thiết kế các bài thí nghiệm viễn thông

TÓM TẮTĐề tài tiểu luận “Thiết kế các bài thí nghiệm viễn thông” với nộidung thiết kế và lắp ráp các mạch lấy mẫu, điều chế tín hiệu trên mạch thực tế.Nhằm giúp các bạn sin

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN



LỜI CAM ĐOANThiết kế các bài thí nghiệm viễn thông nhằm mục đích giúp các bạn sinh

viên khóa sau có thể thực tập các mạch viễn thông ngoài thực tế và có thể kiểmchứng lại những gì đã học trên lớp Vì vậy em chọn đề tài này để làm tiểu luận tốtnghiệp cho mình

Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạnchế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết

và thành quả của em đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy Lương Vinh QuốcDanh

Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo tiểu

luận tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước

nào Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Cần Thơ, ngày 12 tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Phạm Hoàng Vinh

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến gia đìnhtôi đã nuôi dưỡng tôi, cho tôi ăn học đến ngày hôm nay

Tiếp đến xin cảm ơn thầy Lương Vinh Quốc Danh đã tận tình hướngdẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp Chúc thầy luôn dồi dào sức

khỏe và công tác tốt

Cuối cùng tôi xin cảm ơn những thầy cô trong khoa Công Nghệ đãnhiệt tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm sống vô

cùng quý báu

MỤC LỤC

TÓM TẮT XI ABSTRACT XI

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1

1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 TÌM HIỂU VỀ ĐIỀU CHẾ 2

2.1.1 Điều chế biên độ ASK 2

2.1.2 Điều chế pha PSK 3

2.2 TÌM HIỂU VỀ LẤY MẪU TÍN HIỆU 3

2.3 TÌM HIỂU VỀ MỘT SỐ LOẠI ĐIỀU CHẾ XUNG 4

2.3.1 Điều chế xung PWM 4

2.3.2 Điều chế xung PPM 5

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CÁC SƠ ĐỒ MẠCH VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ 6

3.1 MẠCH LẤY MẪU 6

3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 7

3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG PPM 9

3.4 MẠCH ĐIỀU CHẾ PSK 11

3.5 MẠCH ĐIỀU CHẾ DPSK 13

3.6 MẠCH ĐIỀU CHẾ ASK 15

3.7 TỔNG HỢP CÁC KHỐI MẠCH 16

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 17

4.1 ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 17

4.1.1 Mục tiêu 17

4.1.2 Thiết bị cần thiết 17

4.1.3 Sơ đồ mạch 17

4.1.4 Quy trình 17

4.1.5 Quan sát kết quả 18

4.1.6 Câu hỏi 18

4.2 ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG PPM 19

4.2.1 Mục tiêu 19

4.2.2 Thiết bị cần thiết 19

4.2.3 Sơ đồ mạch 19

4.2.4 Quy trình 19

4.2.5 Quan sát kết quả 20

4.2.6 Câu hỏi 21

4.3 ĐIỀU CHẾ PHA PSK 21

4.3.1 Mục tiêu 21

4.3.2 Thiết bị cần thiết 21

4.3.3 Sơ đồ mạch 21

4.3.4 Quy trình 22

4.3.5 Quan sát kết quả 22

4.3.6 Câu hỏi 22

4.4 ĐIỀU CHẾ PHA DPSK 23

4.4.1 Mục tiêu 23

4.4.2 Thiết bị cần thiết 23

4.4.3 Sơ đồ mạch 23

4.4.4 Quy trình 23

4.4.5 Quan sát kết quả 24

4.4.6 Câu hỏi 24

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PWM Pulse Width Modulation

DPSK Differential Phase Shift Keying

ASK Ampitude Shift Keying

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Đồ thị sóng điều chế PSK và DPSK 3

