TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ TRÊN SÓNG PHÁT THANH
Hệ thống truyền tín hiệu số trên sóng phát thanh điều biên AM
Từ những năm 1980, nhiều tổ chức khoa học đã tiến hành thử nghiệm truyền dữ liệu trên sóng AM (AMDS - AM Data System) Các thử nghiệm này chứng minh khả năng truyền dẫn đồng thời dữ liệu tốc độ thấp cùng với tín hiệu phát thanh tần số thấp và tần số trung bình Tại đài BBC, một máy phát 198 kHz đã sử dụng điều chế pha của sóng mang để đạt được tốc độ truyền dữ liệu 50 b/s Thử nghiệm sau đó tại Thụy Điển cho thấy vẫn có thể truyền đồng thời các luồng dữ liệu với tốc độ tương tự.
200 b/s nhờ sử dụng điều chế pha ± 15° vào máy phát AM, với độ suy giảm chất lƣợng tín hiệu âm thanh khá nhỏ
Đến năm 1986, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xác định phương pháp mã hóa băng gốc tối ưu, phù hợp với điều kiện lỗi bit của kênh AM trên các băng tần phát thanh thấp, trung bình và cao.
Vào năm 1994, nhiều hệ thống thử nghiệm đã được thực hiện tại các đài phát thanh truyền hình ở Đức, Pháp, Hà Lan và Vương quốc Anh, đồng thời chú trọng đến việc ban hành các đặc tính kỹ thuật cho hệ thống truyền dữ liệu trên sóng AM, do EBU tiên phong Những đặc tính này chủ yếu liên quan đến việc mã hóa băng gốc cho phát quảng bá dữ liệu ở tần số LF, MF và HF Hầu hết các thử nghiệm đều sử dụng phương thức điều chế pha, cho phép tốc độ bit lên tới 200 b/s Tại Đức, một tổ chức chính phủ đã xây dựng các đặc tính kỹ thuật cho hệ thống AMDS, và EBU đã sử dụng chúng để mở rộng các đặc tính kỹ thuật của hệ thống AMDS thời kỳ đó.
Vào năm 1995, tổ công tác 10A của ITU-R đã đề xuất khuyến nghị ITU BS.706-1 cho AMDS, nhưng phương pháp điều chế được sử dụng không tương thích với phát sóng đơn biên (SSB), một hình thức phát sóng ngày càng phổ biến trong phát thanh truyền hình HF Hơn nữa, AMDS cũng không tương thích với hệ thống AM stereo đang được áp dụng tại Mỹ Do đó, AMDS dần bị lãng quên trong nghiên cứu, và hiện tại gần như không có máy thu tương thích, ngoại trừ một số mẫu thử nghiệm TMC và DGPS tại các tần số LF và MF ở Đức Đối với phát sóng HF, phương thức truyền sóng sử dụng một vài băng tần.
HF truyền sóng ban ngày bị ảnh hưởng bởi các thay đổi trong điều kiện truyền sóng của tầng điện ly giữa ngày và đêm AMDS có thể thu hút sự chú ý nếu SSB không gây trở ngại Năm 1996, nhiều lựa chọn thay thế đã được nghiên cứu, trong đó có hệ thống RBDS tại Mỹ và hệ thống ID logic tại Hồng Kông.
Các tính năng của AMDS được phát triển dựa trên các đặc tính kỹ thuật của EBU, lấy cảm hứng từ các tính năng của RDS như AF, DGPS, IH, RT, TDC và TMC Những tính năng mới bao gồm ATI, thông tin dò sóng cơ bản và chuyển mạch, cùng với thông tin lập lịch (SI và SIS) và thông tin thời gian (UTC).
SI và SIS dựa trên tính năng EON của RDS cung cấp dữ liệu lập trình cho các máy thu, cho phép lưu trữ trong bộ nhớ Tính năng này được thiết kế cho các ứng dụng HF, nơi việc thay đổi tần số và chương trình có thể diễn ra trong khoảng thời gian từ 15 phút đến 1 giờ.
Vào năm 1996, các thử nghiệm trên dải tần LF, MF và HF đã được tiến hành cho các máy phát tại châu Âu Đặc biệt, Đức đã thử nghiệm TMC trên máy phát LF ở tần số 153 kHz, trong khi Na Uy thực hiện thử nghiệm DGPS trên hai máy phát khác nhau.
MF có vùng phủ sóng là các khu vực ven biển, và Đức cũng tiến hành thử nghiệm hệ thống DGPS trên một máy phát 756 kHz
Tính đến thời điểm này, có một số các mốc đánh dấu quan trọng sau đã hoàn hành:
+ Tháng 10/1994: Nhóm nghiên cứu của ITU 10 đã phát hành một báo cáo về phát thanh AM số
+ Tháng 11/1994: Tại Berlin, Deutsche Telekom đã tiến hành thử nghiệm đầu tiên trên sóng MF, sử dụng SKYWAVE 2000 của Thomcast
+ Tháng 2/1995: Một tổ chức của châu Âu đƣợc thành lập để tìm ra một cách tiếp cận hợp nhất
In June 1996, EUREKA approved the new project EU 1559 for digital broadcasting (NADIB), involving key participants such as Deutsche Welle, France's international broadcasting service, Telefunken, Thomcast, Sony, Deutsche Telekom, Teracom, and the Fraunhofer Institute.
+ Tháng 12/1996: Bắt đầu phát thử nghiêm 1 giờ mỗi ngày trên sóng ngắn từ Jülich (Đức)
Vào tháng 4 năm 1997, dự án hợp tác kỹ thuật số vô tuyến (DRM) được thành lập, do VOA (Voice of America) đứng đầu Mục tiêu của dự án là phát triển hệ thống phát thanh kỹ thuật số sóng ngắn, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và duy trì các đặc tính của phát thanh quảng bá sóng ngắn hiện tại.
Vào năm 2010, công ty cổ phần kỹ thuật số iBiquity đã khởi động một dự án thử nghiệm dịch vụ dữ liệu kỹ thuật số AM nhằm phát triển giải pháp truyền dẫn dữ liệu cho các trạm phát thanh AM Dịch vụ này cho phép các trạm phát thanh AM tương tự cung cấp các dịch vụ dữ liệu tương tự như hệ thống RBDS trên sóng FM Đồng thời, dịch vụ dữ liệu kỹ thuật số AM được thiết kế để tương thích với phát quảng bá HD Radio IBOC trên sóng AM, tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.
Tương lai của phát thanh quảng bá LF, MF và HF đang hướng tới việc thay thế phát thanh AM truyền thống bằng các hệ thống vô tuyến kỹ thuật số AM Hệ thống mới này sẽ tích hợp kênh truyền dữ liệu vô tuyến, mang lại các tính năng tương tự như những kênh truyền dữ liệu hiện có, sử dụng các công nghệ tiên tiến trên toàn cầu.
Hệ thống truyền tín hiệu số trên sóng phát thanh điều tần FM
Điều chế tần số, hay còn gọi là điều tần, là phương pháp điều chế mà tần số của sóng mang thay đổi theo tín hiệu âm tần, với biên độ thay đổi giới hạn trong khoảng +150KHz và -150KHz Sự thay đổi tần số sóng còn phụ thuộc vào biên độ của thông tin nguồn.
Tần số sóng mang điều tần có dải thông 300KHz và biến đổi theo biên độ tín hiệu âm tần Trong khi đó, sóng mang giữ biên độ không đổi khi sử dụng mạch điều chế tần số.
Hinh 1.2 Sơ đồ khối điều tần và khuếch đại công suất FM
- Một hệ thống máy phát FM thông thường gồm các khối chính như:
+ Khối khuếch đại công suất cao tần sử dụng đèn bán dẫn
Tín hiệu được truyền từ khối phát qua các giai đoạn như khối điều chế, khối tiền kích và khối khuếch đại cao tần, trước khi đến anten phát Tại khối tiền kích, tín hiệu được khuếch đại với công suất khoảng 1-10W để chuẩn bị cho quá trình khuếch đại cao tần tiếp theo.
Tại đây, tùy thuộc vào công suất của máy phát, tín hiệu đƣợc khuếch đại và truyền qua cáp dẫn sóng ra anten
Nguyên lý phát âm thanh đa âm stereo FM sử dụng mach đa hợp phân tần đƣợc mô tả trong hình 1.3
Hình 1.3 Sơ đồ khối máy phát FM stereo sử dụng mạch đa hợp phân tần [1]
Quá trình phát : Hình 1.3 thực hiện kết hợp các kênh L, R với nhau để tạo thành những kênh L-R, L+R Kênh L-R đƣợc điều biên với tần số sóng mang phụ
Tín hiệu 38 kHz được sử dụng để tạo ra kênh L-R với tần số từ 23 kHz đến 53 kHz Để thuận tiện cho quá trình giải điều biên, kênh L+R cần được làm lệch pha so với kênh L-R Sóng băng tần gốc 19 kHz có khả năng truyền tốt hơn so với sóng mang phụ 38 kHz, do sóng mang phụ 38 kHz rất khó tái tạo trong máy thu Tín hiệu dải gốc toàn phần được đưa vào máy phát.
