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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ HUY BÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THU THANH SỐ THEO CHUẨN HD–RADIO Ngành: Công nghệ Điện tử – Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRƯƠNG VŨ BẰNG GIANG Hà Nội – 2009 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................................i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................ii DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................................iv ĐẶT VẤN ĐỀ........................................................................................................................... 1 Chương 1 Tổng quan công nghệ phát thanh số HD-Radio ........................................ 4 1.1. Lịch sử phát triển.................................................................................................... 4 1.2. Giới thiệu chung về công nghệ phát thanh số HD-Radio ................................ 5 Chương 2 2.1. Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC và FM-IBOC ......... 7 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC ........................................ 7 2.1.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 7 2.1.2. Dạng sóng và phổ tín hiệu ........................................................................... 11 2.1.3. Các mode dịch vụ và các lựa chọn hệ thống ............................................. 15 2.1.4. Kênh logic ....................................................................................................... 15 2.1.5. Các thành phần chức năng........................................................................... 21 2.2. Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh số FM-IBOC. ................................. 26 2.2.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 27 2.2.2. Các dịch vụ và các giao thức........................................................................ 28 2.2.3. Dạng sóng và phổ của tín hiệu .................................................................... 30 2.2.3.1. Phân vùng tần số và quy ước phổ....................................................... 30 2.2.3.2. Hệ thống phát tín hiệu lai..................................................................... 32 2.2.3.3. Dạng tín hiệu lai mở rộng. ................................................................... 34 2.2.3.4. Hệ thống phát toàn bộ tín hiệu số....................................................... 35 2.2.3.5. Tạp âm và những hạn chế khi phát tín hiệu...................................... 38 2.2.4. Cấu hình hệ thống ......................................................................................... 38 2.2.4.1. Các mode dịch vụ .................................................................................. 38 2.2.4.2. Trễ tín hiệu tương tự ............................................................................. 39 2.2.4.3. Mức công suất băng biên...................................................................... 40 2.2.5. Kênh logic ....................................................................................................... 40 2.2.5.1. Đặc tính của các thông số ..................................................................... 40 2.2.5.2. Chức năng của các thông số................................................................. 41 2.2.5.3. Ánh xạ phổ ............................................................................................. 41 2.2.6. Các thành phần chức năng........................................................................... 51 Chương 3 Thiết kế máy thu HD-Radio ........................................................................ 58 3.1. 3.1.1. Xây dựng sơ đồ khối của máy thu HD-Radio.................................................. 58 Sơ đồ khối của máy thu truyền thống ........................................................ 58 3.1.2. 3.2. Sơ đồ nguyên lý của máy thu HD-Radio ................................................... 59 Thiết kế phần cứng của máy thu HD-Radio .................................................... 62 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý thực hiện máy thu HD-Radio......................................... 62 3.2.2. Đầu vào AM/FM – T4260.............................................................................. 63 3.2.3. Bộ biến đổi ADC IF – AFEDRI8201............................................................. 66 3.2.4. Bộ xử lý số băng tần sơ sở – TMS320DRI350............................................. 68 3.2.5. Bộ xử lý âm thanh số..................................................................................... 70 3.2.5.1. Bộ xứ lý âm thanh số 8 kênh – TAS5508 ........................................... 70 3.2.5.2. Bộ xử lý âm thanh số với hiệu ứng 3 chiều – TAS3103A................. 74 3.2.6. Khuếch đại công suất âm thanh .................................................................. 