HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

CHU VĂN VIỆT
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ TRẠM TÍCH HỢP
KÊNH ĐIỀU KHIỂN TRÊN SÓNG PHÁT THANH

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS.NGUYỄN ĐỨC NHÂN

HÀ NỘI – 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Chu Văn Việt


ii


1.3 Công nghệ mã hóa DTMF, RDS ..................................................................... 8
1.4 Hệ thống RDS ( Radio Data System) ............................................................ 10
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ..................................................................................... 12
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ RDS VÀ ỨNG DỤNG ........................................... 13
2.1 Phƣơng thức ghép kênh tín hiệu trong RDS ................................................... 13
2.2 Đặc tính điều chế của kênh dữ liệu (lớp vật lý) .............................................. 14
2.2.1 Tần số sóng mang phụ ............................................................................. 14
2.2.2 Pha của sóng mang phụ .......................................................................... 14
2.2.3 Mức của sóng mang phụ ......................................................................... 16
2.2.4 Phương thức điều chế .............................................................................. 16
2.2.5 Mã hóa vi sai ........................................................................................... 16
2.2.6 Dạng phổ của kênh dữ liệu ...................................................................... 17
2.3 Cấu trúc mã hóa băng gốc .............................................................................. 18
2.3.1 Phát hiện và sửa lỗi ................................................................................. 19
2.4 Giao thức thông tin giữa các bộ mã hóa ......................................................... 21
2.4.1. Lý do các bộ mã hóa dữ liệu cần một giao thức truyền thông ............... 21
2.4.2. Giao thức UECP..................................................................................... 22
2.5 Định dạng tin nhắn và xác định vị trí trong tin nhắn ..................................... 25


iv

2.6 Hệ thống đồng bộ khối dữ liệu ...................................................................... 26
2.7 Xử lý dữ liệu và thiết lập khung dữ liệu ......................................................... 28
2.7.1 Các giới hạn về dung lượng truyền dữ liệu ............................................. 29
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ..................................................................................... 31
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ THIẾT BỊ TÍCH HỢP KÊNH
ĐIỀU KHIỂN .......................................................................................................... 32
3.1. Nghiên cứu chế tạo bộ phát mã điều khiển.................................................... 32
3.1.1 Nghiên cứu chế tạo bộ mã hóa tín hiệu .................................................. 33

Tiếng Việt

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

AF

Alternative Frequencies

Tần số thay thế

ARI

Auto-Rundfunk-Information System ARI là HT tiền nhiệm RDS

AMR

Alternate Mark Inversion

Thay thế lại đảo ngƣợc

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế khóa pha vuông góc


PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế mã xung

PS

Programme Service

Tên dịch vụ chƣơng trình

PI

Programne Identification code

Xác định chƣơng trình

PTI

Programme Type Code

Mã kiểu chƣơng trình


Traffic Program Identification code

Mã nhận dạng CT phƣơng tiện

Transparent Data Channels

Các kênh dữ liệu minh bạch

CT
CRC
DI

RBDS

TDC


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1

Điều chế FM

06

1.2

Sơ đồ khối điều tần và khuếch đại công suất FM


10

1.8

Phổ của tín hiệu RDS và ARI

11

2.1

Phổ tín hiệu ghép kênh stereo băng gốc stereo với RDS

14

2.2

Phổ tần FM

15

2.3

Sơ đồ khối của bộ mã hóa RDS

16

2.4

Sơ đồ khối của bộ giải mã RDS



24

2.10

Định dạng tin nhắn và xác định vị trí trong nhóm loại A

26

2.11

Định dạng tin nhắn và xác định vị trí trong nhóm loại B

26

2.12

Hệ thống thông thƣờng

27

2.13

Mã tự đồng bộ hóa

28

2.14

Đồng bộ nhóm

3.4

Giao diện ngoại vi của bộ mã hóa RDS

36

3.5

Mã hóa vi sai

37

3.6

PIC16F628A cho việc phát tín hiệu song pha

38

3.7

Bộ khuếch đại đảo

39

3.8

Bộ lọc định dạng

39


3.14

Dạng sóng tín hiệu vào ra mô phỏng AD633JN

43

3.15

Sơ đồ chân PIC16F877A

43

3.16

Cấu trúc bộ tạo dao động của PIC

44

3.17

Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp bộ phát mã điều khiển

44

3.18

Bộ mã hóa dữ liệu sau khi hàn linh kiện hoàn thiện

45


3.24

Sơ đồ nối dây 5

49

3.25

Giao diện phần thiết lập chung để điều khiển bộ mã hóa RDS

51

3.26

Giao diện phân thiết lập dữ liệu cho chƣơng trình phát thanh

51

3.27

Giao diện phần thiết lập nhóm dữ liệu

52

3.28

Sơ đồ khối thiết bị giải mã điều khiển RDS

52



57

3.34

Sơ đồ mạch in khối khuếch đại âm thanh

57

3.35

Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 5V cấp bộ giải mã

58

3.36

Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 12V cấp giải điều chế FAE-381

