏ để tránh méo dạng.

32

Lưu ý rằng đôi khi bộ hạn biên được đặt ở sau một bộ tự điều khuếch. Điều này làm giảm

tác động cắt triệt để của bộ hạn biên và do vậy yêu cầu về công suất tín hiệu và những sóng hài

giả được đưa ra.

1.4.2.6 Bộ tách sóng biến điệu tần số.

Mục đích sử dụng của bộ tách sóng biến điệu tần số là chuyển sự thay đổi tương đối nhỏ về tần số

(của tín hiệu có tần số rất cao) thành sự thay đổi tương đối của biên độ theo thời gian. Lúc này tín

hiệu có thể được giải điều biến bằng một mạch tách sóng đường bao đơn giản. Trong thực tế

thường sử dụng một bộ tách sóng điều tần có cấu trúc tinh vi hơn. Một số bộ tách sóng điều tần

trong số đó sẽ được thảo luận sau đây.

a. Bộ tách sóng điều tần Foster-Seeley [1,2]

Tương tự như bộ tách sóng điều tần sườn dốc cân bằng như đã biết ở hình 1.28. Điểm

khác nhau chủ yếu là nó có hai mạch điều hưởng thay vì ba mạch và cả hai mạch này đều được

điều hưởng ở cùng một tần số. Đây là lợi điểm chính khi máy thu đang được điều chỉnh. Lợi điểm

thứ hai là trong hoạt động nó có dải tuyến tính lớn hơn so với bộ tách sóng điều tần dốc. Mạch

tách sóng điều tần Foster-Seeley cơ bản được trình bày ở hình 1.28

M

+Vcc

R/2

L1

L2

Cc

Đầu vàoR/2

C2

V2

V2

R.F.C

V1

V4

D3

D4

R3

C3

C4

R4

x

X’

V3'

V4'

V0

C1

V1

V3

Hình 1.28. Mạch tách sóng điều tần Foster-Seeley. Đường thẳng X-X, phân chia mạch thành hai

phần, mạch cao tần và mạch âm tần.

Cuộn cảm L1 và tụ điện C1 nối với cực collector của transistor, được điều hưởng ở tần số

fo (tần số trung tần của máy thu). Cuộn cảm L1 được ghép hỗ cảm với cuộn cảm đối xứng L2.

Điểm giữa của L2 được nối bởi tụ ghép C2 tới cực collector của transistor. Cuộn cảm L2 và tụ điện

C2 được điều hưởng ở tần số fo. Hai mạch giống hệt nhau bao gồm một diode nối tiếp với một

mạch kết hợp song song một tụ điện và một điện trở (D3-R3-C3 và D 4 –R4-C4) được nối với nhau

qua một cuộn cảm L2 để hình thành nên một mạch đối xứng. Cuộn chặn cao tần (RFC-giá trị cảm

kháng cao có thể được coi như một mạch hở ở tần số cao, ngược lại, là ngắn mạch ở tần số thấp)

nối điển nối giữa với điểm chung của mạch (D3-R3-C3 và D 4 –R4-C4).

Mạch điện có thể được chia thành hai phần bởi một đường thẳng X-X,. Phần mạch điện

bên trái đường X-X, hoạt động ở tần số cao fo với độ lệch tương đối nhỏ ±∆f. Phần mạch điện

phía bên phải đường X-X, là hai mạch tách sóng đường bao.

33

Điện áp tần số cao đi vào mạch tách sóng đường bao được chỉnh lưu bởi diode D3 và D4,

hằng số thời gian R3-C3 và R4-C4 được chọn để làm phẳng những xung nửa sóng nhưng cho qua

bất kỳ sự biến đổi chậm nào của đường bao (biên độ) của các xung nửa sóng. Những sự biến đổi

chậm này thể hiện tần số thấp (âm tần).

Trước khi đi vào phân tích mạch, để cho đơn giản ta thừa nhận ba giả thiết sau:

(1) Điện kháng của tụ ghép Cc là đủ nhỏ để nó được xem như là ngắn mạch tại tần số hoạt

động.

(2) Cảm kháng của RFC làm hở mạch ở tần số cao fo nhưng là ngắn mạch ở tần số thấp.

(3) Điểm chung của hai mạch tách sóng đường bao có thể xem như được nối đất khi mạch

thứ cấp bao gồm các mạch tách sóng đường bao là đối xứng.

Lúc này, điều cần được giải thích là, khi tín hiệu có tần số fo ± ∆f được đưa vào mạch,

biên độ điện áp xuất hiện trên đầu vào của các bộ tách sóng đường bao sẽ biến đổi tỷ lệ với ±∆f.

Các mạch điều hưởng L1-C1 và L2-C2 là các mạch có hệ số Q cao nhưng hệ số ghép hỗ cảm M là

nhỏ. Điều này có nghĩa là tải thứ cấp được ghép vào mạch sơ cấp là không đáng kể. Dòng sơ cấp

là :

I1 ≈ 1

1

Lj

V

ω (1.4.1)

Điện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp là :

2V2 = ±jωMI1 (1.4.2)

Dấu ± phụ thuộc vào chiều cuốn tương đối của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Giả sử trong

trường hợp là dấu cộng, thế I1 vào ta có :

2V2 = 1

1

L

MV (1.4.3)

Khi mạch thứ cấp được điều hưởng, dòng điện sơ cấp là :

I2 = 1

1

L

MV (1.4.4)

Với R2 là điện trở nối tiếp của mạch sơ cấp. Điện áp trên tụ điện C2 là :

2V2 = 122

1

LRCj

MV

oω (1.4.5)

Thay I2 vào ta có

(1.4.6)

Điện áp thứ cấp đưa vào một mạch tách sóng đường bao được cho bởi:

34

V2=1222 LRCj

M

oωV1 (1.4.7)

Rõ ràng tại tần số cộng hưởng, vector điện áp sơ cấp V1 là vuông góc so với điện áp thứ

cấp V2. Giản đồ vector của điện áp đưa tới đầu vào của mạch tách sóng đường bao. Giản đồ

vector này có thể được thay đổi bằng cách đảo chiều của một vector biểu thị V2

Điệp áp bộ tách sóng đường bao có độ lớn bằng độ lớn của các vector V3 và V4, kể từ khi

đầu ra của các mạch tách sóng đường bao tỷ lệ với độ lớn của điện áp đưa vào, nếu trên đầu ra có

sự chênh lệch thì nó sẽ bằng không. Điều đó có nghĩa là đầu ra của bộ tách sóng Foster-Seeley sẽ

có giá trị 0V tại tần số cộng hưởng.

Trở kháng của mạch cộng hưởng thứ cấp tại một số bất kỳ ω là :

Z2 = R2 +

−

22

1

CL

ωω (1.4.8)

V1 V2

V2

V1

-V2

V2V3

V4

(a) (b)

Hình 1.29 (a) Giản đồ vector cơ bản của bộ tách sóng.

(b) Giản đồ vector khi sóng mang FM không được điều biến.

Nhưng tại tần số cộng hưởng

C2 = 2

2

1

Loω (1.4.9)

Thế C2 vào phương trình (1.4.8) ta có :

Z2=R2+

−

ω

ωω 2

2

2

LL o (1.4.10)

Nếu ta định nghĩa hệ số Q ở tần số cộng hưởng như sau :

Qo=2

2

R

Loω (1.4.11)

Khi đó biểu thức (1.4.10) có thể được viết lại :

Z2=R2+jωoL2

−

ω

ω

ω

ω o

o

(1.4.12)

Bây giờ hãy để ý tới sự thay đổi tương đối nhỏ của tần số quanh tần số cộng hưởng ωo và

định nghĩa sự lệch điều hưởng rất nhỏ δ như sau :

35

δ=o

o

ω

ωω − (1.4.13)

Khi đó :

+= 1oω

ωδ (1.4.14)

Do vậy :

+

+=

+−+=−

δ

δδ

δδ

ω

ω

ω

ω

1

2

1

11o

o

(1.4.15)

Với mạch có hệ số Q rất cao ở tần số rất gần tần số cộng hưởng, độ lệch cộng hưởng δ là

rất nhỏ hơn 1, do đó

δω

ω

ω

ω2≈− o

o

(1.4.16)

Thế vào phương trình (1.4.12) ta có

Z2=R2(1+j2Qδ) (1.4.17)

Thay R2 trong biểu thức (1.4.7) bằng Z2 ta có

V2=( )

1212 212

VQjRLCj

M

oo δω + (1.4.18)

Hiển nhiên vector V1 và V2 không còn vuông góc với nhau. Góc giữa chúng phụ thuộc

vào dấu và độ lớn của δ. Khi δ dương, góc giữa V1 và V2 nhỏ hơn 90o và khi δ âm thì góc giữa

chúng lớn hơn 90o hoặc ngược lại. Các giản đồ vector cho giá trị dương và âm của δ tương ứng

được thấy ở hình 1.30 (a) và (b).

Hình 1.30 (a) Giản đồ vectơ khi tần số tín hiệu nhỏ hơn tần số sóng mang.

(b) Giản đồ vec tơ khi tần số tín hiệu lớn hơn tần số sóng mang.

36

Hình 1.31 Đặc tuyến biên độ tần số của bộ tách sóng điều tần Foster – Seeley

Hình 1.32 Sơ đồ mạch điện của mạch tách sóng vuông góc với đầu ra lấy từ cực E có trở kháng

ra thấp.

Từ những điều này có thể nhận thấy rằng độ lớn của các điện áp vào V3 và V4 không bằng

nhau khi δ có giá trị khác không. Đặc tuyến của bộ tách sóng Foster-Seeley được cho ở hình 1.31.

Biến thế của bộ tách sóng Foster-Seeley khi bao gồm cả chức năng của bộ hạn biên và bộ tách

sóng biến điệu tần số được gọi là bộ tách sóng tỷ lệ [3]. Đó là các đặc tính của nó mặc dù đã bỏ

qua nhiều yếu tố mong muốn được trình bày.

37

Hình 1.33 (a) Sự sai pha giữa tín hiệu sin và sóng vuông khi sóng mang không được điều biến,

như vậy các dòng điện bằng nhau đi qua Q2 và Q3 và đưa ra tín hiệu một chiều ở đầu ra.

(b) Khi sóng mang được điều biến, lệch pha tương đối giữa tín hiệu dạng sin và sóng vuông thay

đổi và các dòng điện trong Q2 và Q3 không còn bằng nhau ; tín hiệu một chiều ra sẽ thay đổi giá

trị-tín hiệu một chiều thay đổi này chính là tín hiệu âm tần.

1.5 Micro 1.5.1 Cấu tạo và phân loại 1. Khái niệm

Micro là dụng cụ điện thanh dùng để biến đổi dao động âm thanh thành dao động điện. Có

nhiều loại micro khác nhau, hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau. Trong đó micro điện

động được sử dụng nhiều nhất.

2. Cấu tạo: Micro điện động có cấu tạo như hình 1.34

Hình 1.34: Cấu tạo micro điện động

38

Micro điện động được cấu tạo bởi hai hệ:

1) Hệ từ: Gồm một nam châm vĩnh cửu hình ống làm bằng hợp kim kháng từ cao “alnico” ,

mạch dẫn từ gồm tấm bích trên và tấm bích dưới, một lõi sắt non hình trụ ở giữa. Giữa tấm bích

trên và lõi hình thành một khe không khí hình xuyến, trong khe này có từ trường hướng tâm, gọi

là khe từ.

2) Hệ chuyển động: Gồm một màn hình vòm nhẹ làm bằng polistirol, nhờ có những nếp

nhăn ở rìa nên chỉ có thể chuyển động tự do theo phương trục của nó. Rìa của màn được gắn chặt

vào tấm bích trên. Cuộn dây âm thanh gắn chặt với màn được đặt trong khe từ. Dưới tác dụng của

thanh áp màn micro sẽ dao động dễ dàng.

1.5.2 Bộ biến đổi cơ điện hệ điện động:

Cho một hệ thống như hình 1.35. Dây l đặt trong một khe không khí giữa hai cực của một

nam châm vĩnh cửu và có thể di chuyển tự do trong mặt phẳng thẳng góc với đường sức từ trong

khe.

Hình 1.35: Bộ biến đổi cơ điện hệ điện động:

Gọi độ cảm ứng từ trong khe bằng B, chiều dài của dây trong từ trường bằng l. Nếu dây thực hiện

một chuyển động dao động với vận tốc v, thì trên dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng:

E = Blv

Ta thấy bộ biến đổi làm việc như một máy phát điện. Đây cũng là nguyên lý hoạt động của một

micro điện động.

1.5.3 Nguyên lý hoạt động :

Khi nói trước micro hoặc khi có sóng âm thanh tác động vào màn, màn sẽ dao động dễ

dàng trong khe từ, lúc đó các vòng dây của ống dây cũng dao động theo làm cắt ngang các đường

sức từ, vì vậy ở hai đầu dây (đầu ra của micro) sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng, có biên độ và

tần số phù hợp với áp suất âm thanh tác dụng lên màn của micro.

Ví dụ Micro condenser

Hình 1.36: Micro condenser

39

1. Lưu ý đối với microphone condenser

- Microphone condenser có cấu tạo điện dung (condenser) phải nuôi bằng nguồn Phantom

48Volts, độ nhạy cao và đáp ứng tần số rộng nhằm sử dụng trong thu âm. Vậy để sử dụng, ta phải

cấp nguồn 48V cho micro (nút bật Phantom ở mixer, preamp, soundcard...).

- Cấu tạo bằng tụ điện và màng rung nên micro rất dễ hư hỏng do rơi, va đập và độ ẩm cao do vậy

cần phải cẩn thận khi sử dụng và bảo quản.

- Dây jack micro dùng cho micro phải là chuẩn XLR (1 đầu đực 1 đầu cái).

- Rất cần thiết sử dụng màng chắn Pop Filter cho micro để ngăn hơi ẩm làm hư hại micro và chặn

được tạp âm khi thu.

2. Cách sử dụng microphone condenser

- Kiểm tra dây jack, đảm bảo đầu kết nối vào và ra micro đều là XLR.

- Kiểm tra nguồn Phantom 48V ở các thiết bị kết nối như Mixer, Preamp, Soundcard,... Tắt nguồn

này trước khi kết nối với micro.

- Kết nối microphone và kiểm tra các chức năng khuếch đại như Trim, Gain và Fader ở các thiết

bị như Mixer, Preamp, Soundcard... Tốt nhất nên để các chức năng này ở mức thấp nhất trước khi

bật Phantom 48V.

- Bật Phantom và sử dụng bình thường.

- Khi không sử dụng, ta nên tắt Phantom đi. Và nhớ trước khi tắt Phantom, ta nên vặn các chức

năng khuếch đại tín hiệu mở mức nhỏ nhất.

- Khi rút micro ra khỏi dây jack và các thiết bị khác, ta phải tắt nguồn Phantom đi. Nếu vẫn để

Phantom khi rút dây jack và micro, sẽ dễ làm hư hỏng micro.

- Nên bảo quản micro trong môi trường khô ráo, tránh ẩm ướt.

1.6 Loa điện động (dynamic speaker):

Loa là dụng cụ điện thanh dùng để biến đổi dao động điện thành dao âm thanh. Có nhiều

loại loa khác nhau, hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau. Trong đó loa điện động được sử

dụng nhiều nhất.

Bộ biến đổi điện cơ hệ điện động:

Loa điện động có nguyên lý ngược lại với micro điện động. Cùng với thí nghiệm trên nhưng bây

giờ giả sử có một dòng điện xoay chiều chảy trong dây dẫn, đặt trong một khe không khí giữa hai

cực của một nam châm vĩnh cửu, có thể di chuyển tự do trong mặt phẳng thẳng góc với đường

sức từ trong khe. (Hình 1.37). Nếu độ cảm ứng từ trong khe bằng B, chiều dài của dây trong từ

trường bằng l, cường độ dòng điện trong dây dẫn là i thì lực biến thiên tác động vào dây là:

F = Bli. Lực này sẽ làm cho dây chuyển động. Nếu ta dùng dây này cuộn thành một cuộn dây thì

cuộn dây này cũng dao động theo.

Chiều lực F xác định bằng quy tắc bàn tay trái.

Hình 1.37: Bộ biến đổi điện cơ hệ điện động:

40

1.6.1 Cấu tạo:

Loa điện động có cấu tạo như hình 1.38

sườn loa

màn loa nếp

nam châm vĩnh cửu

Nhăn

mạng nhện

tấm bích trên

lõi sắc non

tấm bích dưới chụp lồi

cuộn dây âm thanh

Hình 1.38: Cấu tạo loa điện động

Cũng như micro điện động , loa điện động cũng được cấu tạo bởi hai hệ:

1) Hệ từ: Gồm một nam châm vĩnh cửu hình xuyến, làm bằng một hợp kim có năng lượng

từ cao, tấm bích dưới, tấm bích trên có lỗ tròn ở giữa, lõi sắt non hình trụ đặt ở giữa tấm bích

41

dưới. Nhờ hệ từ này, trong khe không khí hình xuyến giữa lõi và tấm bích trên hình thành một từ

trường hướng tâm.

2) Hệ chuyển động: Gồm cuộn dây âm thanh đặt trong khe không khí hình xuyến, màn loa

được dán chặt vào cuộn dây âm thanh, chụp lồi làm tăng diện tích mặt bức xạ sóng âm thanh,

tăng độ cứng của màn đồng thời bảo vệ khe không khí trong mạch từ khỏi bụi bám vào gây trở

ngại cho việc di động của cuộn dây âm thanh. Nếp nhăn giúp cho màn loa dao động dễ dàng.

Mạng nhện dạng đĩa có nếp xếp đồng tâm để cố định cuộn dây âm thanh và màn loa. Sườn loa

làm bằng sắt, có độ cứng lớn được gắn vào mạch từ để giữ màn loa.

Loa điện động có trở kháng rất thấp 4Ω, 8Ω, do khe từ hẹp nên cuộn dây âm thanh thường

chỉ có ít vòng. Cuộn dây này được dán cứng vào một ống giấy, sau đó lại được dán cứng vào màn

loa.

1.6.2 Nguyên lý hoạt đông:

Khi dòng điện âm tần chảy trong cuộn dây âm thanh chiều dài l thì biên bộ lực điện từ:

F = Bli. Lực điện từ này sẽ làm cho cuộn dây âm thanh dao động theo nhịp điệu của tần số âm

thanh, cuộn dây âm thanh lại được dán cứng vào màn loa làm cho màn loa dao động, gây ra áp

suất âm thanh gọi là thanh áp, thanh áp sẽ làm rung màn nhĩ nên tai ta nghe được âm thanh.

1.6.3 Thông số kỹ thuật và hệ thống của loa

a) Thông số kỹ thuật:

Công suất: Công suất lớn nhất mà cuộn dây âm thanh chịu đựng được.

Trở kháng: Điện trở của cuộn dây âm thanh đo ở 1000Hz.

Hai thông số này thường được ghi ở tấm bích dưới.

Dải tần hoạt động: Khoảng tần số thấp nhất và cao nhất mà loa có thể phát ra. Ví dụ một số

loa của Nga như sau:

Tên loa Công suất (W) Dãi tần hoạt động (Hz) Trở kháng (Ω)

10 GD - 30

10 GD - 38

8GD - 1

10

10

8

60 ÷ 5000

60 ÷ 18000

40 ÷ 1000

8

4

8

Ta thấy mỗi loa chỉ khuếch đại một dải tần nào đó. Người ta thường chia loa làm 3 loại căn

cứ trên dải tần công tác: Loa tần số cao (Tweeter), loa trung bình (Mid ranger), loa tần số thấp

(Bass). Khi cần tái tạo lại âm thanh với chất lượng cao ta không thể dùng một loa để thực hiện mà

cần dùng nhiều loa làm thành một hệ thống loa.

Đánh giá chất lượng loa.

Giống như nhiều thiết bị công nghệ như máy tính, máy ảnh..., loa cũng có khá nhiều thông

số kỹ thuật quan trọng, mang tính chất quyết định đến chất lượng. Tuy nhiên, sự phức tạp về bản

chất vật lý của các thông số này thường gây khó khăn cho người dùng phổ thông khi mua sắm

hoặc đánh giá loa. Việc tìm hiểu các thông số kỹ thuật loa giúp người dùng hiểu rõ hơn về tính

năng, vận hành và giá trị của mỗi hệ thống loa. Dưới đây là một số giải thích đơn giản về các

thông số chính của thiết bị này thông qua hình 1.39.

42

Hình 1.39: Hệ thống loa cao cấp

Bước đầu tiên bao quát và dễ thực hiện nhất khi đánh giá một loa qua các con số là xác

định kích thước loa. Nhìn chung, loa to và nặng cho chất lượng âm thanh tốt hơn loa nhỏ, nhẹ

hơn. Loa càng lớn tạo càng nhiều bass hơn, nhưng độ lớn thùng loa và ma trận bên trong cũng là

yếu tố quyết định đến chất lượng/số lượng bass.

Một hệ thống bốn loa con 3 inch cùng đảm nhận dải âm trầm có thể cho vẻ ngoài ấn tượng,

nhưng thường không cho âm trầm chắc, rộng, và chân thật như một loa con 6 inch trong một

chiếc thùng loa lớn hơn. Xem như bỏ qua yếu tố lệch pha phổ biến giữa các loa con và thiết kế

đối xứng của mỗi loa cụ thể.

Hình 1.40 Biểu đồ thể hiện khả năng đáp ứng của loa ở các dải tần.

Thông số được quan tâm hàng đầu đối với người dùng phổ thông là dải tần đáp ứng. Về lý

thuyết, thông số này xác định độ động của loa thông qua khả năng tái tạo âm thanh thuộc dải tần

tương ứng. Ví dụ, một loa với dải tần đáp ứng 30 Hz – 20 kHz có khả năng trình diễn âm bass

xuống đến 30 Hz và âm cao lên đến ngưỡng nghe trung bình của con người, 20 kHz. Có khá

nhiều yếu tố khách quan ảnh hưởng đến chỉ số này, trong đó có thể kể đến khoảng cách giữa loa

43

và thiết bị đo, độ lớn phòng, hướng đo, tính chất của âm đươc đo, âm lượng,… Theo đó, việc

đánh giá loa qua chỉ số này là rất phức tạp bởi không có một quy chuẩn chung giữa các nhà sản

xuất loa. Vì vậy, nhiều audiophile xem đây là chỉ số tham khảo một cách tương đối, tùy thuộc

vào độ tin cậy của quá trình đo đạc được nhà sản xuất thực hiện.

Hình 1.42: Loa kèn Grande Castine có độ nhạy lên đến 106dB.

Thông số đáng quan tâm và cũng khá trừu tượng tiếp theo là độ nhạy của mỗi loa. Độ nhạy

có đơn vị đo là dB/watt/m (với loa có trở kháng 8 ohm). Ví dụ, một loa có độ nhạy 90 dB, công

suất đầu vào 1W, ở tại vị trí đo cách loa 1m, loa phát ra âm thanh có mức cường độ âm 90 dB.

Thông số này đặc biệt quan trọng khi phối ghép ampli với loa. Có một công thức dễ nhớ là công

suất ampli gấp 10 lần, mức cường độ âm tăng 10 dB và âm thanh sẽ lớn gấp đôi. Ví dụ, loa độ

nhạy 90 dB trên. Bộ loa này chỉ cần 1W để đạt mức cường độ âm 90 dB, cần 10W để đạt mức

100 dB (âm thanh lớn gấp đôi), 100W để đạt mức 110 dB (âm thanh lớn gấp bốn lần), và cần

1.000W để đạt mức 120 dB (âm thanh lớn gấp tám lần).

Độ nhạy phản ánh âm lượng có thể đạt được của loa với một công suất ampli cụ thể mà không

ảnh hưởng lớn đến chất lượng âm thanh.

Hình 1.43: Loa có trở kháng lớn

44

Cũng như các vật dẫn điện khác, loa có điện trở, độ lớn của chỉ số này là trở kháng của loa. Với

cách nối mạch song song thông thường giữa các loa, nhìn chung, trở kháng càng lớn thì loa càng

dễ "điều khiển" và tương thích với ampli hơn. Theo đó, loa có trở kháng 8 ohm tốt hơn loa 4 ohm

trong việc phối ghép. Điều này có thể được minh chứng bằng thông số damping factor của ampli,

chỉ số này càng cao thì âm bass cho ra loa càng chắc, khó vỡ, nhòe. Damping factor được tính

bằng thương số giữa trở kháng loa và trở kháng đầu ra của ampli. Ví dụ, loa có trở kháng 8 ohm,

ampli có trở kháng đầu ra 0.01 ohm, thì damping factor có giá trị 800. Với loa có trở kháng 4

ohm, chỉ số này chỉ là 400. Vì vậy, loa với trở kháng cao hoạt động dễ dàng hơn và dễ phối ghép

hơn. Mức công suất cực đại đơn thuần chỉ đưa ra giới hạn một ampli có thể làm hỏng loa con mà

không phải là gợi ý hướng dẫn người dùng mua ampli phù hợp. Ví dụ, một loa có công suất cực

đại 200W không bắt buộc người dùng mua ampli có công suất 200W. Các ampli nhỏ thường gặp

vấn đề về nhiễu, biến dạng tín hiệu khi đạt mức công suất lớn, trong khi những ampli lớn vẫn

hoạt động ổn định. Bởi vậy, ở ví dụ trên, một ampli lớn như Telos 5000 (công suất 5000W ở 2

ohm) vẫn sử dụng rất tốt. Dù vậy, chú ý khi sử dụng ampli công suất lớn là duy trì ở mức âm

lượng không quá lớn, phù hợp với loa. Thực tế, việc đánh giá qua các thông số chỉ cho người

nghe cái nhìn khách quan hơn về sản phẩm. Đánh giá loa tốt nhất vẫn là bằng chính đôi tai của

từng người bởi âm thanh là trải nghiệm riêng của mỗi cá nhân cụ thể.

b) Hệ thống loa

Trong hệ thống loa có một bộ phân chia tần số gồm một số khung cộng hưởng, nó sẽ phân

chia âm thanh ở ngõ ra của máy tăng âm thành nhiều đường, mỗi đường ứng với mỗi tần số trong

dải âm tần. Thường chia làm 2 đường, 3 đường, 4 đường và 5 đường.

- Hệ thống loa hai đường (two ways): (Hình 1.44)

C

Ngõ vào loa Bass loa Treble

Hình 1.45: Hệ thống loa hai đường

Đây là hệ thống loa đơn giản nhất. Từ ngõ ra của máy tăng âm, điện áp âm tần được đưa

trực tiếp vào loa bass. Tụ C là tụ không có cực tính dùng để cản các tần số thấp, chỉ cho các tần

số cao đi vào loa treble.

45

- Hệ thống loa ba đường (three ways): Để việc phân chia tần số rõ ràng hơn, ta dùng loại loa 3

đường. Hình 1.46 là sơ đồ hệ thống loa 3 đường.

Hình 1.46: Hệ thống loa ba đường

SP1 là loa bass. SP2 là loa mid ranger. SP3 là loa tweeter. Nhờ hệ thống các tụ điện và cuộn

dây, ta phân chia tín hiệu âm thanh ở ngõ ra của máy tăng âm thành ba đường và đưa vào 3 loại

loa khác nhau

Hình 1.47: Mô hình loa thực tế

1.6.4 Những nguyên tắc cơ bản khi lắp ghép loa:

a) Các công thức cần dùng:

Để tính toán việc phối hợp trở kháng giữa loa và máy tăng âm, ta dùng các công thức cơ bản của

định luật Ohm và các công thức về máy biến áp:

P = UI, P = U2/ R, n = W1/ W2 = U1/ U2 = I2/ I1

Ngoài ra ta có công thức cơ bản PM x ZM = PL x ZL

Trong đó: PM : Công suất danh định của máy.

PL : Công suất danh định của loa,

ZL : Trở kháng của loa.

ZM : Trở kháng của máy.

b) Nguyên tắc cơ bản khi mắc loa:

46

1/ Công suất tiêu thụ của loa phải bằng hoặc nhỏ hơn công suất danh định của loa. Nếu vượt quá

sẽ gây cháy cuộn dây âm thanh. Nếu công suất cung cấp cho loa quá nhỏ so với công suất danh

định của loa, âm thanh phát ra rất nhỏ đồng thời cháy cặp transistor công suất của máy tăng âm.

Công suất cung cấp cho loa bằng 80% công suất danh định của loa là tốt nhất.

2/ Công suất của máy cung cấp cho loa phải bằng hoặc gần bằng công suất danh định của máy.

3/ Công suất làm việc của các biến áp không vượt quá công suất danh định. Nếu vượt quá sẽ cháy

biến áp, nếu bé quá gây lãng phí.

4/ Khi công suất máy tăng âm dư quá nhiều, ta có thể mắc thêm một số điện trở làm tải giả, hoặc

tạm thời giảm nhỏ chiết áp âm lượng.

Hình 1.48: Sơ đồ mắc tải giả cho loa

1.6.5 Khái niệm cơ bản về kỹ thuật tiêu âm và cách âm

1.6.5.1 Thiết bị hút âm

a) Tính năng của sợi bông thủy tinh

Bông thủy tinh là tổ hợp sợi dệt đan xen, có số lượng lớn các lỗ nhỏ, là vật liệu hút âm

dạng xốp (đa lỗ) điển hình. Bông thủy tinh có thể đặt ở tường, trần, có thể hút được số lượng lớn

âm thanh, giảm thời gian dội âm, có lợi cho việc gia tăng độ rõ ràng của giọng nói, giảm tạp âm.

Hình 1.49: Tấm sợi bông thủy tinh

Bên trong khoảng rỗng của tường có thể lắp đặt bông thủy tinh, không những có tác dụng

cách âm mà còn có tác dụng bảo ôn. Sử dụng bông thủy tinh dạng ống hoặc lót ống thông gió có

thể có tác dụng tiêu âm, giảm thiểu được âm thấp tần truyền qua đường ống và tạp âm sản sinh từ

chấn động của máy. Ngoài ra bông thủy tinh có tính đàn hồi tốt, có thể làm vật liệu giảm chấn

sàn, giảm ảnh hưởng tạp âm từ tiếng bước chân, xê dịch đồ vật đối với tầng dưới.

47

b. Nguyên lý hút âm của bông thủy tinh

Khi sóng âm đi vào trong bề mặt bông, năng lượng âm đi vào trong các khe rỗng dẫn đến

dao động các phân tử. Năng lượng âm mất dần để chống lại tác dụng của ma sát và tính nhốt của

không khí dao động giữa các lỗ rỗng.

Điều kiện cần có để hút âm của vật liệu hút âm dạng xốp là: Vật liệu có số lượng lớn các khe

rỗng, các khe rỗng đan vào nhau, khe rỗng nằm sâu trong bên trong vật liệu.

Lỗi quan niệm hút âm thường gặp gồm có: chỉ cần bề mặt thô ráp là có thể hút âm, thực tế

không hẳn. Ví dụ như xi măng được xử lí làm ráp, bề mặt đó về cơ bản không có tác dụng hút âm.

Quan niệm sai lần thứ hai gồm có, chỉ cần ruột vật liệu có nhiều lỗ, như là polyphenyl,

polyethylene(PE) thì sẽ có khả năng hút âm tốt. Thực tế các lỗ rỗng trong vật liệu này không có

tính liên thông, sóng âm không thể ma sát chấn động sâu bên trong vật liệu, bởi vậy chỉ số hút âm

không cao.

Có hai cách để đo được chỉ số hút âm của vật liệu: 1 là phương pháp phòng dội âm, 2 là

phương pháp sóng trụ ống. Phương pháp phòng dội dựa trên là tỷ lệ năng lượng mất đi khi âm

thanh đi từ các hướng đi vào vật liệu. Phương pháp sóng trụ ống lại đo đạc chỉ số hút âm ở chính

góc 90 độ. 2 phương pháp cho ra những hệ số hút âm khác nhau, ở công trình thường sử dụng hệ

số hút âm phòng dội, trong khi đo đạc thường xuất hiện hiện tượng hệ số hút âm >1. Về mặt lí

luận năng lượng hút âm không thể lớn hơn nặng lượng âm thanh thu vào, chỉ số hút âm <1. Vì

vậy khi tiến hành tính toán giá trị chỉ số hút âm nhiều nhất phải lấy phương pháp 1 làm chuẩn.

c. Nguyên tố ảnh hưởng đến chỉ số hút âm Bông thủy tinh:

Bông thủy tinh có tính năng hút âm trung cao tần tốt. Các nguyên tố chủ yếu ảnh hưởng

đến khả năng hút âm gồm có độ dày, tỉ trọng, tỉ lệ khe rỗng, cấu trúc phân tử và chặn không khí.

Tỉ trọng là trọng lượng của vật liệu tính trên mỗi m2. Tỷ lệ khe rỗng là tỷ lệ giữa diện tích khe

rỗng và tổng diện tích. Cấu trúc phân tử là sự sắp xếp các sợi dệt hoặc hạt trong Bông thủy tinh,

là đơn vị cân bằng lượng vật lí phân bố các lỗ hoặc khe bên trong Bông. Chặn lưu lượng không

khí là tỷ lệ giữa hai mặt của áp suất không khí và vận tốc không khí. Chặn lưu lượng không khí là

nguyên tố quan trọng nhất trong tính năng hút âm của Bông thủy tinh. Chặn lưu lượng quá nhỏ

nghĩa là vật liệu quá xốp, chấn động không khí dễ dàng đi xuyên qua làm giảm tính năng hút âm;

chặn lưu lượng quá lớn, vật liệu quá chắc, chấn động không khí khó đi xuyên, tính năng hút âm

cũng giảm. Có thể nói Bông thủy tinh là một trong những vật liệu có chặn lưu lượng không khí

hút âm tốt nhất. Trên thực tế, rất khó để đo đạc sự chặn lưu lượng không khí, nhưng ta có thể

thông qua độ dày và dung lượng để ước đoán và khống chế:

- Khả năng hút âm trung thấp tần tỉ lệ thuận với độ dày Bông thủy tinh ( sự thay đổi với âm cao

tần không nhiều)

- Độ dày không đổi, tỉ trọng gia tăng, chỉ số hút âm trung thấp tần cũng gia tăng; nhưng khi đạt

đến một tỉ trọng nhất định, vật liệu trở nên chắc hơn, sức chặn lưu lượng vượt quá mức tốt nhất,

chỉ số hút âm lại kém hơn.