Hình 2.2 Lấy mẫu tín hiệu s(t) 4

Hình 2.3 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 5

Hình 2.4 Các kiểu điều chế thời gian xung 5

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý IC 4052 6

Hình 3.2 Sơ đồ mạch lấy mẫu dùng IC 4052 6

Hình 3.3 Đồ thị mô phỏng tín hiệu mạch lấy mẫu 7

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế độ rộng xung 7

Hình 3.5 Đồ thị mô phỏng tín hiệu PWM 8

Hình 3.6 Kết quả đo mạch PWM thực tế 8

Hình 3.7 Sơ đồ chân IC 555 9

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế vị trí xung 9

Hình 3.9 Đồ thị mô phỏng tín hiệu PPM 10

Hình 3.10 Kết quả đo mạch PPM thực tế 10

Hình 3.11 Kết quả đo mạch PPM thực tế khi phóng to 11

Hình 3.12 Sơ đồ chân IC 4051 11

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế PSK 12

Hình 3.14 Đồ thị mô phỏng tín hiệu điều chế PSK 12

Hình 3.15 Kết quả đo mạch PSK thực tế 13

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế DPSK 13

Hình 3.17 Đồ thị mô phỏng tín hiệu điều chế DPSK 14

Hình 3.18 Kết quả đo mạch DPSK thực tế 14

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế ASK 15

Hình 3.20 Đồ thị mô phỏng tín hiệu ASK 15

Hình 3.21 Mạch thực tế 16

Hình 4.22 Mạch điều chế độ rộng xung 17

Hình 4.23 Kết quả đo mạch điều chế độ rộng xung 18

Hình 4.24 Mạch điều chế vị trí xung 19

Hình 4.25 Kết quả đo mạch điều chế vị trí xung 20

Hình 4.26 Kết quả đo mạch điều chế vị trí xung khi phóng to 20

Hình 4.27 Mạch điều chế PSK 21

Hình 4.28 Kết quả đo mạch điều chế PSK 22

Hình 4.29 Mạch điều chế pha DPSK 23

Hình 4.30 Kết quả đo mạch điều chế DPSK 24

TÓM TẮT

Đề tài tiểu luận “Thiết kế các bài thí nghiệm viễn thông” với nộidung thiết kế và lắp ráp các mạch lấy mẫu, điều chế tín hiệu trên mạch thực tế.Nhằm giúp các bạn sinh viên có thể hiểu rõ hơn về lý thuyết, kiểm chứng các kếtquả đã học được trên lớp Bằng cách tìm hiểu lý thuyết và sử dụng phần mềm môphỏng để thiết kế Sau đó dùng các linh kiện tương tự, kỹ thuật số cơ bản để lắpráp thành các mạch có chức năng: nhận tín hiệu nhị phân từ ngoài vào để biến đổithành các tín hiệu viễn thông như: ASK, PWM, PSK,

Từ khoá: mạch điều chế, mạch lấy mẫu, thí nghiệm viễn thông.

ABSTRACT

Thesis: “Designing Telecom Experiments” with the content of designing aswell as assembling circuit signal modulation, sampling and making signals onactual circuit The aim of this thesis is helping students to have betterunderstanding about theories and to verify what they have learnt on class Themethod if this progress consists of two main steps The first one is to study aboutthe theories, then use simulation software to design After that, by combininganalog components and “kỹ thuật số cơ bản”, assemble circuits with functions ofreceiving binary signals from the outside then transform to signal telecom such as:ASK, PWM, PSK,

Key word: modulation circuits, sampling circuit, telecommunications experiments.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Với tình trạng thực tế thiếu thiết bị thực tập kỹ thuật điều chế Nhằm tìm ra

giải pháp giải quyết khó khăn trước mắt đó nên tôi quyết định chọn đề tài “Thiết kế các bài thí nghiệm viễn thông” làm đề tài tiểu luận cho mình để có thể giúp cho

việc thực tập viễn thông trực quan hơn

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Mạch điều chế và lấy mẫu tín hiệu là các mạch cơ bản, sử dụng các linh kiệnđơn giản nên đã có nhiều người thực hiện nhưng chỉ tập trung vào các loại mạchthông dụng Tôi chọn đề tài này làm tiểu luận nhằm để hỗ trợ giải pháp thực tập chosinh viên trong điều kiện thiếu thiết bị thực tập

1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

Trong đề tài tiểu luận này tôi thiết kế một số mạch lấy mẫu, điều chế tín hiệu

số cơ bản như: mạch lấy mẫu, PWM, ASK, PSK Sau đó tôi còn xây dựng các bàithí nghiệm tương ứng với các mạch tôi đã tìm hiểu

1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Để thực hiện đề tài này tôi chia các công việc cần làm thành các bước nhưsau:

- Bước 1: tìm hiểu về lý thuyết của các kỹ thuật điều chế và lấy mẫu, nắm bắtđược các đặc trưng cơ bản của chúng

- Bước 2: tìm hiểu các sơ đồ mạch lý thuyết

- Bước 3: mô phỏng các mạch trên phần mềm NI Multisim

- Bước 4: tiến hành ráp mạch thực tế, đo đạc kết quả và điều chỉnh thông sốcác linh kiện để mạch hoạt động tốt

- Bước 5: xây dựng các bài thí nghiệm tương ứng với các mạch

Về hình thức tôi chia tiểu luận thành 4 chương với nội dung từng chươngnhư sau:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài

- Chương 2: Các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài

- Chương 3: Tìm hiểu các sơ đồ mạch và ráp mạch thực tế

- Chương 4: Xây dựng các bài thí nghiệm.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TÌM HIỂU VỀ ĐIỀU CHẾ

Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi một

thông số nào đó như biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức

Thông qua điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển lên vùng tần số cao để

bức xạ truyền đi xa

Tín hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu

được điều chế Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đó của

sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu Các thông số của sóng mang

được dùng trong quá trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số

Ở đề tài này tôi chỉ thực về điều chế số Trong điều chế số, một sóng mang

tương tự sẽ được biến đổi theo một chuỗi bit có chiều dài cố định hoặc thay đổi

Đây cũng có thể được coi là một dạng biến đổi tương tự-số Hình dạng của sóng

mang được lấy từ một tập hợp hữu hạn các symbol

Sau đây là những phương pháp điều chế số cơ bản:

 Trong CW, người ta dùng on-off keying của tín hiệu có chiều dài thay đổi

 Trong PSK, người ta dùng một số hữu hạn pha

 Trong FSK, người ta dùng một số hữu hạn tần số

 Trong ASK, người ta dùng một số hữu hạn biên độ

 Trong QAM, tín hiệu đồng pha (tín hiệu I, ví dụ tín hiệu cos) và tín hiệu trực

pha (tín hiệu Q, ví dụ tín hiệu sin) được điều biên Nó cũng có thể được coi là

hai kênh riêng Tín hiệu thu được là sự kết hợp của PSK và ASK với tối thiểu là

hai pha và tối thiểu hai biên độ

2.1.1 Điều chế biên độ ASK

Điều chế khoá dịch biên độ ASK (Ampitude Shift Keying): sóng điều biên được

tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

Phương pháp này với các bit 0 và 1 làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang,

trong đó tốc độ truyền tín hiệu ASK bị giới hạn bởi các đặc tính vật lý của môi

trường truyền Truyền dẫn ASK thường rất nhạy cảm với nhiễu Nhiễu này thường

là các tín hiệu điện áp xuất hiện trên đường dây từ các nguồn tín hiệu khác ảnh

hưởng được lên biên độ của tín hiệu ASK

Băng thông dùng cho ASK:

- d: thừa số liên quan đến điều kiện đường dây (có giá trị bé nhất là 0)

Ta thấy băng thông tối thiểu cần cho quá trình truyền thì bằng tốc độ baud

Lấy mẫu là chuyển đổi một tín hiệu liên tục thành một tín hiệu rời rạc Lấymẫu có thể được thực hiện cho các tín hiệu khác nhau trong hệ tọa độ không thờigian, hoặc với các hệ tọa độ bất kỳ, và kết quả tương tự thu được trong hệ tọa độ 2hoặc nhiều chiều

Đối với các tín hiệu khác nhau theo thời gian, ví dụ s(t) là một tín hiệu liêntục được lấy mẫu, và việc lấy mẫu được thực hiện bằng cách đo các giá trị của tínhiệu liên tục ở thời điểm mỗi giây T, T được gọi là khoảng thời gian lấy mẫu Nhưvậy, tín hiệu sau khi được lấy mẫu s[n] được đưa ra bởi:

s[n]= s(nT), với n=0, 1, 2, 3,

Tín hiệu được xác định chính xác tại thời điểm lấy mẫu nT Trong toán

học,có thể được biểu diễn bằng phép nhân hàm tín hiệu với hàm răng lược

Dirac:

Hình 2.2 Lấy mẫu tín hiệu s(t)

Tín hiệu sau khi lấy mẫu là sa:

Phổ tần của sa là chuỗi Fourier của tín hiệu sa:

Tần số lấy mẫu hay tỷ lệ lấy mẫu fs được định nghĩa là số lượng các mẫu thu

được trong một giây, hoặc fs=1/T Định lý lấy mẫu đảm bảo rằng các tín hiệu có tần

số giới hạn có thể được tái tạo hoàn toàn từ phiên bản mẫu của nó, nếu tỷ lệ lấy mẫu

lớn hơn gấp đôi tần số tối đa (fs>2fmax)

2.3 TÌM HIỂU VỀ MỘT SỐ LOẠI ĐIỀU CHẾ XUNG

2.3.1 Điều chế xung PWM

PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương

pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay

đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng

của sườn dương hay sườn âm

Hình 2.3 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 2.3.2 Điều chế xung PPM