FM, tại đây nó đƣợc điều biên với sóng mang chính
Phổ tần số FM dải gốc:
Hình 1.4 Phổ tần số FM dải gốc [1]
Phổ tần FM dải gốc bao gồm các kênh âm thanh từ 50 Hz đến 15 kHz, với kênh âm thanh trái (L) và phải (R) được gọi chung là kênh đa âm stereo L+R Ngoài ra, kênh âm thanh trái (L) và phải (R) cũng có thể được phân loại là kênh đa âm stereo L-R.
+ Sóng mang phụ SCA đƣợc kết hợp với những dải biên của nó
+ Kênh L+R đƣợc điều biên với sóng mang phụ 38 kHz để tạo thanh kênh L-
Kênh L-R là dải biên kép với tín hiệu sóng mang đã được loại bỏ, có băng thông từ 23 kHz đến 53 kHz, và chỉ được sử dụng để truyền sóng FM stereo.
+ Dải tần sóng mang phụ nằm trên dải thông từ 60 kHz đến 74 kHz
Thông tin trong dải kênh âm thanh đa ân stereo L+R và L-R tương đồng về nội dung nhưng khác nhau về pha Sóng mang phụ được điều biên trong tất cả các máy thu FM, tuy nhiên chỉ những thiết bị SCA chất lượng cao mới có khả năng giải điều biên sóng mang phụ để tạo ra tần số âm thanh Đối với truyền âm thanh đa âm stereo, độ di tần tối đa là 75 kHz (10%) dành cho sóng mang phụ và 7,5 kHz cho sóng chủ 19 kHz Trong thực tế, độ di tần cần giảm xuống 60 kHz để máy thu đa âm stereo có thể tiếp nhận các kênh L+R và L-R, trong khi các kênh L-R và L+R không cần giới hạn độ di tần ở mức 30 kHz.
Công nghệ mã hóa DTMF, RDS
Công nghệ mã hóa DTMF là hệ thống báo hiệu sử dụng băng thoại tần số để truyền tín hiệu giữa điện thoại và các thiết bị thông tin liên lạc khác qua các trung tâm chuyển mạch Được phát triển lần đầu tiên tại Hoa Kỳ, DTMF hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống truyền thanh không dây tại Việt Nam.
Hình 1.5 Mã hóa đa tần DTMF [13]
Công nghệ mã hóa đa tần DTMF trong hệ thống truyền thanh không dây gặp nhiều hạn chế do cần phải ngắt chương trình để chèn mã điều khiển, điều này làm cho việc áp dụng rộng rãi trở nên khó khăn.
- Công nghệ mã hóa RDS:
Hình 1.6 Mã hóa tín hiệu công nghệ RDS [3]
RDS, viết tắt của Radio Data System, là hệ thống dữ liệu qua sóng phát thanh, cho phép gửi thông tin kỹ thuật số trên các chương trình phát thanh FM Công nghệ RDS chuẩn hóa thông tin truyền đi và thông tin về đài phát thanh, cho phép phát mã liên tục mà không làm gián đoạn chương trình Hệ thống phát thanh FM sử dụng RDS trên băng tần từ 54 MHz đến 108 MHz, nhờ vào những ưu điểm này, công nghệ RDS đang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống phát thanh FM tại Việt Nam.
Hệ thống RDS ( Radio Data System)
Chuẩn RDS lần đầu tiên được giới thiệu để xử lý tín hiệu cho mã hóa RDS ở Châu Âu, trong khi chuẩn RBDS là phiên bản cải biên dành cho Bắc Mỹ Hệ thống RDS hoạt động trên các trạm phát sóng VHF/FM trong dải tần từ 87.5MHz đến 108.0MHz, cho phép truyền tải thông tin cho cả chương trình âm thanh đa âm (stereo) và đơn âm (mono) mà không ảnh hưởng đến chất lượng phát sóng Ngoài ra, hệ thống này còn cho phép các trạm phát sóng truyền thêm hoặc điều khiển từ xa thông tin qua các tín hiệu số được mã hóa, và thông tin này sẽ được nhận và hiển thị trên thiết bị thu tín hiệu.
Hình 1.7 Sơ đồ khối máy phát dùng bộ mã hóa RDS [3]
RDS, khởi nguồn từ Châu Âu, được phát triển đầu tiên tại đây, với ý tưởng ban đầu từ nhà cung cấp dịch vụ truyền hình Pháp Tại Đức, RDS được nghiên cứu và phát triển bởi trung tâm IRT và nhà sản xuất đài thu thanh Blaupunkt Hệ thống này ra đời từ một hệ thống kiểm soát giao thông công cộng (ARI) và hiện đang sử dụng để truyền tải thông tin giao thông cùng với tín hiệu phát thanh FM qua tần số phụ 57kHz.
RDS hoạt động bằng cách chèn dữ liệu số vào tín hiệu băng gốc, giúp giảm thiểu xuyên nhiễu cho các tín hiệu âm tần Phương pháp này sử dụng sóng mang tại các tần số hài của tín hiệu băng gốc, không làm nhiễu tín hiệu trong khi vẫn cho phép truyền dữ liệu với tốc độ thích hợp.
Các thử nghiệm cho thấy sóng mang phụ có độ lệch tối thiểu là ±1 kHz, điều này rất quan trọng để giảm thiểu nhiễu tín hiệu dữ liệu trong các kênh âm thanh của máy thu hiện nay Dưới điều kiện truyền dẫn đa đường, không phát hiện nhiễu từ kênh dữ liệu trong quá trình nghe đài Tuy nhiên, nhiễu ở các kênh âm thanh có xu hướng tăng lên và thường được chọn ở mức ±2 kHz.
Hình 1.8 Phổ của tín hiệu RDS và ARI [3]
Hình 1.8 mô tả chi tiết phổ dữ liệu RDS trong hệ thống ARI, cho thấy rằng hình dạng của phổ tín hiệu RDS không ảnh hưởng đến các tín hiệu ARI RDS sử dụng lược đồ điều chế từng được áp dụng tại Thụy Điển cho hệ thống MBS, với sóng mang phụ 57kHz và phương pháp mã hóa dữ liệu song pha Loại mã hóa và điều chế này tạo ra phổ dạng bậc thang, giúp tín hiệu ARI không bị ảnh hưởng bởi RDS, cho phép hai hệ thống hoạt động song song Điều này cũng đảm bảo tính tương thích với các tín hiệu chương trình âm thanh, do các thành phần xung quanh tần số 57 kHz có thể gây nhiễu xuyên kênh tại các máy thu sử dụng bộ giải mã vòng khóa pha, một kỹ thuật giải điều chế phổ biến hiện nay.
Từ năm 2005, các tiêu chuẩn RDS đã được mở rộng với chức năng thay đổi tần số luân phiên và được công nhận bởi Ủy ban châu Âu cho các tiêu chuẩn kỹ thuật điện CENELEC Tiêu chuẩn CENELEC sau đó bổ sung thêm kênh hội thoại giao thông (Traffic Message Channel) Đến năm 2016, RDS đã được phát hành rộng rãi trên toàn cầu theo tiêu chuẩn IEC 62106.
Vào năm 2012, cộng đồng hệ thống âm thanh quốc gia Hoa Kỳ (US National Radio Systems Committee) đã phát hành phiên bản riêng của hệ thống phát sóng dữ liệu, mang tên RBDS (Radio Broadcast Data System), nhằm phát triển và cải thiện trải nghiệm nghe radio tại Bắc Mỹ.
Cả hai phiên bản RDS và RBDS đều truyền dữ liệu với tốc độ 1187,5 bit/s trên sóng mang phụ 57 kHz, tương ứng với 48 chu kỳ sóng mang trong mỗi bit dữ liệu.
Hệ thống RDS đang được nghiên cứu và áp dụng ngày càng nhiều trong các đài phát thanh truyền hình tại Việt Nam Một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ này là xây dựng hệ thống thiết bị tích hợp kênh điều khiển sử dụng sóng FM, phát triển trên nền tảng công nghệ không dây Điều này mang lại nhiều ưu điểm, giúp cải thiện tính tiện dụng và ổn định cho hệ thống phát thanh, đặc biệt là ở những khu vực có địa hình phức tạp và diện tích rộng như các đài phát thanh ở xã, phường, trị trấn và huyện.
Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống truyền tín hiệu số trên sóng phát thanh điều biên AM và sóng phát thanh điều tần FM, cùng với các công nghệ mã hóa liên quan Đặc biệt, bài viết phân tích nguyên lý phát âm thanh đa âm stereo FM và sơ đồ khối của máy phát FM đa âm stereo Từ đó, nội dung sẽ đi sâu vào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ RDS trong việc chế tạo thiết bị tích hợp kênh điều khiển.
CÔNG NGHỆ RDS VÀ ỨNG DỤNG
Phương thức ghép kênh tín hiệu trong RDS
Hình 2.1 minh họa phổ ghép kênh của tín hiệu phát thanh FM đa âm stereo, trong đó tín hiệu RDS có mức nhỏ và tần số trung tâm nằm ở sóng mang phụ 57 kHz, đại diện cho hài bậc.
3 của tín hiệu băng gốc 19 kHz trong hệ thống điều chế âm thanh đa âm (stereo)
Hình 2.1 Phổ tín hiệu ghép kênh stereo băng gốc stereo với RDS [3]
Tín hiệu băng gốc bao gồm nhiều thành phần quan trọng Đầu tiên, tín hiệu mono với thành phần phổ trái và phải (L+R) được truyền tại tần số dưới 15 kHz Tiếp theo, tín hiệu âm thanh stereo nằm trong dải tần từ 23 đến 53 kHz Tín hiệu L-R được điều chế biên độ, với sóng mang nén tại tần số 38 kHz Ngoài ra, tín hiệu băng gốc tại 19 kHz, là nửa tần số của sóng mang phụ L-R, cũng được truyền để bộ giải điều chế trong máy thu có thể tạo ra sóng mang phụ 38 kHz, từ đó giải mã chính xác tín hiệu L-R.
Thành phần tín hiệu L-R nằm trong dải tần nghe thấy của con người, không bị suy giảm so với tín hiệu âm thanh mono thông thường Việc bổ sung bất kỳ yếu tố mới nào vào quá trình truyền dẫn cần đảm bảo không làm giảm chất lượng tín hiệu đang phát.
Thông tin RDS được truyền tải trên tín hiệu L-R, nằm ở hai dải biên tần bên của sóng mang phụ 57 kHz, tương ứng với tần số gấp ba lần tần số băng gốc Thông tin số này được điều chế pha vào sóng mang phụ thông qua phương pháp điều chế khóa dịch pha vuông góc BPSK.
Đặc tính điều chế của kênh dữ liệu (lớp vật lý)
2.2.1 Tần số sóng mang phụ
Khi phát ở chế độ âm thanh đa âm stereo, tần số sóng mang phụ sẽ được khóa đến hài bậc 3 của tần số 19kHz, tương ứng với 57 kHz, với sai số tối đa cho phép là 19 kHz ± 2Hz và độ di tần là 6 Hz Trong chế độ âm thanh đơn âm mono, tần số của sóng mang phụ cũng duy trì ở mức 57 kHz ± 6 Hz.
2.2.2 Pha của sóng mang phụ
Trong các chương trình phát sóng FM, pha của sóng mang phụ được điều chỉnh để đồng pha hoặc vuông pha với tần số điều hòa 19kHz (tín hiệu băng gốc) Sai lệch pha cho phép là ± 10°, được đo tại đầu vào bộ điều chế của máy phát FM.
- Sơ đồ khối của bộ mã hóa RDS đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 2.3:
Hình 2.3 Sơ đồ khối của bộ mã hóa RDS [5]
Tín hiệu dữ liệu được truyền qua bộ mã hóa và sau đó được điều chế bởi bộ tạo sóng pha Tiếp theo, sóng mang 57 kHz sẽ được điều chế kết hợp với âm thanh trước khi được đưa lên đường truyền vào máy phát khuếch đại và phát ra ăng ten.
- Sơ đồ khối của bộ mã RDS đƣợc mô tả nhƣ hình 2.4:
Hình 2.4 Sơ đồ khối của bộ giải mã RDS [5]
Hình 2.4 trình bày sơ đồ bộ thu sử dụng bộ giải mã RDS, trong đó tín hiệu âm thanh được đưa vào bộ giải mã âm thanh đa âm Một phần tín hiệu sẽ được lọc để tách dữ liệu sóng mang 57kHz, sau đó đưa vào bộ giải mã để khôi phục bảng tin dữ liệu.
2.2.3 Mức của sóng mang phụ Độ lệch của sóng mang FM do sóng mang phụ không đƣợc điều chế từ 1 kHz đến 7.5 kHz Khi thiết lập mức nên đặt ở mức 2 kHz, vì với độ lệch này, mức của các băng tần bên của các sóng mang phụ tương ứng với nửa mức độ lệch đỉnh danh định của 2 kHz Các bộ giải mã hay giải điều chế cũng phải hoạt động tốt khi độ lệch của sóng mang thay đổi trong những giới hạn thời gian không bé hơn 10ms Sai lệch tối đa cho phép là do sự tổng hợp tín hiệu đa kênh là ±75 kHz
Sóng mang phụ được điều chế biên độ với tín hiệu dữ liệu mã hóa 2 pha (BPSK) nhằm triệt sóng mang Phương pháp này ứng dụng từ khóa dịch BPSK với độ lệch phase ±90 độ, sau đó thực hiện nén sóng mang phụ.
- Dữ liệu nguồn tại máy phát đƣợc mã hóa vi sai theo luật sau:
Bảng 2.1 Luật mã hóa vi sai [5] Đầu ra trước
(thời điểm t i-1 ) Đầu vào mới (thời điểm t i ) Đầu ra mới (thời điểm t i )
Bảng 2.1 mô tả luật mã hóa vi sai, trong đó t_i là thời điểm tùy ý và t_i-1 là thời điểm trước đó trong chu kỳ đồng hồ dữ liệu của đoạn tin nhắn, với tần số 1187.5 Hz Khi mức dữ liệu đầu vào là "0", đầu ra không thay đổi; tuy nhiên, khi đầu vào là "1", đầu ra sẽ thay đổi trạng thái.
- Ở phía máy thu, dữ liệu lại đƣợc giải mã theo quá trình ngƣợc lại:
Bảng 2.2 Giải mã vi sai [5] Đầu vào trước
(thời điểm t i-1 ) Đầu vào mới (thời điểm t i ) Đầu ra mới (thời điểm t i )
2.2.6 Dạng phổ của kênh dữ liệu
Công suất tín hiệu dữ liệu tại tần số 57 kHz được tối thiểu hóa bằng cách mã hóa từng bit dữ liệu nguồn thành ký tự song pha, nhằm giảm thiểu nhiễu xuyên âm trong vòng khóa pha của bộ giải mã âm thanh stereo Sau đó, cặp xung này được đưa qua bộ lọc thông thấp để tạo ra dạng sóng.
H T (f) có đáp tuyến biên độ nhƣ hình 2.5 để định dạng tín hiệu và hạn chế phổ Bộ lọc này có đặc tính sau [5]:
Hình 2.5 Đáp tuyến biên độ bộ lọc định dạng dữ liệu tại máy phát, máy thu [5]
Dạng phổ của tín hiệu dữ liệu vô tuyến đƣợc mã hóa song pha sẽ có dạng nhƣ hình 2.6
Hình 2.6 Phổ của tín hiệu dữ liệu vô tuyến đƣợc mã hóa song pha [5]
Hình 2.7 Dạng sóng tín hiệu dữ liệu radio 57kHz [5]
Cấu trúc mã hóa băng gốc
Để máy thu nhận thông tin văn bản chính xác từ máy phát, cần đảm bảo đồng bộ cấu trúc thông tin giữa hai thiết bị, từ đó thiết lập cấu trúc mã hóa và định dạng thông tin cho hệ thống Việc truyền sóng trong không khí luôn gặp phải lỗi và nhiễu, do đó cần có giải pháp để khắc phục vấn đề này Hơn nữa, để tăng tính linh hoạt cho hệ thống, cần tích hợp các yêu cầu cần thiết khi mã hóa hệ thống RDS Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về các cấu trúc và nguyên tắc liên quan.
+ Cấu trúc mã hóa băng gốc
+ Phát hiện và xử lý lỗi bit
Hình 2.8 Cấu trúc mã hóa băng gốc của hệ thống [5]
Cấu trúc mã hóa băng gốc bao gồm 4 khối dữ liệu, cho phép truyền tải với tốc độ 1187.5 b/s, tương ứng với tần số sóng mang phụ chia cho 48 (57kHz/48) Mạch giải mã sử dụng tốc độ này để hoạt động đồng bộ, giúp giảm thiểu các vấn đề giải mã sai tín hiệu Với tốc độ 1187.5 b/s, mỗi giây có khoảng 11.4 nhóm dữ liệu được truyền.