59

3.37

Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển trung tâm và hiển thị

60

3.38

Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51


65

3.44

Hình ảnh thiết bị dùng để phát sóng RDS thử nghiệm

66

3.45
3.46
3.47

3.48
3.49

Sơ đồ kết nối hệ thống máy phát FM có bộ mã hóa với máy đo
thực tế
Kết quả đo đƣợc 500W thực tế phát dải tần số 77 MHz
Đồng hồ LCD hiển thị công suất phát thực tế máy phát
FM500W
Kết quả đo dạng sóng FM RDS dải tần số 77 MHz Oscilloscope
Kết quả đo tần số 77 MHz không di tần

67
67
68

68
69


Thành phần các khung dữ liệu UECP gồm chuỗi các byte

25

2.6

Phân tích dung lƣợng truyền dẫn cần thiết

31

3.1

Đầu ra khi mức tín hiệu dữ liệu 1187.5

38

3.2

Đầu ra khi đầu vào tại 2375 là zeros

38

3.3

Bảng chọn giá trị tụ và thạch anh theo tần số dao động

44

3.4

không cao. Một vấn đề đƣợc đặt ra là làm thế nào để có thể tận dụng đƣợc thiết bị
thu phát sẵn có trong hệ thống truyền thanh cấp cơ sở để truyền thông tin một cách
nhanh nhất, chính xác nhất, cần thiết nhất, hấp dẫn nhất đến với ngƣời nghe, đồng
thời đáp ứng đƣợc công nghệ mới áp dụng cho các đài phát thanh và truyền hình
trong cả nƣớc.
Xuất phát từ tình hình thực tế trong công việc có điều kiện làm việc và tiếp
xúc với nhiều khu vực có địa hình đặc biệt, điển hình nhƣ một vài tỉnh miền núi
phía Bắc và Tây Bắc với địa hình nhiều vùng lõm, tôi nhận thấy: những khu vực
vùng lõm với mật độ phân bố dân cƣ tập trung tƣơng đối cao, đã đƣợc đầu tƣ phát
triển rất nhiều trạm phát FM phục vụ cho công tác tuyên truyền. Các khu vực ngoài
vùng thị trấn gồm chủ yếu là các thôn bản với trình độ văn hóa còn hạn chế, hiện
nay, mỗi một cụm thu FM đƣợc đặt ở một bản và phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố
con ngƣời. Đối với các tỉnh ở vùng đồng bằng các cụm FM cũng đặt tập trung theo
từng tổ dân (phƣờng). Cả 2 khu vực đều phải làm thủ công để bật tắt cụm thu FM
theo khung giờ. Điều này có một hạn chế lớn là mất đi sự chủ động trong truyền
phát thông tin đến ngƣời dân. Vì vậy, việc áp dụng công nghệ RDS (radio data
system), điều khiển tắt bật các cụm thu FM (phát mã liên tục không ảnh hưởng
chương trình) là hết sức cần thiết.
Với mục đích nâng cao chất lƣợng phát thanh để số lƣợng khán thính giả
nghe Đài ngày càng tăng, đồng thời thực hiện tốt nhất nhiệm vụ tuyên truyền đƣờng
lối chính sách của Đảng và Pháp luật của nhà nƣớc đến đại đa số ngƣời dân, trong
luận văn tốt nghiệp này, tôi muốn nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn công nghệ RDS
(radio data system) vào việc chế tạo thiết bị thu phát sóng FM để truyền đồng thời
tín hiệu số với các chƣơng trình phát thanh FM hiện tại. Sau thời gian quan sát, tìm
hiểu và nghiên cứu kĩ lƣỡng hƣớng phát triển của đề tài, tôi quyết định chọn đề tài “


2

Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Trạm Tích Hợp Kênh Điều Khiển Trên Sóng

