DU CH AM

ĐỀU CHẾ AM Trong kỹ thuật điều chế, tín hiệu thoại băng gốc, tín hiệu video, tín hiệu số bị thay đổi khác đi, tín hiệu có tần số cao gọi sóng mang, thơng thường sóng mang sóng sin Một tín hiệu sóng mang hìn sin bị thay đổi tín hiệu thơng tin thơng qua q trình điều chế biên độ, điều chế tần số điều chế pha Trong phần ta khảo sát kỹ thuật điều chế biên độ Mục tiêu: Sau học phần sinh viên có thể: Tính tốn số điều chế phần trăm điều chế tín hiệu điều chế AM cho trước biên độ sóng mang biên độ tín hệu điều chế Xác định xảy điều chế mức ảnh hưởng tới việc khơi phục Giải thích cơng suất tín hiệu AM phân bố tín hiệu sóng mang dãi bên, tính tốn cơng suất sóng mang dãi bên cho trước phần trăm điều chế AM Tính tốn tần số dãi bên cho trứoc tần số sóng mang tần số tín hiệu điều chế So sánh miền thời gian Miền tần số biểu diển pha tín hiệu AM Giải thích cách hình thành kỹ thuật điều chế SSD, DSB nêu ưu điểm kỹ thuật điều chế SSB so với điều chế AM Khái niệm điều chế AM Như tên gọi kỹ thuật điều chế này, điều chế AM, tín hiệu thơng tin thay đổi biên độ sóng mang hình sin Giá trị biên độ tức thời sóng mang thay đổi theo biên độ tần số tín hiệu điều chế Hình 3.1 Tần số pha sóng mang khơng thay đổi cịn biên độ sóng mang thay đổi theo tín hiệu thơng tin ( ) Khi biên độ thơng tin tăng, biên độ sóng điều chế tăng theo ngược lại, phần biên độ âm dương sóng mang điều thay đổi theo tín hiệu thơng tin Nếu kẻ đường nối đỉnh dương đỉnh âm sóng mang điều chế cho thấy thay đổi gọi đường bao sóng điều chế Biểu diển sóng điều chế AM hình 3.1 thường phức tạp sóng mang cao tần, nên có cách biểu diển khác sóng điều chế AM thay đường cong hình sin sóng mang thành đường thẳng song song cho biên độ thay đổi theo hình đường bao hình 3.2 Tín hiệu mơ tả hình 3.1 3.2 cho thấy biên độ sóng mang thay đổi theo thời gian biểu diển thời gian sóng điều chế AM Tín hiệu miền thời gian sóng AM biểu diễn cho tín hiệu dạng điện áp dịng điện quan sát Oscislocop Sóng mang hình sin theo lượng giác có dạng: Với vc giá trị tức thời sóng mang hình sin mơ tả giá trị điện áp thời điểm chu kỳ nó; Vc biểu diển cho giá trị đỉnh sóng mang số không thay đổi gọi biên độ sóng Tín hiệu điều chế biểu diển theo hình sin với biểu thức: Vm: giá trị biên độ tức thời Vm: Giá trị đỉnh thông tin Fm : tần số tín hiệu điều chế hình 3.1 Đường bao sóng điều chế AM thay đổi xung quanh giá trí đỉnh sóng mang ban đầu, điều có nghĩa giá trị khơng tín hiệu thơng tin điều chế trùng với giá trị biên độ sóng mang lúc chưa điều chế Chính mối quan hệ giá trị biên độ sóng mang giá trị biên độ tín hiệu tin tức quan trọng Khi biên độ tín hiệu điều chế lớn biên độ sóng mang, có méo dạng xảy đương nhiên thơng tin ban đầu bị sai truyền Trong điều chế biên độ, ràng buộc quan trọng phải thoả giá trị biên độ thông tin phải nhỏ giá trị biên độ sóng mang Giá trị biên độ sóng mang xem giá