Đối với Bông thủy tinh độ dày D5cm tỉ trọng 16kg/m3, hệ số hút âm thấp tần 125Hz khoảng 0.2,

trung cao tần (>500Hz) gần bằng 1 (hệ số hút âm tốt nhất). Khi độ dày >5cm, hệ số hút âm thấp

thấp tần càng tăng; độ dày >1m, hệ số hút âm thấp tần 125Hz cận 1.

Khi độ dày D5cm không thay đổi, tỉ trọng tăng cao, hệ số hút âm thấp tần không ngừng tăng. Tỉ

48

trọng đạt 110kg/m3 thì tính năng hút âm tốt nhất, tần suất 125Hz cận 0.6-0.7. Khi tỉ trọng quá

120kg/m3, tính năng hút âm giảm vì vật liệu trở nên rắn hơn. Tỉ trọng quá 300kgm3, tính năng

hút âm rất kém.

Trong xây dựng, Bông thủy tinh thường dùng gồm có: dày 2.5cm, 5cm,10cm; tỉ trọng

16,24,32,48,80,96,112kg/m3.

Tính hút âm của Bông thủy tinh còn có liên quan mật thiết đến lắp đặt. Sau lưng Bông

thủy tinh để chừa khoảng không khí thì hiệu quả tốt hơn Bông thủy tinh cùng độ dày sau lưng

không có lớp không khí, đặc biệt là tính năng hút âm trung thấp tần. Chỉ số hút âm tỉ lệ thuận với

độ dày lớp không khí, nhưng đến độ dày nhất định thì sự hút âm không rõ rệt nữa. 2 loại Bông

thủy tinh có tỉ trọng khác nhau đặt bên nhau, tạo thành hình thức tỉ trọng tăng dần cũng có thể

tăng hiệu quả hút âm. Ví dụ như tấm dày 2.5cm tỉ trọng 24kg/m3 đặt cùng với 2.5cm 32kg/m3 thì

hiệu quả còn tốt hơn cả tấm Bông thủy tinh 5cm 32kg/m3.

Bông thủy tinh 24kg/m3 chế thành hình chóp kim tự tháp mặt cắt dài 1m, tỉ trọng bề mặt vật liệu

tăng dần, chỉ số hút âm bình quân cận 1.

Trong kiến trúc mọi người thường hay xử lí bề mặt bông thủy tinh, có thể dùng vải sợi bông thủy

tinh, vải chống cháy, lưới thuộc kim hoặc gỗ hút âm… về cơ bản có thể duy trì tính năng hút âm

ban đầu. Nếu như tính năng thông âm của bề mặt kém sẽ gây ảnh hưởng đến khả năng hút âm cao

tần.

c. Bông thủy tinh và ứng dụng

Bông thủy tinh là một trong những vật liệu hút âm thường gặp và được phổ biến rộng rãi

nhất trong hút âm xây dựng. Nhưng cũng vì bề mặt thô sơ, dễ có bụi nên đa phần sử dụng ở

những chỗ khuất hoặc làm lớp lót trong các bức vách tiêu âm. Phương pháp xử lí bề mặt thường

dùng nhất là sử dụng thạch cao đục lỗ, gỗ tiêu âm, gỗ tán âm, bọc vải nỉ hoặc sử dụng Bông thủy

tinh lót trong tường, là những phương pháp cho giá thành không quá cao, vật liệu dễ mua.

Khoảng cách giữa trần thạch cao đục lỗ và tường/ trần chính là lớp không khí tạo nên sự hấp thụ

cộng hưởng Helmholtz. Khoảng cách này có thể là 5cm,10cm,20cm,40cm. Ở khoang rỗng này

đặt Bông thủy tinh có thể tăng rất nhiều hiệu quả cộng chấn hút âm, hiệu quả hút âm trung cao

tần. Độ dày khoang rỗng trên 20cm thì chỉ cần đặt Bông thủy tinh 5cm tỉ trọng 15-24kg/m3 đã đủ

đạt hiệu quả hút âm rất tốt. Đương nhiên chỉ số hút âm cần có liên quan đến tần suất đục lỗ,

đường kính lỗ, độ dày tấm.

Các loại vật liệu bề mặt tương tự trần thạch cao có: Gỗ tiêu âm đục lỗ hoặc đi rãnh, tấm xi

măng dệt đục lỗ, tấm sợi khoáng khoáng đục lỗ… Sau lưng những vật liệu này có khoang rỗng

đặt Bông thủy tinh. Để tránh bụi Bông thủy tinh lọt ra ngoài, cần có một lớp mỏng vật liệu thông

âm như vải không dệt, vải thủy tinh đặt giữa vật liệu bề mặt và Bông thủy tinh. Ở sân vận động,

nhà để xe, những nơi có không gian rộng, Bông thủy tinh được sử dụng như ruột của vật liệu hút

âm chủ chốt. Vật liệu hút âm có thể dựa trên yêu cầu chế thành dạng tấm, hình trụ hoặc những

hình dạng khác. Bên trong vật liệu hút âm có ruột là Bông thủy tinh, bề mặt thông âm, hiệu quả

hút âm tốt. Bông thủy tinh còn được sử dụng nhiều nhất trong những địa điểm có yêu cầu cao và

đặc biệt về chất lượng âm thanh như rạp hát, hội trường, rạp phim, thu âm… Mục đích sử dụng

vật liệu hút âm ở mỗi địa điểm không giống nhau. Trong rạp hát, nhạc kịch: Bức tường đằng sau

sân khấu biểu diễn hoặc lan can tầng 2 đối diện khán đài thường lắp tấm đục lỗ hoặc vật liệu dệt

49

thông âm tạo thành cấu tạp hút âm,tránh âm thanh dội; Ở những căn phòng có dạng lõm, để tránh

âm thanh tập trung vào một điểm ảnh hưởng âm chất, nhất thiết phải xử lí hút âm. Ở lễ đường, hội

trường, đại sảnh đa chức năng, rạp phim…, để duy trì độ trong chuẩn của âm thanh, cần phải tính

toán sắp đặt vật liệu hút âm ở bề mặt tường trần. Ở sân vận động, triển lãm, trung tâm mua sắm,

không gian rộng có thể dựa trên nhu cầu đặt vật liệu hút âm cách âm.Ở phòng thu, ghi âm, yêu

cầu chất lượng âm thanh cao, việc xử lí hút âm nên dựa trên thiết kế của chuyên gia. …

1.6.5.2 Khái niệm cơ bản tiêu âm và cách âm

Bản chất giữa 2 loại vật liệu này khác nhau, nhưng trong các công trình thông thường chúng đều

được sử dụng kết hợp, cùng nhau phát huy hiệu quả chống tạp âm.

Hình 1.50: Tấm cách âm

1 Khái quát chung

Khi sóng âm chạm vào bề mặt vật liệu, một bộ phận năng lượng âm thanh bị phản xạ, một

bộ phận khác bị hút vào bên trong vật liệu, một bộ phận nữa xuyên qua mặt bên kia của vật liệu.

Khi phần lớn các năng lượng âm thanh đi vào trong vật liệu (bị hút hoặc xuyên qua) còn năng

lượng phản xạ rất nhỏ, chứng tỏ vật liệu có tính năng hút âm tốt. Khi hệ số hút âm trên 0.2, có thể

gọi là vật liệu hút âm. Dùng vật liệu hoặc kết cấu chặn sự truyền đi của âm thanh tạo ra môi

trường yên tĩnh gọi là cách âm. Khi âm thanh đi vào vật liệu, năng lượng xuyên qua mặt bên kia

của vật liệu rất nhỏ, chứng tỏ vật liệu có khả năng cách âm tốt. Chênh lệch decibel giữa năng

lượng âm thanh đi vào và năng lượng âm thanh xuyên qua ở một mặt khác chính là lượng cách

âm của vật liệu. Từ cách giải thích trên, chúng ta có thể hiểu rằng: Vật liệu hút âm tập trung vào

độ lớn nhỏ của năng lượng âm thanh phản xạ, mục đích tối thiểu hóa năng lượng âm thanh phản

xạ. Vật liệu cách âm tập trung vào độ lớn nhỏ của năng lượng âm thanh xuyên qua ở mặt bên kia,

mục đích tối thiểu hóa năng lượng âm thanh xuyên qua. Tấm cách âm chống ồn Remak Noise

Barrie với cấu trúc lõi tổ ong và bề mặt thể rắn có khả năng chống ồn siêu việt

2. Sự khác biệt giữa vật liệu cách âm và vật liệu hút âm

Vât liệu hút âm cho phép âm thanh dễ đi vào và xuyên qua, có thể hiểu rằng nguyên liệu tạo

thành vật liệu hút âm phải xốp (nhiều lỗ), tơi và thông khí. Kết cấu của nó là: vật liệu có các lỗ

siêu nhỏ số lượng lớn, liên kết với nhau, có tính thông khí nhất định.

Ngược lại, vật liệu cách âm lại đòi hỏi giảm năng lượng âm thanh xuyên qua và ngăn chặn

sự truyền âm. Vật liệu cách âm phải chắc, tỉ trọng cao. Ví dụ như tấm thép, gang, gạch ngói,

kính. Yêu cầu với vật liệu cách âm là vật liệu chắc chắn không có lỗ, có trọng lượng lớn.

50

Hình1.51: Kết cấu tường tiêu âm với bề mặt gỗ tiêu âm Remak Slot

Bản chất giữa 2 loại vật liệu này khác nhau, nhưng trong các công trình thông thường chúng đều

được sử dụng kết hợp, cùng nhau phát huy hiệu quả chống tạp âm.

Ví dụ: Trong phòng cách âm: Để tránh ảnh hưởng tạp âm cao tần với hàng xóm, thông

thường phải gia tăng khoảng cách giữa 2 vách tường cách âm. Lúc này nếu xử lí hút âm ở trần

vách có thể giảm được rất nhiều tạp âm. Mái cách âm: Sử dụng tấm trang trí tiêu âm dạng tấm,

bên trong mái lót vật liệu hút âm, làm cho lượng cách âm của mái tăng lên rất nhiều.

51

CH¦¥NG II : ThiÕt bÞ ®Çu cuèi h×nh ¶nh

2.1. Máy phát hình ảnh

2.1.1. Lời giới thiệu.

Truyền hình, như tên gọi của nó là hệ thống biến đổi hình ảnh và âm thanh kèm theo

thành tín hiệu điện rồi truyền đến máy thu, nơi thực hiện biến đổi tín hiệu này thành dạng ban đầu

và hiển thị trên màn hình dưới dạng hình ảnh. Truyền hình dựa trên đặc điểm cảm nhận ánh sáng

của mắt người để truyền thông tin cần thiết.

Để truyền một vật vô cùng nhỏ (điểm a) trong không gian (ta tạm gọi là một phần tử ảnh

hoặc một điểm ảnh) thì phải truyền tất cả các tham số của điểm đó như:

a = f (Ba, λa, pa, xa, ya, za)

Trong đó: Ba là độ chói (độ sáng) của điểm a

λa là bước sóng ánh sáng của điểm a

Pa là độ sạch màu (độ bão hoà màu) của điểm a

xa, ya, za là toạ độ không gian của điểm a

Tổng quát: Giả sử đối tượng cần truyền là một vật thể V

Để truyền đối tượng là vật thể V ta phải chia V ra thành các

phần tử ảnh nhỏ (N phần tử), mỗi phần tử ảnh tương ứng như một

điểm ảnh a đã được giới thiệu ở trên và phải truyền tất cả các tham số

của các phần tử ảnh đó, tức là:

∑=

N

a

a

1aaaaa )z ,y , x,p , ,(B f λ

Muốn truyền tất cả các tham số trên thì phải biến đổi nó thành

tín hiệu điện dưới dạng điện áp U hoặc dòng điện I hoặc tần số f hoặc

góc pha ϕ vv…

2.1.2. Nguyên tắc truyền hình

Truyền hình là quá trình truyền hình ảnh và âm thanh kèm theo từ phía phát sang phía thu

thông qua một môi trường truyền dẫn.

Để có thể truyền tất cả các phần tử ảnh a trong đối tượng V ở trên ta có thể tiến hành

truyền đồng thời hoặc lần lượt các phần tử ảnh đó.

2.1.2.1. Nguyên tắc truyền đồng thời các phần tử ảnh.

Để giải thích phương pháp này ta dựa trên mẫu truyền hình sau. Hình 2-2 là mẫu truyền

hình đầu tiên do nhà bác học Nga Lôđưghin đưa ra năm 1973.

Ảnh cần truyền là một chữ T qua thấu kính được đưa đến tấm sêlen, trong tấm sêlen có

chứa các tế bào quang điện (điện trở của tế bào quang điện thay đổi theo lượng ánh sáng chiếu

vào). Từng tế bào quang điện được cung cấp bởi nguồn điện (pin hoặc ắc quy) và tải của nguồn

điện là từng bóng đèn lắp trên một panô.

V

a

Hình 2 - 1

52

Do độ sáng của ảnh thay đổi dẫn đến điện trở của từng tế bào quang điện cũng thay đổi,

dẫn đến dòng điện qua từng cặp dây dẫn thay đổi, dẫn đến độ sáng của từng bóng đèn thay đổi và

hình trên tấm panô phản ánh đúng ảnh của vật cần truyền.

Ở ví dụ này ảnh của vật cần truyền được chia thành các phần tử ảnh tương ứng bằng số tế

bào quang điện, bằng số cặp dây dẫn và bằng số bóng đèn. Việc truyền các phần tử ảnh được

truyền một cách đồng thời.

Để phản ánh chính xác ảnh của vật cần truyền thì số phần tử ảnh N phải rất lớn (khoảng

500.000 phần tử), tức số cặp dây dẫn và số bóng đèn phải rất lớn. Vì vậy nguyên tắc phương pháp

truyền hình loại này là đúng nhưng không thể thực hiện được vì hệ thống quá phức tạp và cồng

kềnh.

2.1.2.2. Nguyên tắc truyền lần lượt các phần tử ảnh.

Ở nguyên tắc này theo thời gian các phần tử ảnh được truyền một cách lần lượt, nhờ đó

thay vì đường truyền cần rất nhiều kênh thông tin (các cặp dây dẫn) như đối với nguyên tắc

truyền hình đồng thời, mà lúc này chỉ cần một đường truyền và chỉ cần một kênh thông tin (một

cặp dây dẫn). Phương pháp này được minh họa như sau:

Trong sơ đồ hình 2-3, việc truyền lần lượt các phần tử ảnh được thực hiện nhờ thiết bị

quét ở đầu phát và việc lặp lại ảnh của từng phần tử ảnh nhờ thiết bị quét ở đầu thu. Quá trình

quét ở đầu phát và đầu thu phải hoàn toàn đồng bộ và đồng pha với nhau. Nguyên tắc truyền hình

loại này là thực tế vì cấu trúc của hệ thống đơn giản nên được áp dụng trong tất cả các hệ thống

truyền hình hiện nay.

+ _

+ _

+ _

Hình 2 - 2

Sê len Pa nô

Thấu kính

ảnh

53

2.1.3. Thiết kế hệ thống 2.1.3.1. S¬ ®å khèi cña m¸y ph¸t truyÒn h×nh.

Hình 2.3 biểu diễn các thành phần cơ bản của một máy phát truyền hình. Một hệ thống

thấu kính hội tụ hình ảnh lên một ống kính camera, nó làm nhiệm vụ thu thập và mã hóa thông tin

về độ sáng và vị trí của mỗi phần tử ma trận để tạo nên hình ảnh bằng việc quét ma trận. Đầu ra

của camera được đưa tới bộ khuếch đại và thêm vào các xung để phục vụ cho việc giải mã tại

phía thu.

Micro thu tín hiệu âm thanh tương ứng với hình ảnh và sau khi khuếch đại, tín hiệu có tần

số 4,5 MHz, được tạo ra bởi một bộ dao động tinh thể ở tần số thấp và được nhân lên với một hệ

số nhân thích hợp. Tín hiệu FM mang thông tin tiếng được cộng vào tín hiệu video. Đầu ra của bộ

khuếch đại video bao gồm tín hiệu video, các xung điều khiển cho phía máy thu và tín hiệu điều

tần được đưa tới khối điều biên. Sóng mang của bộ điều chế biên độ được cung cấp bởi một bộ

dao động tinh thể thứ hai và được kết hợp với bộ nhân tần để tạo ra tín hiệu có tần số nằm trong

dải 54÷108 MHz (VHF). Bộ khuếch đại công suất cao tần sẽ khuếch đại công suất tới giá trị xác

định thích hợp và bộ lọc dải biên sẽ loại bỏ hầu hết tín hiệu của dải biên dưới trước khi đưa nó ra

anten bức xạ.

+ _

Hình 2 - 3

Thu Phát

Sê len Panô

54

Hình 2.3. Sơ đồ khối của một máy phát truyền hình

2.1.3.2. Ống kính

a. Iconoscop.

Ống kính camera đầu tiên được phát minh bởi một nha khoa học người Mỹ tên là

Vladimir Zworykin [4,5] và được xem như một sự tiến bộ vượt bậc so với sắp xếp ống quang

điện đã thảo luận trước đây. Trong hệ thống iconoscop của Zworykin ông thay ma trận ống quang

điện bằng thiết bị mà ông gọi là mặt khảm. Thiết bị này được tạo nên từ rất nhiều các chấm vật

liệu nhạy sáng trên một mặt của một tấm mica. Mặt còn lại của tấm mica được phủ một lớp than

chì rất mỏng - mặt tín hiệu. Mặt cắt của iconoscop được vẽ ở hình 2.4.

Mặt khảm và mặt tín hiệu tạo thành một số lượng lớn các tụ điện nhỏ có chung một bản

cực. Khi hình ảnh được chiếu vào mặt khảm, mỗi điểm riêng biệt của vật liệu nhạy quang sẽ phát

ra các điện tử tỷ lệ với cường độ sáng. Những điện tử này bị hút bởi một bản cực anot đặt trước

mặt khảm. Lúc đó mặt khảm là một bức ảnh «được vẽ bằng điện tích». Việc biến đổi từ điện tích

thành điện áp ở đầu ra được thực hiện nhờ súng điện tử và mạch điện kết hợp.

Hình 2.4. Cấu tạo ống iconoscop

55

Súng điện tử tạo ra một chùm điện tử rất hẹp được hội tụ trên mặt khảm. Các điện tử mới

đến có hiệu ứng «phóng điện» các tụ điện nhỏ làm cho điện tích của nó giảm xuống. Khi đó số

lượng các điện tử yêu cầu để phóng điện các tụ điện tỷ lệ với điện tích được tạo ra bởi độ sáng,

dòng điện của súng điện tử là một hàm của sự tích điện hiện tại và của cả cường độ sáng. Do đó

dòng của súng điện tử sẽ tỷ lệ với điện áp xuất hiện trên điện trở R.

Để biến đổi hình ảnh thành một tín hiệu hình ảnh, cần phải làm cho chùm điện tử quét lên

mặt khảm tuần tự theo từng dòng. Súng điện tử có hai hệ thống làm lệch dùng cho việc quét hình

ảnh. Hệ thống thứ nhất di chuyển chùm điện tử với tốc độ không đổi theo một đường thẳng nằm

ngang và quay trở lại rất nhanh để sẵn sàng bắt đầu cho dòng tiếp theo (quét ngang). Hệ thống thứ

hai điều khiển vị trí của chùm tia điện tử theo chiều dọc và đảm bảo cho các dòng quét liên tiếp

nhau và đưa nó về đỉnh trên cùng của màn hình sẵn sàng cho khung hình tiếp theo (theo dọc).

Hai nhược điểm chính của hệ thống iconoscop đó là nó đòi hỏi cường độ sáng cao để nhận

được chất lượng hình ảnh có thể chấp nhận được và việc tạo ra các điện tử thứ cấp từ vật liệu

nhạy quang trong quá trình quét. Các điện tử thứ cấp gây ra nhiễu (thông tin sai lệch) trong tín

hiệu hình ảnh. Do đó, hệ thống iconoscop được thay bởi ảnh orthicon, một phát minh khác của

Zworykin.

b. Ảnh ORTHICON.

Ống Orthicon có độ nhạy cao nhất trong các ống phát hình, có thể làm việc ngay cả dưới ánh

trăng. Tuy có cấu tạo phức tạp, nhưng đây là ống được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền

hình.

Ống Supeortricôn có độ nhạy cao nhất trong các ống phát hình, có thể làm việc ngay cả

dưới ánh trăng. Tuy có cấu tạo phức tạp, nhưng đây là ống được sử dụng rộng rãi trong các hệ

thống truyền hình.

Về cấu tạo (hình 2.5) ống được chia làm hai phần. Ở phần lớn của ống có katốt quang bán

trong suốt 1, cực gia tốc 2, cực bia 3, lưới 4, điện cực hãm 10. Ở phần hẹp của ống có katốt phát

e

Rt Ura

1 2 4 3 10 9

11 8

14 15 7

6 13 12 5

U1 U2 U3

-300v

0v

1v 0v 180v 200v 280v 1000v

Hình 2.5 Mặt cắt ngang của ống Orthicon

iφ

ảnh Thấu kính

56

xạ điện tử 5, cực điều khiển 6, anốt thứ nhất 7, anốt thứ hai 14, anốt thứ ba 9, bộ nhân điện tử 13

và cực góp 12. Phía ngoài ống có các cuộn dây hội tụ 8, cuộn làm lệch 11 và cuộn hiệu chỉnh 15.

Nguyên lý làm việc: Ảnh truyền qua thấu kính được chiếu lên katốt quang là katốt bán

trong suốt. Trên bề mặt của nó hình thành ảnh điện tử (dòng quang điện tử). Ảnh điện tử được gia

tốc bởi điện cực gia tốc 2 và hội tụ bởi cuộn dây hội tụ 8 dịch chuyển đến cực bia và tiến hành

nạp điện cho các tụ sơ cấp của cực bia. Tại vùng tối nhất của ảnh (Φ = 0) điện thế trên cực bia

bằng 0, tại vùng sáng nhất của ảnh (Φmax) điện thế trên cực bia bằng +1v (hình 2.6). Theo nguyên

lý của cực bia thì điện thế bên trái cực bia sẽ chuyển sang phía bên phải cực bia. Như vậy trên cực

bia hình thành ảnh nổi điện thế và điện thế tại các điểm trên cực bia tỷ lệ tương ứng với độ chói

của các điểm ảnh truyền.

Ta xét phía bên phải cực bia: tia điện tử bức xạ từ ka

tốt phát xạ điện tử 5 đi vào trường giảm tốc và rơi trên bia

với tốc độ gần bằng không. Nhờ hệ thống làm lệch tia điện

tử sẽ quét toàn bộ bề mặt bên phải cực bia. ứng với điểm tối

nhất của ảnh (Φ = 0) thì toàn bộ tia điện tử quay trở lại vì tại

điểm đó điện thế của cực bia là 0v, ứng với vùng sáng nhất

của ảnh (Φmax) không có điện tử nào quay trở lại vì tại điểm

đó điện thế trên cực bia là +1v (hình 2.6). Như vậy là dòng tia điện tử quay về đã được điều chế

theo điện thế của cực bia. Dòng điện tử quay về qua bộ nhân điện tử 13, tạo sụt áp trên điện trở tải

Rt cho điện áp ra, đó chính là tín hiệu thị tần.

Orthicon có các đặc điểm: phức tạp, giá thành cao, tỷ số S/N không cao. Tuy nhiên ưu

điểm là độ nhạy rất cao nên vẫn được áp dụng rộng rãi trong truyền hình dân dụng cũng như

trong truyền hình công nghiệp.

c. Vidicon

Vidicon không được nhạy như ảnh orthicon nhưng thường có kích thước nhỏ hơn và do

đó thích nghi tốt trong các môi trường ứng dụng như giám sát theo dõi, với độ phân dải cao

không giới hạn. Nguyên lý hoạt động của nó hoàn toàn khác với cả ảnh orthicon và iconoscop

trước đây bởi vì nó dựa trên sự thay đổi tính quang dẫn theo một hàm của cường độ sáng. Một hệ

thống quét điện tử được sử dụng để tạo thông tin hình ảnh.

2.1.3.3. Hệ thống quét

Như đã được giới thiệu ở trên, khi muốn truyền một vật thể V (ta gọi là ảnh truyền hình)

từ nơi phát sang nơi thu thì phải chia ảnh thành các phần tử ảnh rồi truyền lần lượt từng phần tử

ảnh đó sang phía thu. Để thực hiện việc truyền lần lượt từng phần tử ảnh ở bên phát cũng như có

thể nhận được lần lượt từng phần tử ảnh ở bên thu thì ở đầu phát và đầu thu phải có các thiết bị

quét tia điện tử và qúa trình quét giữa bên thu và bên phát phải thoả mãn một số yêu cầu.

1. Các yêu cầu về quét trong truyền hình.

a/ Tốc độ chuyển động của tia điện tử không thay đổi trong thời gian biến đổi ảnh thành

tín hiệu thị tần và ngược lại từ tín hiệu thị tần thành ảnh ở máy thu. Điều này tương ứng với bề

rộng phổ của tín hiệu là nhỏ nhất.

Φmax iφ

Φ = 0 i

1v 1v

0v 0v

ie

ie

bia

Hình 2.6

57

Việc quét không đều trong một dòng quét sẽ làm cho các điểm trên cực bia của ống phát

không chính xác, độ sáng điểm theo dòng quét của ống thu không đều

b/ Không có ảnh hưởng lẫn nhau của tia quét sau thời gian truyền một ảnh.

Điều ngược lại làm nhoè ảnh (giảm độ nét).

c/ Tốc độ quét tức thời ở ống thu và ống phát ở vị trí tương ứng phải trùng nhau.

d/ Tiết diện tia quét tiếp xúc trên màn ảnh ống thu (hoặc cực bia của ống phát) phải đồng

đều ở mọi điểm. Ngược lại sẽ làm cho điểm ảnh có độ nét và độ sáng không đều.

e/ Đảm bảo sự đồng bộ tia quét ở đầu phát và đầu thu. Việc động bộ phải được thực hiện

bằng các phương tiện kỹ thuật đơn giản.

f/ Kích thước ảnh (dạng ảnh) của đầu phát và đầu thu có tỷ lệ xích bằng nhau. Yêu cầu

này đảm bảo không có méo tỷ lệ xích và có thể tái tạo chính xác các cấp chói ở phía thu (điều này

rất có ích đối với truyền hình màu).

2. Các dạng quét trong truyền hình.

a/ Quét tuyến tính.

Một trong những đặc điểm của quét tuyến tính là tốc độ quét theo dòng và theo mành là

không đổi, nhờ đó có một số ưu điểm: phổ tín hiệu ở mọi điểm đồng đều và nhỏ nhất, độ nét, độ

sáng đồng đều, sự đồng bộ giữa bên thu và bên phát đơn giản và đây là phương pháp quét chủ yếu

được sử dụng trong truyền hình.

Khuyết điểm của phương pháp quét này là cần phải ổn định tần số, ổn định biên độ đường

quét và pha quét mành khi thực hiện quét xen dòng. Nếu không độ nét bị giảm (do các dòng quét

không cách đều hoặc chồng lên nhau). Đối với quét liên tục (quét lần lượt) thì khuyết điểm này

không có vì sau một chu kỳ quét mành thì ảnh đã được khôi phục hoàn toàn.

Để thực hiện quét tuyến tính (cả quét lần lượt va xen dòng), tia điện tử chuyển động theo

chiều ngang (quét dòng) và theo chiều dọc (quét mành) cần phải cung cấp các điện áp hoặc dòng

điện hình răng cưa (hình 2-7).

Trong một chu kỳ (T) của tia điện tử quét được chia làm hai phần: T1 gọi là thời gian quét

thuận, T2 gọi là thời gian quét ngược. Trong đó thời gian quét thuận T1 là thời gian mà tia điện tử

chuyển động từ phía trái của màn hình sang phía phải màn hình, thời gian này là thời gian mang

tin tức của ảnh truyền hình và nó chiếm khoảng 90% của chu kỳ quét. Thời gian quét ngược T2 là

thời gian mà tia điện tử chuyển động ngược lại từ phía phải màn hình về phía trái màn hình để

thực hiện quét dòng tiếp theo, thời gian này không mang tin tức và chỉ chiếm khoảng 10% của

chu kỳ quét. Do thời gian T2 không mang tin tức nên có ảnh hưởng đến thời gian quét thuận (gây

nhiễu cho tín hiệu trong thời gian quét thuận) nên cần phải xoá bỏ tia điện tử trong thời gian T2.

Các xung xoá dòng (hoặc mành) thực hiện nhiệm vụ này.

i

t T TT

0

Hình 2-7

58

Để làm lệch tia trong ống tia điện tử cần đảm bảo điện áp hoặc dòng điện răng cưa có giá

trị lớn. Trong hầu hết các thiết bị truyền hình đều sử dụng việc làm lệch tia điện tử bằng từ

trường. Vì vậy cần phải tạo ra dòng lệch tần số dòng và mành dạng răng cưa. Để làm nhiệm vụ đó

có thể tạo ra dạng điện áp cần thiết hay điện áp điều khiển chảy trong cuộn làm lệch.

Trong hình 2.8 là sơ đồ tương đương của cuộn làm lệch. Trong đó Lk là điện cảm cuộn

làm lệch, rk là điện trở tổn hao và Ck là điện dung ký sinh của cuộn làm lệch. Trong sơ đồ quét

mành thì điện dung ký sinh Ck có thể bỏ qua, còn trong sơ đò quét dòng thì tụ Ck có ảnh hưởng

đáng kể đến sự hình thành dòng điện và điện áp răng cưa của cuộn làm lệch. Vì vậy để giảm ảnh

hưởng của tụ Ck thì cuộn lệch dòng thường cuốn ít vòng.

Bỏ qua tụ Ck, ta xác định được điện áp ra trên hai đầu cuộn làm lệch:

Uk = UL + Ur = Lk.(dik/dt) + rk.ik

Vì dòng làm lệch biến thiên theo quy luật tuyến tính:

ik = I.(t/T)

Do đó Uk = Lk.I + rk.I.(t/T)

Trong đó: T là chu kỳ quét dòng hoặc mành.

Để nhận biết được dòng răng cưa tuyến tính trong cuộn làm lệch, theo biểu thức trên, điện

áp đưa đến cuộn dây có thể có dạng răng cưa hoặc xung răng cưa tuỳ theo quan hệ rk và ωLk

(hình 2-9 b, c, d)

Các dạng điện áp điều khiển đưa đến cuộn làm lệch như trên có thể dễ dàng tạo được bằng

cách biến đổi các xung đồng bộ đưa đến. Tuy nhiên mạch ổn định kém khi có nhiễu. Trong thực

tế sơ đồ thiết bị quét ở phía thu có một bộ tạo ra tín hiệu điều khiển (dạng xung hoặc xung răng

cưa) và được đồng bộ bởi các xung đồng bộ từ máy phát đưa đến.

59

Sơ đồ khối thiết bị quét có dạng như sau (hình 2-10).

Tầng tạo xung thường dùng là mạch dao động đa hài hoặc blocking, tầng ra là một mạch KĐCS

đảm bảo công suất ra đủ lớn làm lệch tia điện tử.

Có 2 phương pháp quét tuyến tính:

+ Quét lần lượt

+ Quét xen dòng

b) Quét lần lượt

ik

Uk

Uk

Uk

t

t

t

t

rk >> ωLk

rk << ωLk

rk ≈ ωLk

Hình 2-9

a/

b/

c/

d/

60

Để thay thế bộ cảm biến gồm 108 sensor của mắt cảm nhận hình ảnh của vật thể thì người ta sử

dụng camera_thiết bị gồm một hệ thống thấu kính và các mạch điện tử để chuyển đổi các

điểm của hình ảnh theo từng dòng thành các tín hiệu điện. Ở máy thu, để tái tạo lại hình ảnh

này người ta dùng phương pháp quét lần lượt, tổng quát như hình 2.11:

Hình 2.11

Một hình ảnh tổng quát sẽ được cắt ra thành n dòng, các điểm ảnh trên từng dòng lần lượt

được chuyển thành các tín hiệu điện có độ mạnh yếu tương ứng với độ sáng và màu sắc. Khi tái

tạo lại ảnh các tín hiệu điện trên từng dòng trên sẽ được đưa vào điều khiển một súng điện tử

để vẽ lại hình ảnh trên màn hình. Tùy theo độ mạnh yếu của tín hiệu tại các điểm trên một

dòng mà độ sáng của màn hình sẽ khôi phục lại như hình ảnh ban đầu. Tuy nhiên phương

pháp này chỉ dùng trong y tế, máy tính …vì bề rộng phổ quá lớn so với bề rộng phổ của kênh

vô tuyến 8 MHz.

Số dòng quét trong một ảnh và số ảnh quét trong 1 giây được xác định dựa trên 2 tiêu chuẩn truyền hình:

- OIRT (International Radio-Television Organisation): là tiêu chuẩn truyền hình châu Âu,

trong đó qui định số dòng quét là 625 dòng và số ảnh/s ~ 25 ảnh.

- FCC (Federal Communications Commssion ): là tiêu chuẩn truyền hình của Mỹ trong đó

qui định số dòng quét là 525 dòng và số ảnh quét trong 1 giây ~30 ảnh.

c) Quét xen dòng (Hình 2.12)

Dòng 2 4 Dòng 1

Dòng 3

n Dòng n-1

Hình 2.12

Việc quét xen dòng đảm bảo số dòng quét trong một giây không tăng nhưng số lần lặp lại

của các bán ảnh tăng gấp đôi dẫn đến đảm bảo chất lượng ảnh quét.

- Bán ảnh lẻ: Bao gồm các dòng lẻ 1,3,5,7…

61

Trắng Xám Đen

T

U

X

Đ t

a a’

Hình 2-13: Chuyển đổi ảnh quang thành tín hiệu điện

- Bán ảnh chẵn bao gồm các dòng chẵn: 2,4,6,8….

Thay bằng việc truyền na ảnh/s thì phải truyền na bán ảnh. Số ảnh cần truyền s= na/2 khi đó dải

phổ giảm một nửa.

2.1.4. Tín hiệu thị tần

2.1.4.1. Dạng của tín hiệu hình

Giả sử cho một ảnh truyền hình giống như hình trên, tia điện tử quét theo dòng aa’. Với

thiết diện tia điện tử đúng bằng kích thước của phần tử ảnh và có giá trị rất nhỏ so với chi tiết ảnh.

