Hình 2.8 Các khối tổng quát trong thư viện SimulinkThư viện này có mười sáu tổng quát, mỗi khối tổng quát có các khối chi tiếtphục vụ chức năng chính của khối tổng quát.. Kh
Trang 1NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Trang 2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Trang 3
LỜI CAM ĐOAN
Xây dựng bài thí nghiệm thu phát AM trên Matlab Simulink nhằm mục đíchgiúp các bạn sinh viên khóa sau có thể thực tập Truyền dữ liệu bằng mô phỏng trênMatlab và các bạn sinh viên có thể chuẩn bị mô hình trước ở nhà 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 vàthành quả của em đạt được dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Nhựt Khải Hoàn
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 … tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Trần Minh Phúc
Trang 4LỜI 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 Trần Nhựt Khải Hoàn đã tận tình hướng dẫnvà giúp đỡ tôi hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp Chúc thầy luôn dồi dào sức khỏe vàcông 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 vôcùng quý báo
Trang 5MỤC 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 3
2.1 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB 3
2.2 MATLAB SIMULINK 3
2.3 CÁC THƯ VIỆN TRONG MATLAB SIMULINK VÀ ỨNG DỤNG 6
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ 10
3.1 MÔ HÌNH PHÁT AM 10
3.1.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 10
3.1.2 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 12
3.2 MÔ HÌNH TÁCH SÓNG AM 18
3.2.1 TÁCH SÓNG AM ĐỒNG BỘ 19
3.2.2 TÁCH SÓNG AM BAO HÌNH 26
3.3 THU PHÁT AM VỚI TIN TỨC LÀ FILE ÂM THANH 38
3.3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 38
3.3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 39
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 48
PHỤ LỤC 49
PHỤC LỤC PHÁT AM 49
Trang 6PHỤ LỤC TÁCH SÓNG AM ĐỒNG BỘ 50 PHỤ LỤC TÁCH SÓNG AM BAO HÌNH 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
Trang 7MATLAB Matrix Laboratory
Trang 8DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Cách thứ nhất để khởi động Simulink 3
Hình 2.2 Cách thứ hai để khởi động Simulink 4
Hình 2.3 Cửa sổ làm việc của Simulink 4
Hình 2.4 Cách thứ nhất để tạo mô hình mới trong Simulink 5
Hình 2.5 Cửa sổ xây dựng mô hình trong Simulink 5
Hình 2.6 Tạo khối trong mô hình mới 6
Hình 2.7 Lưu mô hình trong Simulink 6
Hình 2.8 Các khối tổng quát trong thư viện Simulink 7
Hình 2.9 Các khối tổng quát trong thư viện Signal Processing Blockset 8
Hình 2.10 Các khối tổng quát trong thư viện Simscape 9
Hình 3.1 Sơ đồ khối phát tín hiệu AM 10
Hình 3.2 Mô hình phát AM 10
Hình 3.3 Mô hình phát AM và khảo sát tín hiệu trước điều chế và sau khi điều chế 11
Hình 3.4 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng AM với A = a 12
Hình 3.5 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng AM với A > a 13
Hình 3.6 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng AM với A < a 14
Hình 3.7 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng AM với A = 0 15
Hình 3.8 Phổ tần của tín hiệu tin tức cộng với hằng số A 16
Hình 3.9 Phổ tần của sóng mang 17
Hình 3.10 Phổ tần của tín hiệu AM 18
Hình 3.11 Sơ đồ khối tách sóng AM 19
Hình 3.12 Mô hình mạch tách sóng AM đồng bộ trong Matlab Simulink 20
Hình 3.13 Mô hình tách sóng AM đồng bộ và khảo sát tín hiệu AM lúc điều chế và giải điều chế 21
Trang 9qua LPF và tin tức thu được 21
Hình 3.15 Phổ tần của sóng trung tần 22
Hình 3.16 Phổ tần của tín hiệu AM thu được sau khi nhân với sóng mang giải điều chế fc2 tại tần số 0kHz 23
