Bài giảng Lý thuyết thông tin (Dùng cho ngành Điện - Điện tử)

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 min max;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 2 1 2 3 ...Am m m m= + + +
; 1, 2,3,..ii c v m i v = = trong trường hợp tổng quát max min max min A v v m 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 c Y 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 m AM 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 . 1 2t 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 St P 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 P P 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 1 2 2m m St AM AM St P P P P η = = 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 min A v v m v v − = + , Vm = mA.Vc, Pc_st = Vc2/2, Pm_st = Vm2/2, _AM St AM P P R = , _ _ 1 1 2 2m m St AM AM St P P P P η = = ; 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 1 AB(1 + ksinωst)[cos(ωL - ωc)t – cos(ωL+ ωc)t] (1.2.4) i(t) = 2 1 AB[cos(ωL - ωc)t – cos(ωL + ωc)t + ksinωstcos(ωL - ωc)t - ksinωstcos(ωL + ωc)t] (1.2.5) i(t) = 2 1 AB{cos(ωL - ωc)t – cos(ωL + ωc)t + 2 1 k[sin(ωL - ωc - ωs) t + sin(ωL - ωc + ωs) t] - 2 1 k[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) ω s (ω L - ω c - ω s) (ω L - ω c) (ω L - ω c + ω s) (ω c - ω s) ω c (ω c + ω s) ω L (ω L + ω c - ω s) (ω L + ω c) (ω L + ω c + ω s) B iê n độ Tí n hi ệu đi ều ch ế Tấ n số só n g m an g Tr u n g tầ n Tầ n số da o độ n g 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 dt 0 ω + ∫ t sc tdt 0 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 ω ω ω sin∆ 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 sfceA ωω sin. + } (1.3.9) Khai triển thành chuỗi Fourier phức nhờ hệ số hàm Bessel loại I. Kết quả được : Ufm(t) = A{jo(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 vào R/2 C2 V2 V2 R.F.C V1 V4 D3 D4 R3 C3 C4 R4 x X’ V3' V4' V0 C 1 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 oω V1 (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 +       − 2 2 1 C L ω ω (1.4.8) V1 V2 V2 V1 -V2 V2 V3 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 ω ω 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 : += 1 oω ω δ (1.4.14) Do vậy :       + + = + −+=− δ δδδδω 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 δ ω ω ω ω 2≈− 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 1 aaaaa )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 thíc