76 3.2.6.1. Bộ khuếch đại công suất ra loa – TAS5121DKD ............................... 76 3.2.6.2. Bộ khuếch đại công suất cho tai nghe – TPA6100A2 ....................... 77 3.2.7. Bộ điều khiển trung tâm – ATmega128L ................................................... 78 3.2.8. Bộ hiển thị thông tin – LCD PG 12864 ........................................................ 81 3.2.9. Mạch nguồn.................................................................................................... 82 3.2.10. Bảng danh sách linh kiện.............................................................................. 83 3.3. Phần mềm điều khiển máy thu HD-Radio....................................................... 84 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 86 i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AAB (Analog Audio Bandwidth) : Độ rộng băng thông âm thanh tương tự AAS (Auxiliary Application Service) : Dịch vụ ứng dụng bổ trợ ADC (Analog-to-Digital Converter) : Bộ biến đổi tương tự số AFE (Analog Front End) : Khối đầu vào tương tự AGC (Automatic gain control) : Điều khiển độ lợi tự động AM (Amplitude Modulation) : Điều biến biên độ BPF (Band Pass Filter) : Bộ lọc thông dải DAC (Digital-to-Analog Converter) : Bộ biến đổi số tương tự DDC (Digital Down Converter) : Bộ biến đổi xuống số hóa DSP (Digital Signal Processing/Processor) : Xử lý tín hiệu số/ Bộ xử lý tín hiệu số FCC (Federal Communications Commission) : Hiệp hội Viễn thông liên bang (Mỹ) FEC (Forward Error Correction) : Sửa lỗi tiến FM (Frequency Modulation) : Điều biến tần số Frequency Synthesizer : Bộ tổng hợp tần số GCS (Ground Conductive Structure) : Cấu trúc dẫn điện trên mặt đất I/O (Input/Output) : Đầu vào đầu ra IBOC (In-Band On-Channel) : Trên băng trong kênh IDS (IBOC Data System ) : Hệ thống dữ liệu IBOC IF (Intermediate Frequency) : Trung tần IF Filter (Intermediate Frequency filter) : Bộ lọc trung tần LDO (Language Dependent Object) : Đối tượng phụ thuộc ngôn ngữ LNA (Low noise amplifier) : Bộ khuếch đại tạp âm thấp MAC (Medium Access Control) : Tầng MAC McBSP (Multichannel Buffered Serial Port) : Cổng nối tiếp đệm đa kênh MF (Medium Frequency) : Tần số trung gian MPS (Main Program Service) : Dịch vụ chương trình chính NAB (National Association of Broadcasters ) : Hiệp hội phát thanh quốc gia NPRM (Notice of Proposed Rulemaking) : Bản thông báo về phát hành luật NSRC (National Radio Systems Committee) : Ủy ban quốc gia về các hệ thống radio OFDM : Ghép kênh theo tần số trực giao OSC (Oscillator) : Bộ tạo dao động OSI (Open Systems Interconnection) : Mô hình kết nối các hệ thống mở PDS (Personal Data Service) : Dịch vụ dữ liệu cá nhân Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio ii PHY (PHYsical, layer protocol) : Giao thức lớp vật lý PIDS (Primary IBOC Data Service) : Dịch vụ dữ liệu IBOC chính QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : Bộ điều biến biên độ vuông góc RBDS (Radio Broadcast Data System) : Hệ thống dữ liệu phát quảng bá radio RF (Radio Frequency) : Tần số vô tuyến S/N (Signal-to-Noise Ratio) : Hệ số tín hiệu trên tạp âm SAP (Service Access Point) : Điểm truy cập dịch vụ SCA (Subsidiary Communications Authorization) : Ủy quyền truyền thông phụ trợ SCCH (System Control Channel) : Kênh điều khiển hệ thống SDU (Service Data Unit) : Khối dữ liệu dịch vụ Sideband : Băng biên SIS (Station Identification Service) : Dịch vụ xác định vị trí THD+N (Total Harmonic Distortion plus Noise) : Méo hòa âm tổng cộng + ồn TI (Texas Instrument) : Hãng linh kiện Texas Instrument VCO (Voltage Controlled Oscillator) : Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VHF (Very High Frequency) : Tần số rất cao DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1. Tổng quan hệ thống IBOC .................................................................................... 6 Hình 2-1. Mô hình phân lớp của AM IBOC......................................................................... 9 Hình 2-2. Sơ đồ khối hệ thống AM IBOC .......................................................................... 10 Hình 2-3. Sơ đồ khối tầng RF (AM IBOC).......................................................................... 11 Hình 2-4. Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC lai ........................................................... 12 Hình 2-5. Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số .................................... 14 Hình 2-6. Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA1 ................................... 18 Hình 2-7. Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA2 ................................... 18 Hình 2-8. Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA3. .................................. 19 Hình 2-9. Ánh xạ phổ của kênh logic trong mode dịch vụ MA4. .................................. 19 Hình 2-10. Các khối chức năng của lớp 1 (AM IBOC) ..................................................... 21 Hình 2-11. Sơ đồ nguyên tắc khối trải tín hiệu.................................................................. 22 Hình 2-12. Sơ đồ nguyên tắc khối điều khiển hệ thống................................................... 23 Hình 2-13. Khối phát tín hiệu OFDM (AM IBOC)............................................................ 23 Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio iii Hình 2-14. Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC lai........................ 25 Hình 2-15. Khối chức năng phát tín hiệu trong hệ thống AM IBOC toàn tín hiệu số . 26 Hình 2-16. Sơ đồ khối tầng RF (FM IBOC)......................................................................... 27 Hình 2-17. Sơ đồ khối hệ thống FM IBOC ......................................................................... 28 Hình 2-18. Mô hình phân lớp của hệ thống FM IBOC ..................................................... 29 Hình 2-19. Các vùng tần số trong chế độ A....................................................................... 31 Hình 2-20. Các vùng tần số trong chế độ B........................................................................ 31 Hình 2-21. Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng thấp ................................................. 32 Hình 2-22. Ánh xạ phổ sóng mang định thời băng cao ................................................... 32 Hình 2-23. Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai .......................................................... 33 Hình 2-24. Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC lai mở rộng .......................................... 34 Hình 2-25. Phổ tín hiệu của hệ thống FM IBOC toàn tín hiệu số ................................... 36 Hình 2-26. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP1............................................................. 42 Hình 2-27. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP2............................................................. 43 Hình 2-28. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP4............................................................. 44 Hình 2-29. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP3............................................................. 44 Hình 2-30. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP5............................................................. 45 Hình 2-31. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP6............................................................. 46 Hình 2-32. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MP7............................................................. 47 Hình 2-33. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS1 ............................................................. 48 Hình 2-34. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS2 ............................................................. 49 Hình 2-35. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS3 ............................................................. 49 Hình 2-36. Ánh xạ phổ trong mode dịch vụ MS4 ............................................................. 50 Hình 2-37. Các khối chức năng của lớp 1 (FM IBOC) ...................................................... 52 Hình 2-38. Khối chức năng phát tín hiệu OFDM (FM IBOC) ......................................... 54 Hình 2-39. Hệ thống truyền dẫn (FM IBOC) ..................................................................... 55 Hình 2-40. Khối chức năng trong phần truyền dẫn của hệ thống FM IBOC lai và FM IBOC lai mở rộng................................................................................................................... 56 Hình 3-1. Sơ đồ khối máy phát radio truyền thống ......................................................... 58 Hình 3-2. Sơ đồ khối máy thu radio truyền thống ........................................................... 58 Hình 3-3. Mô hình hoạt động của hệ thống HD-Radio.................................................... 59 Hình 3-4. Sơ đồ nguyên lý máy thu HD–Radio ................................................................ 60 Hình 3-5. Sơ đồ nguyên lý thực hiện máy thu HD-Radio ............................................... 62 Hình 3-6: Sơ đồ khối IC T4260 ............................................................................................. 64 Hình 3-7. Sơ đồ ứng dụng IC T4260 ................................................................................... 65 Hình 3-8. Sơ đồ khối của AFEDRI8201............................................................................... 67 Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio iv Hình 3-9. Sơ đồ khối ghép nối AFEDRI8201 ..................................................................... 