Hình 3.17 Phổ tần của tín hiệu AM thu được sau khi nhân với sóng mang giải điều chế fc2 tại tần số 910kHz 24
Hình 3.18 Phổ tần thu được của tín hiệu tin tức cộng với hằng số A 25
Hình 3.19 Sơ đồ khối mạch tách sóng bao hình 26
Hình 3.20 Mô hình mạch tách sóng bao hình 27
Hình 3.21 Dạng sóng của tin tức phát, AM và tin tức thu với Gain = 1 28
Hình 3.22 Dạng sóng của tín hiệu phát, AM và thu 29
Hình 3.23 Phổ tần của tín hiệu tin tức 30
Hình 3.24 Phổ tần của tín hiệu tin tức sau khi cộng với hằng số 31
Hình 3.25 Phổ tần tín hiệu sóng mang 32
Hình 3.26 Phổ tần tín hiệu tại điểm (4) 33
Hình 3.27 Phổ tần phóng to tại tần số 455kHz 34
Hình 3.28 Phổ tần phóng to tại tần số 2355kHz 35
Hình 3.29 Phổ tần tín hiệu tại điểm (5) 36
Hình 3.30 Phổ tần tín hiệu tại diểm (5) phóng to tại tần số +455kHz 37
Hình 3.31 Phổ tần của tín hiệu tin tức thu được 38
Hình 3.32 Sơ đồ khối điều chế AM 38
Hình 3.33 Mô hình thu phát AM 39
Hình 3.34 Dạng sóng của tín hiệu phát, sóng AM, tín hiệu trước LPF và tín hiệu thu được 40
Hình 3.35 Phổ tần của tín hiệu tin tức 41
Hình 3.36 Phổ tần của tín hiệu sóng mang 42
Hình 3.37 Phổ tần sóng AM 43
Hình 3.38 Phổ tần sóng AM phóng to tại tần số +100kHz 44
Hình 3.39 Phổ tần của sóng giải điều chế trước LPF 45
Hình 3.40 Phổ tần phóng to của hình 3.34 tại tần số 0kHz 46
Trang 10Hình 3.41 Phổ tần của tín hiệu tin tức thu được 47
Trang 11TÓM TẮT
Đề tài tiểu luận “Xây dựng bài thí nghiệm thu phát AM trên MatlabSimulink” với nội dụng xây dựng mô hình điều chế và giải điều chế biên độ trênMatlab Simulink, nhằm giúp các bạn sinh viên có thể hiểu rõ hơn về những lýthuyết, kiểm chứng các kết quả đã học được trên lớp về điều chế và giải điều chếbiên độ và ứng dụng trong bài thí nghiệm thực tập Truyền dữ liệu Bằng cách xâydựng mô hình điều chế DSBTCAM cơ bản, tách sóng DSBTCAM đồng bộ và baohình, đề tài hướng các bạn sinh viên đến việc tự thiết lập các thông số cho các khốitrong mô hình, xây dưng thêm các khối cần thiết để quan sát, phân tích tín hiệu Kếtquả của đề tài là đã xây dựng thành công mô hình phát AM, tách sóng AM đồng bộvà bao hình trên Matlab Simulink, từ đó quan sát, phân tích được dạng sóng, phổtần, tính chất, đặc điểm của điều chế và giải điều chế AM cơ bản và đã hoàn thànhbài hướng dẫn thực tập thu phát AM
Từ khoá: DSBTCAM, Matlab Simulink, AM
ABSTRACT
Essay “Make AM transceiver experiment subject with Matlab Simulink”, thecontent of model are make amplitude modulation and demodulation with MatlabSimulink, to help students can to better understand the theories, verify the resultshave learned in the classroom about the amplitude modulation and demodulationand applications in experiment subject practice data transmission By make a modelmodulation basic DSBTCAM, coherent demodulation and envelope detector, esaylead students about set up the parameters for the blocks in the model, construction
of additional blocks necessary to observe, signal analysis Result of this esay aremade model AM transceiver with Matlab Simulink successfully Therefrom toobserve, analyze waveform, spectrum, the nature and characteristics of the basic
AM modulation and demodulation and completed the tutorial practice transceiverAM
Key word: DSBTCAM, Matlab Simulink, AM
Trang 13Hình 2.2 Cách thứ hai để khởi động Simulink
Với một trong hai cách khởi động trên, cửa sổ làm việc của Simulink sẽ hiểnthị lên như sau
Hình 2.3 Cửa sổ làm việc của Simulink
Để tạo một mô hình mới trong Smulink, ta có thể sử dụng một trong ba cáchsau
- Cách thứ nhất: Click vào biểu tượng như hình bên dưới
Trang 14Hình 2.4 Cách thứ nhất để tạo mô hình mới trong Simulink
- Cách thứ hai: gõ CTRL – N