Cho tới năm 1986, nhiều thử nghiệm đã đƣợc tiến hành để tìm ra một
phƣơng pháp mã hóa băng gốc thích hợp sao cho phù hợp với các điều kiện lỗi bit
của kênh AM trong các băng tần phát thanh tần số thấp, trung bình và cao.
Năm 1994, bên cạnh việc nhiều hệ thống thử nghiệm đã đƣợc thực hiện tại
các đài phát thanh truyền hình ở Đức, Pháp, Hà Lan, và Vƣơng quốc Anh, ngƣời ta
cũng bắt đầu chú trọng đến việc ban hành các đặc tính kỹ thuật của các hệ thống
truyền dữ liệu trên sóng AM, mà tổ chức tiên phong là EBU. Tuy nhiên các đặc tính
này chỉ liên quan đến việc mã hóa băng gốc cho việc phát quảng bá dữ liệu tại các
tần số LF, MF và HF. Đa số các thử nghiệm đƣợc tiến hành với phƣơng thức điều
chế sử dụng là điều chế pha, cho phép tốc độ bit tổng cộng là 200 b/s. Ở Đức, một
tổ chức chính phủ đã soạn thảo các đặc tính kỹ thuật của hệ thống AMDS và EBU
đã sử dụng nó để mở rộng các đặc tính kỹ thuật của các hệ thống AMDS thời đó.


4

Ngoài ra, trong năm 1995, tổ công tác 10A của ITU-R đã chuẩn bị khuyến nghị ITU
BS.706-1 cho AMDS. Tuy nhiên, vấn đề lớn mà tất cả các tổ chức đều nhận thấy
phƣơng pháp điều chế đƣợc sử dụng là không tƣơng thích với phát sóng đơn biên
(SSB) - phƣơng thức phát sóng sẽ ngày càng đƣợc sử dụng nhiều cho phát thanh
truyền hình HF. Ngoài ra, AMDS cũng không tƣơng thích với hệ thống AM stereo,
lúc đó đang đƣợc sử dụng tại Mỹ. Vì hai lý do này mà hệ thống AMDS ngày càng ít
đƣợc quan tâm nghiên cứu tiếp, và hiện nay thì hầu nhƣ không có máy thu phù hợp
ngoại trừ một số mẫu máy thu đƣợc sử dụng cho thử nghiệm TMC, và DGPS tại các
tần số LF và MF ở Đức.
Đối với phát sóng HF, phƣơng thức truyền sóng sử dụng một vài băng tần
HF khi truyền sóng ban ngày do các thay đổi về điều kiện truyền sóng trong tầng
điện ly giữa ngày và đêm, AMDS chắc chắn sẽ đƣợc quan tâm chút ít nếu SSB
không phải là một trở ngại. Năm 1996, nhiều lựa chọn thay thế khác đã đƣợc nghiên
cứu, ví dụ tại Mỹ là hệ thống RBDS và tại Hồng Kông là hệ thống ID logic.

Jülich (Đức).
+ Tháng 4/1997: Thành lập dự án hợp tác mới kỹ thuật số vô tuyến (DRM),
với thành viên chủ trì là VOA (Voice of America) và mục đích là phát triển một hệ
thống phát thanh kỹ thuật số sóng ngắn, không bị ảnh hƣởng bởi nhiễu, với các đặc
tính của phát thanh quảng bá sóng ngắn tƣơng tự hiện nay.
+ Năm 2010: Công ty cổ phần kỹ thuật số iBiquity đã tiến hành dự án thử
nghiệm dịch vụ dữ liệu kỹ thuật số AM để tìm ra dịch vụ truyền dẫn dữ liệu. Có thể
cho phép các trạm phát thanh AM tƣơng tự có thể cung cấp các dịch vụ dữ liệu
tƣơng tự nhƣ các chức năng của hệ thống RBDS trên sóng FM. Dịch vụ dữ liệu kỹ
thuật số AM đƣợc cấu trúc tƣơng thích với phát quảng bá HD Radio IBOC trên
sóng AM sao cho hiệu quả nhất về mặt kinh tế.
Nhìn vào tƣơng lai của phát thanh quảng bá LF, MF và HF, dễ dàng nhận ra
phát thanh AM tƣơng tự sẽ sớm đƣợc thay thế bằng các hệ thống vô tuyến kỹ thuật
số AM tại các dải tần số này. Tất nhiên trong hệ thống mới đó sẽ chứa kênh truyền
dữ liệu vô tuyến với các tính năng tƣơng tự nhƣ các kênh truyền dữ liệu vô tuyến
khác hiện đang đƣợc sử dụng bằng các công nghệ khác trên thế giới.