2.3.1 Phát hiện và sửa lỗi
Mã phát hiện và sửa lỗi đóng vai trò quan trọng trong việc khôi phục dữ liệu khi tín hiệu gặp nhiễu đa đường nặng Với 10 bit kiểm tra, mặc dù số lượng này tương đối lớn, nhưng rất cần thiết khi tín hiệu nhận được ở máy thu nhỏ, đặc biệt là trong các thiết bị như máy thu trên xe hơi và máy thu di động Các bit kiểm tra giúp bộ giải mã của máy thu phát hiện và sửa lỗi, đồng thời đảm bảo đồng bộ giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát.
Từ kiểm tra ( ví dụ c´ 9 , c´ 8 , … c´ 0 trong hình 2.8) là tổng mô đun 2 của các giá trị sau:
+ Phần dƣ thu đƣợc sau khi nhân 16 bit của từ mã thông tin nhân với x 10 sau đó chia cho (theo mô đun 2) đa thức khởi tạo g(x);
Chuỗi nhị phân 10 bit d(x), được gọi là “từ mã”, có giá trị khác nhau cho mỗi khối trong nhóm Điều này chỉ đúng khi đa thức khởi tạo g(x) được xác định là: g(x) = x^10 + x^8 + x^7 + x^5 + x^4 + x^3 + 1.
Bảng 2.3 Các giá trị nhị phân của từ mã offset [5]
Các từ mã được chọn để đảm bảo rằng nội dung của thanh ghi bù lại không giống như chùm lỗi xảy ra khi độ dài ngắn hơn hoặc bằng 5 bit trong quá trình xoay của thanh ghi dịch chuyển đa thức Chỉ có 8 bít đầu (ví dụ từ d9 đến d2) được sử dụng để xác định từ mã, trong khi 2 bít còn lại (d1 và d0) được thiết lập ở mức logic 0.
Các từ mã được cộng với từ kiểm tra từ c9 đến c0 để tạo ra các bit kiểm tra từ c'9 đến c'0 Mục đích của việc này là cung cấp hệ thống đồng bộ nhóm và đồng bộ khối tại máy thu của bộ giải mã Tại bộ giải mã, quá trình biến đổi ngược lại vẫn giữ nguyên các thuộc tính phát hiện và sửa lỗi thông thường của mã kiểm tra tính dư vòng CRC cơ bản.
Từ kiểm tra tạo ra sẽ đƣợc truyền tại cuối của khối mà nó bảo vệ
- Mã phát hiện lỗi có khả năng kiểm tra các lỗi sau:
+ phát hiện tất cả các lỗi bit đơn và lỗi bít kép trong 1 khối;
+ phát hiện bất cứ lỗi chùm nào trong khoảng nhỏ hơn 10 bit;
+ phát hiện khoảng 99.8% các lỗi chùm có khoảng cách lớn hơn hoặc bằng
11 bit Đây cũng là mã sửa lỗi chùm tối ƣu và có khả năng sửa bất cứ lỗi chùm đơn nào trong khoảng cách nhỏ hơn 5 bit
Khi truyền từ kiểm tra, bit có trọng số lớn nhất (c 9 ’ ) cũng đƣợc truyền đầu tiên.
Giao thức thông tin giữa các bộ mã hóa
Để đảm bảo truyền thông hiệu quả giữa các trạm phát thanh và nhà cung cấp dịch vụ dữ liệu, EBU đã phát triển giao thức UECP (Universal Encoder Communication Protocol) Giao thức này được khuyến nghị cho mạng truyền dữ liệu số trên sóng vô tuyến với nhiều máy phát, giúp phối hợp dữ liệu từ các nhà cung cấp khác nhau Trong luận văn này, tôi áp dụng giao thức UECP để truyền thông tin giữa các bộ mã hóa.
2.4.1 Lý do các bộ mã hóa dữ liệu cần một giao thức truyền thông Để khai thác dịch vụ truyền dữ liệu số trên sóng vô tuyến, các nhà khai thác dịch vụ truyền thông cần lắp đặt các bộ mã hóa ở khu vực máy phát lân cận với các bộ mã hóa stereo của máy phát FM thông thường, nơi phát ra tín hiệu 19kHz mà bộ mã hóa dữ liệu sẽ sử dụng để đồng bộ hóa luồng dữ liệu số ở đầu ra của nó
Có thể có 2 loại dịch vụ truyền tín hiệu số trên sóng vô tuyến:
Dịch vụ số liệu tĩnh cung cấp thông tin qua bộ mã hóa tự động, ví dụ như danh sách tần số thay thế cố định từ bộ nhớ trong Những dịch vụ này cần điều chỉnh theo từng thời điểm, phụ thuộc vào cấu hình mạng và loại chương trình phát thanh trực tiếp.
Dịch vụ số liệu động yêu cầu cung cấp dữ liệu đầu vào cho bộ mã hóa nhằm xử lý và phát tín hiệu, đặc biệt khi nội dung chương trình phát thanh cần mức độ điều khiển cao từ các phòng thu phát thanh trực tiếp Đối với các dịch vụ như truyền thông tin giao thông hoặc đài phát, việc kiểm soát từ nhà cung cấp dịch vụ dữ liệu đến bộ mã hóa là rất quan trọng Mặc dù quy trình đơn giản, nhưng số lượng lệnh lớn được gửi từ phòng máy và phòng thu qua đường dẫn dữ liệu đến bộ mã hóa Ví dụ, phòng máy và phòng thu có thể điều chỉnh trạng thái của TP, TA, và MS để phản ánh trạng thái chương trình, với các lệnh thường được phát ra từ chức năng tự động nhằm giảm thiểu sự can thiệp của nhà khai thác Một nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng cùng một kênh để truyền nhiều loại thông báo đồng thời, trong đó mỗi lần chiết áp mở sẽ thiết lập cờ MS ở trạng thái “tốc độ” bằng “địa chỉ liên lạc” để gửi lệnh qua đường truyền dữ liệu.
Giao thức UECP được thiết kế với đặc tính kỹ thuật đảm bảo khả năng tương thích điện và tiêu chuẩn kỹ thuật cho các thiết bị Giao diện kết nối với bộ mã hóa dữ liệu sử dụng chuẩn EIA RS 232C (tương thích với V24/V28) và là một giao diện song công toàn phần, hỗ trợ hoạt động với các modem thông qua ổ cứng.
Dữ liệu được truyền giữa các byte theo chế độ không đồng bộ, với tốc độ truyền dẫn có thể thiết lập trong khoảng từ 75 đến 115,200 bps.
Dữ liệu cập nhật bao gồm một chuỗi khung dữ liệu, mỗi khung được định nghĩa bởi hai byte đặc biệt là FE hex và FF hex, dùng để đánh dấu bắt đầu và kết thúc Mỗi khung chứa một địa chỉ đích, xác định nhóm bộ mã hóa dữ liệu mà tin nhắn sẽ được gửi tới Mỗi bản tin sẽ được gán nhãn bởi một bộ cộng chuỗi, với phần đầu là một byte chỉ độ dài tin nhắn, theo sau là tối đa 255 bytes dữ liệu.
2 byte chứa mã kiểm tra độ dƣ vòng CRC
Các khung được xây dựng theo cấu trúc bảng 2.4 và hình 2.9, sau đó được chèn thêm các byte trước khi truyền Trường kiểm tra bao gồm 2 byte, thể hiện kết quả của tính toán 16 bit kiểm tra độ dư vòng Để tạo ra CRC, đa thức CCITT được sử dụng.
Bảng 2.4 Các thành phần của mỗi khung dữ liệu UECP [3]
Mô tả trường Viết tắt Độ dài trường
Bắt đầu STA 1 byte Địa chỉ ADD 2 byte
Bộ đếm chuỗi SQC 1 byte Độ dài trường tin nhắn MEL 1 byte
[ Tin nhắn ] [MSG] 0 đến 255 byte
Kiểm tra mã dƣ vòng CRC 2 byte
Kết thúc STP 1 byte Định dạng giao thức dữ liệu UECP đƣợc mô tả nhƣ hình 2.9:
Hình 2.9 Định dạng giao thức dữ liệu UECP gồm một chuỗi các byte [3]
Bảng 2.5 mô tả các thành phần có khung dữ liệu nếu có độ dài khác 0, sẽ bao gồm một hoặc nhiều thành phần của tin nhắn
Bảng 2.5 Thành phần các khung dữ liệu UECP gồm chuỗi các byte [3]
Mô tả trường Viết tắt Độ dài trường
Mã phần tử tin nhắn MEC 1 byte
[Số bộ dữ liệu] [DSN] 0 1 byte
[Số dịch vụ chương trình] [PSN] 0 1 byte
[Độ dài dữ liệu phần tử tin nhắn]
[Dữ liệu phần tử tin nhắn] [MED] 0 đến 254 byte
Một trường tin nhắn hoàn chỉnh bao gồm các phần như MEC, [DSN], [PSN], [MEL], [MED], và có thể gộp nhiều thành phần lại thành một trường tin nhắn với độ dài tối đa 255 bytes PSN cho phép thực hiện nhiều dịch vụ với một hoặc nhiều bộ dữ liệu trong một thành phần tin nhắn.