trị tham chiếu cho tín hiệu điều chế; giá trị tín hiệu điều chế cộng trừ từ giá trị đỉnh biên độ sóng mang lượng giá trị biên độ tín hiệu thơng tin, giá trị tức thời tín hiệu điều chế là: 222 Ta viết lại giá trị tức thời v2 cách v1 bào giá trị biên độ sóng mang 333 Thế biểu thức v1 trước 222 vào 333 khai thai triển ta CHÚ Ý QUAN TRỌNG Nếu biên độ tín hiệu điều chế lớn biên độ sóng mang có méo dạng xảy điều chế Với v2 giá trị tức thời sóng AM, Vcsin2�fct sóng mang (Vm sin2fmt)(sin2fct) sóng mang nhân với tín hiệu điều chế Có thể thực điều chế AM với mạch điện có chức nhân hai tín hiệu lại với Như mạch nhân thực tạo sóng AM gọi mạch điều chế CĨ hai ngõ vào sóng mang tín hiệu điều chế Ngõ mạch điều chế hình 3-3 Mạch thực tính tích hai tín hiệu tương tự gọi mạch nhân tương tự, mạch trộn (mixer), mạch chuyển đổi (converter) mạch tách tín hiệu detector mạch tách pha Một mạch làm thay đổi tín hiệu tần số thấp băng góc thành tín hiệu tần số cao gọi điều chế Mạch khơi phục tín hiệu thơng tin từ tín hiệu AM gọi mạch giải điều chế hay cịn gọi mạch tách sóng Trộn tín hiệu tách sóng nghiên cứu kỹ chương sau Chỉ số điều chế phần trăm điều chế Trong phần điều chế tín hiệu AM khơng bị méo dạng, biên độ tín hiệu điều chế vm phải nhỏ biên độ sóng mang vc Vì mối liên hệ biên độ tín hiệu điều chế biên độ sóng mang quan trọng, mối quan hệ gọi số điều chế m hay gọi hệ số điều chế hay mức độ điều chê tỉ số sau: Nếu nhân tỉ số cho 100 ta có phần trăm tín hiệu điều chế, ví dụ biên độ tín hiệu sóng mang 9V tín hiệu điều chế 7.5 v, hệ số điều chế 0.8333 phần trăm tín hiệu điều chế 0.833 x100=83,33 Điều chế mức méo dạng Chỉ số điều chế m phải thoả nằm đoạn Nếu biên độ điện áp tín hiệu điều chế lơn tín hiệu sóng mang, m lớn gây méo dạng dạng sóng điều chế Nếu số điều chế lớn tín hiệu điều chế bị cắt xén bị rè nghe khơng cịn tự nhiên lúc đầu Nếu méo dạng xảy điều chế AM cho tín hiệu video gây tượng chồng trộn lẫn lộn gữa tín hiệu gọi scambled ình ảnh khơng cịn xác hiển thị hình TV Méo dạng đơn giản mơ tả hình 3.4 Ở sóng thơng tin hình sin tín hiệu điều chế với sóng mang hình sin, điện áp biên độ tín hiệu điều chế lớn điện áp biên độ sóng mang tượng gọi điều chế mức Như thấy dạng sóng trở nên bị phẳng đuờng thẳng zeros Tín hiệu nhận tạo dạng sóng ngõ với đường bao có dạng hình sin bị cắt bỏ phần âm Nếu biên độ tín hiệu điều chế nhỏ biên độ sóng mang, khơng có tượng méo dạng điều chế Cho trường hợp lý tưởng biên độ sóng mang biên độ tín hiệu điều chế Vm=Vc hay số điều chế m=1, điều cho phần trăm điều chế 100% Kết cho công suất ngõ lớn thu không bị méo dạng Để trách trường hợp điều chế mức đơn giản, chẳng hạn thực điều chế với tín hiệu thoại, tín hiệu thay đổi từ giá trị biên độ nhỏ lớn Thơng thường biên độ tín hiệu điều chế đươc điều chỉnh cho biên độ lớn sinh phần trăm điều chế 100 Điều tránh điều chế mức méo dạng Mạch tự điều chỉnh