1.2 Hệ thống truyền tín hiệu số trên sóng phát thanh điều tần FM
Điều chế tần số hay đƣợc gọi là điều tần là một phƣơng thức điều chế mà tần


6

số của sóng mang tăng giảm theo tín hiệu âm tần và giới hạn tăng hay giảm này là
+150KHz và -150KHz. Bên cạnh đó, tần số sóng sẽ bị thay đổi phụ thuộc vào biên
độ của thông tin nguồn nhƣ hình 1.1

Hinh 1.1 Điều chế FM

Nhƣ vậy tần số sóng mang điều tần có dải thông là 300KHz và thay đổi theo

FM, tại đây nó đƣợc điều biên với sóng mang chính.
Phổ tần số FM dải gốc:


8

Hình 1.4 Phổ tần số FM dải gốc [1]

+ Phổ tần FM dải gốc bao gồm những kênh âm thanh từ 50 Hz đến 15 kHz.
+ Kênh âm thanh trái (L) + phải (R) gọi chung là kênh đa âm stereo L+R.
+ Kênh âm thanh trái (L) – (R): gọi chung 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 LR . Kênh L-R là dải biên kép đƣơc loại bỏ tín hiệu sóng mang và có dải thông từ 23
kHz đến 53 kHz, nó chỉ đƣợc sử dụng để truyền sóng FM stereo.
+ Dải tần sóng mang phụ nằm trên dải thông từ 60 kHz đến 74 kHz.
Những tín hiệu thông tin chứa trong dải kênh âm thanh đa ân stereo L+R và
L-R thì đồng nhất với nhau ngoại trừ pha của chúng là khác nhau. Sóng mang phụ
đƣợc dải điều biên trong tất cả các máy thu FM mặc dù chỉ có những thiết bị SCA
thật tốt mới giải điều biên đƣợc sóng mang phụ để tạo thành những tần số âm thanh.
Với phƣơng pháp truyền âm thanh đa âm stereo, độ di tần cực đại vẫn là 75 kHz
(10%) đƣợc dành riêng cho truyền sóng mang phụ và 7,5 kHz khác dành riêng cho
chủ sóng 19 kHz. Trong thực tế phải giảm độ di tần đến tần số 60 kHz để máy thu
đa âm stereo thu đƣợc những kênh đa âm stereo L+R và L-R. Tuy nhiên những
kênh đa âm stereo L-R, L+R không cần thiết phải giới hạn độ di tần đến tần số 30
kHz.

1.3 Công nghệ mã hóa DTMF, RDS
- Công nghệ mã hóa DTMF: Là hệ thống báo hiệu bằng cách sử dụng băng thoại
tần số qua các trung tâm chuyển mạch để nhận tín hiệu giữa điện thoại và các thiết


Chuẩn RDS đƣợc giới thiệu lần đầu tiên để phục vụ cho việc xử lý tín hiệu cho
mã hóa RDS (ở các nƣớc Châu Âu), chuẩn RBDS là phiên bản khác với tên gọi
khác của RDS đƣợc cải biên để phù hợp với các yêu cầu ở Bắc Mỹ. Hệ thống RDS
ứng dụng tại các trạm phát sóng VHF/FM trong khoảng tần từ 87.5MHz tới 108.0
MHz và nó có thể mang thông tin đƣợc cả cho chƣơng trình âm thanh đa âm
(stereo) và đơn âm (mono). Trong khi vẫn phát các chƣơng trình hiện tại mà không
làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của chƣơng trình đang phát. Hệ thống này cho phép
các trạm phát sóng truyền thêm hoặc điều khiển từ xa các loại thông tin thông qua
các tín hiệu số đƣợc mã hóa, các tín hiệu này sau đó đƣợc 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 có khởi nguồn tại Châu Âu, và cũng đƣợc phát triển tập trung đầu tiên
tại đây. Ý tƣởng đầu tiên của RDS xuất phát từ nhà cung cấp dịch vụ truyền hình
của Pháp (hiện là Đài truyền hình Pháp). Tại Đức, RDS đƣợc phát triển bởi trung
tâm nghiên cứu phát thanh truyền hình công cộng IRT và nhà sản xuất đài thu thanh
cho hãng xe Blaupunkt. RDS ra đời từ một hệt thống kiểm soát giao thông công