Tín hiệu PPM là một xung mà vị trí của nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu tương

tự được điều chế Quá trình điều chế tín hiệu PPM tương tự như quá trình điều chếtín hiệu PWM

Hình 2.4 Các kiểu điều chế thời gian xung

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CÁC SƠ ĐỒ MẠCH VÀ LẮP RÁP MẠCH

THỰC TẾ

3.1 MẠCH LẤY MẪU

IC 4052 là IC có chức năng chuyển kênh với 4 kênh có 2 đầu vào điều khiển

và một đầu vào ức chế, hai tín hiệu đầu vào lựa chọn 1 trong 4 cặp kênh được bật và

kết nối các đầu vào tương tự với kết quả đầu ra

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý IC 4052

Opamp 741 có tác dụng đệm để tín hiệu không bị sụt điện thế khi đưa vào IC

4052

Hình 3.6 Sơ đồ mạch lấy mẫu dùng IC 4052

Hình 3.7 Đồ thị mô phỏng tín hiệu mạch lấy mẫu 3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế độ rộng xung

Bằng cách nối chân số 2 (TRIGGER) và chân số 6 (THRESHOLD) xuống

mass, sau đó đưa tín hiệu vào chân số 5 (CONTROL VOLTAGE) Các xung cạnh

lên hoặc cạnh xuống ở ngõ ra sẽ xa nhau hơn khi điện thế chân số 5 ở mức cao, và

sát nhau hơn điện thế chân số 5 giảm dần

Hình 3.9 Đồ thị mô phỏng tín hiệu PWM

Hình 3.10 Kết quả đo mạch PWM thực tế

3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG PPM

Hình 3.11 Sơ đồ chân IC 555

Để thay đổi độ rộng xung bằng IC 555 ta thay đổi xung vào chân số2(TRIGGER) và chân số 5(CONTROL VOLTAGE) Tại thời điểm cạnh xuống củaxung vuông vào chân số 2 nếu mức điện thế ở chân số 5 ở mức cao thì ngõ ra sẽ làmức cao

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế vị trí xung

Hình 3.13 Đồ thị mô phỏng tín hiệu PPM

Hình 3.14 Kết quả đo mạch PPM thực tế

Hình 3.15 Kết quả đo mạch PPM thực tế khi phóng to 3.4 MẠCH ĐIỀU CHẾ PSK

IC 4051 là IC có chức năng chuyển kênh với 8 kênh có 3 đầu vào điều khiển

và một đầu vào ức chế

Hình 3.16 Sơ đồ chân IC 4051

Vì thư viện của phần mềm Multisim không có IC 4051 nên tôi sẽ sử dụng IC

ADG408 để mô phỏng Tín hiệu sóng mang qua opamp sẽ tạo thành thêm 1 sóng

mang tương tự như thế nữa 2 tín hiệu xung sin này được đưa vào 2 kênh của IC

4051 Sau đó tín hiệu data dạng xung vuông đưa vào ngõ điều khiển A0 sẽ điều

khiển chuyển đổi giữa 2 kênh của 2 sóng mang khi mức điện thế ngõ vào điều khiển

thay đổi, từ đó tạo thành mạch PSK

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế PSK

Hình 3.18 Đồ thị mô phỏng tín hiệu điều chế PSK

Hình 3.19 Kết quả đo mạch PSK thực tế 3.5 MẠCH ĐIỀU CHẾ DPSK

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế DPSK

Tương tự như mạch PSK ở trên nhưng opamp không có hồi tiếp nên tạo thành xung

vuông đưa vào 1 kênh của IC 4051 Tín hiệu data được điều khiển bởi flipflop D và

3.6 MẠCH ĐIỀU CHẾ ASK

Lợi dụng tính năng khuếch đại tín hiệu của BJT, ta có thể ráp được một mạchđiều chế ASK đơn giản:

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chế ASK.

Hình 3.24 Đồ thị mô phỏng tín hiệu ASK

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM

- Máy phát sóng (1MHz): 1 cái

- Máy Oscilloscope (20MHz): 1 cái

4.1.3 Sơ đồ mạch

Hình 4.26 Mạch điều chế độ rộng xung 4.1.4 Quy trình

- Kết nối mạch như Hình 4.0.22

- Đặt một nguồn tín hiệu ở ngõ vào tần số 1 KHz với biên độ 5 V

- Quan sát kết quả đo ở chân số 3 (độ rộng các xung)

- Điều chỉnh tần số và biên độ của tín hiệu vào Sau đó quan sát lại kết quả

- Đặt biên độ tín hiệu điều chế ở biên độ 2 V Sau đó vẽ lại dạng sóng.