gọi mạch nén (compression circuits) giải toán cách khuếch đại mức biên độ thấp bà nén tín hiệu có mức biên độ lớn Kết công suất trung bình cao mà khơng bị méo dạng Méo dạng tạo điều chế mức tạo nhiễu xuyên kênh Sự méo dạng sinh tín hiệu khơng phải hình sin Theo phép biến đổi Fourier, tín hiệu khơng phải hình sin khai triển thành hài sóng sin có tần số số nguyên lần hài thông tin ban đầu Rõ ràng hài điều chế với sóng mang gây nhiễu với kênh lân cận Phần trăm điều chế Chỉ số điều chế xác định cách đo giá trị thực điện áp tín hiệu điều chế biên độ điện áp sóng mang tính tỉ số Tuy nhiên, thơng thường tính số điều chế tính từ phép đo tín hiệu sóng điều chế AM Khi sóng AM thu hiển thị oscilloscope, số điều chế tính từ giá trị Vmin Vmax hình 3.5 Biên độ tín hiệu điều chế khác biệt Vmin Vmax Như hình 3.5 Vmax giá lớn tín hiệu điều chế Vmin giá trị nhỏ tín hiệu điều chế Lúc biên độ sóng mang tính theo biểu thức: Và số điều chế lúc là: Ví dụ 3.1 Giả sử tín hiệu AM giá trị Vmax đọc từ thực tế Osciloscope 5.9 đơn vị chia Vmin 1.2 đơn vị chia A Tính số điều chế b Tính Vc, Vm m thang dọc chia Oscilloscope 2V đơn vị chia Các side bank miền tần số Bất sóng mang điều chế với tín hiệu thơng tin, tín hiệu tần số khác đựơc tạo Các tín hiệu tần số mới, đươc gọi dãi bên (sidebands) xuất phổ tần sóng AM phía tần số sóng mang Chính xác tần số tồng hiệu sóng mang với tín hiệu tin tức Khi tín hiệu thơng tin có nhiều tần số phân tích tín hiệu AM thường quan tâm miền tần số miền thời gian TÍnh tốn Sideband Khi tần số tín hiệu điều chế sóng sin sử dụng, trình điều chế sinh hai band Nếu tín hiệu thơng tin điều chế dạng sóng phức tạp tín hiệu thoại Video, tồn thành phần tần số sóng điều chế với sóng mang tồn thành phần sideband tạo Băng tần số phía USB tần số phía LSB tính tốn sau: Với fc tần số sóng mang fm tần số tín hiệu thơng tin Sự xuất sideband giả thích cách tốn học, bắt đầu phương trình mơ tả sóng AM phần trước Bằng cách sử dụng phép biến đổi lượng giác Áp dụng vào biểu thức điều chế ta có: Thành phần sóng mang, thành phân thứ hai hiệu fc-fm hài biên thành phần thứ tổng fc+fm hài biên Ví dụ giả sử có hài (tone) có tần số 400Hz điều chế với sóng mang tần số 300kHz, thành phần biên biên là: Quan sát tín hiệu AM Oscilloscope, ta thấy thay đổi biên độ sóng mang theo thời gian Miền thời gian không hiển nhiên thấy có tồn thành phần tần số hai biên tần Một tín hiệu AM thực tín hiệu tổng hợp hình thành từ nhiều thành phần: sóng mang hìn sin cộng thêm thành phần tần số bên bên thấy phương trình mơ tả sóng AM Điều mơ tả cách trực quan hình vẽ 3.6 Bằng cách cộng thành phần gồm sóng mang thành phần bên , bên theo thời gian ta thấy kết tạo sóng AM hình vẽ Đó sóng mang hình sin biên độ thay đổi theo tín hiệu tin tức Biêu diễn tần số sóng AM Một cách khác biểu diễn sóng hai biên biên độ sóng mang sóng hai bên theo tần số tương ứng hình 