Các thành phần tin nhắn bao gồm một byte thể hiện độ dài được mã hóa Tin nhắn có nhiều lớp khác nhau, bao gồm các lệnh tin nhắn, lệnh điều khiển và thiết lập đồng hồ, cùng với các lệnh từ xa và cấu hình Các lệnh điều khiển từ xa cho phép người dùng lựa chọn chức năng khác nhau của bộ mã hóa dữ liệu hoặc yêu cầu nhận tin nhắn từ bộ mã hóa trong chế độ truyền dẫn hai chiều.
Khi xuất hiện một nhóm đặc biệt trong dãy, dữ liệu của nhóm đó sẽ được truyền Ngược lại, nếu không có dữ liệu nhóm đặc biệt, dãy sẽ không tạo ra nhóm và các nhóm tiếp theo trong chuỗi sẽ được sử dụng Tùy thuộc vào phần mềm bộ mã hóa, dữ liệu sẽ được truyền theo cấu trúc lệnh đặc biệt và lưu trữ trong bộ nhớ Bộ mã hóa cũng chỉ định các loại nhóm sẽ được truyền và tốc độ truyền dẫn phù hợp cho từng loại nhóm, thông qua một chuỗi các lệnh mà bộ mã hóa xử lý.
Định dạng tin nhắn và xác định vị trí trong tin nhắn
Trong phần này tin nhắn đƣợc xác định định dạng và cấu trúc vị trí trong RDS dựa vào các nguyên tắc chủ yếu sau:
Kết hợp và trộn lẫn các loại tin nhắn khác nhau trong một nhóm, giữ ở mức tối thiểu, cùng với các tin nhắn có chu kỳ lặp lại không xác định Tất cả các tin nhắn này được lưu trữ dưới dạng thông tin văn bản.
Các tin nhắn thường được sắp xếp ở một vị trí cố định trong nhóm, cho phép chúng được giải mã mà không cần tham khảo bất kỳ phần nào của khối thông tin chứa chúng.
Xác định vị trí chính xác của các nội dung thông tin trong các khối không chuyên biệt là rất quan trọng Những khối này chứa thông tin có tốc độ lặp lại cao và mỗi nhóm đều được định vị để nhận diện rõ ràng nội dung của các khối khác nhau.
- Hình 2.10 mô tả chi tiết các nhóm đƣợc định dạng:
Hình 2.10 Định dạng tin nhắn và xác định vị trí trong nhóm loại A [5]
Hình 2.11 Định dạng tin nhắn và xác định vị trí trong nhóm loại B [5]
Khối 1: Mã PI là mã xác định loại chương trình, được sử dụng để máy thu có thể phân biệt giữa các quốc gia, các khu vực mà chương trình sẽ được truyền đi, và mã của bản thân chương trình đó Mã này không được hiển thị trực tiếp và được gán cho từng chương trình đài phát riêng Ngoài ra mã này còn giúp máy thu dò tự động tần số thay thế trong trường hợp tín hiệu thu tại tần số đang dò yếu.
Khối 2: Trong khối này bao gồm các dữ liệu mã loại nhóm GTC có 4 bit đầu tiên của khối thứ 2 Để xác định kiểu nhóm đƣợc truyền, cũng có nghĩa là xác định ứng dụng của nhóm Có 16 kiểu nhóm đƣợc đánh số từ 0 đến 15 theo số nhị phân, từ A 3 đến A 0
Khối thứ 3 và thứ 4 bao gồm 5 bit cá nhân của nhóm, chứa dữ liệu đặc trưng cho từng nhóm Hai khối này thường được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt hoặc loại tin nhắn văn bản vô tuyến, nhằm hiển thị thông tin liên quan đến chương trình trên màn hình máy thu từ xa.
Hệ thống đồng bộ khối dữ liệu
Hệ thống đồng bộ khối thông thường, như hình 2.12, có ranh giới giữa các khối được đánh dấu bằng từ đồng bộ cố định Trong bộ giải mã, cần sử dụng bộ cộng hoạt động theo tốc độ bit và đếm theo mô đun kích thước khối Bộ cộng này được biểu diễn bằng con lăn bằng sáp có rãnh, với chu vi tương ứng khoảng cách giữa các dấu mốc trên đai Để đạt được sự đồng bộ giữa con lăn và đai, con lăn phải được trượt cho đến khi rãnh khớp với dấu mốc Khi đã đồng bộ hóa thành công, con lăn và đai sẽ duy trì sự đồng bộ ổn định.
Hình 2.12 minh họa cơ cấu đồng bộ khối và nhóm kiểu “bánh đà” :
Hình 2.12 Hệ thống thông thường [3]
Hình 2.13 Mã tự đồng bộ hóa [3]
[a] mã quay vòng, mô hình thông thường, không thu được thông tin đồng bộ [b] mã quay vòng cải tiến, thu được thông tin đồng bộ
Hệ thống đồng bộ khối được mô tả trong hình 2.13, với các từ mã nhận được biểu diễn bằng thanh răng không đều và bộ giải mã tại máy thu Quá trình đồng bộ khối bắt đầu bằng thử nghiệm và báo lỗi, xử lý từng chuỗi 26 bit cho đến khi đạt được mô hình mong muốn Các từ bổ sung khác nhau cho mỗi từ kiểm tra tạo ra các mô hình đặc tính khác nhau, với bốn từ mã kiểm tra được sử dụng trong mỗi nhóm dữ liệu để xác định bốn khối của nhóm, như thể hiện trong hình 2.14 Thông tin đồng bộ nhóm cần thiết có thể thu thập trong vòng độ dài 1 khối, giúp tăng tốc độ thu thập dữ liệu Máy thu/bộ giải mã phát hiện điểm bắt đầu và kết thúc của các khối dữ liệu thông qua kiểm tra lỗi, cho phép phát hiện trượt đồng bộ hóa khối Các khối trong mỗi nhóm được xác định bằng cách lựa chọn cẩn thận các từ nhị phân 10 bit được thêm vào các từ kiểm tra CRC.
Xử lý dữ liệu và thiết lập khung dữ liệu
- Phần này sẽ mô tả về :
+Thiết lập khung dữ liệu (Frame)
+ Phương pháp dữ liệu đầu vào (Tên PS)
+ Hiển thị dữ liệu và giao diện sử dụng
Trong quá trình thiết lập khung dữ liệu, các đại lượng trong một "nhóm" bao gồm cả những đại lượng có thể thay đổi và những đại lượng cố định Người dùng có khả năng tùy chỉnh dữ liệu khi khởi động hệ thống, tuy nhiên, việc này cần phải tuân thủ các yêu cầu của chuẩn RDS Bất kỳ sai sót nào có thể xảy ra sẽ khiến máy thu không nhận được tín hiệu Để tránh tình trạng này, các đại lượng cố định của nhóm dữ liệu cầu được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình, cho phép người sử dụng chỉ cần cập nhật tên chương trình.
+ PI code : Hình 2.15 mô tả cấu trúc của PI
Hình 2.15 Cấu trúc của PI [3]
Các bit b 15 đến bit 12 : Mã quốc gia: Các bit này đƣợc đặt giá trị tới 0x0C hay 0b1100
Các bit b 11 đến b 8 : Mã phủ vùng: Các bit này đƣợc đặt giá trị tới 0x0 hay 0b0000
Các bit b 7 đến b 0 : Số hiệu chương trình: Các bit này được đặt giá trị: 0x00 + Kiểu nhóm: Các bit này đƣợc thiết đặt 0x0 cho kiểu nhóm 0
+ B 0 : Bit này đặt bằng 1 cho nhóm B
+ TP: Bit này đặt bằng 0 (không phải chương trình giao thông)
+ PTY: Các bit này đặt bằng 0b0000 không dấu
+ TA: Bit này đặt bằng 0
+ M/S: Bit này đặt bằng 0 theo chuần RDS cho âm nhạc
+ DI, C 1 , C 0 : Các bit này đƣợc đặt trong mỗi nhóm theo chuỗi, nguyên tắc: + Nhóm đầu tiên: 0b0(d 3 )00 cho PTY tĩnh
+ Nhóm thứ hai: 0b0(d 2 )00 khi không bị nén dữ liệu
+ Nhóm thứ 4: 0b0(d 2 )00 cho tín hiệu stereo
+ Tên chương trình: mỗi nhóm sẽ truyền hai ký tự, bắt đầu với ký tự có trọng số lớn nhất VD: Hanoi thì [Ha] sẽ thuộc nhóm đầu tiên
2.7.1 Các giới hạn về dung lượng truyền dữ liệu
Việc sử dụng tính năng dò sóng tự động trên máy thu di động yêu cầu một phần dung lượng kênh đáng kể Hệ thống truyền tín hiệu số qua sóng vô tuyến hoạt động với tốc độ 1187.5 bps và cho phép lựa chọn khoảng 20 tính năng khác nhau.