Điều đó có nghĩa trị tức thời của tín hiệu hình tỷ lệ với mức chói ở từng thời điểm của ảnh theo

dòng aa’.

Kết luận:

- Tín hiệu hình là tín hiệu đơn cực tính vì độ chói của ảnh có trị số dương biến đổi từ không

đến giá trị dương cực đại. Nên tín hiệu hình tương ứng cũng có một cực tính hoặc là dương, hoặc

là âm. Nói cách khác tín hiệu truyền hình có chứa thành phần trung bình (là thành phần một

chiều). Trị trung bình của tín hiệu theo dòng tỷ lệ với độ chói trung bình của dòng đó. Trị trung

bình của tín hiệu đối với mỗi ảnh tỷ lệ với độ chói trung bình của ảnh đó.

Do tín hiệu hình là tín hiệu đơn cực tính nên khi đo lường không đo theo trị số hiệu dụng

mà đo theo trị số giữa đỉnh với đỉnh (hiệu số giữa mức max với mức min của tín hiệu).

- Tín hiệu hình nói chung là tín hiệu không có chu kỳ (trừ khi truyền ảnh tĩnh)

+/ Ảnh tĩnh: có chu kỳ lặp lại bằng chu kỳ tần số ảnh.

+/ Ảnh tĩnh là những dải sọc thẳng đứng: chu kỳ lặp lại ảnh bằng chu kỳ dòng (vì tín hiệu

trên các dòng là không đổi)

Trong một chu kỳ quét TH được chia làm hai: thời gian quét thuận bằng 82 đến 84% TH và

thời gian quét ngược bằng 16 đến 18% TH. Trong khoảng thời gian quét ngược không mang thông

tin của ảnh nên được dùng để truyền xung tắt dòng (xung xoá dòng).

62

Đối với xung xoá mành (xung tắt mặt) khi tia điện tử quét hết một ảnh, tức là quét một

lượt qua tất cả các dòng của ảnh từ trên xuống dưới sau đó tia điện tử chuyển động từ dưới lên

trên để thực hiện quét ảnh (mành) tiếp theo gọi là thời gian quét ngược ảnh. Trong thời gian này

tín hiệu không mang thông tin của ảnh nên có khả năng ảnh hưởng (gây nhiễu) cho tín hiệu hình.

Để tránh hiện tượng đó thì trong thời gian quét ngược của ảnh được dùng để truyền các xung tắt

mặt (xung xoá mành) có tác dụng làm tắt các tia điện tử của ống thu trong thời gian quét ngược

của ảnh. Thời gian quét ngược này chiếm khoảng 23 đến 30 TH.

Như vậy xung tắt dòng (xung xoá dòng) xuất hiện sau mỗi dòng và xung tắt mặt xuất hiện

sau mỗi mành. Mức đỉnh của các xung tắt được chọn vượt quá mức đen một ít để đảm bảo tắt

hoàn toàn tia điện tử ở ống thu trong thời gian quét ngược nên còn gọi là mức quá đen.

+/ Các xung đồng bộ cũng được truyền trong thời gian quét ngược với mục đích để khống

chế các bộ quét trong máy thu hình điều khiển tia điện tử trong ống thu làm việc đồng bộ và đồng

pha với tia điện tử quét trong ống phát hình.

Tín hiệu đồng bộ được tạo ra và truyền đi trên kênh thông tin cùng với tín hiệu hình, tổng

hợp của tín hiệu hình với tín hiệu đồng bộ cho ta tín hiệu truyền hình. Tín hiệu đồng bộ dòng

được đặt trên đỉnh của xung xóa dòng; tín hiệu đồng bộ mành được đặt trên đỉnh của xung xóa

mành.

- Trong khoảng thời gian xóa mành thường khá lớn so với thời gian của một dòng quét.

Xung đồng bộ mành có độ rộng từ 2,5 đến 3 chu kỳ quét dòng nhằm tạo ra quá trình đồng bộ

chính xác.

- Tín hiệu đồng bộ mành còn mang theo các xung cân bằng. Đó là các chuỗi xung cân

bằng nằm trước và sau xung đồng bộ mành trong khoảng thời gian xóa mành. Khoảng cách và

thời gian giữa các xung cân bằng được xác định khác nhau tùy theo các hệ truyền hình. Tín hiệu

hình đã được cộng cả xung tắt và xung đồng bộ được gọi là tín hiệu truyền hình đầy đủ.

2.1.4.2 Phổ tín hiệu hình.

a/ Xác định phổ

Xác định phổ của tín hiệu hình chính là xác định các thành phần xoay chiều của tín hiệu.

63

- Với chi tiết lớn của ảnh là các thành phần tần số thấp

- Với chi tiết nhỏ của ảnh là các thành phần tần số cao

Cách xác định phổ tín hiệu hình ta chỉ cần xác định tần số thấp nhất và cao nhất của tần

phổ (chính là xác định giới hạn dưới và giới hạn trên của tần phổ), sau đó mới khảo sát sự phân

bố phổ trong giới hạn đã xác định.

+/ Xác định thành phần thấp nhất của tần phổ tín hiệu hình.

B1

B2

Thành phần thấp nhất của tần phổ được xác định bằng tần số quét mành (hình a). Thấp hơn nữa

khi truyền ảnh chỉ có một mức chói đồng đều (hình b) đó chính là các thành phần một chiều

(không phải phổ).

Như vậy thành phần thấp nhất của phổ tín hiệu hình bằng tần số quét mành. Điều này luôn

đúng với bất kỳ một dạng hình ảnh phức tạp nào.

+/ Xác định thành phần cao nhất của tần phổ tín hiệu hình.

Việc xác định thành phần cao nhất là rất phức tạp. Một điều dễ thấy rằng, muốn tăng độ rõ

của ảnh truyền hình thì phải khôi phục lại được các chi tiết nhỏ của ảnh truyền hình.

Thực tế cho thấy hệ thống truyền hình chỉ có thể khôi phục lại được ảnh với chi tiết có

kích thước xấp xỉ phần tử ảnh. Trong đó kích thước một phần tử ảnh được xác định bằng ô

vuông, mỗi cạnh bằng chiều rộng của một dòng quét. Vì vậy mà số dòng quét càng lớn thì kích

thước của phần tử ảnh càng nhỏ và ảnh càng rõ ràng.

Độ rộng tần phổ của tín hiệu hình còn phụ thuộc vào vận tốc của tia quét. Nghĩa là phụ

thuộc vào thời gian truyền đi toàn bộ các phần tử ảnh.

Ví dụ: Phân tích một ảnh có dạng gồm các dải

sọc đen và trắng xen kẽ, thẳng đứng. Độ rộng của mỗi

dải sọc bằng độ rộng của một dòng quét

- Gọi Ka = b/h là tỷ lệ khuôn hình của màn hình

- Z là số dòng quét trên một ảnh

Nếu tia điện tử quét hết Z dòng thì tương ứng

quét hết chiều cao của màn hình là h. Gọi x là số sọc

trắng, đen theo chiều rộng b được tính bởi công thức

b

h

Hình 2-16: Xác định thành phần cao nhất của phổ tín hiệu hình

Tín hiệu một

chiều (không

phải phổ)

U U1 U2

a/

x x

Màu trắng (w)

U

b/

Hình 2-15: Xác định thành phần thấp nhất của tần phổ tín hiệu hình

64

aKZh

bZx .

.==

Số cặp dải sọc đen - trắng là Z.Ka/2. Thời gian tia điện tử quét hết một cặp dải đen- trắng

chính là chu kỳ của tín hiệu và là tần số cao nhất của tín hiệu hình cần phải truyền đi.

Tính thời gian để truyền một phần tử ảnh (tpt).

Số phần tử ảnh có được trên một ảnh là: Na=Ka.Z.Z=Ka.Z2

Trong đó: Ka.Z là số sọc trắng-đen theo chiều rộng b và Z là số dòng quét theo chiều cao

h.

Nếu số ảnh truyền trong một giây là na thì số phần tử ảnh truyền đi trong một giây đó là:

N = na.Na = na.Ka.Z2. Do vậy thời gian truyền một phần tử ảnh (1ô đen, trắng ) sẽ là :

2

11

ZKnNt

aa

pt ==

Thời gian truyền 1 cặp ô đen trắng : T = 2tpt

Vậy thành phần tần số cao nhất của tín hiệu hình là

)(2

..

2

1 2

∗==ZKn

tf aa

tp

c

Thực tế không phải toàn bộ thời gian quét là có ích mà chỉ có ích trong thời gian quét

thuận của tín hiệu hình mới mang tin tức, còn thời gian quét ngược không mang tin tức. Tuy

nhiên, để dễ cho quá trình tính toán thì giả sử các thời gian quét ngược (dòng, mành) không ảnh

hưởng nhiều tới tần số tín hiệu hình và coi hệ thống hoàn toàn là lý tưởng (nghĩa là hệ thống có

khả năng phân tích đến mức thấy được các chi tiết ảnh có kích thước bằng phần tử ảnh)

Thay na = 50; Ka = 4/3; Z = 625 ta thu được fc = 13 MHz

Với tần số fc như trên là quá rộng gây khó khăn cho việc truyền tin. Bởi lẽ: trong một

khoảng tần số đã cho chứa được ít đường thông tin và các thiết bị xử lý thông tin phải có dải

thông làm việc rất rộng (bằng 13 MHz), mức nhiễu lớn làm giảm tỷ số S/N nên khó khăn trong

việc chế tạo.

Yêu cầu: Phải làm giảm dải phổ của tín hiệu hình xuống. Từ biểu thức (*) cho thấy tần số

fc phụ thuộc nhiều vào số dòng quét Z và số ảnh truyền trong một giây na. Để giảm fc có thể thực

hiện:

- Giảm số dòng quét Z. Nhưng khi giảm Z thì sẽ giảm độ rõ của ảnh và đây là điều không

mong muốn.

- Giảm tần số ảnh na truyền trong một giây. Nhưng khi giảm na nhỏ hơn 45 đến 50 thì màn

ảnh sẽ bị nhấp nháy gây khó chịu cho người xem.

Trong thực tế người ta thực hiện quét xen kẽ (quét xen dòng). Trong đó một ảnh được

chia làm hai bán ảnh là bán ảnh chẵn và bán ảnh lẻ. Trong một giây số bán ảnh truyền vẫn là 50

còn số ảnh thực truyền chỉ là 25. khi đó:

)(5,62

..

2

2

MHzZKn

f aac == (**)

Biểu thức (**) rất hợp lý với một kênh truyền hình

Chú ý: Sở dĩ thực hiện quét xen dòng là lợi dụng vào đặc tính của mắt không thể nhận biết

sự thay đổi giữa hai dòng liên tiếp.

65

VD: cho một ảnh gồm 200 sọc đen trắng xen kẽ có kích thước bằng nhau. Hãy vẽ dạng tín hiệu

video trên đường quét bất kỳ , từ đó tính tần số tín hiệu video trên đường quét đó. Biết chu kỳ

quét dòng TH = 64 (µS), thời gian quét thuận chiếm 54µS.

b/ Hình dạng phổ tín hiệu hình.

Tần số của tín hiệu hình khi quét cách dòng có thành phần thấp nhất bằng tần số mặt (tần

số mành), và thành phần cao nhất tuân theo biểu thức (**).

Nếu ảnh có nội dung như hình 2-15a, phổ tín hiệu hình chỉ gồm thành phần tần số mặt và

các hài bậc cao của nó. Nếu ảnh có nội dung như hình 2-16, thì phổ tín hiệu hình chỉ gồm các

thành phần fc và các hài của nó. Hài bậc cao fc không cần truyền đi, bởi vì méo sườn xung đối với

các chi tiết ảnh nhỏ mắt không có khả năng phát hiện.

Trường hợp tổng quát ảnh có nội dung phức tạp: độ chói biến đổi từ trái qua phải và từ

trên xuống dưới, tần phổ tín hiệu sẽ chiếm hết khoảng tần số từ tần số thấp nhất fV đến tần số cao

nhất fc.

Đối với ảnh động thì tín hiệu hình là tín hiệu không chu kỳ. Chỉ trừ khi truyền ảnh tĩnh là

tín hiệu hình có chu kỳ, tính chu kỳ ở đây là do nguyên lý quét quyết định.

Giả sử nếu coi tần số quét mành bằng không và thời gian quét ngược của dòng quá nhỏ so

với chu kỳ quét dòng. Đối với ảnh đứng yên, độ chói sẽ chỉ biến thiên theo chiều ngang, tín hiệu

hình sẽ chỉ lặp lại theo chu kỳ tần số dòng. Do đó phổ tín hiệu hình là phổ gián đoạn gồm thành

phần tần số dòng và các hài bậc cao của nó cho đến hài bằng tần số fc.

Nếu độ chói biến thiên theo cả chiều dọc và chiều ngang thì ở hai bên mỗi hài tần số dòng

đều có các biên tần. Các thành phần của biên tần đều cách tần số trung tâm (hài tần số dòng) một

khoảng bằng tần số mành hoặc hài của tần số mành.

Từ những phân tích ở trên ta có thể thấy tần phổ của tín hiệu hình là phổ gián đoạn, gồm

các hài của tần số mành và các nhóm phổ quanh hài của tần số dòng (xem hình 2-17)

Đặc điểm của phổ tín hiệu hình là giữa các nhóm phổ hài tần số dòng tồn tại các khoảng

trống và có thể lợi dụng các khoảng trống này để truyền các tín hiệu khác. Tính chất này đặc biệt

được ứng dụng trong truyền hình màu, phổ tín hiệu màu được sắp đặt vào khoảng trống của phổ

tín hiệu chói. Trong các hệ thống truyền hình công nghiệp cũng lợi dụng vào khoảng trống này để

truyền các tín hiệu kiểm tra.

A

fv

2fv

nfv

fH

fH + fv fH - fv

fH + nfv

2fH

3fH 2fH + fv

Hình 2-17: Phổ tín hiệu hình

f

66

Đối với ảnh di động (truyền các vật di động), các nhóm phổ tín hiệu hình không còn là

phổ gián đoạn mà là những nhóm phổ liên tục, vì tần phổ của tín hiệu của ảnh sau không giống

với tần phổ của tín hiệu của ảnh trước. Trường hợp các vật chuyển động nhanh, các nhóm phổ sẽ

xê dịch trong khoảng gần với hài của tần số dòng, nên khi quan sát trên màn máy phân tích phổ sẽ

thấy các nhóm phổ liên tục. Tuy nhiên do khả năng lưu ảnh của mắt không thể quan sát được các

ảnh chuyển động với vận tốc quá nhanh, nên thực tế trong truyền hình chỉ truyền đi các vật

chuyển động chậm (so với tốc độ đổi ảnh). Vì vậy phần năng lượng chủ yếu của tín hiệu hình chỉ

tập trung gần các hài của tần số dòng, độ rộng của các nhóm phổ chứa phần năng lượng chủ yếu

đó hẹp hơn một nửa khoảng cách giữa hai tần số dòng kề nhau.

2.1.5 Các tham số của ảnh truyền hình.

Khi quan sát ảnh thông qua màn hình máy thu bằng thị giác (bằng mắt) cần đảm bảo trên

màn hình máy thu hình ảnh khi khôi phục có các đặc trưng cơ bản dễ nhận thấy như: màu sắc,

kích thước hình học, kích thước tương đối, sự phân bố độ sáng, sự chuyển động tương đối của

mục tiêu. Mỗi hệ thống truyền hình có các chỉ tiêu riêng, tuy nhiên chúng đều có chung các tham

số cơ bản: kích thước, độ chói, độ tương phản và số lượng cấp chói, độ nét, tính đồng dạng và tỷ

số tín hiệu trên nhiễu (S/N).

2.1.5.1. Kích thước ảnh.

Việc lựa chọn kích thước của ảnh truyền hình hoàn toàn dựa vào tính chất của thị giác của

con nguời (hình 2-18).

Mắt quan sát tốt nhất khi ảnh có hình chữ nhật với chiều rộng là b, chiều cao là h và tỷ số:

k = b/h = 4/3 (trong chiếu phim tỷ lệ này là 11/8)

Trong đó k gọi là tỷ lệ khuôn hình.

Khoảng cách quan sát tốt nhất khi d = (5 ÷ 6)h. Với khoảng cách này mắt cảm thấy sự liên

tục của ảnh khi số dòng quét chỉ khoảng 500 đến 600 dòng.

Trong các hệ thống truyền hình với mục đích đặc biệt, hình dạng của ảnh có thể chọn khác

đi, nó phụ thuộc vào dạng của mục tiêu quan sát, vào mục đích sử dụng hiệu quả katốt phát quang

của ống phát hình, vào màn ảnh máy thu …

2.1.5.2 Độ chói.

Độ chói (hoặc độ sáng) của ảnh truyền hình không thể xác định đơn trị như xác định kích

thước của nó. Độ chói tương ứng với việc khôi phục ảnh tốt nhất phụ thuộc vào góc quan sát, tính

chất của thị giác và nội dung của ảnh. Dải độ chói mà mắt có thể cảm nhận được thực tế là rất

lớn, khoảng 108. Tuy nhiên trong trong dải chói này mắt cảm nhận không như nhau mà theo quy

luật hàm mũ. Trong thực tế dải độ chói trung bình từ 30 đến 40 nít hoàn toàn có thể quan sát các

chi tiết của ảnh mà mắt không bị mệt mỏi.

d

b

h

Hình: 2-18

67

2.1.5.3 Độ tương phản và số lượng cấp chói.

Độ tương phản ảnh được xác định bằng tỷ số của độ chói cực đại và độ chói cực tiểu.

K = Bmax/Bmin

Đây chính là biểu diễn dải độ chói. Trong tự nhiên, dải độ chói đạt được rất lớn khoảng

108 lần. Nhưng ảnh trong thực tế chỉ thay đổi vài trăm lần. Đối với ảnh truyền hình độ tương phản

bằng 30 đến 40 coi như là tốt. Độ tương phản ảnh phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống truyền

hình và phụ thuộc vào điều kiện quan sát ảnh.

Như đã biết trong phần 1.3.2b, theo quy luật Veber thì sự thay đổi cảm giác của mắt phụ

thuộc vào sự thay đổi tương đối của độ chói. Với dải độ chói tương đối rộng thì độ nhạy tương

phản của mắt δ coi như không đổi và nằm trong giới hạn 0,02 đến 0,05. Khi cho trước độ tương

phản K thì có thể xác định được số lượng bậc chói thay đổi đó.

Bậc đầu tiên của độ chói B1 được xác định:

B1 = Bmin + δ0Bmin = (1 + δ0)Bmin

Trong đó: δ0 là độ tương phản ngưỡng.

Bậc thứ hai B2:

B2 = B1 + δ0B1 = (1 + δ0)Bmin + δ0(1 + δ0)Bmin = (1 + δ0)2Bmin

Bậc thứ ba B3:

B3 = (1 + δ0)3Bmin

Bậc cuối cùng Bmax:

Bmax = (1 + δ0)nBmin

Từ cách tính toán trên ta có số lượng bậc chói:

n = ( )0

min

max

1ln

ln

δ+

B

B

Khai triển ln(1+δ0) ta nhận được:

n = min

max

00

min

max

lg.3,2

ln

B

BB

B

δδ=

Độ tương phản cực đại của mắt bằng 100, nghĩa là Bmax/Bmin = 100 và δ0 = 0,05 thay vào

biểu thức trên ta nhận được số lượng cấp chói cực đại của ảnh truyền hình mà mắt người có thể

phân biệt được.

n = 9205,0

100lg.3,2=

Như đã nói ở các phần trước các thiết bị biến đổi quang - điện (ống phát hình) và thiết bị

biến đổi điện - quang (ống thu hình) có hàm truyền đạt là phi tuyến. Nên tín hiệu khi thu được có

số lượng cấp chói không giống như bên phía phát sẽ làm giảm độ tương phản của ảnh truyền hình

(đó chính là méo γ). Để khắc phục điều này ở phía phát có sử dụng mạch sửa méo γ tại camera.

68

2.1.5.4. Độ nét.

Độ nét của ảnh truyền hình được xác định bởi kích thước tương đối của phần tử ảnh. Độ

nét đặc trưng cho sự phân biệt các chi tiết ảnh nhỏ. Độ nét phụ thuộc vào khả năng phân giải của

mắt và các khâu của hệ thống truyền hình.

Trong điều kiện bình thường, góc nhỏ nhất có thể cho phép quan sát giữa hai điểm sáng

trên màn ảnh (giữa hai dòng liên tiếp) khoảng 1 đến 1,5 phút. Điều này cho phép xác định số

dòng quét trong một ảnh (hình 2-19)

Gọi Z là số dòng quét trên một ảnh truyền hình được tính bởi công thức

Z = α/δ

Xác định α theo d và h. Như đã nói ở trên ta chọn δ = 1 phút = 1’ ta nhận được

α = 2 arctg (h/2d) = 2arctg1/2.5 ≈ 110

Và Z = α/δ = 11.60/1 = 660 dòng

2.1.5.5. Méo hình học.

Đây là một trong những tham số quan trọng để đánh giá chất lượng của ảnh truyền hình.

Để ảnh không bị méo cần phải giữ tỷ lệ xích các điểm bất kì trên ảnh nhận được giống như ảnh

truyền.

Trong các hệ truyền hình sử dụng phương pháp quét tuyến tính (quét lần lượt hoặc xen

dòng) yêu cầu điện áp hoặc dòng điện quét dòng và mành phải có dạng răng cưa (tuyến tính) ở

đầu phát giống như ở đầu thu. Việc không thực hiện các điều kiện này sẽ làm cho tỉ lệ xích không

đều ở toạ độ các điểm bất kì trên màn ảnh của máy thu, nghĩa là có méo hình học. Trên hình 2-

20a biểu diễn ảnh không có méo hình học (hình ca rô đều). Ảnh trên hình 2-20b có méo do đường

quét dòng không có tuyến tính, ảnh trên hình 2-20c bị méo do đường quét mành không tuyến tính.

Ảnh trên hình 2-20d, 2-20e bị méo là do tỉ lệ xích không tương ứng (không đồng dạng) giữa ảnh

nhận được (trên màn ảnh của máy thu) và ảnh truyền (ở đầu phát). Ngoài ra còn có một số loại

méo khác như: méo gối, méo hình thang, méo do tần số …

h

b

d

δ α

hình 2-19

69

Méo hình học được đánh giá bằng hệ số méo β và được tính bởi biểu thức:

%100.).(2

%100.

2minmax

minmax

minmax

minmax

dd

dd

dd

dd

+

−=

+

−=β

Trong truyền hình hệ số méo β cho phép bằng 15%.

2.2. Nguyên lý truyền hình màu.

2.2.1. Những vấn đề cơ bản của truyền hình màu.

1. Thị giác màu

Nhiều thực nghiệm đã xác định rằng, có thể nhận được tất cả các màu sắc tồn tại trong

thiên nhiên bằng cách trộn ba chùm ánh sáng màu đỏ (R), màu lục (G) và màu lam (B) theo các tỷ

lệ khác nhau. Để giải thích được điều này, nhiều nhà khoa học đã đề ra các thuyết khác nhau về

cơ chế cảm thụ màu của mắt. Trong đó thuyết ba thành phần cảm thụ màu (thuyết màu ba thành

phần) được công nhận rộng rãi hơn cả.

Theo thuyết này, trên võng mạc tồn tại ba loại phần tử nhạy cảm với ánh sáng màu là các

tế bào hình chóp. Các loại phần tử này có phản ứng khác nhau đối với ánh sáng có bước sóng

khác nhau. Do đặc điểm của ba loại tế bào này, nên bất kỳ màu sắc nào cũng có thể tổng hợp

được từ ba màu cơ bản.

Trong thực tế, tuy ánh sáng đồng thời kích thích ba loại tế bào hình chóp, nhưng tuỳ theo

bước sóng, các loại tế bào hình chóp được kích thích khác nhau. Sự cảm thụ màu được quyết định

bởi mức độ kích thích của các tế bào hình chóp. Giá trị tổng năng lượng kích tích cho cả ba loại tế

bào cho ta cảm giác về độ sáng, còn tỷ lệ giữa chúng cho ta cảm giác về tính màu.

Những chùm tia sáng có tần số khác nhau sẽ gây ra những cảm giác khác nhau trong mắt

người. Nếu tia sáng có bước sóng biến đổi liên tục từ 380 nm đến 780 nm thì màu sắc cũng biến

đổi liên tục từ màu lam qua màu lục đến màu vàng và cuối cùng là màu đỏ. Giữa các màu kể trên

còn có vô số các màu trung gian khác. Ví dụ giữa màu lam và màu lục là màu xanh hoà bình hoặc

giữa màu đỏ và vàng có màu da cam v. v… Số lượng màu sắc mà mắt người phân biệt được

e)

a) c)

d)

Hình 2-20

b)

dmin dmax

70

khoảng 160 loại. Nghĩa là phân biệt được khoảng 160 sắc độ, chúng tạo thành quang phổ liên tục.

Trong đó màu trắng là màu tổng hợp của vô số các màu có trong quang phổ.

Các thực nghiệm đưa lại kết qủa về mối quan hệ giữa độ nhạy của mắt người với bước

sóng ánh sáng kích thích đối với từng loại tế bào hình chóp (hình 2.21b). Giá trị này phù hợp với

đặc tuyến phổ của mắt người. Mắt người nhạy cảm nhất với ánh sáng có bước sóng λ = 550 nm

(hình 2.21b). Khi độ chiếu sáng thấp, đặc tuyến độ nhạy v(λ) bị dịch về phía trái (λ nhỏ), đỉnh

của đặc tuyến dịch đến chỗ λ = 510 nm. Lúc này chỉ có tế bào cảm quang hình trụ làm việc

(đường nét rời trên hình 2.21a).

Các đặc tuyến VR(λ), VG(λ), VB(λ) không có ranh giới rõ ràng, có đoạn gối lên nhau. Do

đó khi có một bức xạ đơn sắc tác dụng vào mắt, thì không chỉ có một loại mà có hai hoặc cả ba

loại đồng thời kích thích để tạo ra dòng điện tín hiệu, giá trị cường độ tín hiệu không đều nhau

trong các tế bào tạo nên cảm giác màu khác nhau trong thần kinh thị giác.

Tỷ lệ dòng điện tạo ra trong các loại tế bào quyết định màu sắc mà mắt ta cảm thụ. Nên

khi bức xạ có màu sắc giống nhau chưa chắc có kết cấu phổ giống nhau.

Từ những điều nói trên, chúng ta có thể nói rằng hệ thống thị giác của mắt người có khả

năng phân tích màu nhờ sự so sánh dòng điện tín hiệu xuất hiện trong ba loại tế bào nhạy cảm với

ba loại màu cơ bản R, G, B.

2. Các màu cơ bản và màu phụ.

Sau khi thuyết ba màu ra đời thì giả thiết là tồn tại một nhóm màu cơ bản. Bằng thực

nghiệm đã chứng minh được rằng không phải chỉ tồn tại một nhóm màu cơ bản mà có thể chọn ba

màu bất kỳ trong phổ ánh sáng trắng làm ba màu cơ bản.

Tuy nhiên để tạo ra tổ hợp ba màu cơ bản phải thoả mãn yêu cầu sau: ba màu đó phải độc

lập tuyến tính. Nghĩa là, khi trộn hai màu bất kỳ trong ba màu đó trong điều kiện bất kỳ, theo tỷ lệ

bất kỳ đều không tạo ra màu thứ ba.

Vấn đề đặt ra là phải chọn ba màu nào làm ba màu cơ bản? Đã có nhiều tổ hợp ba màu

được đề nghị sử dụng. Tuy nhiên để tiêu chuẩn hoá việc đo màu trên thế giới, dựa vào các kết quả

thực nghiệm CIE đã quy định ba màu cơ bản và ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công

truyền hình. Ba màu cơ bản đó là:

- Màu đỏ, ký hiệu bằng chữ R (Red), có bước sóng λR = 700 nm.

- Màu lục, ký hiệu bằng chữ G (Green), có bước sóng λG = 546,8 nm.

- Màu lam, ký hiệu bằng chữ B (Blue), có bước sóng λB = 435,8 nm.

vλ

λ, nm 400 450 500 550 600 650 0

0,2

0,4

0,6

0,8

vλ

λ, nm 400 450 500 550 600 650 0

0,2

0,4

0,6

0,8 VR(λ)

VG(λ)

VB(λ)

a) b)

Hình 2.21: Đặc tuyến phổ độ nhạy của mắt và đặc tuyến phổ độ nhạy của ba tế bào hình chóp

71

Mỗi màu cơ bản có một màu phụ tương ứng, mà khi trộn với màu cơ bản sẽ tạo ra màu

trắng. Màu phụ của màu đỏ là màu lơ, màu phụ của màu lục là màu mận chín, màu phụ của màu

lam là màu vàng.

3. Phương pháp trộn màu.

Đối với thị giác thì ngoài khă năng phân tích còn có khả năng tổng hợp màu. Quá trình

này là do các tế bào được kích thích bởi những nguồn bức xạ khác nhau. Để có được màu sắc

thích hợp, có các phương pháp trộn như sau.

a/ Phương pháp trộn quang học.

Phương pháp này dựa trên khả năng tổng hợp màu khi có một số bức xạ màu sắc khác

nhau tác dụng đồng thời vào mắt thì tạo ra một màu mới. Sắc độ của màu đó tỷ lệ với công suất

của các bức xạ thành phần.

Khả năng tổng hợp màu còn biểu hiện ở hiệu ứng cộng các màu lần lượt xuất hiện. Nếu

thời gian xuất hiện các màu tương đối ngắn thì sự xuất hiện lần lượt các màu sắc có thể tạo ra một

màu mới, có sắc độ phụ thuộc vào cường độ và thời gian suất hiện các bức xạ thành phần.

Khi đồng thời hoặc lần lượt rọi hai hoặc một số chùm ánh sáng đỏ, lục, lam có cường độ

sáng thay đổi lên cùng một mặt phẳng phản xạ khuếch tán hoàn toàn, nếu thay đổi cường độ của

chùm ánh sáng thì màu sắc trên mặt phẳng sẽ thay đổi.

Hình 2.22 minh họa các màu thu được khi chiếu đồng thời ba màu đỏ, lục, lam có cùng cường độ

sáng lên trên màn chắn.

b/ Phương pháp trộn không gian.

Khi các màu sắc tác dụng vào mắt mà các tia màu không rơi vào cùng một thời điểm trong

mắt, giả sử các điểm rọi vào nằm gần nhau, thì mắt có thể tổng hợp các kích thích để tạo thành

một màu mới. Đó là hiệu ứng cộng về không gian các màu sắc. Nhờ có hiệu ứng này mà kỹ thuật

truyền hình có thể tạo ra ảnh màu phức tạp bằng cách ghép các dòng màu khác nhau hoặc ghép

các điểm màu khác nhau.

Ví dụ: khi đồng thời hoặc lần lượt rọi hai hoặc một số chùm sáng đỏ, lục, lam có dạng

điểm hoặc dải có vị trí xen kẽ lên trên một phẳng không có tính trọn lọc. Khi khoảng cách giữa

Lục (G)

Lam (B)

Trắng (W)

Lơ (C) Mận

chín (M)

Vàng (Y)

Hình 2.22: Trộn màu theo phương pháp trộn quang học

Đỏ (R)

R

G

B

Nguồn sáng

72

các vị trí này đủ nhỏ hoặc quan sát chúng ở cự ly xa sao cho kích thước góc của chúng nhỏ hơn

góc phân biệt của mắt, ta có cảm giác như tập hợp đó cùng một màu. Màu mà mắt cảm thụ được

tỷ lệ với diện tích và cường độ sáng của các điểm hoặc dải có màu cơ bản hoặc phụ thuộc vào

thời gian rọi các chùm ánh sáng cơ bản. Dựa vào cơ sở này mà người ta chế tạo ra các ống thu

hình màu khác nhau.

c/ Phương pháp trừ.

Để tạo thành ảnh màu, ngoài cách cộng các màu đơn sắc, người ta còn dùng phương pháp

lọc bớt (cắt bỏ) một số màu từ ánh sáng trắng. Bằng cách cho ánh sáng trắng qua một số môi

trường hấp thụ hoặc phản xạ có tính chọn lọc liên tiếp trên đường lan truyền của sóng, ta sẽ thu

được màu sắc nhất định.

Yêu cầu ánh sáng ban đầu phải là ánh sáng trắng có phổ tần liên tục để đảm bảo tạo ra

được đúng màu sắc mới sau quá trình hấp thụ. Đây chính là phương pháp trừ màu, nó thường

được dùng trong điện ảnh và phim màu.

d/ Các định luật cơ bản về trộn màu.

+/ Phối hợp màu.

Để có thể định lượng và định tính các màu sắc người ta dùng thiết bị so màu, đó là một

lăng kính mà hai mặt kề nhau của nó có tính phản xạ toàn phần đối với mọi bước sóng trong dải

phổ trông thấy (hình 2.23).

Các tia sáng đơn sắc chuẩn S1, S2, S3 được chiếu vào một mặt của lăng kính phản xạ toàn

phần và được đưa vào mắt người quan sát. Tia sáng màu cần đo S được đưa vào mắt người quan

sát qua mặt kia của lăng kính. Khi chọn các màu chuẩn thích hợp và các hệ số suy giảm thích hợp

thì tổng của các màu chuẩn cộng lại được màu hoàn toàn giống như màu cần đo (chỉ về cảm giác

màu của mắt còn phổ thì khác nhau).

Từ thiết bị đo màu ở trên ta có thể viết: S = aS1 + bS2 + cS3 (*)

Trong đó a, b, c là các hệ số tỷ lệ với công suất của các bức xạ chuẩn S1, S2, S3. Theo quy

định quốc tề thì S1, S2, S3 là các bức xạ đơn sắc tương ứng với màu cơ bản đỏ (R), lục (G), lam

(B) với các bước sóng λR = 435,8 nm; λG = 546,8 nm; B = 700 nm.

+/ Các định luật về trộn màu.

- Định luật thứ nhất: “Bất kỳ một màu sắc nào cũng có thể tạo được bằng cách trộn ba

màu cơ bản độc lập tuyến tính với nhau” (định luật này thu được phương trình (*)

S

S1

S2

S3

Nguồn sáng cần đo

Mắt người quan sát

Nguồn sáng đơn sắc chuẩn

Hình 2.23. Thiết bị đo màu

73

- Định luật thứ hai: “Sự biến đổi liên tục của các bức xạ có thể tạo nên màu khác”.

2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình màu.

Hình ảnh truyền qua camera truyền hình màu được biến đổi thành ba tín hiệu màu cơ bản

R, G, B, tương ứng với các mức điện áp UR, UG, UB như hình 2.24. Các tín hiệu cơ bản này được

đưa qua mạch hiệu chỉnh gamma để bù méo gamma do ống thu hình ở phía thu gây ra. Các tín

hiệu sau bù méo sẽ là U’R, U’G, U’B được đưa vào mạch ma trận để tạo ra tín hiệu chói U’Y và hai

tín hiệu hiệu số màu S1, S2. Các tín hiệu hiệu màu S1 và S2 được điều chế vào dao động sóng

mang phụ để tạo ra tín hiệu mang màu cao tần UC. Trong bộ cộng, tín hiệu U’Y và UC được trộn

với nhau để tạo ra tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM = U’Y + UC. Tín hiệu UM này được

truyền đến bên thu bằng cáp, hệ thống vi ba hoặc bằng sóng vô tuyến. Quá trình biến đổi các tín

hiệu màu cơ bản UR, UG, UB thành tín hiệu truyền hình màu tổng hợp UM gọi là quá trình mã hoá

tín hiệu.

Tại phía thu, từ tín hiệu UM nhận được (lấy sau tách sóng video) biến đổi thành các tín

hiệu màu cơ bản U’R, U’G, U’B. Quá trình biến đổi ngược đó gọi là quá trình giải mã tín hiệu màu.

Quá trình giải mã được thực hiện trong máy thu hình màu. Tín hiệu truyền hình màu tổng

hợp UM nhận được sau tách sóng được lọc ra thành tín hiệu chói U’Y và tín hiệu mang màu cao

tần UC. Sau bộ tách sóng màu ta thu được các tín hiệu mang màu S1 và S2, đó là hai tín hiệu hiệu

số màu.

Nhờ có mạch ma trận, từ tín hiệu U’Y, S1, S2 tạo ra ba tín hiệu màu cơ bản U’R, U’G, U’B

(hoặc tín hiệu U’R- U’Y; U’G- U’Y; U’B- U’Y). Phần tử cuối cùng của hệ thống là ống thu hình, ở

đây biến đổi các tín hiệu màu thành hình ảnh phức tạp.

2.2.3. Xử lý ảnh màu.

2.2.3.1.Phân tích ảnh màu.

Quá trình phân tích ảnh được thực hiện ở bên phía phát. Dụng cụ cơ bản trong hệ quang

học để phân tích ảnh màu thành các ảnh đơn màu là kính lọc màu và gương lưỡng sắc.

a/ Kính lọc màu.

Nguyên lý hoạt động của nó là cho qua ánh sáng có dải tần ứng với một màu nào đấy. Về

cấu tạo, kính lọc màu là một phiến mỏng bằng thuỷ tinh màu hoặc bằng nhựa màu trong suốt.

Mức độ hấp thụ của kính lọc màu phụ thuộc vào:

- Chiều dày d của miếng thuỷ tinh hoặc nhựa màu

74

- Nồng độ C của chất màu

- Đặc tính hấp thụ (theo bước sóng) mλ của chất màu

Hệ số thông qua của kính lọc màu:

τ(λ) = 10- mλ.d.c

Hệ số thông qua của nhiều kính lọc màu đặt kế tiếp nhau sẽ bằng tích số của các hệ số

thông qua của các kính lọc màu:

τtổng(λ) = τ1(λ) . τ2(λ) . τ3(λ) ... τn(λ)

Nhược điểm lớn nhất của kính lọc màu là năng lượng ánh sáng bị tổn hao nhiều (năng

lượng ánh sáng thông qua chỉ bằng 10 - 30% năng lượng ánh sáng rọi vào).

b/ Gương lưỡng sắc.

Gương lưỡng sắc là một miếng thuỷ tinh hoặc lăng kính thuỷ tinh nhẵn bóng. Mặt sau

tráng nhiều lớp điện môi rất mỏng, trong suốt có độ dày và triết suất khác nhau.

Ở kính lưỡng sắc, lợi dụng hiện tượng giao thoa của ánh sáng trên màng mỏng để phản xạ

ánh sáng có dải tần nào đấy và cho thông qua ánh sáng có dải tần khác.

Như chúng ta đã biết, khi tia sáng rọi vào mặt giới hạn giữa hai môi trường có triết suất

khác nhau, thì một phần năng lượng ánh sáng phản xạ, phần năng lượng còn lại được thông qua.

Hơn nữa khi tia sáng đi từ môi trường có triết suất thấp sang môi trường có triết suất cao, tia phản

xạ quay pha 1800. Ngược lại khi tia sáng từ môi trường có triết suất cao sang môi trường có triết

suất thấp, tia phản xạ không quay pha so với tia tới.

Ưu điểm của gương lưỡng sắc:

- Năng lượng tổn hao trong gương lưỡng sắc không đáng kể. Trong dải tần nào đó hệ số phản

xạ cực đại đạt tới 85% và trong dải tần khác, hệ số cho qua đạt tới 95%.

- Có khả năng chỉ cho qua ánh sáng có dải tần số rất hẹp thậm chí gần như ánh sáng đơn

sắc, do đó có khả năng tạo ra các màu khá tinh khiết.

Hình (3 - 4) là sơ đồ khối của thiết bị một kênh truyền hình chung cho cả ba tín hiệu màu.

Một thấu kính thu nhận ánh sáng đầy màu sắc của cảnh vật đưa tới kính lưỡng sắc 1. Kính

lưỡng sắc 1 phản chiếu màu lam B và truyền đi màu đỏ R và màu lục G; kính lưỡng sắc 3 phản

chiếu màu đỏ R và truyền đi màu lục G. Gương phản chiếu 2 và gương phản chiếu 4, phản chiếu

ánh sáng màu lam B và màu đỏ R. Do hệ thống kính lưỡng sắc và gương phản chiếu đã phân tích

ánh sáng màu sắc của cảnh vật thành 3 thành phần màu cơ bản đưa tới 3 kính lọc màu. Kính lọc

màu R chỉ cho màu đỏ qua (còn các thành phần khác được kính hấp thụ), kính lọc màu G chỉ cho

màu lục qua kính lọc màu B cho cho màu lam qua. Ánh sáng của ba màu cơ bản R, G, B được

đưa tới đèn quang điện. Đèn quang điện có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang (ánh sáng màu R, G,

α α I II

I’ II’

1

2

3

4 ∆l

75

B) thành tín hiệu điện tương ứng với 3 màu cơ bản ER, EG, EB. Điện áp tín hiệu ER, EG, EB được

đưa tới bộ khuếch đại điện áp KR, KG, KB để khuếch đại điện áp tín hiệu màu lên đủ lớn. Sau đó

được đưa vào điều chế biên độ của ba tần số sóng mang cao tần fR, fG, fB. Ba tần số sóng mang đã

điều biên được đưa tới bộ cộng và ta được tần phổ như hình (2.26). Nếu gọi các dải phổ của tín

hiệu đỏ là DR, của tín hiệu lục là DG và của màu lam là DB đều bằng 6 MHz và dành thêm 1 MHz

để làm khoảng đệm giữa các dải tần thì giải thông tối thiểu của một kênh truyền hình là:

D = 6 MHz x 3 + 1 MHz = 19 MHz

Với dải phổ D như trên là qúa rộng so với một kênh vô tuyến (khoảng 8 MHz)

Tín hiệu tổng hợp của kênh truyền hình màu ở đầu ra của bộ cộng được đưa tới máy phát.

Máy phát có nhiệm vụ tạo ra tần số sóng mang phát hình fOV và lấy tín hiệu tổng hợp của kênh

truyền hình màu điều chế biên độ tần số sóng mang fOV. Cuối cùng sóng điều chế được đưa tới

Anten phát để phát ra không gian dưới dạng sóng điện từ.

2.2.3.2.Tổng hợp ảnh màu.

Quá trình này được thực hiện ở bên phía thu. Cơ sở của tổng hợp ảnh màu là các phương

pháp trộn màu.

a/ Tổng hợp màu theo phương pháp trộn quang học đồng thời

R

G

B

Đèn quang

R

Đèn quang

Đèn quang

B

Khuếch đại KR

Khuếch đại KG

Khuếch đại KB

Điều chế fR

Điều chế fG

Điều chế fB

+ Máy phát fOV

R, G, B

1

2

3

4

Đèn quang điện

Máy ảnh màu

ER

EG

EB

G

R

RG

Hình 2.25: Hệ thống thiết bị phát tín hiệu màu

B

DR DG DB

D

fR fG fB

Hình 2.26: Phổ của tín hiệu truyền hình màu

76

Với hệ thống chiếu (hình 2.27 các tín hiệu hiệu màu cơ bản E’R, E’

G, E’B đặt vào ba đèn

hình đen trắng. Ba ảnh đen trắng từ màn hình đen trắng sau khi qua ba kính lọc màu (đỏ, lục và

lam). Qua hệ thống quang học (các kính tụ màu) được rọi đồng thời lên một màn ảnh rộng, sẽ cho

ta ảnh màu.

Nếu dùng ba đèn hình màu, mỗi đèn hình chỉ phát ra một màu cơ bản thì không cần các

kính lọc màu nữa.

Nhược điểm của phương pháp này là thiết bị cồng kềnh và khó phối hợp chính xác vị trí

các phần tử ảnh của ba ảnh đơn màu để được ảnh phần tử của ảnh màu trên toàn bộ bức ảnh.

b/ Tổng hợp màu theo phương pháp trộn quang học lần lượt

Phương pháp này được thể hiện trên hình 2.28. Ở thiết bị này phải có chuyển

mạch điện tử để lần lượt đặt các tín hiệu lên trên đèn hình đen - trắng. Ở đây, nhờ có hiện tượng

lưu ảnh của mắt người nên khi vận tốc chuyển đổi của chuyển mạch điện tử và vận tốc quay của

đĩa màu (đĩa quay có lắp các kính lọc màu) lớn, cho ta cảm giác ảnh nhiều màu.

Yêu cầu đối với thiết bị này:

- Chuyển mạch điện tử và đĩa quay phải đồng bộ và đồng pha với nhau

- Vận tốc chuyển mạch điện tử và đĩa quay phải khá lớn để tránh hiệu tượng bị chớp màu.

Màn ảnh

Kính tụ

quang

Kính lọc màu

E’R

E’G

E’B

τR(λ)

τG(λ)

τB(λ)

Hình 2.27: Tổng hợp ảnh màu theo phương pháp trộn quang học đồng thời

Người quan sát

Người quan sát

Đĩa quay

Mô tơ

CM Đen trắng

E’R

E’G

E’B

Hình 2.28. Tổng hợp ảnh màu theo phương pháp trộn quang học lần lượt

77

Hình (2.29) là sơ đồ khối của thiết bị thu tín hiệu màu. Anten máy thu nhận được tín hiệu

cần thu có tần số sóng mang fOV, qua các tầng KĐ cao tần, đổi tần, KĐ trung tần và tách sóng ta

lấy được dải tần của kênh truyền hình màu.

Tín hiệu của kênh truyền hình màu được đưa tới bộ lọc dải để lấy riêng ba tần số mang

màu đã điều chế fR, fG, fB. Tần số mang màu được đưa tới bộ tách sóng để lấy ra ba tín hiệu màu

riêng biệt R, G ,B. Các tín hiệu màu lần lượt được KĐ và cung cấp cho các đèn hình tương ứng.

Kết luận:

- Hệ thống truyền hình ở trên không có đường truyền độ chói Y riêng biệt, nên không đáp

ứng được chương trình truyền hình đen trắng.

- Dải thông của tín hiệu màu là khá rộng (19 MHz) không phù hợp với truyền hình đen

trắng (dải thông khoảng 6 MHz)

Để thực hiện được tính kết hợp giữa hệ thống truyền hình màu với hệ thống truyền hình

đen trắng phải tạo ra được đường truyền độ chói Y riêng biệt và nén dải thông của tín hiệu màu

xuống còn 6 MHz sao cho phù hợp với dải thông của tín hiệu truyền hình đen trắng.

2.2.4.Tín hiệu truyền hình màu.

2.2.4.1.Tín hiệu chói.

Với ánh sáng chuẩn (ở nhiệt độ 6.500 độ C) tín hiệu độ chói Y hay tín hiệu đen trắng được

định nghĩa theo biểu thức:

UY = 0,3 UR + 0,59 UG + 0,11 UB (2-1)

Trong thực tế U’Y = 0,299 U’

R + 0,587 U’G + 0,114 U’

B (2-2)

Trong đó các tín hiệu U’Y, U’

R, U’G và U’

B là tín hiệu chói và các tín hiệu màu cơ bản sau

mạch sửa méo garma ở phía phát. Đối với các hệ NTSC, PAL, SECAM đều sử dụng biểu thức 2-

2. Tuy nhiên để cho dễ tính toán ở các phần sau ta sẽ lấy biểu thức 2-1.

Giả sử cảnh vật cần quan sát là 1 cảnh trắng có cường độ sáng chuẩn (tương ứng với độ

chói là 100 %), camera đen trắng thu cảnh này cho ra tín hiệu thị tần với mức cao nhất là 100 %

(tương ứng với biên độ đỉnh - đỉnh = 1V).

78

Ở camera màu, phổ của tín hiệu chói được chia làm 3 quãng, tuy nhiên biên độ của 3

quãng này hoàn toàn như nhau. Trên ba catốt vẫn đo được UR = 1V, UG = 1V, UB = 1V. Để đảm

bảo tín chói giống như camera đen trắng, người ta lấy 30% của UR, 59% của UG, 11% của UB.

Sở dĩ có tỷ lệ này là vì độ chói 100% mà mắt người cảm nhận được có sự tham gia của

30% của ánh sáng đỏ R, 59% của ánh sáng màu lục G và 11% của ánh sáng màu lam B. Độ nhạy

của ống vidicôn (đèn hình) được chế tạo tương tự như độ nhạy của mắt để có được tin tức về độ

chói của cảnh được tạo hình đen trắng.

- Tín hiệu chói với bảng chuẩn sọc màu.

Bảng chuẩn sọc màu là một tấm cạc tông có sơn 7 sọc màu: Lam (B), Đỏ (R), Tía (M),

Lục (G), Lơ (C), Vàng (Y) vàTrắng (W) với cường độ sáng của các sọc màu là như nhau.

Ở camera đen trắng, do độ nhạy của ống vidicôn là không đều với các bước sóng nên điện

áp của tín hiệu chói đo được ở các sọc có dạng nấc thang như hình 2.31.

Ở camera màu, ta khảo sát riêng cho từng sọc màu một (xét theo biểu thức 2-1).

- Sọc màu lam (B) chỉ có ánh sáng màu lam đi vào ống vidicôn cho điện áp ra

UB = 1v, các ánh sáng đỏ và lục không có nên UR = UG = 0 v. Như vậy:

0

0,11

0,30

0,41

0,59

0,7

0,89

1v

(-)

100%

B

R

M

G

C

Y

W

Hình 2.31: Tín hiệu chói

R G

B

W C

M

Y

Hình 2.32: Sự trộn màu

ĐT

Màu

UY

UY

Hình 2.30: Cách tạo tín hiệu chói

W

W

30%

59%

11%

79

UY = 0.3UR + 0.59UG + 0.11UB

= 0,3*0 + 0,59*0 + 0,11*1 = 0,11 v (11%)

- Tương tự ở sọc màu đỏ: UR = 1v, UG = UB = 0v và UY = 0,3*1 + 0,59*0 + 0,11*0 = 0,3v

(30%).

- Ở sọc màu tía (M) (màu tía là kết quả của sự pha trộn giữa màu đổ R với màu lam B) ta

có: UR = 1, UB = 1, UG = 0 và UY = 0,3*1 + 0,59*0 + 0,11*1 = 0,41v (41%).

Bằng cách phân tích tương tự ta có các kết quả sau.

- Sọc màu lục (G): UG = 1, UR = UB = 0 → UY = 0,59.

- Sọc màu lam (C): UR = 0, UG = UB = 1 → UY = 0,70.

- Sọc màu vàng (Y): UB = 0, UR = UG = 1 → UY = 0,89.

- Sọc trắng (W): UR = UG = UB = 1 → UY = 1

2.2.4.2.Tín hiệu hiệu số màu.

a/ Định nghĩa.

Tín hiệu hiệu số màu UR-Y có được bằng cách lấy thẳng tín hiệu UR trừ đi phần chói của

nó, nghĩa là:

UR-Y = UR - UY = UR - (0,3UR + 0,59UG + 0,11UB)

= 0,7UR - 0,59UG - 0,11UB

Tương tự:

UG -Y = UG - UY = - 0,3UR + 0,41UG - 0,11UB

UB -Y = UB - UY = - 0,3UR - 0,59UG + 0,89UB

b/ Ý nghĩa vật lý của tín hiệu hiệu số màu.

Bản thân các tín hiệu UR, UG, UB đều có ba thành phần độ chói, độ bão hoà màu và tông

màu. Trong truyền hình màu để phối hợp với truyền hình đen trắng người ta phải truyền tín hiệu

độ chói UY. Vì vậy việc truyền thành phần chói trong các tín hiệu trên là thừa, không cần thiết.

Để khử nó người ta chỉ cần truyền đi các tín hiệu UR-Y, UG-Y , UB-Y. Nghĩa là khi truyền tín hiệu

đen trắng các tín hiệu hiệu số màu này bằng không. Điều này rất có lợi vì phần lớn các đoạn ảnh

màu là tín hiệu đen trắng. Do đó việc áp dụng các tín hiệu hiệu số màu cho phép đơn giản thiết bị

và giảm can nhiễu từ thông tin màu khi thu tín hiệu màu bằng máy thu đen trắng.

c/ Khoảng biến thiên của tín hiệu hiệu số màu.

Theo các biểu của các tín hiệu UR - UY, UG - UY, UB - UY ta có thể dễ dàng tính được các

giá trị của các tín hiệu này theo bảng chuẩn 7 sọc màu (hình 2.31). Từ đây thấy rõ khoảng biến

thiên của các tín hiệu hiệu số màu là:

UR-Y = ± 0,70

UG-Y = ± 0,41

UB-Y = ± 0,89

d/ Lựa chọn tín hiệu hiệu số màu để truyền.

Trong thực tế để phối hợp với truyền hình đen trắng và tiết kiệm dải phổ của kênh truyền

hình, người ta không thực hiện truyền đi cả ba tín hiệu hiệu số màu UR -Y, UG -Y và UB -Y mà chỉ

cần truyền đi hai tín hiệu, tín hiệu thứ ba có thể suy ra từ hai tín hiệu trên.

Một câu hỏi đặt ra là cần loại bỏ tín hiệu nào? Theo trên ta thấy với cường độ sáng chuẩn

như nhau thì tín hiệu UG -Y có khoảng biến thiên ít nhất (± 0,41), điều này tương ứng với lượng

80

thông tin không rõ ràng. Lý do thứ hai để loại bỏ tín hiệu UG -Y là vì mắt cảm nhận tốt nhất với

màu lục nên đòi hỏi dải tần của UG -Y cao hơn nên khó truyền hơn so với dải tần chỉ vào khoảng

1,5 MHz của hai tín hiệu UR-Y và UB-Y.

Tại máy thu, tín hiệu UG -Y được suy ra từ UR -Y và UB -Y, thực vậy:

UY = 0.3UR + 0.59UG + 0.11UB

= 0.3(UR - UY) + 0.59(UG - UY) + 0.11(UB - UY) + UY

Suy ra: UG - UY = 59,0

)(11,0)(3,0 YBYR UUUU −−−−

UG-Y = - 0,518UR-Y - 0,186UB –Y

d/ Tọa độ màu

Trong những gì đã đề cập ở trên ta thấy một màu được xác định bằng tín hiệu chói UY và

hai tín hiệu hiệu số màu UR-Y và UB-Y. Nếu không quan tâm đến đặc tính về số lượng của màu

R G

B

W C

M

Y

Sự trộn màu

B R M G C Y W Sọc màu

UR

UG

UB

UY

UG -Y

UB -Y

t

t

t

t

t

t

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0,11 0,3 0,41 0,59

0,7 0,89 1

UR -Y

t 0

-0,11

0,7

-0,59

0,59

-0,7

0,11 0

-0,11 -0,3 -0,41

0,41 0,3

0,11

-0,3

0,89 0,59

-0,59

-0,59

0,3

-0,89

0

0

Hình 2.33: khoảng biến thiên của các tín hiệu hiệu số màu

81

(UY) thì tính chất một màu (chất lượng màu) có thể được biểu diễn bằng hệ trục vuông góc mà

trục tung là UR-Y và trục hoành là UB -Y (hình 3-11). Ví dụ:

Màu trắng (W): UR-Y = UB -Y = 0, tức nằm tại tâm của hệ trục toạ độ

Màu đỏ: R UR-Y = 0,7

UB -Y = - 0,3

Màu lục: G UR-Y = - 0,59

UB -Y = - 0,59

Màu lam: B UR-Y = - 0,11

UB -Y = 0,89

f/ Việc tạo tín hiệu Uy, UR-Y, UB-Y.

Theo các biểu thức của tín hiệu chói, tín hiệu hiệu số màu ta có thể tạo ra được nó từ UR,

UG, UB nhờ mạch ma trận (hình 2.35a). Thực tế ma trận là bộ điện trở tạo thành các mạch phân áp

theo đúng tỷ lệ mà các biểu thức UY, UR-Y, UB-Y đã chỉ ra (hình 2.35b)

0,89

- 0,11

- 0,59

- 0,59

- 0,3

0,7

UB -Y

UR -Y

B

G

R 1

1

- 1

- 1

Hình 2.34: Toạ độ màu

G B

UG UB

UR

UR - Y

UB - Y

UY

Hình 2.35a

82

Ví dụ tính UY: Với cường độ sáng chuẩn, ta có UR = UG = UB = 1V và biểu thức tính độ chói:

UY = 0,3 UR + 0,59 UG + 0,11 UB

Từ đó ta chọn: 11,0;59,0;3,0103

10

102

10

101

10 =+

=+

=+ RR

R

RR

R

RR

R

Chọn R10 giá trị nào đó, từ ba phương trình trên sẽ xác định được các giá rị của điện trở

R1, R2, R3.

Ngược lại ở đầu thu nhờ ma trận giải mã ta sẽ nhận lại được UR, UG, UB (hình 2.35c).

2.2.5 Hệ truyền hình màu :

2.2.5.1 Hệ thống truyền hình màu NTSC( National Televison System Committee )

Là hệ thống truyền hình màu đầu tiên trên thế giới xuất hiện tại Mỹ vào những

năm 50 ( theo tiêu chuẩn truyền hình FCC ). Ở hệ thống NTSC, người ta truyền đi 3 tín hiệu

màu sau:

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

UR

UG

UB

UY

UR - Y

UB - Y

Hình 2.35b

R10

R11

R12

UG UB

UR

UR - Y UB - Y

UY

Hình 2.35c

83

Y = 0, 59G + 0, 3R + 0,11B

I = 0, 74 ( R ­ Y ) ­ 0, 27 ( B ­ Y ) Q = 0, 48 ( R ­ Y ) + 0, 41( B ­ Y )

Tín hiệu I được truyền với dải thông khoảng 1,3MHz, tín hiệu Q truyền với dải thông 0,5

MHz và tín hiệu Y với dải thông 4,2MHz. Tín hiệu I và Q sẽ được biến điệu AM cân bằng với

tần số sóng mang phụ fsc = 3,58Mhz trước khi được trộn với tín hiệu Y:

Hình 2.36 Sơ đồ khối phát NTSC

Dạng sóng của phương pháp điều biên nén:

Giải điều chế điều biên cân bằng được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu điều biên cân

bằng với một thành phần tín hiệu có cùng tần số và pha với sóng mang gốc và lọc hạ thông

(LPF) để thu được tín hiệu gốc, chính vì lý do này mà máy phát hình phải truyền kèm theo

các mẫu sóng mang màu (burst màu) để giúp máy thu có cơ sở tái tạo sóng mang phụ.

Băng tần của hệ truyền hình màu NTSC theo tiêu chuẩn FCC:

84

Ưu điểm: hệ thông NTSC đơn giản, thiết bị mã hóa và giải mã không phức tạp và do

đó giá thành thiết bị thấp, khi truyền ảnh đen trắng sóng mang phụ bằng 0, thông tin màu

không gây nhiễu cho ảnh đen trắng, sự phối hợp giữa 2 hệ truyền hình màu và đen trắng là

rất tốt..

Khuyết điểm: dễ sai màu do dải tần của I và Q khác nhau và do sự bất đối xứng của

biên tần tín hiệu I. Méo biên độ do đặc tính phi tuyến của các phần tử khuếch đại gây nên,

méo pha do ảnh hưởng của đường truyền làm góc pha của xung đồng bộ màu tại phía thu

khác phía phát, vì vậy làm giảm độ bão hòa màu.

VD: Cho 1 ảnh như hình vẽ, hãy vẽ tín hiệu thị tần đầy đủ trên dong quét ab :

TrắngW

ĐỏR

VàngY

TímM

a b

H=0,08TH

(8-12)Tmf

1

1,06

-0,46

-0,01

-0,42

1,79

1,24

0,3

0,89 0,41

f mf= 3,58MHz

Giải: Xét màu trắng

YW = 1, UR-Y = UB-Y = 0

2 2S R Y B YU U U− −= + = 0

Xét màu đỏ:

85

YR = 0,3, UR-Y = 0,7; UB-Y = -0,3

2 2S R Y B YU U U− −= + = 0,76; Biên độ tín hiệu màu đỏ là: 0,76

Biên độ trên: Y+US, Biên độ dưới: Y-US

Xét màu vàng:

YY = 0,89, UR-Y = 0,11; UB-Y = -0,89

2 2S R Y B YU U U− −= + = 0,9; Biên độ tín hiệu màu đỏ là: 0,9

Biên độ trên: Y+US, Biên độ dưới: Y-US

Xét màu tím:

YM = 0,41, UR-Y = 0,59; UB-Y = 0,59

2 2S R Y B YU U U− −= + = 0,83; Biên độ tín hiệu màu đỏ là: 0,83

Biên độ trên: Y+US, Biên độ dưới: Y-US

2.2.5.2 Hệ thống truyền hình màu PAL (Phase Alternative Line)

Một vài năm sau khi hệ NTSC đưa vào sử dụng, hệ truyền hình màu của Châu Âu

bắt đầu phát triển và kế thừa thành quả của NTSC để đưa ra một hệ thống truyền hình cho

riêng mình là hệ PAL. Trong hệ này sử dụng 3 tín hiệu màu sau:

Y = 0, 59G + 0, 3R + 0,11B

U = 0, 493 ( B ­ Y ) V = ±0, 877 ( R ­ Y )

Bề rộng phổ = 5MHz

Sự khác nhau quan trọng nhất của hệ PAL so với hệ NTSC là tín hiệu V đảo pha

theo từng dòng quét của ảnh ( thể hiện bằng dấu ± ở biểu thức ). Mục đích của sự đảo pha này

là sửa méo pha ở các dòng quét, và điều này có thể dẫn đến sự méo sắc độ của màu.

Trong truyền hình PAL, tín hiệu U và V được điều biên nén tại tần số 4.43Mhz

86

2.2.5.3 Hệ thống truyền hình màu SECAM:

SECAM : Sequentiel Couluer A Memoire, hệ thống truyền hình lần lượt, có nhớ,

ra đời tại Pháp, được sử dụng phổ biến tại Pháp và các nước thuộc Liên xô cũ. Hệ truyền

hình này sử dụng 3 tín hiệu màu:

Y = 0, 59G + 0, 3R + 0,11B DR = ­1, 9 ( R ­ Y ) DB = 1, 5 ( B ­ Y )

Hai tín hiệu DR và DB được điều tần bởi 2 tần số sóng mang màu khác nhau và được lần lượt truyền đi theo từng dòng, dòng thứ nhất gồm Y và DR thì dòng tiếp theo sẽ là Y và DB

87

88

2.2.6 M¸y thu h×nh mµu.

2.2.6.1 Sơ đồ khối máy thu hình màu

Hình 2.39 : Sơ đồ khối máy thu hình màu

2.2.6.2 Chức năng, nhiệm vụ các khối

1. Nguồn

Hình 2.40 : Sơ đồ nguồn xung Switching Power Supply

2. Tuner

Có nhiệm vụ cộng hưởng với dải tần rộng bằng với kênh sóng của đài cần thu (6Mhz, 8Mhz),

tín hiệu thu được khuếch đại và trộn tần để đổi về tần số trung tần hình là 45,75Mhz. tất cả các

khối trong tuner được tích một trong một board mạch và được đặt trong một vỏ bọc kim loại

với các tín hiệu giao tiếp bên ngoài có dạng:

89

- Nguồn: thường sử dụng 9VDC

- VT: điện áp điều khiển tần số dao động thay đổi từ 0 đến khoảng 30V

- UHF: chân cung cấp điện áp cho khối dao động chọn kênh UHF

- VH: chân cung cấp điện áp cho khối dao động chọn kênh VH

- VL: chân cung cấp điện áp cho khối dao động chọn kênh VL

- AFC: automatic frequency control

- IF (intermediate frequency): tín hiệu ra trung tần

3. Intermediate Frequency:

Thường là một mạch khếch đai ghép CE làm việc ở dải tần cao, có nhiệm vụ

khuếch đại tín hiệu trung tần để đưa đến mạch SawFilter và sau đó đưa đến IC giải mã

màu.

Av

sawfilter

f

4. Video decoder:

Thực hiện các chức năng: tách sóng AM tín hiệu hình, tách sóng AM biên sót tín hiệu

màu; giải mã màu tạo tín hiệu RGB; tách tín hiệu đồng bộ dòng và mành để đưa đến

mạch điều khiển dao động ngang và dao động dọc; đổi tần tín hiệu âm thanh về trung tần thứ

90

2 (NTSC: 4,5Mhz; PAL: 5,5Mhz/ 6.5Mhz; SECAM: 6,5Mhz) và tách sóng tín hiệu âm

thanh.

5 YOKE (mạch làm lệch tia điện tử quét)

Mạch tạo HV: Cao áp đèn hình HV có điện áp khoảng 40KV dùng để đưa vào Anode của đèn

hình, mạch tạo các áp có dạng sau:

2.3. Kỹ thuật đèn hình

2.3.1 Công nghệ đèn hình CRT

Ở mục đèn hình các vật liệu phốt pho khác nhau phủ trên màn hình của đèn hình cho ra

ánh sáng có các màu sắc khác nhau khi bị bắn phá bởi các tia điện tử. Hiện có một số phương

pháp kỹ thuật tạo ra hình ảnh màu ở CRT, tất cả các phương pháp đó đều dựa trên hiện tượng

này. Phương pháp thành công nhất là sử dụng kỹ thuật lưới chắn. Hình 2.40 minh họa những khái

niệm cơ bản.

Ba súng điện tử biểu thị ba màu cơ bản được đặt đối xứng nhau trên mặt phẳng vuông góc

với trục của đèn hình. Do đó các điện tử từ mỗi súng sẽ bắn phá các vùng khác nhau trên màn

hình sau khi đi qua những lỗ trên lưới chắn. Nếu vùng màn hình ứng với súng màu xanh lam

được phủ phốt pho, sẽ phát ra ánh sáng màu xanh lam và vân vân, lúc này rõ ràng rằng, bằng cách

lắng đọng các vật liệu phốt pho khác nhau thành những nhóm ba điểm ở những vị trí phù hợp trên

màn hình, những màu sắc khác có thể được tạo ra bằng cách điều chế sự bão hòa tương đối của

mỗi thành phần.

Kỹ thuật lưới chắn có các đặc điểm sau:

1. Lưới chắn phải được sắp thẳng hàng một cách chính xác để có được độ phân giải màu

sắc tốt nhất.

2. Sự hiện diện của lưới chắn làm giảm độ sáng trung bình (độ chói) của hình ảnh nhưng

điều này có thể được bù lại bằng cách tăng độ phát xạ của các súng điện tử.

91

Hình 2.40 Đèn hình màu, chỉ rõ các chi tiết của lưới chắn.

Hình 2.41Cấu tạo đèn hình màu

L1: lưới điều khiển, điều khiển số lượng tia điện tử phát ra từ Cathod di chuyển đến màn hình

L2: lưới gia tốc, tăng tốc các điện tử khi chúng di chuyển

L3: lưới hội tụ, hội tụ chùm tia điện tử để đập tập trung vào một điểm ảnh ( R,G,B)

R, G, B: là 3 cathod của đèn hình được điều khiển bởi các tín hiệu R, G và b nhận được từ

đài phát. Tín hiệu R, G, B nhận được càng lớn thì điện áp tại R, G, B càng âm.

Yoke : cuộn lệch dọc, ngang, được điều khiển bởi 2 dòng điện hình răng cưa có nhiệm vụ tạo

ra từ trường theo phương thẳng đứng (cuộn lệch dọc) và theo phương ngang.

Dạng tín hiệu như sau:

92

- FCC: TH = 63,5 µs (fH = 15750Hz); TH = 16668,75 µs (fV = 60Hz)

- OIRT: TH = 64 µs (fH = 15625Hz); TH = 20000 µs (fV = 50Hz)

Hình 2.42: Hình dạng tổng quát màn CRT

Do cường độ tia điện tử suy giảm theo khoảng cách truyền nên có sự khác nhau trong việc điều khiển cường độ tia quét trong màn hình cong và màn hình phẳng.

2.3.2 Công nghệ màn hình mỏng

2.3.2.1 Màn hình LCD (Lyquid Crytal Display)

1. Cấu tạo :

93

Màn hình tinh thẻ lỏng mang đặc tính kết hợp giữa chất rắn và chất lỏng. Trong tinh thể

lỏng, trật tự xắp xếp của các phân tử giữ vai trò quyết định mức độ ánh sáng xuyên qua. Dựa

trên trật tự xắp xếp phân tử và tính đối xứng trong cấu trúc, tinh thể lỏng được phân làm ba

loại : smectic, nematic ( chiral nematic) và cholesteric, nhưng chỉ tinh thể nematic được sử

dụng trong màn hình tinh thể lỏng hay LCD.

Sự kết hợp của hai bộ lọc phân cực và sự xoay của tinh thể lỏng tạo lên một màn hình

tinh thể lỏng :

94

Hình 2.43 : Kết hợp của bộ lọc và sự xoay của tinh thể lỏng

Dựa vào kiến trúc cấu tạo LCD được chia làm 2 loại:

- LCD ma trận thụ động (DSTN LCD - Dual Scan Twisted Nematic)

- LCD ma trận chủ động (TFT LCD - Thin Film Transistor)

a. LCD ma trận thụ động

LCD ma trận thụ động (dual scan twisted nematic, DSTN LCD): Có đặc điểm là đáp

ứng tín hiệu khá chậm (300ms) và dễ xuất hiện các điểm sáng xung quanh điểm bị kích hoạt

khiến cho hình có thể bị nhòe. Các công nghệ được Toshiba và Sharp đưa ra là HPD (

hybrid passive display ), cuối năm 1990, bằng

95

cách thay đổi công thức vật liệu tinh thể lỏng để rút ngắn thời gian chuyển đổi trạng thái của

phân tử, cho phép màn hình đạt thời gian đáp ứng 150ms và độ tương phản 50:1. Sharp và

Hitachi cũng đi theo một hướng khác, cải tiến giải thuật phân tích tín hiệu đầu vào nhằm

khắc phục các hạn chế của DSTN LCD, tuy nhiên hướng này về cơ bản chưa đạt được kết quả

đáng chú ý.

b. LCD ma trận chủ động

LCD ma trận chủ động thay thế lưới điện cực điều khiển bằng loại ma trận transistor

phiến mỏng (thin film transistor, TFT LCD) có thời gian đáp ứng nhanh và chất lượng

hình ảnh vượt xa DSTN LCD. Các điểm ảnh đƣợc điều khiển độc lập bởi một transistor và

được đánh dấu địa chỉ phân biệt, khiến trạng thái của từng điểm ảnh có thể điều khiển độc lập,

đồng thời và tránh được hiện tượng bóng ma thường gặp ở DSTN LCD.

2. Kỹ thuật hiển thị LCD

Do hình ảnh được mã hoá và hiển thị dưới dạng bản đồ ma trận điểm ảnh, nên màn

hình LCD cũng phải được cấu tạo từ các điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh được cấu tạo bởi ba màu cơ

bản là : R(Red :màu đỏ ), B(Blue: xanh dương), G( Green

: xanh lơ ), khi thay đổi cường độ dòng điện qua các điểm ảnh thì sẽ xuất hiện các màu sắc

khác nhau tùy thuộc vào hình ảnh cần hiển thị. Để nắm được nguyên lý hoạt động của

màn hình LCD, ta xét một số khái niệm sau :

Ánh sáng phân cực : theo lý thuyết sóng ánh sáng của Huyghen, Fresnel và Maxwell,

ánh sáng là một loại sóng điện từ truyền trong không gian theo thời gian. Phương dao động

của sóng ánh sáng là phương dao động của từ trường và điện trường (vuông góc với nhau).

Dọc theo phương truyền sóng, phương dao động của ánh sáng có thể lệch nhau một góc tuỳ

ý. Ánh sáng phân cực là ánh sáng chỉ có một phương dao động duy nhất, gọi là phương phân

cực.

Kính lọc phân cực : là loại vật liệu chỉ cho ánh sáng phân cực đi qua. Lớp vật

liệu phân cực có một phương đặc biệt gọi là quang trục phân cực. Ánh sáng có phương dao

96

động trùng với quang trục phân cực sẽ truyền toàn bộ qua kính lọc phân cực. Ánh sáng có

phương dao động vuông góc với quang trục phân cực sẽ bị chặn lại. Ánh sáng có phương

dao động hợp với quang trục phân cực một góc 0<φ<90 sẽ truyền một phần qua kính lọc

phân cực. Cường độ ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực phụ thuộc vào góc hợp bởi

phƣơng phân cực của ánh sáng và quang trục phân cực của kính lọc phân cực.

Tinh thể lỏng là sự kết hợp giữa chất rắn và chất lỏng, trong tinh thể thì sự kết hợp

giữa các tinh thể đóng vai trò quyết định đến việc cho ánh sáng truyền qua.Tinh thể

lỏng không có cấu trúc mạng tinh thể cố định như các vật rắn, mà các phân tử có thể chuyển

động tự do trong một phạm vi hẹp như một chất lỏng. Các phân tử trong tinh thể lỏng liên kết

với nhau theo từng nhóm và giữa các nhóm có sự liên kết và định hướng nhất định, làm

cho cấu trúc của chúng có phần giống cấu trúc tinh thể. Vật liệu tinh thể lỏng có một tính

chất đặc biệt là có thể làm thay đổi phương phân cực của ánh sáng truyền qua nó, tuỳ thuộc

vào độ xoắn của các chùm phân tử. Độ xoắn này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp

đặt vào hai đầu tinh thể lỏng.

Hình 2.44 : Các lớp cấu tạo màn hình LCD

Quay trở lại cấu tạo màn hình tinh thể lỏng. Màn hình tinh thể lỏng đƣợc cấu tạo bởi

các lớp xếp chồng lên nhau.

- Lớp dưới cùng là đèn nền, có tác dụng cung cấp ánh sáng nền (ánh sáng trắng).

Đèn nền dùng trong các màn hình thông thƣờng là đèn huỳnh quang cathode lạnh (để tạo ra

ánh sáng nền, người ta sử dụng mạch cao áp để biến đổi điện áp 12VDC lên khoảng

650VAC trở lên để cung cấp cho đèn). Đèn huỳnh quang cathode lạnh bao gồm một bóng

chứa khí Neon, phía trong ống ngƣời ta tráng một lớp bột huỳnh quang để khi điện tử di

chuyển bên trong sẽ phát ra ánh sáng. Ngoài ra đối với các màn hình công cộng, đặt ngoài

trời, cần độ sáng cao thì có thể sử dụng đèn nền xenon. Đèn nền Xenon có nguyên lý hoạt

động giống với đèn tuýp, bóng xenon không có dây tóc mà thay vào đó là hai điện cực đặt

trong một ống thủy tinh thạch anh, cách nhau một khoảng ngắn trong một bầu chứa khí xenon

và muối kim loại . Khi cung cấp điện áp cao lên tới 25.000 V giữa hai điện cực, trong bầu khí

sẽ xuất hiện một tia hồ quang. Để có thể tạo ra điện áp cao như vậy thì hệ thống cần có một bộ

97

khởi động ( Ignitor ), ngoài ra để duy trì tia hồ quang cần sử dung một ballast ( chấn lƣu )

sẽ cung cấp điện áp khoảng 85 V trong suốt quá trình hoạt động.

- Lớp thứ hai là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực dọc, kế đến là một

lớp tinh thể lỏng được kẹp chặt giữa hai tấm thuỷ tinh mỏng, tiếp theo là lớp kính lọc phân

cực có quang trục phân cực ngang. Mặt trong của hai tấm thuỷ tinh kẹp tinh thể lỏng có phủ

một lớp các điện cực trong suốt.

Hình 2.45 : Cấu tạo một điểm ảnh

Nếu đặt một điện áp giữa hai đầu lớp tinh thể lỏng, các phân tử sẽ liên kết và xoắn

lại với nhau. Ánh sáng truyền qua lớp tinh thể lỏng được đặt điện áp sẽ bị thay đổi phƣơng

phân cực. Ánh sáng sau khi bị thay đổi phƣơng phân cực bởi lớp tinh thể lỏng truyền đến

kính lọc phân cực thứ hai và truyền qua được một phần. Lúc này, điểm ảnh đƣợc bật sáng.

Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào lượng ánh sáng truyền qua kính lọc phân cực thứ

hai. Lượng ánh sáng này lại phụ thuộc vào góc giữa phương phân cực và quang trục phân cực.

Góc này lại phụ thuộc vào độ xoắn của các phân tử tinh thể lỏng. Độ xoắn của các phân tử tinh

thể lỏng phụ thuộc vào điện áp đặt vào hai đầu tinh thể lỏng. Như vậy, có thể điều chỉnh

cƣờng độ sáng tại một điểm ảnh bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào hai đầu lớp tinh thể

lỏng. Trƣớc mỗi điểm ảnh con có một kính lọc màu, cho ánh sáng ra màu đỏ, xanh dƣơng và

xanh lơ. Với một điểm ảnh, tuỳ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng tƣơng đối chiếu vào ba màu

cơ bản, dựa vào nguyên tắc phối màu phát xạ, điểm ảnh sẽ có một màu nhất định. Khi muốn

thay đổi màu sắc của một điểm ảnh, ta thay đổi cường độ sáng tỷ lệ của ba màu cơ bản so

với nhau. Muốn thay đổi độ sáng tỉ đối này, phải thay đổi độ sáng của từng màu, bằng cách

thay đổi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng. Một nhƣợc điểm của màn hình tinh thể lỏng,

đó chính là tồn tại một khoảng thời gian để một điểm ảnh chuyển từ màu này sang màu khác (

thời gian đáp ứng – response time ). Nếu thời gian đáp ứng quá cao có thể gây nên hiện tượng

bóng

- 98 -

ma với một số cảnh có tốc độ thay đổi khung hình lớn. Khoảng thời gian này sinh ra do

sau khi điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng đựoc thay đổi, tinh thể lỏng phải mất một

khoảng thời gian mới có thể chuyển từ trạng thái xoắn ứng với điện áp cũ sang trạng thái

xoắn ứng với điện áp mới. Thông qua việc tái tạo lại màu sắc của từng điểm ảnh, chúng ta

có thể tái tạo lại toàn bộ hình ảnh.

3 Kỹ thuật PLASMA

Hình 2.46 : Các lớp cấu tạo của màn hình PLASMA

Cũng giống nhƣ màn hình LCD, màn hình Plasma cũng có cấu tạo từ các điểm ảnh,

trong mỗi điểm ảnh cũng có ba điểm ảnh con thể hiện ba màu đỏ, xanh lá, xanh lam.

Mỗi điểm ảnh là một buồng kín, trong đó có chứa chất khí xenon hoặc neon. Tại mặt

trƣớc của buồng có phủ lớp phôt pho. Tại hai đầu buồng khí cũng có hai điện cực. Khi

có điện áp đƣợc đặt vào hai điện cực, chất khí bên trong buồng kín sẽ bị ion hoá, các nguyên

tử bị kích thích và phát ra tia cực tím. Tia cực tím này đập vào lớp phôt pho phủ trên mặt

trƣớc của buồng kín sẽ kích thích chất phôt pho, làm cho chúng phát sáng. Ánh sáng phát ra

sẽ đi qua lớp kính lọc màu đặt trƣớc mỗi buồng kín và cho ra một trong ba màu cơ bản :

đỏ, xanh dƣơng, xanh lơ. Phối hợp của ba ánh sáng này trong mỗi điểm ảnh sẽ cho ra màu

sắc của điểm ảnh đó. Nhƣợc điểm chủ yếu của màn hình Plasma so với màn hình LCD là

chúng không hiển thị đƣợc một độ phân giải cao nhƣ màn hình LCD có cùng kích thƣớc.

Điều này do trong màn hình LCD, mỗi điểm ảnh con chỉ cần một lớp tinh thể lỏng khá bé

cũng có thể thay đổi phƣơng phân cực của ánh sáng một cách dễ dàng, từ đó tạo điều kiện

để chế tạo các điểm ảnh với kích thƣớc bé, tạo nên một số lƣợng lớn điểm ảnh trên một đơn

vị diện tích (độ phân giải cao). Còn với màn hình Plasma, mỗi điểm ảnh con thực chất là

một buồng kín chứa khí. Thể tích của lƣợng khí chứa trong một buồng kín này phải đạt một

giá trị nhất định để có thể phát ra bức xạ tử ngoại đủ mạnh khi bị kích thích lên trạng thái

plasma. Chính vì thế, kích thƣớc một điểm ảnh của màn hình Plasma khá lớn so với một

- 99 -

điểm ảnh của màn hình LCD, dẫn đến việc với cùng một diện tích hiển thị, số lƣợng điểm

ảnh của màn hình Plasma ít hơn LCD, đồng nghĩa với độ phân giải thấp hơn.

Kỹ thuật hiển thị Plasma là kỹ thuật hiển thị trực tiếp màn hình hiển thị plasma có

diện tích rộng, với độ dày không tới 6 inch ( 15 cm ), màn hình plasma có dạng nhƣ

một bức tranh, tiết kiệm đƣợc không gian mà màn hình CRT không thể có đƣợc và đặc

biệt hiệu quả thị giác của màn hình plasma có cao hơn màn hình CRT. Tuy vậy, tiêu hao

năng lƣợng cũng khá lớn, màn hình Plasma cần đƣợc nung nóng trƣớc khi cấp cao áp, tuổi

thọ ngắn.

Kỹ thuật hiển thị plasma ra đời muộn hơn kỹ thuật hiển thị CRT, nhƣng tốc độ

phát triển rất nhanh, có thể dùng cho các máy thu hình hiện đại, thị trƣờng có những

màn hình plasma lớn tới 35 – 50 inch.

4. Kỹ thuật hiển thị tinh thể lỏng LCOS ( liquid crystal on silicon )

Kỹ thuật hiển thị L.COS là kỹ thuật vi hiển thị mới phát triển mấy năm gần đây.

Nó kết hợp giữa kỹ thuật hiển thị tinh thể lỏng với kỹ thuật bán dẫn truyền thông giữa

một khối đơn phiến thủy tinh và một khối silicon ta đặt một lớp tinh thể lỏng. Tổ hợp của

ba lớp màng này hình thành một bộ vi hiển thị ( micro display ) trên một lớp silicon có phủ

một lớp dây dẫn để tạo nên hình ảnh. Mặt lớp silicon còn đƣợc mạ một lớp phản quang

rất tốt. Khi có điện áp điều khiển đặt vào mạng dây dẫn, lớp thủy tinh lỏng bức xạ quang

về phía khán giả.

Đồng thời tia phản xạ từ lớp gƣơng sau cùng hƣớng về khán giả lợi dụng đặc tính

này, ta tạo đƣợc độ rọi về phía khán giả đƣợc mạnh hơn. Lợi dụng đặc tính này ta đƣa điện

áp tín hiệu điều khiển của hình ảnh hoặc số liệu của bộ “vi hiển thị“ để tái tạo lại hình ảnh.

Phản ứng biến đổi của tinh thể silicon rất nhanh, độ phân tích của màn hình LCOS cũng

rất khá cao. Màn hình LCOS đƣợc sử dụng trong các máy thu hình kỹ thuật số chất lƣợng

cao so với kỹ thuật hiển thị trên.

Kỹ thuật LCOS có các quan điểm sau : So với màn hình ống tia âm cực CRT thì màn hình LCOS nhẹ hơn nhiều cỡ màn hình lớn, so

với màn hình plasma thì LCOS có giá thành rất hạ. Xu thế toàn cầu máy tính kết hợp với

thiết bị thông tin làm một. Đầu cuối hiển thị tin tức của máy vi tính PC, máy cầm tay di

động PH cũng chính là phƣơng tiện giải trí trên màn hình….. Với những quan điểm trên tỏa

mãn công năng hiển thị hỗn hợp tin tức và giải trí.

2.3. Camera

2.3.1 Khái quát chung

Công dụng camera:

Biến đổi hình ảnh thành tín hiệu video để ghi lên băng hoặc truyền dẫn phát sóng.

- 100 -

HDR-UX7E quay đĩa DVD chuẩn AVCHD, quay

phim và chụp ảnh tỉnh 6.2 Megapixcels

HVR-HD1000P Sử dụng cảm biến hình ảnh

ClearVid CMOS và ống kính Carl Zeiss Vario-

Sonnar T*

PMW-EX3 Ba cảm biến hình loại ½ inch CMOS,

mỗi cảm biến có số điểm ảnh hiệu dụng 1920 x

1080

2.3.2 Cấu tạo và phân loại

Phân loại camera:

1. Phân loại theo chất lượng:

o Camera độ nét cao (HDTV = High Definition TV camera)

o Camera phát sóng (Broadcast camera)

o Camera dân dụng (consumer camcorder)

2. Phân loại theo địa điểm sử dụng:

o Camera thường quay (studio camera): gồm một đầu quay (camera head) đặt tại

studio và một CCU (camera control unit) đặt tại phòng máy.

o Camera lưu động (field camera, remote camera): để thu hình lưu động tại các hiện

trường, thường gồm hai phần đầu quay và CCU đặt tại xe TH lưu động.

o Camcorder (camera + recoder)/ENG (Electronic New Gathering camcorder)/ EFP

(Electronic Field Production Camcorder): gồm một camera và một máy thu hình. Thu hình

ngoài trời, trong nhà và ghi lên băng.

3. Phân loại theo ống kính:

1) Tele camera: dùng ống kính dài, thu hình ở khoảng cách (cự ly) xa (ngoài trời).

2) Zoom camera: dùng ống kính zoom, thu hình ở khoảng cách từ gần tới xa.

3) Wide camera: dùng ống kính ngắn, thu hình ở cự ly gần (trong nhà).

4. Phân loại theo công nghệ:

o Camera tương tự

o Camera số

5. Phân loại theo hệ màu sử dụng

o Camera PAL

o Camera NTSC

o Camera SECAM

2.3.3 Khuôn hình và động tác máy cơ bản

I. Giữ máy

- 101 -

1. Cầm máy bằng tay

Cố định di chuyển: các tư thế đứng, quỳ hoặc ngồi.

Di chuyển

2. Dùng chân máy

Tripod: chân máy

Tripod with dolly: chân máy có bánh xe hoặc trên hệ thống bánh lăn để có thể di

chuyển được.

Pedestal: chân máy có bánh xe, có thể di chuyển lên xuống/nhẹ nhàng.

Crane or boom: cần cẩu.

II. Cú bấm máy (short)

o Kéo dài bắt đầu từ lúc bấm máy thu cho đến lúc ngừng thu.

o Thời gian thường từ vài giây đến khoảng 15 giây.

III. Động tác máy

o Pan left/pan right (lia trái/ lia phải): được quy ước theo hướng của người cầm

máy. Dùng để:

Theo đối tượng

Giữ một cỡ cảnh

Diễn tả một đối tượng nhưng đối tượng không nằm hết trong khung hình.

o Tilt up/ tilt down: ngẩn lên/chúc xuống

o Pedestal up/Pedestal down: nâng lên/hạ xuống.

o Zoom in / Zoom out: phóng to/thu nhỏ

Tạo sự chú ý đối tượng

Đến gần đối tượng

Bỏ qua môi trường xung quanh

o Dolly in/Dolly out: tới gần/ ra xa theo hướng thẳng góc với đối tượng

o Track in/Track out: tới gần/ ra xa hướng không thẳng góc với đối tượng

o Travelling right/ Travelling left: di chuyển máy trên đường thẳng song song với

đối tượng

o Arc left/ Arc right: vòng cung sang trái/ vòng cung sang phải.

Động tác

máy Zoom, Pain Tilt Dolly, Truck, Pedestal/Boom

Đặc điểm

Dể thao tác Khó thao tác

Phóng lớn hình hoặc thay đổi

góc nhìn không tạo cảm giác

thay đổi

Hình ảnh rất ấn tượng, có cảm

giác về không gian, có cảm giác di

chuyển.

Quan điểm nhìn khách quan, thụ

động nhìn khung cảnh từ bên

ngoài

Tạo quan điểm nhìn chủ quan, tạo

cảm giác tích cực vào khung cảnh.

Tạo nhịp điệu khách quan, yên

tĩnh lạnh lùng

Đưa thêm kịch tính, cảm xúc vào

khung cảnh

- 102 -

IV. Góc máy

o Góc thấp (camera low): hướng ống kính chếch từ dưới lên, nâng cao tiền cảnh,

hậu cảnh được che khuất

o Góc cao (camera high): hướng ống kính nên từ trên xuống, đối tượng ảnh bị thấp

về chiều cao.

o Ngang tầm mắt (eye level): hướng ống kính ngang tầm mắt của đối tượng.

o Góc nghiêng (canted): camera được đặt nghiêng

o Mắt chim (bird’s eye): mô phỏng cái nhìn của từ trên cao xuống.

V. Khuôn hình

1. Phân loại theo cỡ khuôn hình:

– Wide shot (WS): cảnh cực rộng đối tượng xuất hiện cực nhỏ trên khung hình,

dùng để giới thiệu không gian chứa đối tượng

– Very Long shot (VLS)/ Extreme Long shot (ELS): cảnh rất rộng đối tượng

khoảng 1/3 khung hình, dùng để giới thiệu một không gian cụ thể.

– Long shot (LS): cảnh rộng đối tượng vừa khung hình, dùng để nhận dạng đối

tượng

– Medium Long shot (MLS): trung cảnh rộng dưới ngang gối, trên đầu 2cm,

dùng để nhận dạng đối tượng và hành động.

– Medium Shot (MS): trung cảnh dưới thắc lưng, trên 2cm, dùng để nhận diện

đối tượng

– Medium Close Up (MCU): trung cảnh hẹp dưới ngang ngực, trên mí tóc (trên

đầu 2cm), dùng để nhận diện đối tượng, làm nổi bật cấu tạo ngoài.

– Close Up (CU): cận cảnh dưới ngang vai trên mép tóc, dùng để giới thiệu đối

tượng.

– Big Close (BCU): cận cảnh hẹp dưới ngang càm trên ngang tráng

– Extreme (ECU): đặc tả đối tượng nằm đầy khung hình, dùng để miểu tả một

chi tiết nào đó của đối tượng.

2. Phân loại theo số lượng đối tượng

– One Shot: 1 người

– Two Shot: 2 người

– Three Shot: 3 người

– Full Shot đối tượng ấp đầy khuôn hình (giống Long Shot)

– Không cắt, cúp bộ phận nhân vật ngay các chỗ quan trọng: mắt, miệng, cổ, ngực,

cổ tay, đầu gối, mắt cá.

– Chừa khoảng trống phía trên (head room), phía trước (nose, lead room) cho nhân

vật.

2.3.4 Kỹ thuật ánh sáng và âm thanh

1. Nguồn sáng

a) Khái niệm

- 103 -

– 2 loại nguồn sáng: thiên nhiên và nhân tạo

– Ta quan tâm 2 thông số của ánh sáng

Cường độ (độ mạnh): yếu dần đi khi lan truyền

Độ tán xạ: tăng dần khi lan truyền

b) Nhiệt độ màu

– Nhiệt độ màu của nguồn sáng:

Phải cân bằng trắng hoặc dùng kính lọc màu thích hợp

13: Lửa cháy, đèn cầy, đèn dầu

12: Mặt trời đang mọc hoặc đang lặn

11: Đèn sợi nung

10: Nửa giờ sau bình minh hay trước hoàng hôn

9 : Đèn halogen dùng trong studio

8 : Một giờ sau bình minh hay trước hoàng hôn

7 : Hai giờ sau bình minh hay trước hoàng hôn

6 : Ánh sáng đèn nê ông

5 : Ánh sáng mặt trời

4 : Ánh sáng trên mặt đèn hình

3 : Bầu trời mây trắng

2 : Bầu trời mây xanh

1 : Phạm vi cho phép điều chỉnh cân bằng trắng tự động

- 104 -

c) Mức chiếu sáng

– Cùng một nguồn sáng, mức chiếu sáng trên đối tượng giảm 4 lần khi khoảng cách

giảm 2 lần.

– Mức chiếu sáng tính bằng lux, được xác định như sau:

Khẩu độ lớn (số F nhỏ) Khẩu độ nhỏ (số F lớn )

Khoảng rỏ nhỏ khoảng rõ lớn

khắc phục dùng đèn

d) Đèn chiếu sáng

– Trong trường quay: có 2 loại

Flood light (đèn tỏa): chiếu sáng gốc rộng (400 – 900)

Spot light (đèn chụm): gốc chiếu sáng hẹp (200 – 300)

– Khi quay lưu động có 2 loại

Đèn gắn theo camera: ánh sáng yếu chỉ thích hợp với đối tượng gần (khoảng

cách <3m)

- 105 -

Đèn cầm tay công suất vài trăm W, cho ánh sáng mạnh.

e) Chiếu sáng ngoài trời đơn giản

– Thuận sáng: ánh sáng chiếu vào đối tượng từ phía trước

Chiếu sáng thẳng: làm hình phẳng

Chiếu sáng xuyên: nổi rõ hình

Chiếu sáng cạnh (ngang): nổi bật tương phản.

– Ngược sáng: ánh sáng chiếu vào đối tượng từ phía sau, làm đối tượng bị tối đen có

viền sanh xung quanh, hậu cảnh sáng chói

– Ánh sáng khuếch tán khi đối tượng đứng trong bóng mát hoặc khi mặt trời bị mây

ánh sáng chiếu vào đối tượng từ nhiều phía yếu hình ảnh dịu khoảng rõ hẹp.

Ghi chú: Để hình rõ đẹp, sử dụng thêm đèn chiếu hoặc tấm phản quang hoặc mở rộng khẩu

độ để tăng cường độ sáng. Một số camera kỹ thuật số hiện nay có chức năng cho phép quay

ngược sáng.

2. Chiếu sáng trong phòng đơn giản

– Sử dụng một đèn:

Lưu ý:

Không nên đặt đèn quá gần vì sẽ làm nóng diễn viên, nếu camera thấp sẽ sinh ra

hiện tượng lóe sáng (Blooming)

Ngược

Ngang

Xiên (tốt nhất)

Thẳng

200 – 450

Nhìn từ trên xuống

300 – 400

Nhìn từ bên cạnh

- 106 -

Ánh sáng phải tỏa đều không quá tập trung để tạo chiều sâu cho ảnh

Nếu lợi dụng ánh sáng cửa sổ đê phụ thêm cho nguồn sáng để làm nổi bật chủ

đề.

Để cho hình thêm nghệ thuật, có thể chiếu đèn lên trần hoặc qua tấm phản chiếu

(Reflector).

– Sử dụng 2 đèn: dùng một đèn chính (key light) và một đèn phụ (fill light)

(1) key light: đèn chính, cung cấp nguồn sáng mạnh cho đối tượng.

(2) Fill light: đèn phụ, cung cấp nguốn sáng yếu với mục đích xóa bóng đen trên đối tượng.

Có thể thay thế fill light bằng tấm phản quang hoặc chiếu lên tường.

3. Thu âm thanh khi quay

– Dùng micro zoom của camera chất lượng không cao, nhiều tạp âm

WIDE thu góc 1 rộng với hiệu ứng Stereo.

TELE thu góc hẹp với hiệu ứng tele

ZOOM đồng bộ với ống kính zoom.

– Dùng micro ngoài nối với camera: chất lượng tốt hơn hạn chế được tạp âm,

thường dùng khi phỏng vấn.

Nối dây

Không dây

– Cách đặt micro

Đặt càng gần đối tượng thì âm thanh càng thu rõ, nhưng không nên đặt qua gần

(sẽ nghe tiếng khụt khịt hay tiếng chép miệng).

Nếu dùng với một diễn giải nên dùng micro có dây.

Đối với ca sĩ có thê dung micro không dây (wireless microphone)

Đối với một số dụng cụ ca nhạc, phải đặt micro đúng vị trí.

2.3.5 Kỹ thuật Camcorder

1. Khái niệm

Thủ thuật, kỹ xão camera là các hình thức tạo ra các hình ảnh đặc biệt, hấp dẫn gây ấn

tượng cảm xúc hoặc tạo ra các hình ảnh giống như thực trong một số hoàn cảnh hoặc điều

kiện hạn chế (vì khung ảnh, kinh phí, thời gian, kiểm duyệt…)

2. Một số thủ thuật, kỹ xão

– Thay đổi Focus: thay đổi sự chú ý vào các chủ đề khác nhau.

– Di chuyển camera theo đối tượng: tạo hình ảnh thực hơn, lôi cuốn hơn.

– Thêm chuyển động cho các đối tượng tĩnh: dùng động tác máy

– Quay bóng đen (ngược sáng, quay bóng hắt lên tường).

– Quay qua gương phản chiếu: gương đứng, gương trần, kính đeo mắt tráng bạc,

nước,…

- 107 -

– Kỹ xão với hậu cảnh: phong màng, đạo cụ, đèn chiếu,…

– Kỹ xão với tiền cảnh: cánh cửa, trời mưa, hồ cát,…

– Sử dụng kính lọc tạo kỹ xão.

– Sử dụng kỹ xão số của camera: Still/wipe/mix/strobe/oil-painting/slow motion

– Quay nhiều shot gián đoạn hoặc nhiều frame gián đoạn dùng chân máy để tạo một

shot liên tục.

- 108 -

Ch¦¥NG III : ThiÕt bÞ ®Çu cuèi kh¸c

3.1. M¸y FAX.

3.2.1. Lêi giíi thiÖu.

Mặc dù máy fax đã được phát minh ra từ những năm 1840, nhưng nói chung nó vẫn là

một thiết bị chưa được sử dụng rộng rãi. Các vấn đề kỹ thuật của máy fax được minh họa ở

hình 3.1. Để đơn giản ta sử dụng chữ H và giả thiết rằng quá trình quét sau đó di chuyển sang

dòng thứ hai và quá trình quét cứ như vậy được lặp lại. Để cho đơn giản, khung quét được chia

thành một ma trận 20×20. Bởi vậy sẽ có 400 thành phần thông tin phải được truyền tới máy thu

để khôi phục lại chữ H. Nhiệm vụ đầu tiên là đo độ sáng được phản xạ hoặc tạo ra bởi mỗi

phần tử dạng ô vuông và thực hiện gán cho nó một giá trị 1 hoặc 0; ở đây ta giả thiết rằng ô

vuông màu trắng được gán giá trị 1 còn ô vuông màu đen được gán cho giá trị 0 (việc gán

ngược lại cũng làm tương tự).

Hình 3.1(b) biểu thị kết quả. Mỗi phần tử của các thành phần thông tin này được gọi là

một pel (nó là một điểm ảnh đối với ảnh đen trắng của nó hoặc thông tin màu sắc được phân

làm hai loại, đen và trắng, phụ thuộc vào mối quan hệ về độ sáng của nó). Để việc truyền dẫn

thành công, bên phát phải «nói» cho bên thu biết các ô vuông nào truyền đi có màu trắng và cái

nào phải có màu đen. Mặt khác, quá trình bắt đầu «đọc» ở máy phát và «ghi» ở máy thu phải

thật chính xác đối với các ô vuông tương ứng tại cùng một thời điểm, nghĩa là chúng phải đồng

bộ và cùng pha. Để đạt được sự đồng bộ, phải sử dụng hai con lắc có cùng độ dài (cùng với

một cơ cấu để giữ cho chúng đồng pha) [1]. Con lắc là rất không thực tế bởi vì nó phải được

chế tạo khá lớn để tích trữ đủ năng lượng sao cho sự tổn hao năng lượng trong các quá trình

quét và in sẽ không đáng kể. Sự đồng bộ hóa cải tiến đạt được khi âm thoa được thay thế cho

con lắc, nhưng kỹ thuật mới này cũng không đủ chính xác cho yêu cầu này cho tới những năm

1940. Vấn đề đồng bộ đã không bao giờ được giải quyết thỏa đáng; quả thực, vấn đề này đã

biến mất ngay khi kỹ thuật số được ứng dụng vào việc phát triển máy fax.

- 109 -

Hình 3.1. (b) Biểu diễn chữ H bằng các điểm ảnh đen và trắng.

(a) Sự biểu diễn nhị phân của các điểm ảnh.

Một vấn đề khác làm chậm sự phát triển của máy fax đó là tốc độ mà trong đó thông tin

có thể được truyền tải. Ta quay lại chương 1 để thấy rằng các nỗ lực ban đầu để xây dựng các

máy fax đã được thực hiện trước khi phát minh ra điện thoại. Các tuyến điện báo cùng thời

điểm đã sử dụng các dây dẫn đơn cùng các dây đất chung. Hầu hết các đối tượng gây nhiễu

điện là do các phương tiện giao thông trên đường phố, chúng rất phổ biến trong thời gian này.

Để giải quyết vấn đề này, các tuyến điện tín sử dụng các bộ chuyển tiếp để gia tăng khoảng

cách (chuyển tiếp Morse) và giảm bớt sự chậm trễ cố hữu trong truyền tải khối lượng thông tin

yêu cầu để góp phần làm nên sự thành công của máy fax. Lưu ý rằng tại tốc độ quét nhỏ nhất

đối với khung quét là một trang 8,5×11 inch (21,6×28cm) tương đương với 200 dòng/inch số

- 110 -

lượng điểm ảnh được tạo ra là 2,86 ×106. Cho dù với các bảng mã hiện đại thì các tuyến điện

báo cũng không thể truyền tải thành công bộ khối lượng thông tin trong một khoảng thời gian

hợp lý.

Vấn đề kỹ thuật tiếp theo cần được giải quyết là ứng dụng một phương pháp mã hóa

thông tin thích hợp để giảm độ dư thông tin ở mức cao. Quan sát hình 3.1 (b) ta nhận thấy

rằng hàng 1 hoàn toàn có màu trắng và do đó nó được biểu diễn bởi một hàng gồm 20 số 1.

Một mã ngắn gọn hơn được tạo nên bởi các số 0 và 1 có thể được sử dụng để truyền tín hiệu

tới bên thu bằng cách chèn 20 số 1 vào hàng 1. Tương tự, hàng 2, có hai sự chuyển tiếp từ 1

sang 0 và từ 0 sang 1. Để truyền thông tin này cần phải tạo ra một từ mã có ít hơn 20 bít để

báo cho bên thu rằng tại đó xuất hiện các chuyển tiếp và xét xem chúng chuyển từ 1 sang 0

hay từ 0 sang 1 hoặc ngược lại. Cũng có thể quan sát hình 3.1(b) của ví dụ, tại đó hàng 3

giống với hàng 2. Có thể nhận được sự giảm bớt hơn nữa số lượng các bit yêu cầu bằng

cách truyền đi một tín hiệu có liên quan sang máy thu để lặp lại hàng 2.

It nhất tại Mỹ, việc cạnh tranh thương mại đã làm cản trở sự hợp tác giữa các hãng

để họ thực hiện việc phát triển máy fax. Mỗi nhà sản xuất phát triển các chuẩn riêng của họ,

khác hẳn với các chuẩn của đối thủ. Hậu quả của việc này là làm cho giá thành sản phẩm

cao; chỉ quân đội, cảnh sát, và các cơ quan báo chí mới có khả năng sở hữu và vận hành

máy fax. Điều này đã được chấm dứt vào giữa những năm 1950 khi Viện các kỹ sư vô

tuyến thiết lập nên các chuẩn công nghiệp.

3.2.2. ThiÕt kÕ hÖ thèng

Sự phát triển của máy fax hiện đại bắt đầu bằng các khuyến nghị của Ủy ban tư vấn về

điện thoại và điện báo quốc tế (CCITT) đối với các chuẩn được biết đến với tên gọi Nhóm 3

(G3). Các chuẩn Nhóm 1 và 2 (ngẫu nhiên đối với hệ thống tương tự) đã không được sử dụng ở

Bắc Mỹ. Việc thảo luận của các chuẩn G3 được bắt đầu vào năm 1976 khi hội đồng của CCITT

đã được đổi tên thành Liên minh viễn thông quốc tế (ITU), một cơ quan đặc biệt của Liên hợp

quốc. Cho tới năm 1980 mới bổ sung đầy đủ cho các khuyến nghị để xây dựng nên các chuẩn

G3. Các khuyến nghị này, với rất nhiều tùy chọn (để thỏa mãn một số lượng lớn sự quan tâm

đặc biệt tới các nhóm), bao gồm các tham số cho việc «bắt tay» giữa máy thu và máy phát, tốc

độ modem, mật độ quét, bảng mã và một hệ thống số hoàn toàn. Việc quyết định chọn kỹ thuật

số đã loại bỏ được các vấn đề liên quan tới đồng bộ hóa và pha. Các thỏa hiệp đã được thực

hiện và đôi lúc các yếu tố này còn bị tác động bởi khả năng chi trả cho bản quyền tác giả. Thứ

nhất bởi các sáng chế đã hết hiệu lực [2] và thứ hai bởi chủ sở hữu của các phát minh đã trao nó

miễn phí cho người sử dụng. Cuối cùng có hai bảng mã được chấp nhận.

3.2.2.1. ChÕ ®é truyÒn.

Hình 3.2 minh họa sơ đồ khối của một máy fax điển hình kiểu G3 khi nó đang làm việc

ở chế độ truyền. Máy quét có 1728 linh kiện (CCD) được sắp xếp trật tự theo hàng. Mỗi phần

tử của dãy đọc độ sáng của hàng đầu tiên của các điểm ảnh và chuyển các đại lượng này thành

một điện áp tương đương. Một bộ khuếch đại thực hiện khuếch đại tín hiệu tới một mức thích

- 111 -

hợp cho việc xử lý ở tầng tiếp theo. Mạch Trigơ Smith sẽ phân loại một giá trị 1 (màu trắng)

hoặc 0 (màu đen) thành từng pixel, do đó chúng được chuyển thành các pel. Thông tin này

được lưu trữ và hàng tiếp theo của các pixel lại được đọc bởi các CCD và cứ như thế chúng

được biến đổi và lưu trữ. Sau đó tín hiệu được mã hóa để giảm bớt độ dư thông tin và được

biểu diến bằng mã Huffman động (MF), địa chỉ quan hệ động, hoặc đọc động đơn giản (MR)

hay đọc động thay đổi (MMR). Việc lựa chọn phương pháp mã hóa nào trong các hệ thống mã

hóa này để sử dụng cho việc truyền dẫn phụ thuộc và dung lượng của các máy fax yêu cầu.

Bảng mã Huffman động được cho ở phụ lục D [3]. Thông tin đã mã hóa được lưu trong bộ nhớ

và được truyền qua modem vào một thời điểm thích hợp được xác định bởi bộ vi xử lý. Modem

biến đổi tín hiệu sang dạng tín hiệu tương tự để truyền qua đường điện thoại tới máy fax nhận.

Bộ điều chỉnh đường truyền có thể được sử dụng để thay đổi trở kháng đường truyền, đáp

tuyến tần số và /hoặc để tối thiểu hóa tiếng dội trên đường điện thoại. Động cơ bước điều khiển

hệ thống cơ khí, cơ cấu này kéo trang giấy qua hệ thống quét.

Hình 3.2. Sơ đồ khối phần «gửi» của máy fax

3.2.2.2. ChÕ ®é nhËn.

Hình 3.3 minh họa sơ đồ khối của máy fax khi nó làm việc ở chế độ nhận. Modem nhận

các tín hiệu vào từ đường dây điện thoại, biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu dạng số và

được lưu trữ trong bộ nhớ sẵn sàng cho việc giải mã. Bộ giải mã tái lập lại bản tin ban đầu và

thực hiện việc khuếch đại cần thiết. Đầu ra của bộ khuếch đại công suất điều khiển một máy in

nhiệt. Một cuộn giấy đã được xử lý đặc biệt được kéo qua một tập hợp các dây dẫn nhiệt đặt

cách nhau xấp xỉ 200/inch (bằng độ phân giải máy quét). Cuộn giấy được điều khiển bởi động

cơ bước. Khi đầu ra của bộ giải mã chỉ thị rằng một điểm ảnh là màu đen, dòng điện chảy qua

dây dẫn nhiệt tương ứng và điều này sẽ làm xuất hiện một chấm đen trên giấy. Tất cả các khối

trên sơ đồ đều nằm dưới sự điều khiển của bộ vi xử lý. Xu hướng hiện nay đang bỏ phương

pháp nhiệt để in khô và in film carbon và chuyển sang máy in sử dụng giấy thông thường.

- 112 -

Modem Bộ nhớGiải mã MH/MR

Khuếch đại công

suất

Máy in nhiệt

Giá đỡ

Động cơ bước

Proffessor

Đường điện thoại

Hình 3.3. Sơ đồ khối phần «nhận» của máy fax

Hiển nhiên là mỗi máy fax độc lập có chứa tất cả các khối phục vụ cho cả chế độ truyền

và nhận.

3.2.3. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña m¸y FAX.

3.2.3.1. Thủ tục «Bắt tay»

Để gửi một bản fax, thứ nhất cho giấy vào cơ cấu gửi. Tờ giấy được giữ giữa hai lô

cuốn và ngay lập tức nó được kéo vào trong máy. Máy sẵn sàng đọc dòng đầu tiên của bản tin.

Bước tiếp theo là quay số điện thoại để kết nối với máy fax bên nhận. Số đã quay được lưu trữ

bởi máy gửi. Khi nhấn phím Star, các sự kiện sau sẽ xảy ra :

1. Âm quay số nổi lên.

2. Máy gửi quay số đã lưu, và nếu số này không bận có thể nghe thấy âm báo «phản

hồi». Thường thì, máy nhận cần bốn hồi chuông trước khi nó phúc đáp.

3. Máy nhận thực hiện «nhấc máy» (tự nó kết nối vào đường truyền) và gửi một tín hiệu

tần số 2,1KHz kéo dài gần 3 giây tới máy fax gửi để tự xác nhận rằng nó là máy fax.

4. Máy nhận tiếp tục bằng việc gửi mã nhận dạng của nó tới máy gửi. Mã này báo cho

máy gửi biết các khả năng của máy nhận ra sao. Các thông tin này rất quan trọng và có thể bao

gồm nhiều thông số khác nhau.

(a) tốc độ của modem,

(b) mật độ quét (số dòng/inch hoặc mm)

(c) kiểu giải mã (MH, MR hay MMR) nó được chương trình hóa để thực hiện.

(d) kích thước bộ nhớ.

5. Sau đó máy gửi truyền một tín hiệu ra lệnh chốt máy nhận tuân theo các thuộc tính đã

chọn từ các thông số ở sự kiện 4.

6. Máy gửi truyền một tín hiệu kiểm tra chuẩn (hướng dẫn) tới máy thu.

7. Máy nhận truyền một tín hiệu xác nhận rằng tín hiệu kiểm tra đã nhận được chính xác.

- 113 -

8. Máy gửi truyền bản tin.

9. Nếu tín hiệu kiểm tra lỗi, để sửa lỗi có thể có các lựa chọn như thực hiện cân chỉnh

đường dây điện thoại, thay đổi tốc độ modem, hoặc cuộc gọi có thể bị chấm dứt.

10. Ở cuối của bản tin một từ mã đặc biệt được truyền đi để chỉ thị cho máy nhận.

11. Sau đó máy nhận gửi trở lại một từ mã để chỉ thị rằng bản tin đã được nhận thành công.

12. Máy gửi trở về chế độ «đặt máy», kết thúc cuộc gọi.

13. Máy nhận cũng trở về chế độ « đặt máy », kết thúc cuộc gọi.

Thủ tục bắt tay là một kịch bản cũ của máy fax. Các máy thế hệ mới có thể đọc cả trang

ở cùng một thời điểm, xử lý và lưu thông tin trước khi truyền đi.

3.2. Các thiết bị đầu cuối số liệu

3.2.1 Máy in

3.2.1.1. Cấu trúc của máy in.

Hình 3.15. Cấu trúc bên trong của máy in.

- Paper Tray - Khay giấy: Dùng để chứa giấy in.

- Tonner Hopper- Hộp mực in: Chứa mực để in lên tờ giấy.

- Laser scanning unit - Tia laser: Thiết bị phát ra tia sáng laser chiếu vào Drum.

- Photoreceptor Drum Assembly: Được gọi ngắn gọn là Drum, Tia laser sẽ vẽ hình

ảnh, chữ lưu trên drum. mực in sẽ dính vào drum nơi có tia laser vẽ lên tạo thành hình

ảnh dưới dạng mực in. Khi giấy in chạy qua đây thì mực in sẽ dính qua tờ giấy.

- 114 -

- Fuser - Lô sấy: Lô sấy còn trục sấy, Fuse nghĩa tiếng anh là "làm chảy ra" ở đây Fuser

là thiết bị dùng để nung nóng mực in, mực in sau khi bị làm nóng sẽ dính chặt vào tờ

giấy in.

- Corona wire: Dây cấp điện cao áp-nạp điện tích dương cho trống.

- Discharge lamp: Đèn phóng điện- ánh sáng sẽ chiếu lên bề mặt và xoá hình ảnh tích

điện trên mặt trống.

- Developer roller: Gạt từ-là 1 thiết bị giữ lại mực,chỉ cho trục từ hút lên 1 lượng mực

cần thiết đủ cho bản in.

- Mirror: Gương DF-phản xạ các tia laser hắt vào trống.

3.2.1.2. Sơ đồ khối khối của máy in và nguyên lí hoạt động

Hình 3.16. Sơ đồ khối

• Chức năng các khối:

- Khối điều khiển: Là mạch điện tử dùng điều khiển hoạt động của máy in như nhận

lệnh in và ra lệnh cho các bộ phận khác hoạt động, kiểm soát lỗi phát sinh đồng thời

phát ra thông báo lỗi.

Đầu vào: Gồm các tín hiệu:

+ Lệnh thông báo tình trạng (từ PC sang).

+ Lệnh in, nhận dữ liệu in.

+ Tín hiệu phản hồi từ các khối.

Đầu ra: Gồm các tin hiệu:

+ Thông báo trạng thái (gửi sang PC ).

+ Mở cổng, nhận và giải mã dữ liệu ( gửi sang khối Data ).

+ Tạo cao áp ( gửi sang khối nguồn).

+ Quay motor ( gửi sang cơ ).

+ Mở diode laser ( gửi sang khối Quang ).

+ Sẵn sàng ( gửi sang tất cả các khối ).

- Khối data: Nơi lưu tiếp nhận và xử lý lệnh in từ máy tính.

- 115 -

Đầu vào: Nhận lệnh in và dữ liệu từ PC gửi sang.

Đầu vào của máy in được kết nối với PC thông qua cổng USB hoặc cổng

Parallel.

Đầu ra: Xuất tín hiệu cho mạch quang và mạnh điều khiển.

+ Tín hiệu điều khiển từ PC bao gồm: Lệnh kiểm tra tình trạng máy in, lệnh nạp

giấy.

+ Dữ liệu từ PC : Là chuỗi nhị phân thể hiện cấp độ xám của từng điểm ảnh trên

bản cần in. Tín hiệu này được đưa vào mạch xử lí dữ liệu để chuyển đổi điện áp

tương tự và cấp cho mạch quang. Tùy theo biên độ điện áp điều khiển mà diode

laser của mạch quang sẽ phát xạ mạnh hay yếu.

- Khối cơ : Bao gồm các bánh răng, trục lăn – ép, thực hiện các hành trình sau:

Nạp giấy: Kéo giấy từ khay vào trong máy.

Kéo giấy di chuyển đúng đường đi theo thiết kế, đảm bảo cho giấy được tiếp xúc

với trống.

Đẩy giấy ra khỏi máy.

- Khối quang: Là bộ phận xử lý hình ảnh gồm có bộ phận phát ra tia laser và drum.

Đầu vào : Bao gồm tín hiệu 2 tín hiệu:

+ Tín hiệu điều khiển motor lệch tia, được gửi đến từ mạch điều khiển

+ Điện áp điều khiển cường độ phát xạ laser, được gửi đến từ khối data

Đầu ra : Là các tia laser được trải đều trên suốt chiều dài của trống, với mục đích

làm suy giảm hoặc triệt tiêu tĩnh điện trên mặt trống trong quá trình tạo bản in.

- Khối sấy: Nung chảy và sấy khô mực in.

Tạo ra nhiệt độ cao để nung chảy bột mực.

Tạo lực ép để ép mực thấm vào sơ giấy để cố định điểm ảnh trên giấy. Lực ép

được tạo ra bằng các trục lăn được nén dưới tác động của lò xo.

- Khối nguồn:

Ổn định điện áp và cung cấp năng lượng cho toàn máy.

+ Đầu vào: Nguồn xoay chiều dân dụng (AC).

+ Đầu ra: Bao gồm các mức nguồn một chiều ổn định, đã được lọc sạch nhiễu

(nếu có) của nguồn dân dụng. Sẵn sàng cung cấp cho các mạch điện trong máy.

Tạo ra cao áp trong từng thời điểm để nạp tĩnh điện cho trống, cho giấy trong

quá trình tạo bản in.

Nguyên lý hoạt động :

Máy in laser hoạt động được nhờ một nguyên lý hoàn toàn mới là thông tin ảnh...vv từ máy tính

sẽ được một dụng cụ đọc và dịch ra thành một loạt tia laser

Tia laser này sẽ rọi lên một bộ quay (nó sẽ cuốn giấy và đặt biệt hơn là nó chứa tĩnh điện). Bộ

quay này cũng tiếp giáp với một trục quay khác chứa mực. Khi quay những chỗ nào có tia laser

rọi lên thì mực sẽ thấm vào giấy còn những chỗ khác thì không.

- 116 -

3.2.1.3. Quy trình in một trang giấy

Các bước in ra 1 trang tài liệu của máy in:

Bước 1: Xóa sạch hình ảnh, tài liệu cũ:

- Máy in sẽ xóa sạch hình ảnh,chữ của bản in cũ được lưu trữ trên Drum(trống của hộp

mực in) để tiếp nhận hình ảnh mới.

- Máy in xóa bằng cách dùng thanh gạt mực để gạt đi hết mực thừa còn dính trên Drum.

- Sau đó, Drum sẽ quay quanh 1 thanh chổi, thanh chổi này xóa hết điện tích trên Drum

để bắt đầu 1 chu kỳ mới.

Bước 2: Tích điện lên drum:

- Máy in sẽ tạo ra điện tích âm toàn bộ bề mặt drum ( khoảng -130V), điện tích âm này sẽ

hút mực bám lên Drum.

Bước 3: Xóa, giảm điện tích:

- Bộ điều khiển sẽ điều khiển tia laser sẽ chiếu vào vị trí không muốn tạo ảnh, những vị

trí này khi in ra sẽ là nền trắng còn vị trí có điện tích âm sẽ có chữ hoặc hình ảnh.

Hình 3.17. Xóa hoặc giảm điện tích

Bước 4: Chuyển ảnh lên giấy

- Mực in bám lên drum sẽ bị hút sang tờ giấy, vì giấy được tích điện tích dương mạnh

(dương hút âm).

- 117 -

Hình 3.18.Chuyển mực từ Drum sang giấy in

Bước 5: Định hình lên giấy

- Giấy in có mực in đi qua trục sấy (Fuser), trục này tỏa nhiệt khoảng 180 độ C để làm

chảy mực in ra, mực in sẽ bám chặt vào giấy in sau đó đưa giấy in ra ngoài.

Hình 3.19. Mực sẽ bị nung chảy và ép chặt vào tờ giấy

3.2.2 Bàn phím

3.2.2.1 Bàn phím:

- Giao thức PS2 (PS2 Protocol)

3.2.2.2 Truyền dữ liệu từ bàn phím tới máy tính

- Clock: tần số xung nhịp, fclock = 10÷16,7KHz

- Data: Khi muốn gửi thông tin đầu tiên phải kiểm tra xem trạng thái của xung nhịp

đang ở mức logic nào? Nếu xung nhịp ở mức thấp, dữ liệu ở mức cao tức là cấm truyền

thông tin, cả hai đều ở mức cao thì tương ứng trạng thái chờ. Chính vì vậy cần phải

kiểm tra mức logic của xung clock ít nhất là 50µS trước khi truyền

- Phương thức truyền nối tiếp: 1 khung truyền có 11 bít

+ Start bit: Luôn là bít 0

+ 8 bít dữ liệu : LSB truyền trước

+ 1 bít kiểm tra chẵn lẻ (Parity): Nếu dữ liệu có tổng số bít là một số chẵn thì bít kiểm

tra chẵn lẻ = 1, ngược lại bít Parity = 0

+ 1 bít Stop : Luôn bằng 1

- 118 -

3.2.3. Các thiết bị lưu trữ 3.2.3.1 Tæng qu¸t vÒ c¸c thiÕt bÞ lưu tr÷

1 VËt liÖu tõ tÝnh (B¨ng DAT)

Hình 3.20 : Cấu trúc băng từ

Đối với ghi âm số, ứng với các tín hiệu số 1, 0 băng từ được nhiễm từ với độ bão hoà theo hai hướng ngược nhau. Ví dụ với từ mã nhị phân là 0, độ nhiễm từ bão hoà âm, còn đối với từ mã là 1 sẽ nhiễm từ đến bão hoà về phía dương hoặc ngược lại.

Hình 3.21: Quá trình nhiễm từ trên băng Băng ghi âm số có một đặc điểm khác so vói băng dùng trong kỹ thuật tương tự như

băng mỏng hơn, độ mịn hạt cao hơn để có thể tăng mật độ ghi. Hình 1.82 miêu tả hai quá trình nhiễm từ trên băng đối với trường hợp ghi âm tương tự và ghi âm số. Những vùng thay đổi cực từ này sẽ ghi nhận giá trị 1 hoặc 0 của dữ liệu.

3.2.3.2 Ổ cøng, thiÕt bÞ nhí số 1. Ổ đĩa cứng (Hard Disk Drive : HDD )

a) Đối với ghi âm tương tự

b) Đối với ghi âm

- 119 -

HDD là thiết bị chứa chương trình để giúp máy vi

tính hoạt động và lưu dữ liệu của người sử dụng.

HDD có nhiều chuẩn, loại, dung lượng... Một máy vi tính có thể gắn nhiều HDD, số lượng tùy

theo số đầu cắm trên Mainboard cho phép.

Dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời

gian. Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20

megabyte được coi là lớn. Cuối thập niên 1990 đã có những ổ đĩa

cứng với dung lượng trên 1 gigabyte. Vào thời điểm đầu năm

2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốn nhất cho máy tính để

bàn còn được sản xuất có dung lượng lên tới 40 gigabyte còn ổ

đĩa lắp trong có dung lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte (500 GB), và những ổ đĩa lắp

ngoài đạt xấp xỉ một terabyte. Cùng với lịch sử phát triển của PC, các họ ổ đĩa cứng lớn là

MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE và EIDE, và mới nhất là SATA. Ổ đĩa MFM đòi hỏi mạch điều

khiển phải tương thích với phần điện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và mạch điều

khiền phải tương thích. RLL (Run Length Limited) là một phương pháp mã hóa bit trên các

tấm đĩa giúp làm tăng mật độ bit. Phần lớn các ổ đĩa RLL cần phải tương thích với bộ điều

khiển nó làm việc với. ESDI là một giao diện được phát triển bởi Maxtor làm tăng tốc trao đổi

thông tin giữa PC và đĩa cứng. SCSI (tên cũ là SASI dành cho Shugart (sic) Associates), viết tắt

cho Small Computer System Interface, là đối thủ cạnh tranh ban đầu của ESDI. Khi giá linh

kiện điện tử giảm (do nhu cầu tăng lên) các chi tiết điện tử trước kia đặt trên cạc điều khiển đã

được đặt lên trên chính ổ đĩa cứng. Cải tiến này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợp linh kiện điện

tử (Integrated Drive Electronics hay IDE). Các nhà sản xuất IDE mong muốn tốc độ của IDE

tiếp cận tới tốc độ của SCSI. Các ổ đĩa IDE chậm hơn do không có bộ nhớ đệm lớn như các ổ

đĩa SCSI và không có khả năng ghi trực tiếp lên RAM. Các công ty chế tạo IDE đã cố gắng

khắc phục khoảng cách tốc độ này bằng phương pháp đánh địa chỉ logic khối (Logical Block

Addressing - LBA). Các ổ đĩa này được gọi là EIDE. Cùng lúc với sự ra đời của EIDE, các nhà

sản xuất SCSI đã tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI. Những cải tiến đó đồng thời khiến cho giá thành

của giao tiếp SCSI cao thêm. Để có thể vừa nâng cao hiệu suất của EIDE vừa không làm tăng

chi phí cho các linh kiện điện tử không có cách nào khác là phải thay giao diện kiểu "song

- 120 -

song" bằng kiểu "nối tiếp", và kết quả là sự ra đời của giao diện SATA. Tuy nhiên, hiệu suất

làm việc của các ổ đĩa cứng SATA thế hệ đầu và các ổ đĩa PATA không có sự khác biệt đáng

kể.

Phân loại:

ổ đĩa cứng gắn trong máy tính.

ổ đĩa cứng gắn ngoài máy tính:

HDD Mobil Rack

° Là một hộp chứa đĩa cứng di dộng. Phần khung được gắn vào thùng máy như một ổ đĩa CD-

ROM thông thường nhưng phần ruột là một hộp chứa đĩa cứng có tay cầm phía trước.

External HDD

° Size-Là ổ đĩa cứng được gắn bên

ngoài thùng máy tính. Đĩa cứng

được để trong một hộp gọi là

External HDD box (hộp chứa đĩa cứng gắn ngoài) - là hộp

cho phép gắn đĩa cứng dạng IDE/SCSI, có đầu nối dây

nguồn AC và có cổng nối cáp vào cổng LPT (giao diện song song) hoặc SCSI (giao

diện SCSI) của máy tính.

Cấu tạo

Ổ đĩa cứng gồm các thành phần, bộ phận có thể liệt kê cơ bản và giải thích sơ bộ như sau:

Cụm đĩa: Bao gồm toàn bộ các đĩa, trục quay và động cơ.

• Đĩa từ. • Trục quay: truyền chuyển động của đĩa từ. • Động cơ: Được gắn đồng trục với trục quay và các đĩa.

Cụm đầu đọc • Đầu đọc (head): Đầu đọc/ghi dữ liệu • Cần di chuyển đầu đọc (head arm hoặc actuator arm).

Cụm mạch điện

• Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động cơ đồng trục, điều khiển sự di chuyển

của cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến đúng vị trí trên bề mặt đĩa.

• Mạch xử lý dữ liệu: dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa cứng.

• Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer): là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá trình đọc/ghi dữ liệu.

Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa cứng ngừng được cấp điện.

- 121 -

• Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng.

• Đầu kết nối giao tiếp với máy tính.

• Các cầu đấu thiết đặt (tạm dịch từ jumper) chế độ làm việc của ổ đĩa cứng: Lựa chọn

chế độ làm việc của ổ đĩa cứng (SATA 150 hoặc SATA 300) hay thứ tự trên các kênh

trên giao tiếp IDE (master hay slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông số làm việc

khác...

Vỏ đĩa cứng:

Vỏ ổ đĩa cứng gồm các phần: Phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó, phần nắp đậy lại

để bảo vệ các linh kiện bên trong.

Vỏ ổ đĩa cứng có chức năng chính nhằm định vị các linh kiện và đảm bảo độ kín khít để

không cho phép bụi được lọt vào bên trong của ổ đĩa cứng. Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác

dụng chịu đựng sự va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng.

Do đầu từ chuyển động rất sát mặt đĩa nên nếu có bụi lọt vào trong ổ đĩa cứng cũng có

thể làm xước bề mặt, mất lớp từ và hư hỏng từng phần (xuất hiện các khối hư hỏng (bad

block))... Thành phần bên trong của ổ đĩa cứng là không khí có độ sạch cao, để đảm bảo áp suất

cân bằng giữa môi trường bên trong và bên ngoài, trên vỏ bảo vệ có các hệ lỗ thoáng đảm bảo

cản bụi và cân bằng áp suất.

Đĩa từ

Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ

một lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Tuỳ theo hãng sản xuất mà các đĩa này được sử

dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới. Số lượng đĩa có thể nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung

lượng và công nghệ của mỗi hãng sản xuất.

Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, đĩa cứng có thể có nhiều đĩa từ, chúng gắn song

song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt động.

- 122 -

Track

Trên một mặt làm việc của đĩa từ chia ra nhiều vòng tròn đồng tâm thành các track.

Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các đĩa nhựa (ghi âm

nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này không có các gờ phân biệt và chúng là

các vòng tròn đồng tâm chứ không nối tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track

trên ổ đĩa cứng không cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp

thấp ổ đĩa (low format ).

Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm tra bằng các

phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block) thì có nghĩa là phần cơ của nó đã

rơ rão và làm việc không chính xác như khi mới sản xuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp

thấp cho nó để tương thích hơn với chế độ làm việc của phần cơ

Sector

Trên track chia thành những phần nhỏ bằng các đoạn hướng tâm thành các sector. Các sector là

phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu. Theo chuẩn thông thường thì một sector chứa

dung lượng 512 byte.

Số sector trên các track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, các ổ đĩa cứng đều

chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track bằng nhau.

Bảng sau cho thấy các khu vực với các thông số khác nhau và sự ảnh hưởng của chúng đến tốc

độ truyền dữ liệu của ổ cứng Các khu vực ghi dữ liệu của ổ đĩa cứng Hitachi Travelstar 7K60

2,5".

Khu vực Số

sector/track Số

byte/track

Tốc độ truyền dữ liệu

(MBps)

0 720 368.640 44,24

1 704 360.448 43,25

- 123 -

2 696 356.352 42,76

3 672 344.064 41,29

4 640 327.680 39,32

5 614 314.368 37,72

6 592 303.104 36,37

7 556 284.672 34,16

8 528 270.336 32,44

9 480 245.760 29,49

10 480 245.760 29,49

11 456 233.472 28,02

12 432 221.184 26,54

13 416 212.992 25,56

14 384 196.608 23,59

15 360 184.320 22,12

Cylinder

Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặt đĩa khác nhau thành các

cylinder. Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên làm việc tại một track nào

thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa còn lại mà các đầu đọc còn lại đang làm việc

tại đó gọi là cylinder (cách giải thích này chính xác hơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu

- 124 -

đọc khác nhau có khoảng cách đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo).

Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa từ.

Trục quay

Trục quay là trục để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực tiếp với động cơ quay

đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động cơ đến các đĩa từ.

Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như hợp kim nhôm) và được chế tạo

tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai

lệch nhỏ có thể gây lên sự rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá

trình đọc/ghi không chính xác.

Đầu đọc/ghi

Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn dây (giống như nam

châm điện). Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt

hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc

được thiết kế nhỏ gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới.

Đầu đọc trong đĩa cứng có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ

hoá lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu.

Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn

hoặc bằng hai lần số đĩa (nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng 3 mặt).

Cần di chuyển đầu đọc/ghi

Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó. Cần có nhiệm vụ di

chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng cách nhất định, dịch chuyển và

định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay).

Các cần di chuyển đầu đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên

một trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt (trên và dưới nếu

là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động cùng vị trí tương ứng ở các bề mặt

đĩa còn lại.

Sự di chuyển cần có thể thực hiện theo hai phương thức:

• Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động.

• Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ.

- 125 -

Hoạt động

Giao tiếp với máy tính

Toàn bộ cơ chế đọc/ghi dữ liệu chỉ được thực hiện khi máy tính (hoặc các thiết bị sử

dụng ổ đĩa cứng) có yêu cầu truy xuất dữ liệu hoặc cần ghi dữ liệu vào ổ đĩa cứng. Việc thực

hiện giao tiếp với máy tính do bo mạch của ổ đĩa cứng đảm nhiệm.

Ta biết rằng máy tính làm việc khác nhau theo từng phiên làm việc, từng nhiệm vụ mà

không theo một kịch bản nào, do đó quá trình đọc và ghi dữ liệu luôn luôn xảy ra, do đó các tập

tin luôn bị thay đổi, xáo trộn vị trí. Từ đó dữ liệu trên bề mặt đĩa cứng không được chứa một

cách liên tục mà chúng nằm rải rác khắp nơi trên bề mặt vật lý. Một mặt khác máy tính có thể

xử lý đa nhiệm (thực hiện nhiều nhiệm vụ trong cùng một thời điểm) nên cần phải truy cập đến

các tập tin khác nhau ở các thư mục khác nhau.

Như vậy cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo tuần

tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt đĩa từ, đó

là đặc điểm khác biệt nổi bật của ổ đĩa cứng so với các hình thức lưu trữ truy cập tuần tự (như

băng từ).

Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ, CPU sẽ đòi hỏi dữ liệu (nó

sẽ hỏi tuần tự các bộ nhớ khác trước khi đến đĩa cứng mà thứ tự thường là cache L1-> cache L2

->RAM) và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ liệu chứa trên nó. Không đơn thuần như vậy CPU

có thể đòi hỏi nhiều hơn một tập tin dữ liệu tại một thời điểm, khi đó sẽ xảy ra các trường hợp:

1. Ổ đĩa cứng chỉ đáp ứng một yêu cầu truy cập dữ liệu trong một thời điểm, các yêu cầu

được đáp ứng tuần tự.

2. Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu theo phương thức riêng của

nó.

Trước đây đa số các ổ đĩa cứng đều thực hiện theo phương thức 1, có nghĩa là chúng chỉ

truy cập từng tập tin cho CPU. Ngày nay các ổ đĩa cứng đã được tích hợp các bộ nhớ đệm

(cache) cùng các công nghệ riêng của chúng (TCQ, NCQ) giúp tối ưu cho hành động truy cập

dữ liệu trên bề mặt đĩa nên ổ đĩa cứng sẽ thực hiện theo phương thức thứ 2 nhằm tăng tốc độ

chung cho toàn hệ thống.

Đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa

Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động: Chuyển động quay

của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc.

Sự quay của các đĩa từ được thực hiện nhờ các động cơ gắn cùng trục (với tốc độ rất lớn: từ

3600 rpm cho đến 15.000 rpm) chúng thường được quay ổn định tại một tốc độ nhất định theo

- 126 -

mỗi loại ổ đĩa cứng.

Khi đĩa cứng quay đều, cần di chuyển đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt phủ

vật liệu từ theo phương bán kính của đĩa. Chuyển động này kết hợp với chuyển động quay của

đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bề mặt đĩa. Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu

đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện trường để đọc dữ liệu (và tương ứng: phát ra một điện

trường để xoay hướng các hạt từ khi ghi dữ liệu). Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa.

Việc thực hiện phân bổ dữ liệu trên các đĩa được thực hiện nhờ các mạch điều khiển trên bo

mạch của ổ đĩa cứng.

Các công nghệ sử dụng ổ đĩa cứng

S.M.A.R.T

S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) là công nghệ tự động giám

sát, chuẩn đoán và báo cáo các hư hỏng có thể xuất hiện của ổ đĩa cứng để thông qua BIOS, các

phần mềm thông báo cho người sử dụng biết trước sự hư hỏng để có các hành động chuẩn bị

đối phó (như sao chép dữ liệu dự phòng hoặc có các kế hoạch thay thế ổ đĩa cứng mới).

Trong thời gian gần đây S.M.AR.T được coi là một tiêu chuẩn quan trọng trong ổ đĩa cứng.

S.M.A.R.T chỉ thực sự giám sát những sự thay đổi, ảnh hưởng của phần cứng đến quá trình lỗi

xảy ra của ổ đĩa cứng (mà theo hãng Seagate thì sự hư hỏng trong đĩa cứng chiếm tới 60% xuất

phát từ các vấn đề liên quan đến cơ khí): Chúng có thể bao gồm những sự hư hỏng theo thời

gian của phần cứng: đầu đọc/ghi (mất kết nối, khoảng cách làm việc với bề mặt đĩa thay đổi),

động cơ (xuống cấp, rơ rão), bo mạch của ổ đĩa (hư hỏng linh kiện hoặc làm việc sai).

S.M.A.R.T không nên được hiểu là từ "smart" bởi chúng không làm cải thiện đến tốc độ

làm việc và truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng. Người sử dụng có thể bật (enable) hoặc tắt (disable)

chức năng này trong BIOS (tuy nhiên không phải BIOS của hãng nào cũng hỗ trợ việc can

thiệp này).

Ổ cứng lai

Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) là các ổ đĩa cứng thông thường được gắn thêm các phần bộ

nhớ flash trên bo mạch của ổ đĩa cứng. Cụm bộ nhớ này hoạt động khác với cơ chế làm việc

của bộ nhớ đệm (cache) của ổ đĩa cứng: Dữ liệu chứa trên chúng không bị mất đi khi mất điện.

Trong quá trình làm việc của ổ cứng lai, vai trò của phần bộ nhớ flash như sau:

• Lưu trữ trung gian dữ liệu trước khi ghi vào đĩa cứng, chỉ khi máy tính đã đưa các dữ

liệu đến một mức nhất định (tuỳ từng loại ổ cứng lai) thì ổ đĩa cứng mới tiến hành ghi

dữ liệu vào các đĩa từ, điều này giúp sự vận hành của ổ đĩa cứng tối hiệu quả và tiết

kiệm điện năng hơn nhờ việc không phải thường xuyên hoạt động.

• Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đọc dữ liệu từ bộ nhớ flash nhanh hơn so

với việc đọc dữ liệu tại các đĩa từ.

- 127 -

• Giúp hệ điều hành khởi động nhanh hơn nhờ việc lưu các tập tin khởi động của hệ

thống lên vùng bộ nhớ flash.

• Kết hợp với bộ nhớ đệm của ổ đĩa cứng tạo thành một hệ thống hoạt động hiệu quả.

Những ổ cứng lai được sản xuất hiện nay thường sử dụng bộ nhớ flash với dung lượng khiêm

tốn ở 256 MB bởi chịu áp lực của vấn đề giá thành sản xuất. Do sử dụng dung lượng nhỏ như

vậy nên chưa cải thiện nhiều đến việc giảm thời gian khởi động hệ điều hành, dẫn đến nhiều

người sử dụng chưa cảm thấy hài lòng với chúng. Tuy nhiên người sử dụng thường khó nhận ra

sự hiệu quả của chúng khi thực hiện các tác vụ thông thường hoặc việc tiết kiệm năng lượng

của chúng.

Hiện tại (2007) ổ cứng lai có giá thành khá đắt (khoảng 300 USD cho dung lượng 32 GB) nên

chúng mới được sử dụng trong một số loại máy tính xách tay cao cấp. Trong tương lai, các ổ

cứng lai có thể tích hợp đến vài GB dung lượng bộ nhớ flash sẽ khiến sự so sánh giữa chúng

với các ổ cứng truyền thống sẽ trở lên khác biệt hơn.

Thông số và đặc tính

Dung lượng

Dung lượng ổ đĩa cứng (Disk capacity) là một thông số thường được người sử dụng nghĩ đến

đầu tiên, là cơ sở cho việc so sánh, đầu tư và nâng cấp. Người sử dụng luôn mong muốn sở hữu

các ổ đĩa cứng có dung lượng lớn nhất có thể theo tầm chi phí của họ mà có thể không tính đến

các thông số khác.

Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) × (số cylinder) × (số

đầu đọc/ghi).

Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo các đơn vị dung lượng cơ bản thông thường: byte, kB

MB, GB, TB.Theo thói quen trong từng thời kỳ mà người ta có thể sử dụng đơn vị nào, trong

thời điểm năm 2007 người người ta thường sử dụng GB. Ngày nay dung lượng ổ đĩa cứng đã

đạt tầm đơn vị TB nên rất có thể trong tương lai – theo thói quen, người ta sẽ tính theo TB.

Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách có lợi (theo cách tính 1 GB =

1000 MB mà thực ra phải là 1 GB = 1024 MB) nên dung lượng mà hệ điều hành (hoặc các

phần mềm kiểm tra) nhận ra của ổ đĩa cứng thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn

đĩa (ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường chỉ đạt khoảng 37-38 GB).

Tốc độ quay của ổ đĩa cứng

Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm (viết tắt của từ tiếng Anh: revolutions

per minute) số vòng quay trong một phút. Tốc độ quay càng cao thì ổ càng làm việc nhanh do

chúng thực hiện đọc/ghi nhanh hơn, thời giam tìm kiếm thấp.

Các tốc độ quay thông dụng thường là:

• 3.600 rpm: Tốc độ của các ổ đĩa cứng đĩa thế hệ trước.

- 128 -

• 4.200 rpm: Thường sử dụng với các máy tính xách tay mức giá trung bình và thấp trong

thời điểm 2007.

• 5.400 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5” sản xuất cách đây 2-3 năm; với các ổ

đĩa cứng 2,5” cho các máy tính xách tay hiện nay đã chuyển sang tốc độ 5400 rpm để

đáp ứng nhu cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn.

• 7.200 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời gian hiện tại (2007)

• 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng trong các máy tính cá

nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI

Các thông số về thời gian trong ổ đĩa cứng

Thời gian tìm kiếm trung bình

Thời gian tìm kiếm trung bình (Average Seek Time) là khoảng thời gian trung bình (theo mili

giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder này đến một cylinder khác ngẫu nhiên

(ở vị trí xa chúng). Thời gian tìm kiếm trung bình được cung cấp bởi nhà sản xuất khi họ tiến

hành hàng loạt các việc thử việc đọc/ghi ở các vị trí khác nhau rồi chia cho số lần thực hiện để

có kết quả thông số cuối cùng. Thông số này càng thấp càng tốt.

Thời gian tìm kiếm trung bình không kiểm tra bằng các phần mềm bởi các phần mềm không

can thiệp được sâu đến các hoạt động của ổ đĩa cứng.

Thời gian truy cập ngẫu nhiên

Thời gian truy cập ngẫu nhiên (Random Access Time): Là khoảng thời gian trung bình để đĩa

cứng tìm kiếm một dữ liệu ngẫu nhiên. Tính bằng mili giây (ms).

Đây là tham số quan trọng do chúng ảnh hưởng đến hiệu năng làm việc của hệ thống, do đó

người sử dụng nên quan tâm đến chúng khi lựa chọn giữa các ổ đĩa cứng. Thông số này càng

thấp càng tốt.

Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần đây (2007) có thời gian truy cập ngẫu nhiên trong

khoảng: 5 đến 15 ms.

Thời gian làm việc tin cậy

Thời gian làm việc tin cậy MTBF: (Mean Time Between Failures) được tính theo giờ (hay có

thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng). Đây là khoảng thời gian mà nhà sản

xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn định mà sau thời gian này ổ đĩa cứng có thể sẽ xuất hiện

lỗi (và không đảm bảo tin cậy).

Một số nhà sản xuất công bố ổ đĩa cứng của họ hoạt động với tốc độ 10.000 rpm với tham số:

MTBF lên tới 1 triệu giờ, hoặc với ổ đĩa cứng hoạt động ở tốc độ 15.000 rpm có giá trị MTBF

đến 1,4 triệu giờ thì những thông số này chỉ là kết quả của các tính toán trên lý thuyết. Hãy

- 129 -

hình dung số năm mà nó hoạt động tin cậy (khi chia thông số MTBF cho (24 giờ/ngày × 365

ngày/năm) sẽ thấy rằng nó có thể dài hơn lịch sử của bất kỳ hãng sản xuất ổ đĩa cứng nào, do

đó người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số này.

Bộ nhớ đệm

Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer) trong ổ đĩa cứng cũng giống như RAM của máy tính, chúng có

nhiệm vụ lưu tạm dữ liệu trong quá trình làm việc của ổ đĩa cứng.

Độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất hoạt động của ổ đĩa cứng bởi việc

đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộc vào sự di chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được

truyền tới hoặc đi) sẽ được đặt tạm trong bộ nhớ đệm. Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB.

Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8 MB cho các loại ổ đĩa

cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với các ổ đĩa cứng dụng lượng lớn hơn chúng thường sử

dụng bộ nhớ đệm đến 16 MB hoặc cao hơn. Bộ nhớ đệm càng lớn thì càng tốt, nhưng hiệu năng

chung của ổ đĩa cứng sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm có

thể tăng lên nhưng hiệu năng không tăng đáng kể.

Hệ điều hành cũng có thể lấy một phần bộ nhớ của hệ thống (RAM) để tạo ra một bộ

nhớ đệm lưu trữ dữ liệu được lấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu việc xử lý đối với các dữ liệu

thường xuyên phải truy cập, đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng không

ảnh hưởng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của mỗi loại ổ đĩa cứng. Có rất nhiều

phần mềm cho phép tinh chỉnh các thông số này của hệ điều hành tuỳ thuộc vào sự dư thừa

RAM trên hệ thống.

Chuẩn giao tiếp

Các chuẩn giao tiếp của ổ đĩa cứng

Giao tiếp (viết tắt)

Tên tiếng Anh đầy đủ Tốc độ truyền dữ liệu

SCSI Small Computer System Interface

Nhiều loại, xem thêm

Ultra160 SCSI 160 MBps

Ultra320 SCSI 320 MBps

ATA Advanced Max = 133 MBps

- 130 -

Technology Attachment

SATA 150 Serial ATA 150 150 MBps

SATA 300 Serial ATA 300 300 MBps

SATA 600 Serial ATA 600 600 MBps

Có nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau giữa ổ đĩa cứng với hệ thống phần cứng, sự đa dạng này một phần xuất phát từ yêu cầu tốc độ đọc/ghi dữ liệu khác nhau giữa các hệ thống máy tính, phần còn lại các ổ giao tiếp nhanh có giá thành cao hơn nhiều so với các chuẩn thông dụng.

Trước đây, các chuẩn ATA và SATA thế hệ đầu tiên được sử dụng phổ biến trong máy tính cá nhân thông thường trong khi chuẩn SCSI và Fibre Channel có tốc độ cao hơn được sử chủ yếu nhiều trong máy chủ và máy trạm. Gần đây, các chuẩn SATA thế hệ tiếp theo với tốc độ giao tiếp cao hơn đang được sử dụng rộng rãi trong các máy tính cá nhân sử dụng các thế hệ chipset mới.

Bảng dưới đây so sánh các chuẩn ATA thường sử dụng nhiều với ổ đĩa cứng trong thời gian gần đây.

Chuẩn Standard

Phát triển (năm)

Công bố (năm)

Loại bỏ (năm)

PIO Modes

DMA Modes

UDMA Modes

Parallel Speed (MBps)

Serial Speed (MBps)

Đặc tính

ATA-1 1988 1994 1999 02 0 8,33 Hộ trợ lên tới 136.9GB; BIOS issues not addressed

ATA-2 1993 1996 2001 04 02 16,67 Faster PIO modes; CHS/LBA BIOS translation defined

- 131 -

up to 8.4GB; PC-Card

ATA-3 1995 1997 2002 04 02 16,67

SMART; improved signal integrity; LBA support mandatory; eliminated single-word DMA modes

ATA-4 1996 1998 04 02 02 33,33

Ultra-DMA modes; ATAPI Packet Interface; BIOS hỗ trợ tới 136.9GB

ATA-5 1998 2000 04 02 04 66,67 Faster UDMA modes; 80-pin cable with autodetection

ATA-6 2000 2002 04 02 05 100

100MBps UDMA mode; extended drive and BIOS support up to 144PB

ATA-7 2001 2004 04 02 06 133 150 133MBps UDMA mode; Serial ATA

ATA-8 2004 04 02 06 133 150 Phiên bản phụ

SMART = Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology

ATAPI = AT Attachment Packet Interface MB = Megabyte; million bytes GB = Gigabyte; billion bytes PB = Petabyte; quadrillion bytes CHS = Cylinder, Head, Sector LBA = Logical block address PIO = Programmed I/O DMA = direct memory access UDMA = Ultra DMA

- 132 -

Tốc độ truyền dữ liệu

Tốc độ của các chuẩn giao tiếp không có nghĩa là ổ đĩa cứng có thể đáp ứng đúng theo tốc độ của nó, đa phần tốc độ truyền dữ liệu trên các chuẩn giao tiếp thấp hơn so với thiết kế của nó bởi chúng gặp các rào cản trong vấn đề công nghệ chế tạo.

Các thông số sau ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng:

• Tốc độ quay của đĩa từ. • Số lượng đĩa từ trong ổ đĩa cứng: bởi càng nhiều đĩa từ thì số lượng đầu đọc càng lớn,

khả năng đọc/ghi của đồng thời của các đầu từ tại các mặt đĩa càng nhiều thì lượng dữ liệu đọc/ghi càng lớn hơn.

• Công nghệ chế tạo: Mật độ sít chặt của các track và công nghệ ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa (phương từ song song hoặc vuông góc với bề mặt đĩa): dẫn đến tốc độ đọc/ghi cao hơn.

• Dung lượng bộ nhớ đệm: Ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu tức thời trong một thời điểm.

Bảng so sánh sau tốc độ giữa các vùng ở các ổ cứng khác nhau dưới đây sẽ giúp chúng ta nhận ra một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu của ổ đĩa cứng.

Ổ đĩa cứng Ultra-ATA/100 Hitachi (IBM) Deskstar 120GXP

Vùng Sectors/Track Tốc độ quay (vòng/phút)

Tốc độ truyền dữ

liệu (MB/giây)

Vùng ngoài 928 7.200 57,02

Vùng trong 448 7.200 27,53

Trung bình 688 7.200 42,27

Ổ đĩa cứng Maxtor DiamondMax D540X-4G120J6 120GB ATA

Vùng ngoài 896 5.400 41,29

Vùng trong 448 5.400 20,64

Trung bình 672 5.400 30,97

- 133 -

Như vậy ta thấy rằng tốc độ truyền dữ liệu thực sự ở mức trung bình 42,27 MBps ở ổ đĩa có giao tiếp Ultra-ATA/100 (với tốc độ thiết kế truyền dữ liệu 100 MBps) chỉ gần bằng 1/2 so với tốc độ giao tiếp.

Kích thước

Kích thước của ổ đĩa cứng được chuẩn hoá tại một số kích thước để đảm bảo thay thế lắp ráp vừa với các máy tính. Kích thước ổ đĩa cứng thường được tính theo inch (") Kích thước vỏ ngoài các loại ổ đĩa cứng: xem bảng.

Sự sử dụng điện năng

Đa số các ổ đĩa cứng của máy tính cá nhân sử dụng hai loại điện áp nguồn: 5 Vdc và 12 Vdc (DC hoặc dc: Loại điện áp một chiều). Các ổ đĩa cứng cho máy tính xách tay có thể sử dụng chỉ một loại điện áp nguồn 5 Vdc. Các ổ đĩa cứng gắn trong các thiết bị số cầm tay khác có thể sử dụng các nguồn có mức điện áp thấp hơn với công suất thấp.

Điện năng cung cấp cho các ổ đĩa cứng phần lớn phục vụ cho động cơ quay các ổ đĩa, phần còn lại nhỏ hơn cung cấp cho bo mạch của ổ đĩa cứng. Tuỳ từng loại động cơ mà chúng sử dụng điện áp 12V hoặc 5 Vdc hơn (thông qua định mức tiêu thụ dòng điện của nó tại các mức điện áp này). Trên mỗi ổ đĩa cứng đều ghi rõ các thông số về dòng điện tiêu thụ của mỗi loại điện áp sử dụng để đảm bảo cho người sử dụng tính toán công suất chung.

Ổ đĩa cứng thường tiêu thụ điện năng lớn nhất tại thời điểm khởi động của hệ thống (hoặc thời điểm đĩa cứng bắt đầu hoạt động trở lại sau khi tạm nghỉ để tiết kiệm điện năng) bởi sự khởi động của động cơ đồng trục quay các đĩa từ, cũng giống như động cơ điện thông thường, dòng điện tiêu thụ đỉnh cực đại của giai đoạn này có thể gấp 3 lần công suất tiêu thụ bình thường.

Ổ cứng thông thường lấy điện trực tiếp từ nguồn máy tính, với các ổ đĩa cứng ngoài có thể sử dụng các bộ cung cấp điện riêng kèm theo hoặc chúng có thể dùng nguồn điện cung cấp qua các cổng giao tiếp USB.

Các thông số khác

KÍCH THƯỚC VỎ CÁC LOẠI Ổ CỨNG

CAO RỘNG DÀI THỂ TÍCH

Loại 5,25 Dùng trong các máy tính các thế hệ trước

3,25" (82,6mm) 5,75" (146,0mm) 8" (203,2mm) 149,5 ci (2449,9 cc)

1,63" (41,3mm) 5,75" (146,0mm) 8" (203,2mm) 74,8 ci (1224,9 cc)

Loại 3,5”

- 134 -

Thường sử dụng đối với máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ

1,63" (41,3mm) 4" (101,6mm) 5,75" (146,0mm) 37,4 ci (612,5 cc)

1,00" (25,4mm) 4" (101,6mm) 5,75" (146,0mm) 23,0 ci (376,9 cc)

Loại 2,5” Thường sử dụng đối với máy tính xách tay

19,0mm (0,75") 70,0mm (2,76") 100,0mm (3,94") 133,0 cc (8,1 ci)

17,0mm (0,67") -nt- -nt- 119,0 cc (7,3 ci)

12,7mm (0,50") -nt- -nt- 88,9 cc (5,4 ci)

12,5mm (0,49") -nt- -nt- 87,5 cc (5,3 ci)

9,5mm (0,37") -nt- -nt- 66,5 cc (4,1 ci)

8,5mm (0,33") -nt- -nt- 59,5 cc (3,6 ci)

Loại 1,8" hoặc nhỏ hơn dùng trong các thiết bị kỹ thuật số cá nhân

9,5mm (0,37") 70,0mm (2,76") 60,0mm (2,36") 39,9 cc (2,4 ci)

7,0mm (0,28") -nt- -nt- 29,4 cc (1,8 ci)

Loại 1,8" PC Card

8,0mm (0,31") 54,0mm (2,13") 78,5mm (3,09") 33,9 cc (2,1 ci)

5,0mm (0,20") -nt- -nt- 21,2 cc (1,3 ci)

- 135 -

Loại 1,0" Micro Device

5,0mm (0,20") 42,8mm (1,69") 36,4mm (1,43") 7,8 cc (0,5 ci)

Các thông số dưới đây những người sử dụng thường ít chú ý bởi chúng thường không ảnh

hưởng nhiều đến hiệu suất làm việc của ổ cứng. Các thông số này không nên lấy làm chỉ tiêu so

sánh giữa các ổ đĩa cứng trong sự lựa chọn trong sự sử dụng thông thường.

Độ ồn

Độ ồn của ổ đĩa cứng là thông số được tính bằng dB, chúng được đo khi ổ đĩa cứng

đang làm việc bình thường. Ổ đĩa cứng với các đặc trưng hoạt động là các chuyển động cơ khí

của các đĩa từ và cần di chuyển đầu đọc, do đó chúng không tránh khỏi phát tiếng ồn. Do ổ đĩa

cứng thường có độ ồn thấp hơn nhiều so với bất kỳ một quạt làm mát hệ thống nào đang làm

việc nên người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số này. Những tiếng “lắc tắc”

nhỏ phát ra trong quá trình làm việc của ổ cứng một cách không đều đặn được sinh ra bởi cần

đỡ đầu đọc/ghi di chuyển và dừng đột ngột tại các vị trí cần định vị để làm việc. Âm thanh này

có thể giúp người sử dụng biết được trạng thái làm việc của ổ đĩa cứng mà không cần quan sát

đèn trạng thái HDD.

Chu trình di chuyển

Chu trình di chuyển của cần đọc/ghi (Load/Unload cycle) được tính bằng số lần chúng

khởi động từ vị trí an toàn đến vùng làm việc của bề mặt đĩa cứng và ngược lại. Thông số này

chỉ một số hữu hạn những lần di chuyển mà có thể sau số lần đó ổ đĩa cứng có thể gặp lỗi hoặc

hư hỏng. Sau mỗi phiên làm việc (tắt máy), các đầu từ được di chuyển đến một vị trí an toàn

nằm ngoài các đĩa từ nhằm tránh sự va chạm có thể gây xước bề mặt lớp từ tính, một số ổ đĩa

có thiết kế cần di chuyển đầu đọc tự động di chuyển về vị trí an toàn sau khi ngừng cấp điện

đột ngột. Nhiều người sử dụng năng động có thói quen ngắt điện trong một phiên làm việc trên

nền DOS (bởi không có sự tắt máy chính thống) rồi tháo ổ đĩa cứng cho các công việc khác,

quá trình di chuyển có thể gây va chạm và làm xuất hiện các khối hư hỏng (bad block). Chu

trình di chuyển là một thông số lớn hơn số lần khởi động máy tính (hoặc các thiết bị sử dụng ổ

đĩa cứng) bởi trong một phiên làm việc, ổ đĩa cứng có thể được chuyển sang chế độ tạm nghỉ

(stand by) để tiết kiệm điện năng nhiều lần.

Chịu đựng sốc

Chịu đựng sốc (Shock - half sine wave): Sốc (hình thức rung động theo nửa chu kỳ

sóng, thường được hiểu là việc giao động từ một vị trí cân bằng đến một giá trị cực đại, sau đó

lại trở lại vị trí ban đầu) nói đến khả năng chịu đựng sốc của ổ đĩa cứng khi làm việc.

Với các ổ cứng cho máy tính xách tay hoặc các thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân hay các ổ đĩa

cứng ngoài thì thông số này càng cao càng tốt, với các ổ đĩa cứng gắn cho máy tính cá nhân để

bàn thì thông số này ít được coi trọng khi so sánh lựa chọn giữa các loại ổ cứng bởi chúng đã

được gắn cố định nên hiếm khi xảy ra sốc.

- 136 -

Nhiệt độ và sự thích nghi

Tất cả các thiết bị dựa trên hoạt động cơ khí đều có thể bị thay đổi thông số nếu nhiệt độ

của chúng tăng lên đến một mức giới hạn nào đó (sự giãn nở theo nhiệt độ luôn là một đặc tính

của kim loại), do đó cũng như nhiều thiết bị khác, nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình làm việc của ổ đĩa cứng nhất là bên trong nó các chuyển động cơ khí cần tuyệt đối chính

xác. Nhiệt độ làm việc của ổ đĩa cứng thường là từ 0 cho đến 40 độ C, điều này thường phù hợp

với nhiều môi trường khác nhau, tuy nhiên không chỉ có vậy: độ ẩm là yếu tố liên quan và kết

hợp với môi trường tạo thành một sự phá hoại ổ đĩa cứng. Ổ cứng thường có các lỗ (chứa bộ

lọc không khí) để cân bằng áp suất với bên ngoài, do đó nếu như không khí trong môi trường

chứa nhiều hơi nước, sự ngưng tụ hơi nước thành các giọt hoặc đóng băng ở đâu đó bên trong ổ

đĩa cứng có thể làm hư hỏng ổ nếu ta hình dung được tốc độ quay của nó lớn thế nào và khoảng

cách giữa đầu từ với bề mặt làm việc của đĩa từ nhỏ đến đâu. Chính vì vậy trước khi đưa một ổ

đĩa cứng vào làm việc lần đầu tiên (tháo bỏ vỏ nhựa bọc kín nó khi sản xuất) trong thiết bị hoặc

ổ đĩa cứng đã sử dụng được đưa đến từ một môi trường khác đến một nơi làm việc mới (có

nhiệt độ môi trường cao hơn), nên đặt nó vào khoang chứa trong một số thời gian nhất định

trước khi kết nối các dây cấp nguồn và cáp dữ liệu để chúng làm việc.

Thời gian thích nghi đủ lớn để để đảm bảo cho:

1. Các giọt nước bị bay hơi hoặc các cụm băng tuyết biến thành hơi nước và cân bằng với

môi trường bên ngoài.

2. Đảm bảo sự đồng đều về môi trường bên trong và bên ngoài của ổ đĩa cứng, tránh sự

biến đổi (do nhiệt độ thay đổi đột ngột) với các thiết bị cơ khí bên trong khi nhiệt độ của

ổ đĩa cứng tăng lên sau một thời gian hoạt động.

Thời gian thích nghi cần thiết: xem bảng.

Tương tự việc đưa một máy tính xách tay từ ngoài trời ở

xứ lạnh vào trong phòng làm việc ấm áp cũng nên để thời gian chờ

như vậy bởi trong máy tính xách tay cũng có các ổ đĩa cứng - trừ

trường hợp khi ở ngoài trời (xứ lạnh) máy đang hoạt động (đảm

bảo nó không bị đóng băng tuyết bên trong ổ đĩa cứng).

Với nhiệt độ theo bảng ta có thể thấy rằng khí hậu ở Việt Nam

hoặc các nước gần xích đạo khác có nhiệt độ trung bình cao có lẽ

ít cần có thời gian thích ứng trước khi đưa ổ đĩa cứng vào sử dụng

(trừ những vùng có thể có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết như Sa

Pa ở Việt Nam)

Với sự làm mát ổ đĩa cứng, xem thêm phần thông tin thêm của bài.

Các số thông số về sản phẩm

Phần dưới đây giải thích một số thông số khác của các ổ

đĩa cứng. Model: Ký hiệu về kiểu sản phẩm của ổ đĩa cứng, model

có thể được sử dụng chung cho một lô sản phẩm cùng loại có các

đặc tính và thông số giống như nhau. Thông thường mỗi hãng có

một cách ký hiệu riêng về thông số model để có thể giải thích sơ qua về một số thông số trên ổ

Nhiệt độ

trước khi

hoạt động

Thời gian

cần thích

nghi (giờ)

+40°F (+4°C) 13

+30°F (-1°C) 15

+20°F (-7°C) 16

+10°F (-12°C) 17

0°F (-18°C) 18

-10°F (-23°C) 20

-20°F (-29°C) 22

-30°F (-34°C)

hoặc nhỏ hơn 27

- 137 -

đĩa cứng đó. Serial number: Mã số sản phẩm, mỗi ổ đĩa cứng có một số hiệu này riêng. Thông

số này thường chứa đựng thông tin đã được quy ước riêng của hãng sản xuất về thời gian sản

xuất hoặc đơn thuần chỉ là thứ tự sản phẩm khi được sản xuất. Firmware revision: Thông số về

phiên bản firmware đang sử dụng hiện thời của ổ đĩa cứng. Thông số này có thể thay đổi nếu

người sử dụng nâng cấp các phiên bản firmware của ổ đĩa cứng (nhưng việc nâng cấp này

thường rất hiếm khi xảy ra). Một số hãng sản xuất phần mềm có thể sử dụng các thông số trên

của ổ đĩa cứng để nhận dạng tình trạng bản quyền của phần mềm trên duy nhất một máy tính,

tuy nhiên cách này không được áp dụng rộng rãi do

Ứng dụng

Ổ đĩa cứng được sử dụng chủ yếu trên các máy tính như: máy tính cá nhân, máy tính

xách tay, máy chủ, máy trạm…

Với các thiết bị lưu trữ dữ liệu chuyên dụng như: các thiết bị sao lưu dữ liệu tự động hoặc các

thiết bị sao lưu dữ liệu dùng cho văn phòng/cá nhân bán trên thị trường hiện nay đều sử dụng

các ổ đĩa cứng. Khi ổ đĩa cứng có dung lượng ngày càng lớn, chi phí tính theo mỗi GB dữ liệu

rẻ đi khiến chúng hoàn toàn có thể thay thế các hệ thống sao lưu dữ liệu dự phòng trước đây

như: băng từ (mà ưu điểm nổi bật của chúng là chi phí cho mỗi GB thấp).

Ngày nay, một số hãng sản xuất ổ đĩa cứng đã có thể chế tạo các đĩa cứng rất nhỏ. Các ổ đĩa

cứng nhỏ này có thể được sử dụng thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân, thiết bị cầm tay, điện

thoại di động, máy ảnh số, máy nghe nhạc cá nhân, tai nghe không dây, máy quay phim kỹ

thuật số (thay cho băng từ và đĩa quang với ưu thế về tốc độ ghi và sự soạn thảo hiệu ứng tức

thời)... Những thiết bị gia dụng mới xuất hiện đáp ứng nhu cầu của con người cũng được sử

dụng các ổ đĩa cứng như: Thiết bị ghi lại các chương trình ti vi cho phép người sử dụng không

bỏ sót một kênh yêu thích nào bởi chúng ghi lại một kênh thứ hai trong khi người sử dụng xem

kênh thứ nhất, hoặc đặt lịch trình ghi lại khi vắng nhà.

3.2.3.3 §Üa CD - VCD - DVD

Đĩa compact là tấm phẳng tròn có đường kính 12 cm được cấu tạo từ Poly-Carbonat.

Phần tâm của đĩa là lỗ tròn có đường kính là 15 mm, phần trong suốt bên ngoài có đường kính

26 → 33 mm gọi là vùng kẹp đĩa (Clamping area) được dùng để giữ đĩa cố định trên bàn xoay

(Turn table) nhờ vào cần kẹp đĩa trên máy CD. Lớp bao phủ (bốc hơi bề mặt kim loại nhôm) có

bề rộng từ 46mm → 117 mm phản chiếu tia laser.

Đĩa compact disc gồm 3 phần: Phần trong, phần ngoài, phần giới hạn.

- Phần trong là phần "Read in " (dẫn nhập). Đây là nơi chứa bảng nội dung T0C (Table

of contents) của đĩa. Bảng nội dung được dùng để chứa các thông tin bao gồm tổng số thời gian

phát, số các bản nhạc, thời gian dành cho mỗi bản nhạc....

- Phần ngoài cùng của đĩa có bề rộng khoảng 1 mm được gọi là "Read out” (Dẫn xuất),

nơi này dùng để chứa thông tin kết thúc chế độ phát (End of play).

- Phần giới hạn giữa ‘Read in’ và 'Read out' là vùng chương trình (programe area)

dùng để chứa thông tin, chẳng hạn như thông tin âm nhạc và thời gian phát...

- Tín hiệu vào được đổi thành dạng EFM và được ghi trên đĩa theo các chuỗi vệt hố (pít)

với các chiều dài khác nhau, có 9 loại vệt hố khác nhau với chiều dài biến đổi từ 0,87 → 3,18

- 138 -

µm với bề rộng lỗ là 0,5 µm, pit ngắn nhất có chiều dài là 0,87 µm gọi là pít 3T và pit dài nhất

3,18 µm gọi là 11T.

Các hố (pit) này được sắp xếp một cách liên tục để hình thành nên mỗi track, với

khoảng cách giữa các track là 1,6 µm.

Dùng tia laser để đọc dữ liệu trong các hố này, tia sáng laser có tính chất là ánh sáng

đơn sắc (Mono Chromaticity) định hướng mạnh và là chùm tia song song. Các tia sáng phản xạ

tại biên của hố thì không quay trở về theo hướng ban đầu, điều này gây nên hiện tượng giảm số

lượng các tia sáng quay ngược theo đúng hướng. Bằng cách đo số lượng ánh sáng quay trở về

và đổi chúng thành tín hiệu điện, ta sẽ đọc được dữ liệu (data) trên đĩa.

Cấu tạo đĩa compact được minh hoạ như hình 3.21

Hình 3.21: Cấu trúc đĩa CD

Các tín hiệu được ghi trên đĩa dưới dạng các hố ( Pit) có chiều dài khác nhau:

+ Pit ngắn nhất có chiều dài 0,87µm ( bằng 3T)

+ Pit dài nhất có chiều dài 3,18 µm ( bằng 11T)

+ Bề rộng của mỗi Pit 0,5 µm

+ Khoảng cách giữa 2 track 1,6 µm

+ Tốc độ quay của đĩa: Từ 500 vòng/ phút đến 200 Vòng/ phút khi đầu đọc đọc từ trong ra ngoài.

- 139 -

3.2. Xử lý tín hiệu lưu trữ trên đĩa CD – VCD – DVD: Tín hiệu âm thanh tồn tại trên đĩa Compact dưới dạng các bit 0/1 thông qua các pit và

các plat. Tín hiệu âm thanh trước khi ghi lên đĩa là tín hiệu thông tin Analog, nó phải được thực

hiện biến đổi sang tín hiệu số Digital trong hệ thống CD. Tín hiệu sau đó được đóng khung và

thực hiện đan chéo dữ liệu. Việc đan chéo dữ liệu có tác dụng phát hiện và sửa lỗi, mã sửa lỗi

được mã hóa theo thuật toán Reed – Solomon và được xử lý theo cách sắp xếp đan xen. Tín

hiệu được đưa qua tầng biến điệu EFM (biến đổi mã 8 bít thành 14 bit), cộng thêm tín hiệu

đồng bộ kiểu EFM sau đó được ghi lên đĩa dưới các rãnh phân đoạn gọi là các hố (pit) dữ liệu.

* Sơ đồ khối việc xử lý âm thanh trước khi ghi lên đĩa:

Hình 3.22: Quá trình xử lý âm thanh trước khi ghi lên đĩa

* Chức năng các khối:

Biến điệu EFM

Tín hiệu Audio ( analog)

CHL CHR

LPF LPF Lấy mẫu Lấy mẫu

Lượng tử hóa Lượng tử hóa

Mã hóa Mã hóa

Mã hóa sửa sai Reed – Solomon

Sắp xếp lại dữ liệu (Đan chéo dữ liệu)

Đóng khung

Biến đổi EFM

Mã hóa các bít ghép

Tín hiệu ghi lên đĩa

Mã hóa quy tắc

Điều khiển - Hiển thị - C/D

Mã hóa quy tắc

Biến đổi A/D

Đan chéo DL

- 140 -

a. Khối biến đổi A/D:

Bao gồm các công đoạn sau:

- Lấy mẫu

- Lượng tử hóa

- Mã hóa

* Lấy mẫu:

Lấy mẫu là quá trình rời rạc hoá tín hiệu Analog theo miền thời gian. Tần số lấy mẫu là

yếu tố quan trọng trong phương pháp lấy mẫu, tần số lấy mẫu càng cao thì lượng mẫu lấy được

càng nhiều, dạng tín hiệu biến đổi càng giống với thực tế, âm thanh tái tạo càng trung thực. Để

tránh hiện tượng chồng phổ và đảm bảo khi tạo lại tín hiệu từ các mẫu đã lấy mà không bị mất

thông tin thì tần số lấy mẫu phải thỏa mãn định lý Shannon: tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc

bằng 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu: fLM > 2fmax

Phổ tín hiệu âm thanh từ 20Hz- 20KHz, do đó trong CD, người ta lựa chọn tần số lấy

mẫu là 44,1 KHz.

* Lượng tử hóa:

Sau khi thực hiện lấy mẫu, ta thu được các mức tín hiệu rời rạc theo thời gian, sau đó

các mức tín hiệu này được gán các giá trị gián đoạn theo trục tung (chiều biểu diễn biên độ).

Như vậy, lượng tử hoá là thao tác biến trị số biên độ tín hiệu liên tục mà mẫu lấy được thành

dạng sóng tín hiệu không liên tục mà biên độ biến đổi có dạng bậc thang, bằng cách dùng sự t-

ương tự điện áp biên độ dao động hữu hạn không liên tục theo từng quãng thời gian nhất định.

Kết quả lượng tử hoá là biến đổi tín hiệu liên tục về trị số biên độ dao động thành tín hiệu rời

rạc về trị số biên độ dao động nhưng có liên quan đến biên độ dao động ban đầu.

Trong quá trình lượng tử hoá do xảy ra quá trình làm tròn nên sẽ gây ra sai số, sai số

này là không tránh khỏi và chỉ có thể làm giảm bằng cách tăng số mức lượng tử lên. Khi âm

thanh đã được số hoá, sai số này gọi là nhiễu lượng tử hoá hay méo lượng tử hoá.

* Mã hóa:

Mã hoá là thao tác biến trị số mẫu đã lượng tử hoá thành dãy mã. Tổ chức thiết kế âm

thanh quốc tế qui định các thiết bị số sử dụng mã bù 2 gồm 16 bit (216 = 65.536 mức lượng tử

có thể xác định), tương ứng với dải động lý thuyết là D = 201g216 = 92 db.

Quá trình chuyển đổi mã nhị phân tuân theo trật tự quan trọng, bit có nghĩa lớn nhất

(MSB-Most Significant Bit) đứng ở vị trí đầu tiên, bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB-Least

Significant Bit) đứng ở vị trí cuối cùng. Các số nhị phân được sắp xếp theo từng từ, mỗi từ mã

bao gồm 8 bit.

b. Định dạng khung (Frame).

Các tín hiệu kênh phải và kênh trái biến đổi liên tục, song song theo thời gian. Một tín

hiệu được mã hoá với 16 bit được gọi là từ dữ liệu mẫu (Sample data word).

Từ dữ liệu mẫu này được chia làm hai thành phần: thành phần 8 bit trên và thành phần 8

bit dưới; cả hai đều được gọi là "ký tự biểu tượng" (Symbol word). Một "khung" bao gồm 6 từ

dữ liệu mẫu cho kênh trái và 6 từ dữ liệu mẫu cho kênh phải. nghĩa là gồm tổng cộng 24 ký tự

biểu tượng.

- 141 -

Vì tần số lấy mẫu ở hệ thống CD là 44,1 KHz, nên thời gian cần thiết để hoàn thành một

khung là: (1/44.100) x 6 = 136,05 (µsec).

Việc định dạng khung được minh hoạ ở hình 2.6.

1 Symbol word 8bit

0110 1001 0100 0010

LOA LOB

1/44100

1 Sample Data Work (16 bit)

L0 R0 L1 R1 L2 R2 L3 R3 L4 R4 L5 R5

Hình 3.23: Việc định dạng khung dữ liệu

c. Đan chéo dữ liệu:

Trong quá trình chế tạo đĩa và thiết bị, khó đạt được sự chính xác tuyệt đối nên gây ra

lỗi trong quá trình ghi và đọc ảnh hưởng tới chất lượng. Vì vậy phải tìm cách khắc phục. Hiện

nay trong hệ thống CD, người ta sử dụng hệ thống sửa lỗi có tên CIRC (Cross Interleave Reed -

Solomon Code).

Lỗi mã có thể chia làm 2 loại: lỗi đơn (lỗi ngẫu nhiên) và lỗi kép (lỗi chùm). Lỗi đơn do

quá trình sản xuất tạo ra, và lỗi kép (lỗi xảy ra liên tục trên nhiều bit) do đĩa bị xước hay bụi

trong quá trình sử dụng tạo ra. Ngoài ra, những biến đổi điện cơ cũng làm mất tính nhất quán

trong việc ghi tín hiệu số sai khác bit dữ liệu, những dữ liệu này có thể làm dạng Servo bị mất

hoặc bị thiếu trong trường hợp băng từ và trong trường hợp tiếp xúc băng - đầu.

Lỗi ngẫu nhiên có thể xuất hiện trong quá trình điều biến xung mã (PCM– Pulse Code

Modulation) hoặc quá trình điều chế tín hiệu khi nhận một trạng thái nhị phân khác lạ để ngăn

chặn, những từ chẵn lẻ thành lập bởi 8 bit được thêm vào với 24 ký tự âm thanh. Một loại bit

chẵn lẻ là bit phụ được thêm vào với các bit thông tin. Trong kỹ thuật CD, người ta sử dụng 2

hệ thống chẵn lẻ P và Q (P parity & Q parity).

Ví dụ số 9 viết dưới dạng nhị phân là 1001. Đối với hệ thống chẵn lẻ - lẻ thì 1 bít chẵn

lẻ được thêm vào để tạo ra một số lẻ các số 1, bây giờ số 9 được viết lại thành 10011, trong đó

1001 là thông tin tín hiệu còn số 1 còn lại là bit chẵn lẻ. Nếu ta ký hiệu các chữ số nhị phân của

1 Symbol work ( 8bit)

1 Frame 12 Sample data work 6 x 1/ 44100 sec = 136,05 µsec

- 142 -

9 là A, B, C, D thì trạng thái P sẽ là A + B + C + D, nếu trong quá trình tái tạo, bit A không

nhận đúng và nó sẽ được báo hiệu bằng bit chẵn lẻ và phương trình A = P - B - C - D. Chẵn lẻ

Q cũng là 1 kết quả của A + B + C + D và chẵn lẻ P, tuy nhiên nó xác nhận giá trị của mình

bằng cách nhân từng chữ số thành phần với một số không đổi đã biết.

Nhưng mã sửa sai chỉ hiệu quả khi tín hiệu mất một (hoặc cùng lắm là vài bit). Nếu sai

biệt kéo dài, tức là khi lỗi kép (lỗi chùm) xuất hiện, cần phải có thêm một biện pháp khác gọi là

xen kẽ tín hiệu. Cần phải tổ chức sắp xếp lại dữ liệu sao cho lỗi kép trở thành các lỗi đơn và

được sửa theo qui tắc như trên. Sự sắp xếp dữ liệu được gọi là đan xen dữ liệu, gọi tắt là CIRC,

hay mã Reed -Solomon đan xen chéo. Quá trình này được tóm tắt như sau:

Đầu tiên, trong số 6 từ dữ liệu mẫu của mỗi kênh, các từ đánh số chẵn được phân bố

vào đường trễ với thời trễ là 2 khung. Sau đó, 4 ký tự biểu tượng cân bằng Q của mã Solomon

được chèn vào chung với 24 ký tự biểu tượng thuộc khung mới. Tiếp theo, toàn bộ 28 ký tự

mới này lại lần lợt được làm trễ với chu kỳ 4 khung và thời trễ tăng dần theo cấp số cộng, tức là

dữ liệu đến đây đã được phân tán rải rác ở 4x27=108 khung. Sau đó người ta đã thêm 4 ký tự

cân bằng P của mã Solomon để hình thành 1 khung mới gồm 32 ký tự. Dữ liệu được xáo trộn

lần cuối bằng cách làm trễ xen kẽ, nghĩa là cứ cách 1 hàng, dữ liệu lại được làm trễ với thời trễ

là 1 khung.

Như vậy dữ liệu sau khi đã được phân tán sẽ làm cho các lỗi kép (nếu có) trở thành các

lỗi đơn Bây giờ có thể dễ dàng phát hiện và sửa các lỗi này bằng các mã cân bằng P và Q.

d. Tín hiệu điều khiển và hiển thị: ( C&D – Control and Display)

Trong hệ thống CD, các rãnh để ghi tín hiệu không nhìn thấy bằng mắt thường được.

Do đó, vị trí của bản nhạc, nhập đề ..., luôn luôn phải được đại diện bằng các mã. Tín hiệu C

&D được cộng vào là vì mục đích này.

Tín hiệu C&D bao gồm 8 bit, đặt tên kênh cho các bit này lần lượt là P, Q, R, S T, U, V,

W. Hiện nay chỉ có kênh P và Q được sử dụng, việc nghiên cứu các bức ảnh tĩnh mà chiếm chỗ

các kênh còn lại (R, S, T, ...) và dùng các kênh này cho các lĩnh vực khác đang được tiến hành.

Như vậy 1 khung gồm 32 ký tự, kể cả mã sửa lỗi và cộng thêm cả ký tự điều khiển và

hiển thị là 33 ký tự biểu tượng (trong đó 24 từ biểu tượng, 8 biểu tượng sửa sai và 1 biểu tượng

cho điều khiển và hiển thị. Mỗi từ biểu tượng gồm 8 bit).

e. Biến đổi EFM ( Eight to Fourteen Modulation)

Giả sử sau khi mã hoá, tín hiệu sẽ được ghi lên đĩa và trở thành các chuỗi bit 0 và 1. Khi

đọc lại sẽ xảy ra thành phần 1 chiều vì thời gian đọc các chuỗi bit lớn (mất tín hiệu). Để đối

phó với vấn đề này, người ta thực hiện biến điệu EFM.

Quá trình biến đổi EFM là thực hiện chuyển đổi 8 bit dữ liệu thành 14 bit dữ liệu thoả

mãn luật “2 đến l0” bằng cách chèn thêm 3 bit ghép. Quá trình được thực hiện và được cài sẵn

ở máy tính. Luật 2 đến 10 qui định: "Giữa 2 bit 1 liên tiếp nhau bao giờ cũng phải có từ 2 đến

10 bit 0"

Ví dụ: 110000101 không thoả mãn luật "2 đến l0"

01000000000001001 không thoả mãn luật 2 đến 10

100100001001 thoả mãn luật "2 đến l0"

- 143 -

Trong hệ thống CD sử dụng dạng xung ghi NRZI (Non Retum Zero Invened). NRZI có

nghĩa là dạng xung sẽ bị đảo mức tại thời điểm dữ liệu EFM là 1. Do tín hiệu EFM được hình

thành theo luật từ 2 đến 10 bit 0 được kẹp giữa hai bit 1 nên ta dễ dàng thấy dạng xung sẽ đảo

mức với sườn lên hoặc sườn xuống tương ứng với đột biến 0 đến 1 hoặc 1 đến 0 của dữ liệu

EFM.

Ví dụ: ứng với dữ liệu EFM (a ) ta nhận được dạng xung (b).

0 1 000 1 0000 1 00000 1 00 . . . (a)

(b)

Sau biến đổi 8 bit sang 14 bit, sự phối hợp các bit giữa các mảng dữ liệu kề nhau có thể

không thoả mãn luật "2 đến l0". Do đó, trong EFM người ta cộng thêm 3 bit ghép (Merging bit)

để đối phó với vấn đề này.

Ví dụ, khi bit cuối cùng của mảng dữ liệu đứng trước và bit đầu tiên của mảng dữ liệu

tiếp theo đều là "l", thế là sự phối hợp của các bit không còn thoả điều kiện nữa. Lúc này hệ

thống giám sát phát hiện, và 3 bit ghép có giá trị "000" sẽ được điền vào để đáp ứng đúng theo

yêu cầu.

f. Tín hiệu đồng bộ.

Sau khi đã hoàn tất biến điệu EFM người ta cộng thêm tín hiệu đồng bộ khung 24 bít

cùng với 3 bit ghép vào đầu mỗi khung. Tín hiệu đồng bộ này được tạo theo một mẫu mà

không thể lẫn với bất kỳ một tín hiệu nào khác. Nó dùng để nhận dạng điểm bắt đầu của một

khung khi máy đang ở chế độ phát (Play back), đồng thời tín hiệu đồng bộ cũng còn có nhiệm

vụ kiểm soát vận tốc quay của đĩa.

g. Dạng tín hiệu ghi.

Tín hiệu Analog đầu vào qua tiến trình xử lý như ở các phần trên cuối cùng đã thành tín

hiệu Digital, bao gồm một chuỗi các khung, mỗi khung gồm 588 bit hệ thống, và được ghi lên

đĩa dưới hình thức các hố (pit) dữ liệu:

Độ dài của pit dữ liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,9 - 3,3 µm trong 9 bước. Phương thức

này được áp dụng do yêu cầu của biến đổi EFM. Ngoài ra, để phục vụ cho EFM, kỹ thuật NRZI

cũng được sử dụng, theo đó "l" tương ứng với trường hợp đảo mức. Như vậy sự nối tiếp của hai

bit "0" hình thành pit ngắn nhất (shostest pit). và một chuỗi liên tục 10 bit "0" hình thành pit dài

nhất (longest pit). Nếu gọi T là độ dài 1 bit thì độ độ dài 1 pit trong CD tương ứng sẽ là 3T -

1lT.

1FRAME: 588 CHANNEL BIT

M SYNC C&D DATA-

1

CIRC-

Q

DATA-

2

CIRC-

P

SYNC

Nội dung của tín hiệu ghi

SYNC (Synchronous): Tín hiệu đồng bộ.

M (Merging bit): Bit ghép

- 144 -

C&D (Control & Display): Tín hiệu điều khiển và hiển thị.

DATA - 1 , DATA -2 : Tín hiệu dữ liệu .

CIRC- Q, CIRCP- P: Mã cân bằng P, cân bằng Q.

Căn cứ vào sự trình bày trên hình 2.7, số bit trong 1 khung sẽ là:

- Sync. Word = 24 + 3 (bit ghép) = 27 bit

- Control Word = 14 + 3 = 17 bit

- Audio Symbols (L) = (14 + 3). 12 = 204 bit

- Audio Symbols (R) = (14 + 3). 12 = 204 bit

- P Parity = (14 + 3). 4 = 68 bit

- Q Parity = (14 + 3). 4 = 68 bit

588 bit

Thời gian xử lý 1 khung: 136,05 µs ứng với vận tốc dài không đổi 1,25 m/s.

- Tần số xung nhịp khung: FFCK = 1/136,05 MHZ = 7,35 KHz

Thời gian đọc 1 bit: 136,05/588 = 0,231 µs

- Tần số xung nhịp đếm bit: FBCK = 588/136,05 = 4,3218 MHZ

Ở phần Servo, đối với Spindle servo, người ta sẽ dùng tín hiệu FCK để cung cấp cho

tầng chỉnh thô và BCK cung cấp cho tầng chỉnh tinh.

Như vậy thời gian đọc một khung là 136,5 µsec nên độ dài của Pit cho một bit sẽ được

tính toán khoảng chừng 0,3 µm. Do đó, pit ngắn nhất (Shortest pit) cho 3 bits sẽ vào khoảng 0,9

µm và pit dài nhất (Longest pit) cho 11 bits sẽ có độ dài xấp xỉ 3,3 µm.

Qu¸ tr×nh ghi CD – VCD – DVD

Tia Laser được điều khiển theo cường độ sáng bởi bộ biến điệu quang và đến lớp phủ

cảm quang (Photo resist coating), với cường độ sáng phụ thuộc vào mức tín hiệu. Sau đó việc

phủ cảm quang thực hiện sao cho các phần lồi và phần lõm được lưu lại trên các track tín hiệu

của đĩa gốc. Các thấu kính phải luôn được điều chỉnh để hội tụ tia Laser lên lớp phủ cảm quang

tương ứng với chuyển động lên xuống của đĩa gốc.

Việc cắt CD yêu cầu có độ chính xác cao hơn rất nhiều so với đĩa thường. Thêm vào

đó, quá trình tạo đĩa compact sau khi đĩa gốc được phủ lớp cảm quang, nó được tạo khuôn, đĩa

chủ (master disc) được tạo ra, rồi đĩa mẹ được tạo ra từ đĩa chủ... Trong quá trình chế tạo này

có sự khác biệt giữa các đĩa Digital và Analog.

- 145 -

Hình 3.24: Sơ đồ khối khi ghi tín hiệu lên đĩa Compact

Cuối cùng, đĩa compact được tạo ra từ đĩa con bằng cách ép chặt do các pit có bề rộng

là 0,4µm và chiều dài lớn nhất là 3,3µm, khó có thể sao chép chúng bằng cách ép, nén. Thêm

vào đó, sau khi nén ép, người ta bao phủ màn phản xạ và màn bảo vệ. Trên màn phản xạ, người

ta phủ lên lớp nhân theo phương pháp bốc hơi chân không.

Argon Laser

Biến điệu quang

Biến điệu mã xung PCM

Nguồn tín hiệu âm thanh

Các thấu kính ghi

Điều chỉnh vận tốc quay

Laser He-Ne

Hệ thống điều khiển thấu kính

Mạch Servo điều chỉnh động cơ quay đĩa

Motor

Tách tia

Cảm biến quang

Chỉnh hội tụ

Hệ thống cắt đĩa quang học

Đĩa gốc

- 146 -

Qu¸ tr×nh ®äc CD – VCD – DVD

Hình 3.25: Sơ đồ khối máy hát đĩa Compact khi phát.

Chức năng của các khối:

Khối RF:

Nhiệm vụ của khối RF là biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và khuếch đại tín

hiệu này cấp cho khối điều chỉnh và khối xử lý tín hiệu âm thanh.

Khối tách dữ liệu (Data Strobe):

Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu RF-Amp để tách các bit clock giải điều chế EFM

để trả lại mã nhị phân 8 bit của tín hiệu nguyên thủy. Ngoài ra khối tách dữ liệu còn có nhiệm

vụ tách tín hiệu đồng bộ đã được cài sẵn trong quá trình ghi âm tín hiệu lên đĩa Compact.

Khối xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Sinal Processing).

Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối tách dữ liệu cấp cho mạch giải đan xen,

mạch sửa sai và mạch tách mã phụ.

Khối xử lý tín hiệu âm thanh (Audio):

Khối này có nhiệm vụ nhận các mã âm thanh từ khối DSP cấp cho mạch chuyển đổi

D/A (Digital/Analog). Tín hiệu kênh trái (L) và kênh phải (R) ở ngõ ra được lấy ra nhờ mạch

LPF cấp cho ngõ ra Lvà R hoặc khuếch đại Headphone.

Bit clock - Seperatior EFM demodulation

Sync. Sig det

Data Strobe

RAM

Digital Signal Processing

DeInterleave Error correction

Sub – code separation

SYSTEM CONTROL

Loading Sensor

LPF

D/A Converter

LPF

Key matric

Power

Audio L ch

Audio R ch

RF Amp

Focus Servo

Tracking Servo

Sled Servo

Spindle Servo

Spindle motor

Sled motor

Servo

Display

CDM

RF Amp Focus Amp Track Amp

- 147 -

Khối điều chỉnh Servo:

Điều chỉnh vận tốc đĩa quay (Spindle Servo): Khối này nhận tín hiệu phản hồi từ mạch

xử lý tín hiệu số DSP cung cấp điện áp điều khiển vận tốc quay của motor làm quay đĩa. Khối

này phải đảm bảo rằng vận tốc quay của đĩa được biến thiên từ khoảng 500 vòng/phút khi cụm

quang học ở trong cùng và 200 vòng/phút khi cụm quang học ở ngoài cùng.

Điều chỉnh hội tụ (Focus Servo): Khối này nhận tín hiệu từ RF-Amp để điều chỉnh

cuộn dây hội tụ (Focus coil) làm dịch chuyển cụm quang học theo phương đứng.

Điều chỉnh vệt quét (Tracking Servo): Mạch này nhận tín hiệu từ khối RF-Amp cấp

điện áp thay đổi cho cuộn tracking (tracking coil) làm dịch chuyển cụm quang học theo chiều

ngang để đảm bảo tia Laser rơi vào đúng track mà nó đang chạy.

Điều chỉnh vị trí cụm quang học theo phương ngang (Mạch Sled Servo): Mạch Sled

Servo nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều chỉnh vệt quét để đưa ra điện áp điều chỉnh Sled

motor tạo tác động dịch chuyển cụm quang học theo từng bước từ trong ra ngoài. Ngoài ra trên

máy CD còn được trang bị các hệ thống nạp đĩa hoặc đưa đĩa ra ngoài. Toàn bộ quá trình vận

hành của máy được điều khiển bởi khối vi xử lý.

Khối vi xử lý (System Control):

Có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ hệ thống phím ấn, từ các khóa điện báo tình trạng hệ cơ... để ra lệnh điều khiển thích hợp. Ngoài ra khối vi xử lý còn có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu data, clock, giao tiếp với các mạch vi xử lý tín hiệu số, mạch điều chỉnh. Khèi LASER PICKUP

1 Laser bán dẫn:

a. Tia Laser (Laser bán dẫn).

Tên gọi Laser là do thuật ngữ tiếng Anh “Light Amplification of Stimulated Emission

of Radiation”: Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Như vậy Laser là sự phát đi những

bức xạ điện từ được kích thích, những bức xạ này trong vật liệu của dụng cụ do sự phát xạ các

bức xạ cưỡng bức.

Thực tế ta thường gặp 4 loại laser

+ Laser trạng thái rắn.

+ Laser lỏng.

+ Laser khí.

+ Laser bán dẫn.

Ánh sáng phản xạ

- 148 -

b. Laser bán dẫn.

Khi ta phân cực thuận mối nối P-N của một chất bán dẫn, các điện tử và lỗ trống được

khuếch tán qua miền tiếp giáp giữa 2 chất bán dẫn, lúc đó các hạt mang điện thiểu số được kết

hợp với các hạt mang điện đa số. Do đó phát sinh ra một loại ánh sáng tương ứng với độ chênh

lệch về năng lượng. Ánh sáng laser được tạo ra theo phương thức này gọi là laser bán dẫn.

Laser bán dẫn hoạt động theo nguyên lý phát xạ kích thích. Cấu tạo cơ bản trong Laser

có hai mặt phản xạ ở hai đầu lớp tích cực tạo nên một hốc cộng hưởng quang. Phần ánh sáng

phát ra theo chiều dọc của hốc cộng hưởng sẽ bị phản xạ qua lại giữa hai mặt phản xạ. Trong

quá trình di chuyển theo chiều dọc của hốc ánh sáng kích thích các điện tử kết hợp với các lỗ

trống để phóng ra các photon mới. Phần ánh sáng thoát ra theo các phương khác bị thất thoát

dần. Như vậy chỉ có phần ánh sáng phát ra theo chiều dọc mới được khuếch đại.

Mặt sau của Laser được phủ một lớp phản xạ còn mặt trước được cắt nhẵn để một

phần ánh sáng phản xạ còn một phần chiếu ra ngoài.

Hình 3.27: Nguyên lý cấu tạo Laser bán dẫn

Ánh sáng phản xạ dội ra bên trong lỗ trống được cung cấp bởi các mặt kính song song

và trở thành ánh sáng đứng, phát xạ ánh sáng laser sóng dừng.

2 Cụm quang học(Laser pickup hay đầu đọc) : a. Cụm quang học loại 3 tia:

- 149 -

* Laser diode (LD)

Bộ phận này dùng để tạo ánh sáng laser, bước sóng của ánh sáng laser bằng 780nm.

Hình dạng của diode laser: Diode laser có hình dạng 3 chân, trong đó gồm một chân

chung, một chân dành cho diode LD, một chân dành cho diode MD.

- LD (Laser Diode): Dùng để phát tia laser cấp cho cụm quang học và diode MD.

- MD (Monitor Diode - Diode giám sát): Nhận ánh sáng từ Diode laser tới, cấp cho

mạch APC (Automatic Power Control - Tự động điều chỉnh công suất tia sáng).

* Lưới nhiễu xạ (Diffraction Grating):

- 150 -

Khi chùm tia laser được xuyên qua lưới nhiễu xạ, một tia chính và hai tia phụ hình thành bằng cách tận dụng hiện tượng nhiễu xạ của tia laser. * Bán lăng kính và lăng kính phân tia.

Bán lăng kính (half prism) được sử dụng cho phân cực thẳng. Lăng kính phân tia (Beam

Splitter) được sử dụng cho phân cực vòng.

Bán lăng kính cho phép truyền ánh sáng theo tỷ lệ 50% theo hướng truyền đi và 50%

theo hướng vuông góc. Thấu kính phân tia có nhiệm vụ truyền toàn bộ 100% ánh sáng phụ

thuộc vào góc phân cực của ánh sáng. Khi sử dụng ánh sáng phân cực thẳng, giả sử rằng số l-

ượng ánh sáng từ thời điểm mà nó xuyên qua lưới là 100%, nó bị giảm đi 50% do đi qua bán

lăng kính, 25% khi đến Photor Detector theo bán lăng kính một lần nữa. Mặt khác trong việc sử

dụng phân cực vòng, khi góc phân cực thay đổi do sự tán xạ đôi của đĩa, số lượng áng sáng đi

tới Photor Detector bị giảm.

* Thấu kính chuẩn trực (Collimator lens):

Ánh sáng đi qua bán lăng kính hoặc bộ tách tia được sửa dạng thành một chùm tia song

song bởi thấu kính chuẩn trực.

* Phiến đổi hướng (λ/4 Wave lens plate):

Phiến đổi hướng λ/4 được chế tạo bởi tinh thể có tính dị hướng, chiết suất của chúng

thay đổi theo hướng ánh sáng. Ánh sáng đi qua phiến này sẽ bị lệch pha 900 so với thành phần

nguyên thuỷ. Do đó, ánh sáng phân cực thẳng sẽ đổi thành phân cực vòng và ngược lại ánh

sáng phân cực vòng sẽ đổi thành ánh sáng phân cực thẳng.

* Vật kính (Objective Lens):

Thấu kính này được dùng để hội tụ tia laser trên bề mặt đĩa, thấu kính được điều khiển

bởi hai cuộn dây: cuộn Focus và cuộn Tracking, khoảng cách giữa thấu kính và bề mặt đĩa đư-

ợc điều chỉnh bởi cuộn hội tụ. Cuộn dây hoạt động sao cho thấu kính dịch chuyển theo tín hiệu

bề mặt đĩa.

* Thấu kính lõm (Concave Lens):

Thấu kính được dùng để giảm đi ảnh hưởng của sự biến đổi theo chiều dài của đường

dẫn ánh sáng trên photodeteror (bộ tách quang) do sự thay đổi khoảng cách giữa vật kính & bề

mặt đĩa.

* Các thấu kính hình trụ (Cylinder Lens):

Thấu kính này được sử dụng trong khối nhận diện Focus. Tia sáng xuyên qua thấu kính

này ban đầu biến dạng thành hình elip theo chiều dọc, sau đó biến dạng thành vòng tròn và cuối

cùng biến thành elip theo chiều ngang.

Khi khoảng cách giữa vật kính và bề mặt đĩa thay đổi, vị trí này sẽ thay đổi.

- 151 -

* Bộ tách quang (Photo Detector) hay Ma trận diode nhận.

Đối với bộ tách quang hoạt động theo phương thức 3 tia, người ta sử dụng 6 cảm biến,

cấu trúc của bộ tách quang như hình 2.13.

Một tia chính xuyên qua thấu kính hình trụ và rơi vào tổ hợp của các cảm biến A, B , C,

D mà đầu ra có thể nhận diện được sự sai lệch Focus.

Hai tia phụ rơi trên các cảm biến E và F cung cấp cho đầu ra tín hiệu Tracking.

Ngoài ra, dữ liệu ghi trên bề mặt đĩa được lấy ra là tổng các cảm biến A, B, C và D lên

vị trí mà tia chính rơi.

2. Cụm quang học loại 1 tia :

Về cấu trúc cụm quang học loại 1 tia cũng giống như cụm quang học loại 3 tia.

Tuy nhiên do yêu cầu thực tế để tạo ra cụm quang học có tính chất gọn nhẹ để gắn trên

máy CD xách tay, các ổ CD -ROM, người ta chế tạo cụm quang học loại 1 tia, trên đó không sử

dụng lưới nhiễu xạ, do đó ánh sáng laser không bị tách ra 3 tia mà chỉ tạo thành 1 tia hội tụ trên

đĩa, tia sáng phản hồi được đi vào lăng kính hình trụ và tập trung trên ma trận diode.

Trên ma trận diode, người ta không sử dụng 2 diode phụ để nhận diện sai lệch Track mà

chỉ sử dụng 4 diode ở phần trung tâm.

- 152 -

3. Đường đi của tia sáng trong cụm quang học

Hình 3.32: Đường đi của tia sáng trong cụm quang học

- T.A.C: Tracking Attention coil (cuộn dây dịch chuyển vệt)

- T.E.R: Tracking Error (sai lệch track)

Chùm tia laser với bước sóng 780nm được tạo ra từ diode laser, được giữ ổn định cường

độ sáng nhờ mạch APC.

Có 3 loại mạch APC: Dạng mạch APC nằm dưới mạch in chỉ nối lên cụm pickup với

diode laser và monitor diode; Dạng mạch APC nằm trên cụm pickup và trong các CD đời mới;

Toàn bộ mạch APC nằm chung cụm pickup sử dụng công nghệ STM (Công nghệ dán bề mặt).

Chùm tia laser qua lưới tán xạ (Diffraction Grating) để phân thành 3 tia với một tia

chính để đọc tín hiệu và nhận dạng độ hội tụ (Focus), hai tia phụ dùng để xác định đường Track

tạo tín hiệu hiệu chỉnh Tracking. 3 tia được đi qua một bán lăng kính (Half prism) hoặc lăng

kính tách tia, sau đó đi qua hệ thống thấu kính và đến thấu kính hội tụ (Focus len), thấu kính

này dịch chuyển theo phương thẳng đứng để điều chỉnh độ hội tụ của tia laser ở mặt dưới của

đĩa thông qua cuộn hột tụ (Focus coil). Sau khi rọi vào các track ở mặt dưới của đĩa, nó nhận

dạng lỗ (pit) và phần không lỗ (plat) tượng trưng cho các giá trị nhị phân 0/1 mã hoá âm thanh.

3 tia phản hồi đi đến bán lăng kính, đổi phương 900 qua hệ thống thấu kính và hội tụ trên dãy

photo diode.

Trong kiểu 3 tia, người ta sử dụng 6 diode: 4 diode dành cho việc đọc thông tin và điều

chỉnh Focus, 2 diode dành cho việc điều chỉnh Tracking.

Trong chùm tia rọi lên mặt đĩa, tia chính rọi vào track đang đọc, 2 tia phụ rọi vào

khoảng trống giữa các track.

Tia chính đi qua bán lăng kính rọi vào 4 photo diode nằm ở giữa tạo tín hiệu cung cấp

cho: Tín hiệu âm thanh dưới dạng số mã hoá để đưa đến mạch giải mã tạo lại tín hiệu âm thanh.

- 153 -

Đường thứ 2 đi đến mạch Auto Focus tạo tín hiệu điều chỉnh vật kính theo chiều đứng, sao cho

chùm tia được hội tụ trên mặt đĩa.

Hai tia phụ đi qua bán lăng kính rồi tới hai photo diode TRA và TRC tạo ra hai tín hiệu

cấp cho mạch so sánh và tạo điện áp sai lệch Tracking TER sau đó TER đến cấp cho mạch thúc

(Driver) tạo dòng chạy qua cuộn tracking làm dịch chuyển vật kính theo chiều ngang.

4. Mạch APC (Automatic Power Control - Tự động điều chỉnh công suất tia sáng)

Laser diode sử dụng trong CD là loại laser bán dẫn có công suất bức xạ khoảng 3nw, để

tạo ra chùm tia laser có công suất vừa đủ và ổn định người ta sử dụng mạch APC điều khiển

diode laser.

Mạch APC có nhiệm vụ giữ dòng điện qua diode laser là không đổi. Mạch có thể sử

dụng transistor rời hoặc IC.

- Sơ đồ nguyên lý của mạch APC dùng transistor (hình 2.15)

Hình 3.33: Mạch APC sử dụng transistor

Nhiệm vụ các linh kiện:

+ Q4: cấp dòng cho diode laser

+ LD-ON: Lệnh mở nguồn cho diode laser, lệch này từ khối vi xử lý tới, khi đường lệnh

này ở mức cao, diode laser không được cấp dòng khi đường lệnh này ở mức thấp diode laser

được cấp dòng.

+ MD: Monitor diode: Diode giám sát, có nhiệm vụ nhận tín hiệu ánh sáng từ diode

laser để thay đổi cường độ dòng điện qua khối diode laser.

+ LD: Laser diode: cấp ánh sáng cho cụm quang học, ánh sáng này phải được hội tụ

trên bề mặt đĩa:

Khi chân LD-ON ở mức thấp → Q3 dẫn, dòng phân cực từ mass qua Q3, R6, R4 cấp

cho cực B của Q2 → Q2 dẫn, dòng qua R5 tăng → VE Ql tăng làm cho Ql dẫn dòng qua R4

tăng, dẫn tới điện áp tại cực B của Q4 tăng dẫn → cấp dòng cho diode laser.

- 154 -

Nguyên lý ổn định dòng điện qua diode laser. Khi ánh sáng từ diode laser phát ra quá

mạch, điều này sẽ làm cho diode giám sát dẫn mạch, làm cho VB Ql tăng, Q1 dẫn yếu, điện áp

rơi trên hai đầu R4 thấp Q4 dẫn yếu dòng qua điode laser sẽ giảm xuống.

- Khi ánh sáng từ Diode laser phát ra yếu. Diode giám sát dẫn yếu làm cho VB Ql

giảm, Ql dẫn mạnh điện áp rơi trên hai đầu R4 cao Q4 dẫn mạnh dẫn đến dòng qua diode laser

sẽ tăng lên.

Bằng cách như vậy, dòng qua diode laser luôn được ổn định.

* Mạch APC sử dụng IC:

Hầu hết các máy hát đĩa Compacdisc loại mới đều sử dụng mạch APC được tích hợp

trong IC, các IC này có thể gắn trên đầu đọc và luôn được đặt bên cạnh biến trở APC. Dưới đây

minh họa một loại mạch APC sử dụng IC rất thông dụng trên thị trường Việt nam hiện nay đó

là IC CXAL081Q. SƠ đồ như sau được vẽ trên máy SONY-CDP 950.

Sơ đồ mạch APC sử dụng IC

Hình 3.34: Sơ đồ mạch APC sử dụng IC

Giải thích hoạt động của sơ đồ mạch điện

Khi ánh sáng phát ra từ diode laser (LD) mạnh hơn bình thường, MD dẫn mạnh, điện áp

tại chân (6) IC CXA 1081Q thấp hơn bình thường, điều này khiến cho điện áp tại chân (5) IC

CXA1081Q cao hơn bình thường, Q7 dẫn yếu, LD dẫn yếu.

Khi ánh sáng phát ra từ LD yếu hơn bình thường, MD dẫn yếu, chân (6) nhận mức áp

cao hơn bình thường, điều này khiến chân (5) IC đa ra mức thấp hơn bình thường, Q7 dẫn

mạnh, ánh sáng phát từ LD phát ra mạnh hơn.

Chân (29) IC CXA1081Q nhận lệnh đóng mở nguồn cấp cho diode laser (khi chân này

ở mức thấp, LD được cấp nguồn).

Bằng cách này mà dòng điện đi qua điode laser luôn được ổn định.

3.3 Thiết bị đầu cuối di động