3-7 Trục hoành biểu diễn tần số trục dọc biểu diễn biên độ thành phần tương ứng Các tín hiệu biểu diễn dạng điện áp, dịng điện hay cơng suất giá trị đỉnh hay trị hiệu dụng Đồ thị biểu diển biên độ theo tần số gọi biểu diễn miền tần số sóng AM Các thiết bị đo kiểm miền dùng máy phân tích phổ Hình 3-8 biểu diễn mối quan hệ miền thời gian miền tần số tín hiệu AM, trục thời gian trục tần số vuông góc vng góc với trục biểu diễn biên độ sóng mang Khi sóng điều chế sống phức tạp có nhiều thành phần sóng sin, biên biên dãi tần Chắng hạn tín hiệu điều chế tín hiệu thoại hay video bao gồm nhiều thành sóng sin thành phần tần số khác Tần số tín hiệu thoại nằm khoảng 300 đến 3000 Hz Chính tín hiệu thoại tạo dãy tần biên biên lân cận tần số trung tâm sóng mang hình 3-9 Các dãi bên hình thành vùng phổ Tổng băng thơg tín hiệu Am tính cách tính từ giá trị tần số nhỏ đến tần số lớn phổ Các tần số lớn nhỏ tổng hiệu sóng mang với sóng điều chế Ví dụ tần số sóng mang 2.8 MHz tần số lớn nhỏ hai biên tần Tổng băng thông đơn giản khoảng khác biệt USB LSB Như trên, băng thơng tín hiệu AM hai lần tần số lớn tín hiệu điều chế BW=2fm; fm tần số lớn tín hiệu điều chế Với tín hiệu thoại, tần số lớn 3kHz, tổng băng thơng tính đơn giản BW=2(3kHz)=6kHz Ví dụ 3-2 Một đài phát AM tiêu chuẩn cho phép truyền tần số điều chế lên đến 5kHz Nếu đài phát AM phát tần số 980kHz, tính tần số lớn nhỏ dãi biên tính băng thơng cần thiết cho đài phát AM Ví dụ 3-2 cho thấy đài phát quảng bá sóng AM phải có băng thơng tổng cộng 10kHz Khoảng băng thơng có tần số trung tâm tính từ tần số 540 đến 1600kHz Điều mơ tả hình 3-10, dãi bên đài AM thứ mở rộng từ tần số 535 đến 545 kHz, đài AM cuối có tần số trung tâm 1600kHz tần số lớn dãi bên 1605 kHz Như có tổng cộng 107 kênh AM có băng thơng 10kHz Điều chế xung Khi tín hiệu phức tạp tín hiệu có dạng xung sóng vng điều chế với sóng mang, phổ rộng dãi bên tạo ra, theo lý thuyết Fourier, tín hiệu phức tạp tín hiệu xung vng, tín hiệu sóng tam giác, tín hiệu hình cưa tín hiệu xung sin hình thành từ hài sin tần số biên độ khác Giả sử sóng mang điều chế với sóng xung vng điều chế với tất sóng sin hài lẻ khai triển Fourier cho sóng vng, hài sóng vng điều chế với sóng mang hình 3-11 Để cho sóng vng nhận hồn tồn thu mà khơng bị méo dạng tồn hài dài bên quan trọng ( có lượng chủ yếu) phải truyền qua ăng ten nhận thu Hình 3-12 biểu diễn dạng sóng AM sóng vng điều chế với sóng mang sin Trong hình 3-12a phần trăm số điều chế 50, hình 3-12b 100 Trong trường hợp sóng vng có giá trị âm đưa sóng mang giá trị khơng Điều chế biên độ với sóng mang xung nhị phân hình chữ nhật gọi khố dịch biên ( amplitudeshift keying ASK) ASK kỹ thuật điều chế ứng dụng truyền liệu viễn thơng thơng tin nhị phân truyền 3-4 Cơng suất AM Trong sóng vơ tuyến radio, tín hiệu AM khuếch đại khuếch đại cơng suất truyền đến ăngten có trở kháng đặc trưng lý