11

cộng (ARI) và sử dụng để truyền các thông tin về giao thông cùng với tín hiệu phát
thanh quảng bá FM với tần số phụ 57kHz cho đến ngày nay.
Cùng với việc sóng mang phụ họat động tại các tần số hài của tín hiệu băng
gốc, việc này sẽ giảm thiểu xuyên nhiễu gây ra cho các tín hiệu âm tần. RDS hoạt
động bằng cách chèn thêm dữ liệu số dữ liệu vào tín hiệu băng gốc đƣợc sử dụng để
điều chế sóng mang tần số vô tuyến. Phƣơng thức này không làm nhiễu tín hiệu
trong khi vẫn cho phép truyền dữ liệu tại tốc độ thích hợp
Các thử nghiệm nhận thấy sóng mang phụ có độ lệch tối thiểu là ±1 kHz.

thống âm thanh quốc gia Hoa Kỳ (US National Radio Systems Committee) đã phát
hành phiên bản của riêng họ - RBDS (Radio Broadcast Data System) năm 2012. Cả
2 phiên bản RDS và RBDS đều truyền dữ liệu tại tốc độ 1187,5 bit/s trên sóng
mang phụ 57 kHz, do đó có chính xác 48 chu kỳ của sóng mang trong mỗi bit dữ
liệu.
Tuy nhiên hệ thống này ở Việt Nam hiện nay đang đƣợc nghiên cứu và ứng
dụng dần trong đài phát thanh truyền hình trong cả nƣớc. Một trong những ứng
dụng công nghệ RDS tại Việt Nam quan tâm là xây dựng hệ thống thiết bị tích hợp
kênh điều khiển sử dụng sóng FM đƣợc phát triển dựa trên nền tảng công nghệ
không dây nên có nhiều tính chất ƣu việt, đem lại sự tiện dụng và ổn định cho hệ
thống phát thanh. Hệ thống sử dụng đƣợc ở những nơi có địa hình phức tạp, có diện
tích rộng nhƣ: đài phát thanh các xã, phƣờng, trị trấn, huyện...

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Đã trình bày tổng quan của hệ thống truyền tín hiệu số trên sóng phát thanh
điều biên AM, hệ thống truyền tín hiệu số trên sóng phát thanh điều tần FM và các
công nghệ mã hóa. Đặc biệt nêu và phân tích rõ nguyên lý phát âm thanh đa âm
stereo FM và sơ đồ khối máy phát FM đa âm stereo cần thiết để từ đó đi sâu vào
nghiên cứu và ứng dụng công nghệ RDS cho việc chế tạo thiết bị tích hợp kênh điều
khiển.


13

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ RDS VÀ ỨNG DỤNG
Công nghệ RDS hiện đang sử dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên ở Việt
Nam việc áp dụng công nghệ này vẫn còn mới mẻ. Trong công nghệ RDS, các tín
hiệu dịch vụ số sẽ đƣợc truyền đồng thời với các tín hiệu phát thanh FM tƣơng tự
trong khoảng tần số từ 87.5MHz đến 108 MHz. Một số đặc tính công nghệ chính sẽ
đƣợc trình bày trong chƣơng này.

2.2.1 Tần số sóng mang phụ
Khi phát ở chế độ âm thanh đa âm stereo, tần số sóng mang phụ mang tín
hiệu số sẽ đƣợc khóa đến hài bậc 3 của tần số 19kHz, tức là 57 kHz. Sai số tối đa
cho phép là 19 kHz ± 2Hz, độ di tần tại tần số sóng mang phụ sẽ là

6 Hz.Khi phát

ở chế độ âm thanh đơn âm mono, tần số của sóng mang phụ cũng là 57 kHz

6 Hz.

2.2.2 Pha của sóng mang phụ
Trong các chƣơng trình phát sóng FM, pha của sóng mang phụ sẽ đƣợc khóa
hoặc cùng pha hoặc vuông pha với tần số điều hòa thứ ba 19kHz (tín hiệu băng
gốc). Sai pha cho phép trong khoảng ± 10°, đƣợc đo tại đầu vào bộ điều chế máy
phát FM.

Hình 2.2 Phổ tần FM


15

- 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]

Từ hình 2.3 ta thấy tín hiệu dữ liệu đƣợc đƣa qua bộ mã hóa sau đó đƣợc
điều chế bởi bộ tạo song pha. Rồi điều chế sóng mang 57 kHz kết hợp với âm thanh
trƣớc khi đƣa lên đƣờng truyền vào máy phát khuếch đại phát ra ăng ten.
- Sơ đồ khối của bộ mã RDS đƣợc mô tả nhƣ hình 2.4: