Kỹ thuật truyền hình trắng đen

PHẦN 1 KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH TRẮNG ĐEN Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ VÔ TUYẾN TRUYỀN HÌNH 1.1 Nguyên lý chung về vô tuyến truyền hình Mạch ghép Lọc hài PHTK KĐCS CTần Came- -ra KĐTT (AM) Nhân tần KĐại âm tần KĐTT (FM) Nhân tần Đèn chiếu Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của khối máy phát hình 2 1 3 4 5 6 7 ĐCTT (AM): khối điều chế trung tần hình, điều chế biên độ. ĐCTT (FM): khối điều chế trung tần tiếng, điều chế tần số. PHTK: mạch phối hợp trở kháng. Để truyền hình đi xa, trung tâm truyền hình biến những tín hiệu quang của những hình ảnh động thành những tín hiệu điện (gọi tắt là tín hiệu hình ảnh – video), rồi đưa những tín hiệu này cùng với tín hiệu âm thanh đến máy phát để điều chế bằng sóng cao tần cực ngắn (gọi là sóng mang). Tập hợp những tín hiệu này (gọi chung là tín hiệu truyền hình) được bức xạ dưới dạng sóng điện từ qua không gian hoặc truyền bằng cáp đến máy thu. Mỗi hình ảnh được camera ở trung tâm truyền hình phân tích thành khoảng 520.000 phần tử rất nhỏ (gọi là điểm ảnh) mà dưới góc nhìn 1 phút (1/60 độ) hay 1/3438 Radian thì mắt ta không phân biệt được và có cảm giác chúng liền nhau. Các điểm ảnh mang thông tin về độ chói và màu sắc của vật. Sau đó, camera biến đổi độ sáng của từng điểm ảnh thành tín hiệu điện có biên độ điện áp tỉ lệ với độ sáng đó (nhờ bộ biến đổi quang – điện). Đó là quá trình phân tích ảnh ở đài phát. ở máy thu diễn ra quá trình ngược lại. Đó là quá trình khôi phục hay tổng hợp ảnh, biến đổi tín hiệu điện nhận được thành tín hiệu quang, hiện hình ảnh trên màn hình, nhờ bộ biến đổi điện – quang, còn gọi là ống thu hình CRT hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD. Để chùm tia điện tử của ống thu hình do các tín hiệu hình khống chế không chỉ phóng vào một điểm trên màn hình, một hệ thống mạch điện được bố trí để lái chúng từ trái sang phải (gọi là quét ngang hay quét dòng) và lái chúng từ trên xuống dưới (gọi là quét dọc, quét mành hay quét mặt). Để việc quét ở tất cả các máy thu đồng bộ so với ở đài phát, ngoài tín hiệu hình ảnh, đài truyền hình còn phát thêm những tín hiệu điều khiển việc quét ở mỗi dòng, mỗi mành cho đúng (gọi là tín hiệu đồng bộ ngang và dọc); đồng thời cũng phát những tín hiệu xoá dấu để tắt các tia quét ngược ở máy thu không làm lộ ra những vệt trắng trên màn hình; gọi là những xung xoá hồi ngang (xung tắt dòng) và hồi dọc (xung tắt mặt) 1.2. Tiêu chuẩn truyền hình Trên thế giới có nhiều chuẩn truyền hình, trong đó có 3 chuẩn chính và đã trở thành phổ biến là FCC, CCIR và OIRT. Bảng 1.1. Các thông số quan trọng của 3 tiêu chuẩn truyền hình STT THôNG Sô CáC TIêU CHUẩN FCC CCIR OIRT 1 Số dòng quét trong mỗi hình 525 625 625 2 Số hình xuất hiện trong 1s 30 25 25 3 Cách quét Xen kẽ Xen kẽ Xen kẽ 4 Độ rộng dải tần hình 4MHz 5MHz 6MHz 5 Tần số quét ngang (quét dòng) 15.750Hz 15.625Hz 15.625Hz 6 Chu kỳ quét ngang (quét dòng) 63,5 64 64 7 Tần số quét dọc (quét mành) 60Hz 50Hz 50Hz 8 Chu kỳ quét dọc (quét mành) 16,7ms 20ms 20ms 9 Phương pháp điều chế tín hiệu hình Biên độ âm Biên độ âm Biên độ âm 10 Các mức tín hiệu - Đỉnh đồng bộ thành phần so với - Xoá tín hiệu Video - Mức trắng - Mức đen 100% (752,5)% (12,52,5)% (702,5)% 100% (752,5)% (12,52,5)% (702,5)% 100% (752,5)% (12,52,5)% (702,5)% 11 Phương pháp điều chế tín hiệu tiếng Tần số Tần số Tần số 12 Khoảng cách giữa sóng mang hình và tiếng 4,5MHz 5,5MHz 6,5MHz 13 Độ rộng dải tần chung (hình, tiếng) 6MHz 7MHz 8MHz 14 Tần số trung tần hình 45,75 MHz 38MHz 38MHz 15 Tần số trung tần tiếng 41,25MHz 32,5MHz 31,5MHz 16 Trung tần thứ hai của tiếng 4,5MHz 5,5MHz 6,5MHz 17 Khuôn hình b:h 4:3 4:3 4:3 FCC: Federal Communication Commission: Uỷ hội Thông tin Liên bang; được áp dụng đầu tiên ở các nước Mỹ, Canada, Cuba... CCIR: Comité Consultatif International de Radio et Television: Uỷ ban tư vấn Vô tuyến Điện Quốc tế ; được áp dụng đầu tiên ở các nước Đức, áo, Hà Lan, Nam tư... OIRT: Organisation International Radio and Television: Tổ chức Phát thanh và Phát hình Quốc tế được áp dụng đầu tiên ở phần lớn các nước XHCN (cũ) Lấy chuẩn truyền hình trắng đen OIRT (chuẩn để xây dựng hệ màu PAL D/K ở Việt Nam) để phân tích một số thông số đặc trưng của nó. Số dòng quét mỗi hình là 625 Chất lượng hình phụ thuộc vào độ phân giải. Số dòng quét càng nhiều, chất lượng hình ảnh càng đẹp. Do đó, việc chọn số dòng quét mỗi hình phải đủ lớn để đảm bảo sao cho khi mắt người cách màn hình một khoảng bằng 6 chiều cao của hình thì góc tạo bởi mắt người đến 2 dòng liên tiếp trên màn hình phải nhỏ hơn 1 phút (1/60 độ). Có như vậy, mắt ta mới không phân biệt được ranh giới giữa 2 dòng và hình nhìn thấy sẽ mịn, không bị sứa ngang. độ l= 6h h Hình 1.2 Cách xác định số dòng quét trên mỗi hình Từ đó xác định được số dòng quét tương ứng với các chuẩn FCC, CCIR và OIRT lần lượt là 525, 625 và 625. Số hình trong 1s là 25 Người ta chọn số hình trong 1s lớn hơn số hình tương ứng với thời gian lưu ảnh của mắt thì hình sẽ hiện ra liên tục, không gây cảm giác bị gián đoạn. Số hình càng lớn thì càng có cảm giác liên tục. Mắt có thời gian lưu ảnh từ 1/25s – 1/8s. Do đó nếu chọn số hình trong 1s lớn hơn hoặc bằng 25 hình thì đạt yêu cầu. Ngoài ra, cần phải chọn số hình là ước số của tần số mạng điện xoay chiều để tránh hiện tượng hình bị rung, lắc hoặc có vết đen trôi trên màn hình khi bộ lọc nguồn không bảo đảm chất lượng. Tổng hợp các điều kiện trên, các chuẩn truyền hình FCC, CCIR và OIRT chọn số hình trong 1s lần lượt là 30, 25 và 25.(tương ứng với tần số mạng điện xoay chiều lần lượt 60Hz, 50Hz và 50Hz. (Ví dụ: khảo sát tần số chớp tắt f của một bóng đèn, nếu f>25Hz (25lần trong 1s) thì do khả năng lưu ảnh nên mắt người có cảm giác đèn luôn sáng) Các dòng trong một mành được quét xen kẽ Để khắc phục hiện tượng nhấp nháy do cách quét 25 hình (hoặc 30 hình) trong 1s, người ta sử dụng cách quét xen kẽ; lần lượt quét mành lẽ theo thứ tự 1,3,5,7... rồi quét mành chẵn theo thứ tự 2,4,6,8...Như thế, trong một mành chẵn hay một mành lẽ, mỗi dòng chớp sáng (xuất hiện) 25 lần, nhưng 2 dòng kề nhau thuộc 2 mành khác nhau thì xuất hiện 50 lần trong 1s. Nhưng vì khoảng cách giữa 2 dòng rất bé nên mắt không phát hiện được. Kết quả là ta có cảm giác số hình xuất hiện trong 1s tăng gấp đôi, khắc phục được hiện tượng nhấp nháy của hình ảnh trên màn hình. 1 3 5 2 623 4 625 624 622 Bắt đầu quét mành lẽ Bắt đầu quét mành chẵn Quét ngược mành lẽ Quét ngược mành chẵn Hình 1.3 Cách quét xen kẽ trong kỹ thuật truyền hình Tần số quét ngang (quét dòng) là 15.625Hz Với 625 dòng trong 1 hình và quét xen kẽ 25 hình trong 1s thì số dòng quét mà mạch quét ngang quét được trong 1s là: 625 dòng/hình x 25 hình/s = 15.625 dòng/s Do đó tần số quét ngang fH= fd =15.625Hz. Và chu kỳ quét ngang TH= Td =64us C A E D B A E D C B 64 8 56 Iq t Hình 1.3 Dòng quét ngang có dạng răng cưa tuyến tính theo chiều ngang Tần số quét dọc (quét mành) là 50Hz Với cách quét xen kẽ, chu kỳ (thời gian) quét mỗi hình, kể cả quét ngược là TH=1/50 = 20ms (hoặc 1/60=16,7ms chuẩn FCC). Vậy tần số quét mành là fV=50Hz (hoặc 60Hz chuẩn FCC). 6. Tín hiệu hình được điều chế biên độ âm (để chống nhiễu biên độ) điểm trắng nhất của hình tương ứng với biên độ điện áp thấp nhất. + Tín hiệu hình chiếm từ 10% - 71% biên độ tín hiệu Video + Tín hiệu đồng bộ chiếm từ 75% - 100% biên độ tín hiệu Video + Tín hiệu xoá tia quét ngược ở mức 75% biên độ tín hiệu Video. 100% 75% 71% 50% 10% Iq t t V A B Hình 1.4 Một dòng quét AB của tín hiệu hình được điều chế biên độ âm Xung đồng bộ ngang Đen hơn tối đen tối đen Đen nhất Đen vừa xám Trắng Quét ngược Quét thuận Xug xoá ngang 7. Độ rộng dải tần chung của tín hiệu hình và tiếng là 8MHz Trong phổ tần của tín hiệu truyền hình, thực ra dải biên dưới của sóng mang hình đã bị đài phát lọc đi một phần lớn để tiết kiệm dải tần vì 2 biên tần mang thông tin tín hiệu như nhau. Dải biên còn lại là dải biên trên gọi là dải biên cụt (Nyquist) 6,5MHz 8MHz fRF/VID fRF/S f Biên tần trên của tín hình Biên tần dưới của tín hiệu hình AV Hình 1.5 Đặc tính biên tần của tín hiệu cao tần hình 8. Tín hiệu tiếng (âm thanh) được điều chế theo tần số Nhờ điều tần nên âm thanh nghe trung thực hơn; ngoài ra trong máy thu hình kiểu đổi tần tín hiệu trung tần hình và tiếng dễ đi chung với nhau ít nhất cho đến tầng tách sóng hình. Nhờ vậy, tín hiệu tiếng không bị suy giảm hoặc bị méo khi tần số ở tầng đổi tần bị xê dịch. Ngoài ra nó còn giảm được hiện tượng tiếng lẫn vào hình. 9. Khoảng cách giữa sóng mang hình và sóng mang tiếng là 6,5MHz + Tần số sóng mang cao tần tiếng lớn hơn sóng mang cao tần hình fRF/S>fRF/VID và fRF/S - fRF/VID=6,5MHz + Suy ra tần số trung tần hình lớn hơn trung tần tiếng fIF/VID>fIF/S và fIF/VID - fIF/S=6,5MHz 10. Phổ tín hiệu hình: Xác định phổ tần của tín hiệu hình là xác định các thành phần xoay chiều của tín hiệu. Các chi tiết lớn của hình ảnh tương ứng với thành phần tần số thấp và các chi tiết nhỏ tương ứng với thành phần tần số cao. Thành phần thấp nhất của phổ tần được xác định bằng tần số quét dọc. Trong khi đó giới hạn trên của phổ tần được xác định bằng thành phần tần số cao của tín hiệu hình. Hệ thống truyền hình chỉ có thể khôi phục lại được hình ảnh với các chi tiết có kích thước xấp xĩ phần tử ảnh- được xác định bằng ô vuông mà mỗi cạnh bằng chiều rộng của một dòng quét. Tần số cao nhất của phổ tín hiệu hình phụ thuộc vào số dòng quét. Để đạt được độ rõ nét của ảnh càng cao thì số dòng quét càng lớn, kích thước phần tử ảnh càng nhỏ. Lúc đó độ rộng của dải tần hình càng tăng. Sử dụng phương pháp quét xen kẽ sẽ giảm được dải tần này. Ví dụ: Nếu quét liên tục 625 dòng với tỉ lệ khuôn hình 4:3 và số hình trong 1s là 25, (theo chuẩn CCIR va OIRT) thì Số phần tử của ảnh trong 1 dòng: 625 x 4/3 = 833 phần tử. Số phần tử của ảnh trong 1 hình: 625 x 833 = 520.625 phần tử. Số phần tử của ảnh trong 1s (25 hình): 520.625 x 25 = 13 triệu phần tử. Như vậy, tần số cao nhất của tín hiệu hình phải là 13 MHz. Nếu sử dụng phương pháp quét xen kẽ thì tần số mành được nâng lên gấp đôi nên tần số cao nhất của tín hiệu hình giảm xuống một nửa. Nghĩa là fmax=6,5 MHz. fV 3fV nfV fH 2fH 3fH fH+fV fH-fV 2fH+fV f fH+nfV V Hình 1.7 Phổ của tín hiệu hình Phổ của tín hiệu hình được minh hoạ trên hình 1.7. Đó là phổ gián đoạn gồm các hài của tần số quét dọc và các nhóm phổ quanh hài của tần số quét ngang, trong đó hài có bậc càng cao thì biên độ càng bé. Đặc điểm là giữa các nhóm phổ hài tần số quét ngang tồn tại các khoảng trống. Có thể lợi dụng những khoảng trống này để truyền những tín hiệu khác. Trường hợp 2 tín hiệu có cấu trúc phổ như nhau, nếu bố trí các nhóm phổ của tín hiệu thứ hai nằm vào các khoảng trống giữa các nhóm phổ của tín hiệu thứ nhất, thì có thể truyền cả 2 tín hiệu ấy trên một kênh thông tin, sau đó có thể tách chúng ra được. Tính chất này được ứng dụng trong kỹ thuật truyền hình màu. Phổ của tín hiệu màu được sắp đặt vào các khoảng trống của phổ tín hiệu chói. Trong các hệ thống tín hiệu truyền hình đo lường cũng lợi dụng các khoảng trống này để truyền các tín hiệu kiểm tra.