Tính toán dung lượng truyền tín hiệu số cho thấy rằng với tốc độ bit 1187.5 bps tương đối thấp, dung lượng kênh tín hiệu số bị hạn chế Trong mỗi nhóm 104 bit, 4 từ kiểm tra chiếm 40 bits, và mỗi địa chỉ nhóm cần 5 bit Do đó, tốc độ bít hữu ích được tính là: 1187.5 − (1187.5/104) × (40 + 5) = 673.7 bps.
Phân tích dung lượng RDS là quá trình đánh giá việc sử dụng dung lượng kênh tín hiệu số cho từng tính năng Các tính năng này được phân loại dựa trên ảnh hưởng của chúng đến dung lượng kênh truyền tín hiệu số Đầu tiên, dung lượng cần thiết cho các tính năng liên quan đến chương trình phát thanh sẽ được kiểm tra, sau đó xác định phần dung lượng còn lại cho các tính năng không liên quan đến chương trình.
Các tính năng liên quan đến chương trình có thể được chia như sau:
Bài viết đề cập đến năm tính năng chính trong quá trình thu tự động, bao gồm AF, PI, PS và TP/TA EON là một tính năng bổ sung giúp tự động điều chỉnh đến các mạng liên quan Ngoài ra, một nhóm tính năng khác như CT, DI, MS, PIN, PTY và PTYI yêu cầu một lượng dung lượng RDS nhất định để hoạt động Trong số đó, PIN chỉ cần tỷ lệ lặp lại 1 nhóm loại 1A mỗi phút, nhưng khi kết nối với RP, tỷ lệ này cần được tăng cường.
+ Văn bản vô tuyến: Các tính năng không liên quan đến chương trình là IH,
RP, TDC, và TMC đƣợc xác định dung lƣợng nhƣ bảng 2.6
+ AF, PI, PS, TP/TA: Các chương trình không liên quan đến chương trình là IH,
RP, TDC, và TMC đƣợc xác định dung lƣợng nhƣ bảng IN chỉ yêu cầu tỷ lệ lặp lại của 1 nhóm loại 1A mỗ
+ EON: N, PS, TP/TA: Các chương trình không liên quan đến chương trình là IH,
RP, TDC, và TMC đƣợc xác định dung lƣợng nhƣ bảng IN chỉ yêu cầu tỷ lệ lặp lại của 1 nhóm loại 1A mỗi phút
+ PTY, MS, DI, PIN, CT: Các tính năng này đòi hỏi đài phát thanh tăng TDC, và TMC đƣợc xác định dung lƣợng nhƣ bảng IN
+ RT: văn bản vô tuyến chiếm 7,58%, dung lƣợng đài phát thanh
Bảng 2.6 Phân tích dung lƣợng truyền dẫn cần thiết [3] Ứng dụng Tính năng
Loại nhóm chứa thông tin này
Tốc độ lặp lại nhóm nhỏ nhất mỗi giây
Số bit trong mỗi nhóm
Số bit trong mỗi giây
Dung lƣợng truyền dẫn cần thiết
Các thông tin từ các mạng khác EON 14A(B) 1.5 37 55.5 8.24 56.59
Các tính năng liên quan đến chương trình phát thanh
Các tính năng không liên quan đến chương trình phát thanh
+ Nếu sử dụng tính năng nhƣ đài phát thanh, tốc độ lặp lại tăng thêm 1 mỗi giây
+ Mặc dù thực tế chỉ sử dụng 16 bit cho PIN, cần phải tính thêm 16 bít liên quan và 5 bit dự trữ cho phần dung lƣợng đƣợc sử dụng
Theo CENELEC EN 50067:1998, mục 2.7.1, để truyền đoạn tin nhắn văn bản 64 ký tự qua sóng vô tuyến, cần tổng cộng 16 nhóm loại 2A Để hoàn thành việc truyền tin nhắn này trong 5 giây, yêu cầu là 3.2 nhóm loại 2A mỗi giây.
Chương 2 đã nghiên cứu lý thuyết về công nghệ RDS, trong đó trình bày cách hoạt động của nó bằng cách chèn dữ liệu số vào tín hiệu băng gốc để điều chế sóng mang tần số vô tuyến Nghiên cứu này cho thấy hệ thống RDS có thể được ứng dụng để điều khiển hoặc gửi nội dung từ đài phát.
Hệ thống phát RDS được nghiên cứu và phát triển dựa trên các nguyên lý vật lý nhằm đảm bảo sự đồng bộ hoạt động của thiết bị theo tiêu chuẩn quốc tế Mục tiêu là đạt được sự thống nhất trong việc ứng dụng thực tế, từ đó tiến hành chế tạo bộ phát mã điều khiển và máy thu FM tích hợp bộ giải mã.
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ THIẾT BỊ TÍCH HỢP KÊNH ĐIỀU KHIỂN
Nghiên cứu chế tạo bộ phát mã điều khiển
Sơ đồ thiết bị tích hợp kênh điều khiển trong đài trạm phát đƣợc kết nối với hệ thống máy phát FM mô tả nhƣ trong hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị tích hợp kênh điều khiển trên sóng phát thanh
Tín hiệu âm thanh từ khối phát được truyền qua khối mã hóa dữ liệu song pha, với mục đích tạo ra phổ dạng bậc thang nhằm bảo vệ tín hiệu mã khỏi ảnh hưởng của RDS Tại đây, sóng mang phụ được điều chế biên độ bằng tín hiệu dữ liệu đã được mã hóa 2 pha (BPSK) để triệt sóng mang Phương pháp điều chế này áp dụng từ khóa dịch (BPSK) với độ lệch pha ±90 độ, sau đó sóng mang phụ được nén lại và chuyển đổi từ xung vuông thành xung hình sin Cuối cùng, tín hiệu được đưa vào khối điều chế tần số FM và khuếch đại tại khối khuếch đại, từ đó tín hiệu cao tần được phát ra qua ăng ten, truyền sóng điện từ ra không gian.
3.1.1 Nghiên cứu chế tạo bộ mã hóa tín hiệu
Bài viết này sẽ giới thiệu thiết kế hoàn chỉnh của một bộ mã hóa RDS, dựa trên các nguyên lý và phân tích đã được trình bày trước đó Các linh kiện và thuật toán được lựa chọn nhằm đảm bảo tối ưu hóa thiết kế và duy trì hoạt động ổn định.
Dựa trên sơ đồ chuẩn RDS và phân tích các yếu tố thực tiễn như giá thành, linh kiện sẵn có và loại máy phát, chúng ta đã xây dựng được sơ đồ thiết kế tối ưu.
Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế khối mã hóa RDS
Bộ mã hóa RDS bao gồm khối LCD và khối nút bấm để hiển thị thông tin dữ liệu và cài đặt các thông số trực tiếp Để bộ mã hóa hoạt động đồng bộ với tín hiệu, cần một tín hiệu dao động clock Tần số sóng mang RDS là 57 kHz, sử dụng tần số 1187,5 Hz từ bộ chia đếm xung 2 và tần số 2375 Hz Mạch hoạt động khi có xung 1187,5 Hz, từ đó tín hiệu được chuyển tới bộ điều chế và phát ra máy phát.
3.1.2 Khối nguồn tạo tin nhắn dữ liệu vô tuyến
Bộ xử lý là thiết bị trung tâm trong bộ mã hóa, cho phép truy cập các thiết bị đầu vào và đầu ra, đồng hồ thời gian thực và bộ nhớ Sau khi nghiên cứu nhiều loại bộ vi xử lý thương mại, tôi đã chọn chip PIC16F877 để kiểm soát dữ liệu Chip này là bộ vi xử lý 8 bit với bộ nhớ chương trình 8k và bộ nhớ dữ liệu EEPROM 256 byte, đủ dung lượng cho các ứng dụng cần thiết.
Bộ mã hóa dữ liệu hoạt động với xung nhịp đồng hồ 20MHz, sử dụng bộ tạo dao động thạch anh để đảm bảo tốc độ và thời gian chính xác Hình 3.3 minh họa việc kiểm soát dữ liệu cùng với giao diện người dùng của thiết bị.