tưởng thường trở Tín hiệu AM tín hiệu tổng hợp từ nhiều điện áp tín hiệu bao gồm sóng mang dãi bên, tín hiệu tạo cơng suất truyền anten Tổng công suất nhận Pt đơn giản tổng suất sóng mang Pc cà cơng suất hai dãi bên Pusb Plsb: Ta thấy công suất AM phân bố thông qua việc tính tốn thành phần tham gia biểu thức điều chế sóng AM Thành phần biểu thức sóng mang hai thành phần lại dãi bên, Vc, Vm biên độ sóng mang sóng điều chế Để tính công suất thường dùng trị hiệu dụng cho biên độ Cơng suất sóng mang sóng dãi bên tính cách sử dụng cơng thức P=V2/R P cơng suất, V điện áp trị hiệu dụng R điện trở tải thông thường anten Khi sử dụng hệ số trước biểu thức sin cos ta có Ta biểu diển biên độ tín hiệu điều chế theo biên độ sóng mang thơng qua số điều chế Do tổng cơng suất phát trở thành Rút gọn ta Cuối thay Pc ta có cơng thức tính cơng suất cho tín hiệu AM Ví dụ: Nếu sóng mang phát cơng suất 1000W điều chế 100 %(m=1) tổng cơng suất AM Trong tổng công suất AM 1500W có 1000W cơng suất sóng mang Điều có nghĩa cơng suất hai dãi bên 500W công suất dãi bên 250W Với phần trăm điều chế 100%, tổng công suất hai dãi bên công suất sóng mang, phần trăm điều chế nhỏ 100% , cơng suất hai dãi bên nhiều Ví dụ phần trăm điều chế 70% cơng suất sóng mang 250W tổng cơng suất tổng cộng sóng AM Trong tổng cơng suất AM 311.25 W có cơng suất sóng mang 250 nên công suất hai dãi bên 311.25-250W=61.25W cơng suất dãi bên 30.625W Ví dụ 3-3 Một máy phát AM có cơng suất sóng mang 30W Phần trăm điều chế 85%, tính cơng suất sóng AM cơng suất dãi bên Trên thực tế, khó để xác định cơng suất sóng AM cách đo điện áp ngõ tính theo cơng thức P=V2/R Tuy nhiên đo dịng tải dễ dàng Ví dụ ta dùng máy đo ampe RF mắc nối tiếp với ăng ten để đo dòng điện qua ăng ten Khi trở kháng ăng ten biết cơng suất ngõ máy phát AM Cơng suất sóng mang phụ thuộc vào số điều chế Với số điều chế cao cơng suất dãi bên cao tổng cơng suất sóng AM cao Và dĩ nhiên công suất đạt giá trị cực đại phần trăm điều chế 100% Công suất dãi bên Biểu diển công suất miền tần số hình sau: Giả sử số điều chế lớn m=1 có ¼ cơng suất dãi bê truyền so với cơng suất sóng mang Vì có tất hai dãi bên nên tổng cơng suất hai dãi bên 50% so với công suất sóng mang Ví dụ cơng suất sóng mang 100W số điều chế=1 công suất hai dãi bên 50W công suất dãi 25W tổng cơng suất AM 150W Mục đích điều chế AM để có cơng suất lớn giữ số điều chế mà không bị méo dạng Công suất dãi bên so với tổng công suất phát 1/3 hay 30% Bản thân sóng mang khơng mang thơng tin Chỉ có hai dãi bên mang thơng tin, có 1/3 cơng suất thơng tin nằm hai dãi bên cịn lại 2/3 cơng suất hao phí sóng mang Ở phần trăm điều chế thấp hơn, công suất phân bố cho hai dãi bên cịn thấp Ví dụ giả sử cơng suất sóng mang 500W phần trăm điều chế 70% công suất dãi bên là: Và tổng công suất hai dãi bên 122.5W Như xét phần trên, tín hiệu tiếng nói phức tạp tín hiệu video thay đổi thang tần số rộng phần trăm điều chế 100% mong mưốn xảy với giá trị lớn tín hiệu điều chế Với lý cơng suất trung bình dãi bên thấp so với phần trăm điều chế 1à 100% Ví dụ 3-4: Một ăng ten có trở kháng 40Ω Tín hiệu AM chưa điều chế tạo dòng 4.8A Với điều chế 90% tính cơng suất sóng mang cơng suất sóng AM cơng suất dãi bên Ví dụ 3-5: Nếu truyền với ăng ten ví dụ 3-4, dòng ăng ten thay đổi từ 4.8 đến 5.1 A Tính phần trăm tín hiệu điều chế Mặc dù xét cơng suất điều chế AM không hiệu quả, nhiên AM ứng dụng rộng rãi đơn giản Nó ứng dụng phát AM quảng bá phát video quảng bá trạm truyền thông khơng lưu, sân bay Trong điều chế AM có 2/3 cơng suất phát sóng mang mà thân khơng chứa thơng tin Thơng tin thực tế truyền tải hai dãi biên Một cách để khắc phục hiệu điều chế biên độ loại bỏ sóng mang điều chế để tạo dãi bên Kết tạo sóng dãi bên gọi SSB SSB hình thàng từ sóng AM hiệu ứng dụng truyền thông điện Bước việc tạo sóng SSB loại bỏ sóng mang điều chế AM sau tiếp tục bỏ dãi biên, biên biên Kỹ thuật nén sóng mang tạo sóng hai dãi biên DSB Tín hiệu DSB có dạng hình 3-15 Về đại số DSB tổng hai sóng sin hai dãi bên, ý đường bao biên độ sóng mang sóng DSB khơng giống điều chế AM t Một đặc trưng khác biệt tín hiệu điều chế DSB chuyển tiếp pha khơng liên tục thời điểm hình dạng đường bao qua điểm khơng Biểu diễn miền tần số tín hiệu DSP cho hình 3-16, theo hình vẽ phổ tín hiệu DSP với phổ AM túy Tín hiệu hai dãi bên thực mạch đặc biệt gọi mạch cân Mục đích mạch cân tạo tín hiệu có tần số tổng hiệu tần số hai tín hiệu thành phần huỷ bỏ cân sóng mang Mặc dù loại bỏ sóng mang AM tạo tín hiệu DSP tiết kiệm công suất phát kỹ thuật điều chế chưa ứng dụng rộng rãi khó để thiết kế điều chế khôi phục tín hiệu đầu thu Tuy nhiên có ứng dụng quan trọng kỹ thuật điều chế dùng truỳên tín hiệu thơng tin màu tivi Trong truyền tín hiệu DSB hai dãi bên tổng hiệu tín hiệu tham gia điều chế thơng tin chứa hai dãi bên Hiễn nhiên dể thấy khơng có lý phải truyền thơng tin cho hai bên dẫn đến dư thừa không cần thiết Do dãi bên cần phải loại bỏ, dãi bên cịn lại chứa đầy đủ thơng tin truyền Kỹ thuật điều chế gọi điều chế dãi bên SSB Tín hiệu điều chế SSB có ưu điểm sau: ... điều ch? ?? Có thể thực điều ch? ?? AM với m? ?ch điện có ch? ??c nhân hai tín hiệu lại với Như m? ?ch nhân thực tạo sóng AM gọi m? ?ch điều ch? ?? CĨ hai ngõ vào sóng mang tín hiệu điều ch? ?? Ngõ m? ?ch điều ch? ?? hình... gọi điều ch? ?? M? ?ch khơi phục tín hiệu thơng tin từ tín hiệu AM gọi m? ?ch giải điều ch? ?? hay gọi m? ?ch t? ?ch sóng Trộn tín hiệu t? ?ch sóng nghiên cứu kỹ ch? ?ơng sau Ch? ?? số điều ch? ?? phần trăm điều ch? ?? Trong... ch? ?? hình 3-3 M? ?ch thực tính t? ?ch hai tín hiệu tương tự gọi m? ?ch nhân tương tự, m? ?ch trộn (mixer), m? ?ch chuyển đổi (converter) m? ?ch t? ?ch tín hiệu detector m? ?ch t? ?ch pha Một m? ?ch làm thay đổi