67 Hình 3-10. Sơ đồ khối TMS320DRI300 .............................................................................. 69 Hình 3-11. Sơ đồ khối TMS320DRI350 ............................................................................... 69 Hình 3-12. Sự khác nhau giữa DRI300 và DRI350 ............................................................ 70 Hình 3-13. Sơ đồ khối chức năng của TAS5508................................................................. 73 Hình 3-14. Khuyến cáo cấu hình kênh TAS5508 + TAS5121 ........................................... 73 Hình 3-15. Sơ đồ khối phần cứng TAS3103A .................................................................... 75 Hình 3-16. Sơ đồ khối chức năng của TAS3103A ............................................................. 75 Hình 3-17. Sơ đồ ứng dụng TAS5121 ................................................................................. 76 Hình 3-18. Sơ đồ ứng dụng của TPA6100A2..................................................................... 77 Hình 3-19. Sơ đồ chân ATmega128L................................................................................... 80 Hình 3-20. Màn hình LCD PG 12864-B............................................................................... 81 Hình 3-21. Sơ đồ khối chức năng LCD PG 12864 – B ....................................................... 81 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1. Tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống AM Hybrid........................................ 13 Bảng 2-2. Tóm tắt đặc tính phổ của hệ thống phát toàn số ............................................. 14 Bảng 2-3. Qui định của FCC về phổ tần AM ..................................................................... 15 Bảng 2-4. Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA1.......................... 17 Bảng 2-5. Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA2.......................... 17 Bảng 2-6. Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA3.......................... 17 Bảng 2-7. Các đặc tính của kênh dịch logic trong mode dịch vụ MA4.......................... 17 Bảng 2-8. Tóm tắt dạng phổ của tín hiệu FM Hybrid ...................................................... 33 Bảng 2-9. Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống lai mở rộng.............. 35 Bảng 2-10. Tóm tắt các thông số phổ của tín hiệu trong hệ thống phát toàn tín hiệu số .............................................................................................................................................. 37 Bảng 2-11. Quy định về FCC về phổ tần số FM ................................................................ 38 Bảng 2-12. Các dịch vụ được phép trên hệ thống FM IBOC ........................................... 39 Bảng 3-1. Chức năng các chân của LCD PG 12864-B........................................................ 81 Bảng 3-2. Bảng danh sách linh kiện cho thiết kế máy thu HD-Radio............................ 83 Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự phát triển vượt trội của các phương tiện truyền thông đại chúng khác so với radio, nhưng chúng ta không thể phủ nhận được tác động mạnh mẽ của radio đối với người nghe. Chỉ thua truyền hình về mặt hình ảnh nhưng bù lại những tiện ích của radio thì lớn hơn rất nhiều. Với một chiếc radio gọn nhẹ người ta có thể mang nó đi bất kì đâu và có thể nghe được mọi lúc mọi nơi, thêm vào đó giá cả hợp túi tiền. Chỉ tính sơ số lượng máy điện thoại di động có tích hợp chức năng radio hay các mẫu xe ô tô được lắp radio cũng có thể thấy sức mạnh của radio vẫn là rất lớn. Trong sự phát triển như vũ bão của công nghệ kỹ thuật số vài thập niên trở lại đây, radio cũng có những bước tiến quan trọng nhằm lấy lại thị phần đã mất bởi các phương tiện truyền thông khác. Sự ra đời của radio vệ tinh, radio internet và HDRadio đã đánh mạnh vào thị hiếu của giới trẻ và các yêu cầu chất lượng ngày càng cao của người nghe. Các công nghệ radio kỹ thuật số mới này cung cấp cho người nghe nhiều kênh lựa chọn hơn, chất lượng âm thanh tốt hơn (có thể tương đương chất lượng CD) và các dịch vụ dữ liệu khác. Điều này đã mở ra cuộc cách mạng trong ngành phát thanh, nó là cơ hội lớn để các đài phát thu hút nhiều người nghe hơn và tăng doanh thu. HD-Radio là công nghệ phát thanh mới tiên tiến, là một trong trong những bước tiến lớn nhất trong nhiều thập kỉ qua. Bản quyền HD-Radio là của iBiquity Digital. HDRadio ra đời nhằm mang lại chất lượng âm thanh và nhiều lựa chọn mới cho các đài phát. Công nghệ mới này cho phép các hãng truyền thông sử dụng những sóng hiện tại để đồng thời gửi đi những tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Theo đó, người nghe sẽ chỉ cần một bộ thu thanh cũ là có thể tiếp tục thưởng thức các chương trình mà họ yêu thích. Để nghe âm thanh tốt hơn và có những lựa chọn khác, người dùng sẽ cần một bộ thu thanh mới. Công nghệ mới này cung cấp cho người nghe chất lượng âm thanh FM tương đương với chất lượng CD, còn AM sẽ được nâng cấp lên bằng chất lượng của FM. Một đặc tính của HD-Radio làm nó trở nên phổ biến đó là các thông tin như tên bài hát và nghệ sĩ sáng tác, tình trạng giao thông, cập nhật thời tiết, tin tức và những lời cảnh báo khẩn cấp có thể truyền qua màn hình. HD-Radio dần xuất hiện ở rất nhiều nước trên thế giới, trong đó có Đông Nam Á. Trên khắp nước Mỹ, hơn 1.500 trạm AM và FM đang phát sóng sử dụng công nghệ HD-Radio và có hơn 700 kênh HD2 miễn phí trên sóng FM. HD-Radio xuất hiện lần Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 2 đầu tiên ở Pháp vào tháng 4-2006, ở Thái Lan vào tháng 3-2006, ở Philippines vào tháng 11-2005, và xuất hiện ở nhiều quốc gia nữa như Thụy Sĩ, Brazil, NewZealand … Các hãng điện tử lớn cũng đưa ra các sản phẩm HD-Radio của mình. Các hãng Cambridge, Boston, JVC, Yahama… đều tung ra nhiều model HD-Radio với sự đa dạng về tính năng là giá cả. Hãng Sony cũng đã giới thiệu sản phẩm HD-Radio đầu tiên vào tháng 7-2007. Các hãng sản xuất ô tô cũng đã lắp đặt HD-Radio cho các model mới nhất của mình. Volvo là nhà sản xuất ô tô đầu tiên tại Mỹ ứng dụng công nghệ HD-Radio kỹ thuật số trên hầu hết các mẫu xe. Hãng Ford đã lắp đặt HD-Radio cho model năm 2008, các model 2005-2007 cũng có thể trang bị HD-Radio. Các hãng lớn như Hyundai Corp, BMW AG và Jaguar đã có kế hoạch sử dụng thiết bị này và một số hãng khác cũng đang có kế hoạch tương tự. Lịch sử phát thanh Việt Nam đánh dấu bởi mốc 11h30 phút ngày 7-9-1945, Đài Tiếng nói Việt Nam chính thức cất tiếng chào đời. Nội dung buổi phát thanh đầu tiên bằng tiếng Việt bắt đầu bằng câu: “Đây là Tiếng nói của Việt Nam, phát thanh từ Hà Nội, thủ đô nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà”. Đến nay tất cả các tỉnh, thành phố trên cả nước đều có đài phát thanh riêng. Đài Tiếng nói Việt Nam là đài phát thanh quốc gia, là cơ quan thuộc Chính phủ, cùng với các đài địa phương thực hiện chức năng thông tin, tuyên truyền đường lối, chính sách của Đảng và pháp luật của Nhà nước, góp phần nâng cao dân trí, phục vụ đời sống tinh thần của nhân dân bằng các chương trình phát thanh. Với nhiệm vụ quan trọng như vậy đặt ra yêu cầu cho các đài phát luôn phải không ngừng cải tiến kỹ thuật áp dụng công nghệ tiến tiến để nâng cao chất lượng phát thanh. Công nghệ HD-Radio có nhiều thuận lợi để triển khai tại Việt Nam. Các đài phát hoàn toàn có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có, điều này giúp tiết kiệm chi phí chuyển đổi công nghệ. Không phải cấp thêm giải tần, các đài phát có thể mở thêm nhiều hệ mới trên cùng băng tần đã có. Các đài phát có thể phát song song cả tín hiệu phát thanh kỹ thuật số và tín hiệu phát thanh tương tự. Tần số phát thanh là tài nguyên quốc gia và công nghệ HD-Radio cho phép khai thác hiệu quả tài nguyên này. Việc nâng cao chất lượng phát thanh cũng là yêu cầu cấp bách. Ngày càng nhiều người nghe nhất là giới trẻ yêu cầu chất lượng âm thanh tốt hơn các dịch vụ dữ liệu Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 3 đa dạng phong phú. HD-Radio hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu chất lượng này. Thêm vào đó nghe HD-Radio là miễn phí, người nghe chỉ phải đầu tư thiết bị thu thanh ban đầu. Có thể nói phát thanh số hiện là xu hướng tất yếu trên thế giới vì vậy mà Việt Nam cần sớm nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới này. Hiện nay các thiết bị thu thanh HD-Radio trên thị trường có giá thành vẫn ở mức cao (khoảng 100 đến 200 USD). Việc nghiên cứu quy trình chế tạo máy thu thanh HDRadio ở Việt Nam là cần thiết. Việc nghiên cứu chế tạo thành công làm cho việc ứng dụng công nghệ phát thanh HD-Radio sẽ nhanh chóng thuận lợi và đem lại lợi nhuận. Để thực hiện các mục tiêu trên thì việc nghiên cứu làm chủ công nghệ HD-Radio là rất quan trọng. Là học viên Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, bên cạnh việc hoàn thành chương trình học thì một nhiệm vụ quan trọng nữa đối với Tác giả là nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới vào cuộc sống để đem lại lợi ích cho cộng đồng. Trước các yêu cầu của ngành phát thanh trong nước hiện tại với sự hướng dẫn của TS. Trương Vũ Bằng Giang, Trường Đại học Công nghệ, Tác giả đã thực hiện luận văn “Thiết kế chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio” với mục đích làm chủ được công nghệ HD-Radio để có thể tiến tới lắp ráp sản xuất máy thu HD-Radio tại Việt Nam. Nội dung luận văn gồm: Chương 1: Tổng quan công nghệ phát thanh số HD-Radio Chương 2: Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC và FM-IBOC Chương 3: Thiết kế máy thu HD-Radio Đề tài nằm trong khuôn khổ hợp tác thiết kế và chế tạo máy thu HD-Radio giữa trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và Đài Tiếng nói Việt Nam (VOV). Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 4 Chương 1 Tổng quan công nghệ phát thanh số HD-Radio 1.1. Lịch sử phát triển Vào những năm 90, việc chuyển đổi từ kỹ thuật tương tự sang kỹ thuật số bắt đầu được thực hiện ở các nước phát triển. Trong lĩnh vực truyền dẫn phát sóng, các khu vực châu Âu, Nhật Bản Hàn Quốc và Mỹ tích cực phát triển các hệ thống phát thanh số. Tại Mỹ, bên cạnh xu hướng phát triển phát thanh số qua vệ tinh, xu hướng tận dụng toàn bộ cơ sở hạ tầng của phát thanh, đặc biệt là sử dụng tần số và giấy phép đã có cho nhiều đài tư nhân trên AM và FM được đặc biệt quan tâm. Tiêu chuẩn trên băng trong kênh IBOC được phát triển. Tổ chức US Digital Radio, tiền thân của iBiquity, đưa IBOC ra trình Hiệp hội Viễn thông liên bang FCC của Hoa Kỳ vào 7-101998. Vào 1-11-1999, FCC đã đưa ra bản thông báo về phát hành luật về phát thanh số trên mặt đất. Vào 2-7-2001, Hiệp hội phát thanh quốc gia NAB đưa ra quyết định ủng hộ hệ thống IBOC và khuyến nghị FCC tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo để nhanh chóng thúc đẩy IBOC. Tháng 9-2005, Ủy ban quốc gia về các hệ thống radio NSRC, đã thông qua tiêu chuẩn IBOC trong bộ tiêu chuẩn NRSC-5A. Tiêu chuẩn NRSC-5A xác định các yêu cầu cho phát thanh âm thanh số và dữ liệu kèm theo trên các kênh AM và FM. Tiêu chuẩn này và các tài liệu tham chiếu cũng đưa ra những giải thích chi tiết cho các tiểu hệ thống RF và truyền dẫn, giao vận và dồn kênh dịch vụ. Bản sao của tiêu chuẩn có thể được tải ở địa chỉ http://www.nrscstandards.org Hiện nay tại Hoa Kỳ có hơn 1.500 đài phát thanh HD-Radio. Theo tính đến hết năm 2008 đã có 90% dân số Hoa Kỳ sẽ nghe được HD-Radio. Có hơn 550 đài HD-Radio trên toàn Hoa Kỳ đưa ra hai hay ba kênh trên và ngoài các kênh chính tương tự và số. Trên thế giới, có một số nước cũng đã và đang tiến hành thử nghiệm HD-Radio: • Pháp: 4-2006, Towercast, một tổ chức phát thanh độc lập bắt đầu phát tín hiệu HD-Radio trên sóng 88,2MHz ở Paris, sử dụng hệ thống máy phát công suất thấp của hãng BE. • Thái Lan: 3-2006, Hãng BE lắp đặt một hệ thống HD-Radio cho một đài công cộng hướng tới cộng đồng trên phương tiện công cộng. Theo kế hoạch thực hiện lắp đặt hơn 10000 máy thu trên các xe buýt. Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 5 • Philippines: Đài phát sóng HD-Radio đầu tiên phát sóng ở đây 9-11-2005 trên sóng 105,1MHz và hiện nay đang tiến hành các khảo sát chuyển đổi mạng phát thanh AM và FM sang HD-Radio. • Brazil: Đài Kiss FM ở Sao Paulo phát sóng với tín hiệu HD-Radio vào 2-92005. • Thụy sỹ: Hiện đang tiến hành thử nghiệm phát HD-Radio ở đài 88 Sunshine ở gần Luceme. • New Zealand: Phát thử HD-Radio vào 19-10-2005 trên sóng 106.1MHz của Skytower ở Auckland. Với vùng phủ sóng tới hơn 60% dân số metro Auckland. Về máy thu, từ cuối quý III năm 2006 các máy thu HD đã có mặt nhiều trên thị trường với nhiều chúng loại và giá thành từ 100 đến hơn 200USD. 1.2. Giới thiệu chung về công nghệ phát thanh số HD-Radio IBOC là kỹ thuật cho phép các đài phát thanh cơ hội để chuyển đổi sang phát thanh số từ hệ thống phát thanh tương tự đang sử dụng, đồng thời duy trì các dịch vụ phát thanh hiện tại, và không phải xin thêm băng tần số mới. Người nghe có cơ hội được nghe đài với chất lượng âm thanh cao hơn, được sử dụng nhiều hơn các loại dịch vụ từ hệ thống phát thanh băng MF và VHF. Hệ thống này đã được phát triển bởi hai công ty đó là USA Digital Radio và Lucent. Hiện nay được phát triển bởi iBiquity, đây là công ty đã được thành lập bởi sự hợp nhất của hai công ty trên. Sơ đồ tổng quan của hệ thống IBOC được trình bày trong hình 1-1. Hiện nay để thực hiện hệ thống IBOC có 3 sự lựa chọn: Hai sự lựa chọn áp dụng cho phát thanh FM, một cho phát thanh AM. Hệ thống AM là đơn giản nhất và có nhiều ưu điểm trong việc điều khiển mức công suất đầu ra thích hợp với nhiều mức khác nhau. Hệ thống FM có thể thực hiện theo hai cách là : thứ nhất là kết hợp ở mức thấp hay gọi là hệ thống khuếch đại chung, cách thứ hai là kết hợp ở mức cao hay là sử dụng các bộ khuếch đại riêng cho mỗi tín hiệu. Các ưu điểm của hệ thống IBOC: • Tránh được việc xin thêm băng tần mới cho việc chuyển sang phát thanh số • Tạo ra sự chuyển đổi từ phát thanh tương tự sang phát thanh số Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 6 • Đưa các dịch vụ dữ liệu vào phục vụ khách hàng • Chuyển sang phát thanh số với chi phí thấp • Rất linh hoạt trong việc chuyển đổi, không cần thiết phải chuyển đổi cùng lúc tất cả các trạm phát. • Duy trì dịch vụ hiện tại, không làm thay đổi thói quen của người nghe. • Người nghe có thể được sử dụng thêm nhiều dịch vụ mới nếu có nhu cầu với chi phí đầu tư thấp. Linh hoạt trong việc lựa chọn sản phẩm. Hình 1-1. Tổng quan hệ thống IBOC Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 7 Chương 2 Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC và FM-IBOC 2.1. Cấu trúc và thiết kế hệ thống phát thanh AM-IBOC Việc đưa công nghệ phát thanh số IBOC vào sử dụng nhằm mục đích nâng cao chất lượng dịch vụ cho các hệ phát thanh AM tương tự hiện nay. Các đài phát có thể phát đồng thời tín hiệu tương tự và tín hiệu số và không phải xin thêm băng tần mới. Phương pháp này cũng cho phép các đài phát thanh chuyển hoàn toàn phát thanh số mà không phát theo kiểu Hybrid (Hybrid là hệ thống phát thanh trong đó tồn tại cả tín hiệu tương tự và số) 2.1.1. Giới thiệu Phát thanh AM đăng ký hoạt động ở các tần số với các khoảng cách giữa các tần số 10kHz và băng tần là 20kHz, kết quả là tạo ra giao thoa giữa các băng tần cạnh nhau. Trong suốt khoảng thời gian trong ngày, nhiễu chủ yếu do sóng đất, ban đêm có thêm nhiễu từ sóng trời do phản xạ từ tầng điện ly. Thậm chí ngay khi không bị nhiễu từ các trạm, tín hiệu AM cũng bị suy giảm rất nhiều từ các yếu tố khác nhau. Ảnh hưởng nhiều nhất là cấu trúc dẫn điện trên mặt đất (Ground Conductive Structure – GCS). Các ảnh hưởng này là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi nhanh chóng của biên độ và pha của tín hiệu AM. Không giống như tín hiệu ở tần số cao hơn, suy giảm tín hiệu AM bị ảnh hưởng từng phần vì bước sóng là lớn khi so sánh với các cấu trúc trên mặt đất. Một đặc điểm rất quan trọng của hệ thống phát thanh IBOC là cung cấp một chất lượng âm thanh tốt hơn chất lượng âm thanh của hệ thống hiện tại. Tuy nhiên, điều rất quan trọng là làm thế nào để nhiễu giao thoa giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự là nhỏ nhất. Thiết kế AM IBOC của iBiquity Digital gồm chức năng chính là: mã hóa (cách thức mã hóa để giảm lượng thông tin dư thừa trong tín hiệu âm thanh số, đồng thời giảm tốc độ bit cần thiết theo đó giảm băng thông yêu cầu); mã hóa FEC để chống lỗi tạo ra tín hiệu với độ an toàn cao; trải tín hiệu, tăng khả năng chống lỗi của tín hiệu, đặc biệt là nhóm lỗi (error burst); modem, điều chế và giải điều chế tín hiệu. Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 8 Trong phần sau, chúng ta sẽ tập trung vào phần thiết kế hệ thống và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống thông qua một số các thông số đánh giá quan trọng: thông lượng vào, cường độ tín hiệu và độ trễ. Một số loại hình dịch vụ mà hệ thống AM IBOC có khả năng cung cấp: • Dịch vụ chương trình chính (Main Program Service – MPS): MPS duy trì chương trình phát thanh tương tự hiện tại trong cả hai dạng tương tự và số. Hơn nữa, chương trình chính bao gồm dữ liệu số, dữ liệu này liên qua trực tiếp đến các chương trình âm thanh. • Dịch vụ dữ liệu cá nhân (Personal Data Service – PDS): Không giống như MPS, PDS cho phép người sử dụng lựa chọn dịch vụ dữ liệu mong muốn. Cung cấp các dịch vụ theo yêu cầu, thông tin người dùng có giá trị. • Dịch vụ xác định vị trí (Station Identification Service – SIS): Dịch vụ này cung cấp các thông tin cần thiết để điều khiển và xác định vị trí, cho phép người dùng xác định được đài phát mà mình muốn thu và loại hình dịch vụ mình cần. • Các dịch vụ ứng dụng bổ trợ (Auxiliary Application Service – AAS): Dịch vụ này cho phép các dịch vụ của khách hàng và các ứng dụng của phát thanh số cùng nhau tồn tại. Dịch vụ này có thể thêm vào bất cứ thời điểm nào trong tương lai. Để cung cấp các dịch vụ trên, hệ thống được thiết kế theo giao thức phân lớp. Các Lớp của hệ thống được trình bày trên hình 2-1. Các lớp của giao thức được xây dựng trên cơ sở ISO OSI. Lớp 5: Ứng dụng, nhận các nội dung từ người dùng (chương trình nguồn). Lớp 4: Mã hóa, thực hiện nén và format dữ liệu âm thanh từ các nguồn khác nhau ở đầu vào. Lớp 3: Giao vận, cung cấp một hay nhiều giao thức ứng dụng riêng biệt đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả truyền dẫn của lớp 4. Lớp 2: Dịch vụ, ghép kênh cung cấp khả năng phát hiện lỗi và đánh địa chỉ. Chức năng chính của nó là định dạng dữ liệu nhận từ lớp 3 trong các khung riêng lẻ cho việc xử lý dữ liệu ở lớp 1. Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 9 Lớp 1: Vật lý, cung cấp việc điều chế, FEC, đóng khung, và các thông tin tín hiệu cần thiết để chuyển đổi tín hiệu số nhận được từ lớp cao hơn sang dạng tín hiệu AM IBOC để truyền dẫn trong băng thông MF đã được sắp xếp. Hình 2-1. Mô hình phân lớp của AM IBOC Chúng ta sẽ phân tích kỹ hơn lớp 1 trong hệ thống AM IBOC. Lớp 1, lớp vật lý, truyền dẫn tín hiệu với sự phân loại dựa vào các đặc tính của dịch vụ, mã hóa nguồn, định dạng và ghép chương trình được thực hiện ở các lớp cao hơn. Tuy nhiên hệ thống AM IBOC cung cấp rất nhiều cấu hình khác nhau, gọi là mode dịch vụ. Trong các loại hình dịch vụ này, thông lượng vào và cường độ tín hiệu của kênh logic có thể thay đổi. Do đó sau khi đánh giá được yêu cầu của ứng dụng mong muốn, lớp giao thức cao hơn sẽ lựa chọn mode dịch vụ sao cho phù hợp nhất với định dạng kênh logic. Phần lớn các kênh logic và các mode dịch vụ phản ánh sự mềm dẻo và khả năng thích nghi của hệ thống, hệ thống có khả năng cung cấp đồng thời nhiều lớp âm thanh số và dữ liệu. Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 10 Hình 2-2. Sơ đồ khối hệ thống AM IBOC Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 11 2.1.2. Dạng sóng và phổ tín hiệu Dữ liệu số và âm thanh không thể truyền trực tiếp trên kênh RF, do đó cần phải điều chế tín hiệu lên sóng mang RF. Hệ thống AM IBOC sử dụng kỹ thuật OFDM, mục đích là để làm cho tín hiệu có khả năng chống lỗi, chống nhiễu kênh kề và tạp âm. OFDM là kỹ thuật điều chế song song, dòng dữ liệu được điều chế lên rất nhiều sóng mang truyền đồng thời. OFDM có thể đảm bảo dữ liệu không bị nhiễu giao thoa và chống nhiễu tốt. Băng thông AM hẹp lên dẫn tới kỹ thuật điều chế OFDM được tối ưu hóa với thông lượng vào cao hơn. Kỹ thuật của iBiquity Digital IBOC cho AM sử dụng phương pháp điều chế QAM cho mỗi sóng mang OFDM. Hơn nữa thời gian của một ký hiệu được tối ưu hóa sao cho đảm bảo khoảng thời gian của các xung tạp âm ngắn hơn khoảng thời gian của ký hiệu QAM, đảm bảo tín hiệu số thu được đủ mạnh trong điều kiện thông thường trên một kênh AM. Thiết kế hiện tại thì ký hiệu có độ dài là 5,8ms, khoảng cách giữa các sóng mang OFDM là 181,7Hz. Hình 2-3. Sơ đồ khối tầng RF (AM IBOC) Hệ thống AM IBOC có thể cấu hình theo hai hệ thống: Hệ thống Hybrid (truyền cả tín hiệu số và tương tự) và hệ thống truyền toàn tín hiệu số. Tín hiệu AM tương tự là âm thanh kênh đơn (mono), hệ thống AM IBOC không cung cấp khả năng truyền âm thanh AM lập thể (stereo). Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 12 Trong hệ thống lai (hybrid), sóng mang OFDM được sắp xếp trong băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai ở hai bên biên của tín hiệu tương tự, và ở mức thấp của tín hiệu tương tự trong băng biên thứ 3, được trình bày trên hình 2-4. Mỗi một băng biên có cả hai thành phần băng thấp và băng cao. Hình 2-4. Phổ tín hiệu của hệ thống AM IBOC lai Thông tin trạng thái và thông tin điều khiển được truyền trên sóng mang định thời phụ trên cả hai biên của sóng mang chính. Các sóng mang phụ được chèn vào vùng thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Hai sóng mang phụ thêm vào giữa băng biên thứ nhất và băng biên thứ hai và giữa băng biên thứ hai và băng biên thứ ba trên cả hai biên của sóng mang chính. Các sóng mang phụ này gọi là sóng mang hệ thống dữ liệu IBOC (IBOC Data System – IDS) và được sử dụng cho các ứng dụng có độ trễ thấp, các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp như SIS hay RBDS, các loại dịch vụ này đang được sử dụng trên hệ thống FM. Số lượng sóng mang OFDM trong băng biên thứ hai, băng biên thứ ba và IDS bằng hai lần số lượng sóng mang cần thiết để truyền các giá trị chòm sao QAM. Nguyên nhân là vì toàn bộ tín hiệu số phải duy trì quan hệ góc pha 900 với sóng mang AM, để làm giảm tối thiểu giao thoa đến tín hiệu tương tự khi nó được thu và được tách sóng. Việc định vị trí cho các sóng mang phụ vuông pha với tín hiệu tương tự cũng cho phép việc giải điều chế của sóng mang phụ trên băng biên thứ ba và IDS trong trường hợp tồn tại sóng mang AM mức cao và tín hiệu tương tự. Trong quá trình Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio Trang 13 truyền dẫn, quan hệ pha giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự phải được duy trì. Ta có thể khuếch đại tín hiệu tương tự và tín hiệu số bởi một máy phát hay sử dụng hai bộ khuếch đại riêng biệt cho mỗi loại sau đó kết hợp lại nhưng pha phải đảm bảo duy trì. Công suất tổng cộng của toàn bộ các băng biên mang tín hiệu số, trong trường hợp hệ thống lai, nhỏ hơn một lượng đáng kể so với công suất của tín hiệu AM tương tự. Mức công suất của mỗi sóng mang OFDM, trong băng biên thứ nhất, được xác định trong mối quan hệ với sóng mang tương tự chính không điều chế. Tuy nhiên, mức công suất của sóng mang trên băng biên thứ hai, IDS và băng biên thứ ba là có thể điều chỉnh được. Bảng 2-1. Tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống AM Hybrid Bảng 2-1 tóm tắt các đặc tính phổ của hệ thống lai. Các sóng mang phụ được đánh số từ – 81 đến 81 với sóng mang phụ trung tâm được đánh tương ứng với số 0. Bảng 2-1 liệt kê các giải tần số xấp xỉ, băng thông, mức và loại điều chế cho mỗi băng biên. Trong bảng sóng mang phụ từ 54 đến 56 và từ – 54 đến – 56 không được đưa vào, vì chúng không được truyền để tránh nhiễu giao thoa với tín hiệu kênh kề đầu tiên. Hệ thống có khả năng thực hiện phát thanh số với toàn bộ tín hiệu số. Trong trường hợp này, tín hiệu tương tự được thay thế bởi tín hiệu số trên băng biên thứ nhất với công suất cao hơn. Sóng mang AM không điều chế được giữ lại và băng biên thứ hai được dịch chuyển đến tấn số cao hơn ở trên băng cao của băng biên thứ nhất. Băng biên thứ ba được dịch chuyển đến tần số thấp hơn ở băng thấp của băng biên thứ Thiết kế và chế tạo máy thu thanh số theo chuẩn HD-Radio