Khối nguồn của hệ thống tin nhắn dữ liệu vô tuyến được xây dựng dựa trên bộ vi xử lý PIC16F877 cùng với các nút ngắt điện Để hạn chế dòng điện trên các cổng của bộ vi xử lý khi các nút được nhấn hoặc khi tín hiệu 1187.5V cao, các điện trở 4,7 kOhm được sử dụng Thêm vào đó, việc sử dụng 3 pin tiểu 1.5V giúp đảm bảo khối nguồn vẫn có khả năng truyền dữ liệu ngay cả khi bị mất kết nối tạm thời.
Hình 3.3 Đầu vào dữ liệu bộ mã hóa và giao diện người dùng
3.1.3 Phương pháp đầu vào dữ liệu cho PS
Với 8 ký tự mã ASCII cho tên chương trình thì dữ liệu có thể lấy thông qua
Để kết nối với vi điều khiển, người dùng có thể sử dụng 64 cổng hoặc bàn phím PS2, trong đó phương pháp phím nhấn PS2 được khuyến nghị vì tính đơn giản Để thao tác chính xác và nhanh chóng, nên dùng phím nhấn ngắt, cho phép người dùng quyết định có thiết lập lại cài đặt trước đó hay không bằng cách chọn [YES] hoặc [NO], sau đó nhấn [SET] Nếu không muốn sử dụng tên chương trình cũ, người dùng có thể thiết lập tên mới bằng cách cuộn lên xuống để chọn từng ký tự từ [SPACE] đến [Z] Mỗi khi nhấn [SET], ký tự sẽ được lưu vào EEPROM, và quá trình này lặp lại cho đến khi hoàn thành 8 ký tự Sau khi nhấn [SET] ở ký tự cuối cùng, chương trình sẽ tự động thực hiện tính toán CRC.
Mặc dù thiết lập đầu vào dữ liệu kiểu này sẽ mất thời gian nhƣng lại phù hợp với môi trường ở đài phát
Giao diện ngoại vi của bộ mã hóa RDS được phát triển bởi nhóm lập trình của Công Ty Cổ Phần Phát Triển Công Nghệ Truyền Hình Và Viễn Thông Việt Nam, thể hiện sự sáng tạo và công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực truyền thông.
+ Đoạn CODE ở phần phụ lục “ B – Code khởi tạo dữ liệu” đƣợc thực thi cho việc chọn nút nhấn khởi tạo lại dữ liệu
+ Đoạn CODE ở phần phụ lục “C – Lấy ký tự PS và lưu trữ vào EEPROM ” mô tả quá trình lấy ký tự PS và lưu trữ vào EEPROM của PIC.
3.1.4 Bộ mã hóa vi sai và bộ phát ký hiệu song pha
Bộ mã hóa vi sai là thành phần quan trọng trong hệ thống, nơi tín hiệu sau khi xử lý sẽ được gửi đến bộ mã hóa này Sử dụng cổng XOR 74LS86, một linh kiện phổ biến trên thị trường, không yêu cầu dòng cao và hoạt động với nguồn 5V Đồng thời, mạch đa hài ổn định kép 74LS74 được chọn làm DFF Để bộ mã hóa vi sai hoạt động đồng bộ với tín hiệu dữ liệu, tín hiệu tần số 1187.5 Hz được sử dụng làm xung nhịp, như mô tả trong hình 3.5.
Hình 3.5 Mã hóa vi sai
Bộ phát song pha chuyển đổi mỗi bit thành một cặp xung lẻ ngắn, trong đó bit “1” được mã hóa thành cặp +-, và bit “0” thành cặp -+ Các cặp xung này sau đó được xử lý qua bộ lọc thông thấp bậc 2 với hàm truyền dạng cos, tạo ra tín hiệu có tần số tối đa gần 1 kHz và biên độ dao động từ 0-2.4 kHz Để đảm bảo hoạt động ổn định của các mạch đa hài, không có độ trễ hay trừ pha, vi điều khiển PIC16F628A được sử dụng để bù pha cho các xung dữ liệu.
Vi xử lý hoạt động với tần số dao động clock 2375 Hz từ bộ chia đếm xung 24, trong khi PIC chỉ hoạt động khi có xung 1187.5 Hz Khi tần số dao động clock cao, PIC sẽ xem xét dữ liệu và quy định đầu ra tín hiệu dựa vào bảng 2.8 Nếu tín hiệu đầu vào trước đó bằng 0, đầu vào hiện tại sẽ hợp lệ khi dao động clock ở mức cao, và PIC sẽ tạo ra các xung đầu ra trong khoảng thời gian nhất định.
Từ bộ vi xử lý
Khi sử dụng bộ mã hóa song pha gian ngắn với thời gian khoảng 51às, nếu một cổng đầu ra ở mức cao, xung trễ sẽ bị kéo xuống Khi xung âm xuất hiện, một trong các cổng PIC sẽ lên mức cao, trong khi đầu ra âm kết nối với mạch khuếch đại đảo ngược sử dụng MC33171 Op-amp Nếu tín hiệu 2375 lên cao và 1187,5 xuống thấp, dữ liệu đầu vào sẽ được coi là bằng không Đầu ra sẽ có giá trị bù so với đầu ra trước đó, theo bảng đã cung cấp.
Bảng 3.1 Đầu ra khi mức tín hiệu dữ liệu 1187.5 Đầu vào N Đầu vào trước đó (N-1) Đầu ra N-(N-1)
Bảng 3.2 Đầu ra khi đầu vào tại 2375 là zeros Đầu vào N Đầu vào trước đó (N-1) Đầu ra N-(N-1)
- Phát tín hiệu song pha đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.6:
Hình 3.6 PIC16F628A cho việc phát tín hiệu song pha
Sau đây là sơ đồ bộ khuếch đại đảo cho xung âm:
Hình 3.7 Bộ khuếch đại đảo
3.1.5 Bộ lọc định dạng, bộ phát tín hiệu 57kHz
Bộ lọc định dạng nhận tín hiệu từ bộ phát ký tự song pha thông qua một hàm truyền đạt dạng cosine với tần số cắt là 1187.5Hz, sử dụng tụ C1nF và các điện trở R1 = 18,9 kΩ và R2 = 9,5 kΩ.
Hình 3.8 Bộ lọc định dạng
Bộ phát tín hiệu 57kHz sử dụng dữ liệu RDS được điều chế qua tín hiệu FM, yêu cầu một tín hiệu dao động clock Tần số sóng mang RDS là 57kHz với chu kỳ xung 50%, và các dòng vi xử lý hiện nay có khả năng tạo ra các tần số xung này.
Nghiên cứu chế tạo máy thu FM có bộ giải mã
Sơ đồ khối thiết bị giải mã điều khiển RDS đƣợc mô tả nhƣ trong hình 3.28
Hình 3.28 Sơ đồ khối thiết bị giải mã điều khiển RDS [3]
Khối thiết bị giải mã điều khiển RDS hoạt động bằng cách nhận tín hiệu ghép kênh từ bộ giải điều chế FM và đưa vào bộ giải mã âm thanh đa âm Tín hiệu này được lọc qua bộ lọc chọn tần số 57 kHz để khôi phục sóng mang 57 kHz, sau đó đồng bộ và tiếp tục qua bộ lọc 2.4 kHz Bộ phát tín hiệu 1187,5 kHz tạo xung nhịp cho bộ giải mã vi sai, thay đổi tín hiệu trong khoảng thời gian mỗi bit mà không trở về 0, mà chuyển sang cực đối diện Lỗi sai mất đồng bộ được phát hiện nhờ mã PI, giúp bộ giải mã sửa lỗi khi xảy ra mất đồng bộ Cuối cùng, tín hiệu sẽ được đưa đến bộ xử lý tín hiệu số.
3.2.1 Khối giải điều chế và khối lưu trữ
Hình 3.29 Module giải mã RDS FAE-381
Mô đun giải mã FAE – 381 của Mitsumi, được sử dụng cho bộ giải mã RDS, cho phép giao tiếp dễ dàng với các khối thông qua chuẩn I2C Các đặc tính kỹ thuật của mô đun này được trình bày trong bảng 3.6 dưới đây.
Bảng 3.6 Khối điều chế Tuner FAE-381 của hãng Mitsumi
Tên đặc tính Chỉ tiêu kỹ thuật
Dòng tiêu thụ FM 85mA max (không có tín hiệu)
AM 65mA max (không có tín hiệu) Dải điều chỉnh FM 87.5~108MHz
Trở kháng vào FM 75Ω không cân bằng
Tần số IF trung tâm FM 10.7MHz
AM 450kHz Độ nhạy FM 18dBàV max (9dBàV typ.)
AM 60dB/m max (53dB/m typ.) Loại bỏ nhiễu ảnh FM 38dB min (đơn âm)
AM 30dB min Loại bỏ IF FM 70dB min (đơn âm)
S/N FM 68dB min (đơn âm)
Mức tín hiệu ra FM 570mVr.m.s min
AM 150mVr.m.s min Độ cách ly FM 28dB min (15kHz L.P.F ON)
Bảng 3.7 mô tả sơ đồ chân sử dụng của module giải mã FAE-381:
Bảng 3.7 Sơ đồ chân FAE-381
Thiết Bị Đầu Cuối Bên Ngoài
- Mô đun FAE-381 có hai chức năng chính:
Chức năng giải mã dữ liệu RDS là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định của mô đun Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần cung cấp nguồn điện ổn định và tránh đặt mô đun gần các linh kiện có khả năng gây can nhiễu, nhằm duy trì chất lượng giải mã của thiết bị.
+ Tạo ra tín hiệu âm thanh đa âm và đơn âm từ việc lọc và giải mã FM
Để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và không mất dữ liệu khi bị cắt nguồn đột ngột, cần bổ sung một khối lưu trữ EEPROM Khối lưu trữ này sẽ tự động lưu trữ thông tin, giúp người dùng không phải cài đặt lại khi khởi động lại thiết bị.
3.2.2 Khối điều khiển hiển thị và khối kết nối ngoại vi, đèn báo
- Khối điều khiển hiển thị: Đƣợc mô tả trong hình 3.30
Hình 3.30 Sơ đồ chân led 7 thanh
Khối điều khiển của thiết bị có chức năng hiển thị thông tin hoạt động và cho phép người dùng cài đặt Nó sử dụng một cặp LED 7 thanh kết hợp với vi điều khiển Trong quá trình lập trình, các mã hiển thị được cài đặt và lưu trữ vào bộ nhớ, sau đó vi điều khiển sẽ hiển thị các thông số trên thanh LED.
Hình 3.31 Sơ đồ mạch logic của ULN
Khối hiển thị sử dụng mảng transistor Darlington ULN 2003, bao gồm 7 cặp NPN Darlington được kết nối song song Mỗi cặp Darlington có dòng điện tối đa là 500mA và được trang bị đi ốt chuyển mạch cho các tải cảm ứng.
Hình 3.32 Sơ đồ mạch của mỗi cặp Darlington
Mỗi cặp Darlington hoạt động trực tiếp CMOS dùng một điện trở 2.7kΩ Các đầu vào của nó có thể tương thích với nhiều loại logic khác nhau
- Khối kết nối ngoại vi và đèn báo:
Thiết bị cần kết nối với các ngoại vi như ăng ten để thu tín hiệu tốt Để đảm bảo nguồn điện và âm thanh ra loa, thiết bị được trang bị khe nhựa bắt vít chắc chắn Tất cả các kết nối với ngoại vi đều rất dễ dàng sử dụng.
3.2.3 Khối khuếch đại âm thanh, phím bấm và khối nguồn
- Sơ đồ mạch khuếch đại âm thanh của máy thu FM có bộ giải mã:
Hình 3.33 Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại âm thanh
Tín hiệu âm thanh đa âm từ đầu vào L+R được xử lý qua các thành phần RV1, RV2 và hai tụ C1, C2, trong đó C1 và C2 chỉ cho tín hiệu xoay chiều đi qua và chặn tín hiệu một chiều Tín hiệu sau đó được đưa đến chân 5 và chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán TDA2822, nơi nó được khuếch đại và phát ra qua hai đường C3 và C4 đến loa Thiết bị sử dụng IC TDA2822 với hai khối khuếch đại độc lập, cho phép khuếch đại tín hiệu ra loa với công suất phù hợp Sử dụng mạch khuếch đại âm thanh IC TDA2822 trong máy thu FM với bộ giải mã mang lại ưu điểm lớn nhờ thiết kế nhỏ gọn và công suất đạt yêu cầu.
Hình 3.34 Sơ đồ mạch in khối khuếch đại âm thanh
Khối đóng cắt loa có nhiệm vụ chính là nhận lệnh từ vi điều khiển để tự động bật hoặc tắt loa, tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển từ trạm phát Khi nhận được lệnh yêu cầu, vi điều khiển sẽ ngay lập tức thực hiện việc đóng cắt loa, cho phép các cụm thu thanh từ xa hoạt động tự động và hiệu quả.
Khối phím bấm trên bộ thu FM bao gồm các phím tăng, giảm, chọn và thoát, giúp người dùng cài đặt các thông số cần thiết Đối với những thiết bị sử dụng lâu dài và ít được bảo trì, đặc biệt ở những khu vực có nguồn điện không ổn định hoặc thời tiết khắc nghiệt, việc cài đặt lại thông số thủ công là rất quan trọng Do đó, khối phím bấm đóng vai trò thiết yếu trong việc điều chỉnh và cài đặt lại các thông số theo mong muốn của người dùng.
- Hình 3.35 mô tả khối nguồn 5V DC cung cấp cho bộ giải mã:
Hình 3.35 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 5V cấp bộ giải mã
Mạch nguồn bao gồm biến áp cách ly, giúp tạo sự an toàn cho mạch điện bằng cách cách ly giữa mạch điện và nguồn điện AC Cầu nắn 4 đi-ốt chuyển đổi điện áp xoay chiều AC thành điện áp một chiều Tụ C51, với dung lượng lớn, giảm độ gợn sóng và nâng cao biên độ điện áp DC gần bằng biên độ cực đại, đồng thời ổn định nguồn điện cho tải Để đạt được điện áp DC 5V ổn định, mạch sử dụng IC ổn áp 7805 Để ngăn ngừa dao động tự kích, tụ hóa C53 được thêm vào đầu ra để lọc nhiễu tần cao Đèn LED 52 báo hiệu nguồn cho đầu ra 5V, giúp mạch ổn áp LM7805 cung cấp nguồn ổn định cho bộ giải mã.
- Hình 3.36 sơ đồ nguồn 12V để nuôi cho khối giải điều chế FAE-381:
Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 12V cấp giải điều chế FAE-381
Tương tự phần tích như hình 3.35, mạch nguồn cấp cho giải điều chế FAE-
Mạch nguồn sử dụng IC LM317 bao gồm biến áp cách ly T1, giúp tạo sự cách ly giữa mạch điện và nguồn điện AC, đảm bảo an toàn cho hệ thống Để chuyển đổi điện áp xoay chiều AC sang điện áp một chiều, mạch sử dụng cầu nắn dòng 4 điốt.
Tụ 1000MF sử dụng tụ hóa lớn để lưu trữ điện, giúp giảm độ gợn sóng điện áp và nâng cao biên độ điện áp DC đầu ra gần đạt cực đại Nó còn đóng vai trò là kho chứa điện ổn định cho tải Để đảm bảo mức điện áp DC 12V ổn định, mạch sử dụng IC ổn áp 3 chân LM317.
3.2.4 Khối vi điều khiển trung tâm Ở đây sử dụng bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chip, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (độ rộng 8 bit) vào – ra tất cả đƣợc đặt trên một chip 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit đƣợc chia ra thành các dự liệu 8 bit để xử lý 8051 đã trở lên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán các dạng biến thể của 8051 Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lƣợng ROM trên chip khác nhau Mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lƣợng nhớ ROM trên chip, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh Viết chương trình cho một phiên bản của 8051 thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản khác mà không phân biệt nó đƣợc sản xuất từ hãng nào
- Kiến trúc cơ bản bên trong 8051 bao gồm các khối chức năng sau:
+ CPU (Central Processing Unit): đơn vị điều khiển trung tâm
+ Bộ nhớ chương trình ROM bao gồm 4 Kbyte
+ Bộ nhớ dữ liệu RAM bao gồm 128 byte
+ Hai bộ định thời/bộ đếm 16 bit thực hiện chức năng định thời và đếm +Bộ giao diện nối tiếp (cổng nối tiếp)
+ Khối điều khiển ngắt với hai nguồn ngắt ngoài
Chip AT89C51 hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm điện thông qua phần mềm, trong đó chế độ không hoạt động tắt CPU nhưng vẫn cho phép một số bộ phận hoạt động Chip này có 40 chân, như được thể hiện trong hình vẽ 3.38.
Hình 3.37 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển trung tâm và hiển thị
Hình 3.38 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 [12]
- Hình 3.38 mô tả các chân của vi điều khiển cụ thể nhƣ sau:
+ Chân 40 nối vào đường nguồn 5V, chân 20 cho nối mass, chân 18, 19 mắc thạch anh định tần
+ Chân 31 thường được đặt mức điện áp cao, để xác định là mạch chỉ làm việc với bộ nhớ nội