- Cách thứ ba: từ Menu File, chọn New Model
Sau khi thực hiện một trong ba cách trên, cửa sổ xây mô hình sẽ xuất hiệnnhư sau
Hình 2.5 Cửa sổ xây dựng mô hình trong Simulink
Để tạo các khối trong cửa sổ xây dựng mô hình, ta chọn các khối cần dùngtrong thư viện Simulink sau đó nhấp chuột vào và kéo ra cửa sổ mô hình
Trang 15Hình 2.6 Tạo khối trong mô hình mới
Cuối cùng, để lưu mô hình ta chọn File Save, hoặc click vào biểu tượngSave
Hình 2.7 Lưu mô hình trong Simulink
2.3 CÁC THƯ VIỆN TRONG MATLAB SIMULINK VÀ ỨNG DỤNG
Simulink có khoảng 33 thư viện, có thể đáp ứng được hầu hết các yêu cầucần đến mô phỏng trong lĩnh vực động học và hệ thống nhúng
Sau đây là một số thư viện được sử dụng trong đề tài
a Thư viện Simulink
Trang 16Hình 2.8 Các khối tổng quát trong thư viện Simulink
Thư viện này có mười sáu tổng quát, mỗi khối tổng quát có các khối chi tiếtphục vụ chức năng chính của khối tổng quát
Các khối chi tiết được sử dụng trong đề tài:
1 Khối Scope
Khối Scope nằm trong khối tổng quát Sinks, dùng để hiển thị dạng sóng củatín hiệu
2 Khối Unit Delay
Khối Unit Delay nằm trong khối tổng quát Discrete, dùng để làm trễ và lấymẫu tín hiệu
5 Khối Slider Gain
Khối Slider Gain nằm trong khối tổng quát Math Operations, dùng để thayđổi độ lợi của tín hiệu bằng thanh trượt
6 Khối Constant
Khối Constant nằm trong khối tổng quát Sources, là một hằng số
7 Khối Signal Generator
Trang 17Khối Signal Generator nằm trong khối tổng quát Sources, dùng để tạo tínhiệu có dạng Sine, vuông, răng cưa và ngẫu nhiên.
8 Khối Sine Wave
Khối Sine Wave nằm trong khối tổng quát Sources, dùng để tạo tín hiệu hìnhsine và có thể thiết lập được chu kì lấy mẫu tín hiệu
Ngoài ra, các khối hay dùng trong mô hình chủ yếu nằm trong khối tổng quátCommonly Used Blocks
b Thư viện Signal Processing Blockset
Hình 2.9 Các khối tổng quát trong thư viện Signal Processing Blockset
Thư viện Signal Processing Blockset có mười khối tổng quát, mỗi khối tổngquát có các khối chi tiết bên trong nhằm thực hiện chức năng chính của khối tổngquát
Các khối chi tiết được sử dụng trong đề tài:
1 Khối Analog Filter Design
Khối Analog Filter Design nằm trong khối tổng quát Filtering, dùng để xâydựng một bộ lọc hạ thông, thượng thông hoặc dãi thông với tần số cắt và bậc của bôlọc do chúng ta tự thiết kế
Trang 18Khối Spectrum Scope nằm trong khối tổng quát Signal Processing Sinks,dùng để quan sát phổ tần của tín hiệu.
4 Khối From Multimedia File
Khối From Multimedia File nằm trong khối tổng quát Signal ProcessingSources, dùng để tạo một tín hiệu từ một tệp âm thanh hoặc video
c Thư viện Simscape
Hình 2.10 Các khối tổng quát trong thư viện Simscape
Thư viện Simscape có sáu khối tổng quát, mỗi khối tổng quát có các khối chitiết bên trong nhằm thực hiện chức năng chính của khối tổng quát
Các khối chi tiết được sử dụng trong đề tài:
1 Khối Capacitor, Diode, Electrical Reference, Resistor
Đây là các tụ diện, Diode, mass và điện trở nằm trong khối tổng quátFoundation Library, trong mục Electrical dùng để xây dựng mạch tách sóng baohình
2 Khối Voltage Sensor
Khối Voltage Sensor nằm trong khối tổng quát Foundation Library, trongmục Electrical Sensors dùng để chuyển đổi điện áp đo giữa hai điểm của một mạchđiện thành tín hiệu vật lý tỷ lệ thuận với điện áp
3 Khối Controlled Voltage Source
Khối Controlled Voltage Source nằm trong khối tổng quát FoundationLibrary, trong mục Electrical Sources Đây là khối kiểm soát nguồn điện áp, nó duytrì một điện áp ổn định ở đầu ra và không phụ thuộc vào dòng điện chạy qua nó
4 Khối PS Gain
Khối PS Gain nằm trong khối tổng quát Foundation Library trong mụcPhysical Signals Dùng để khuếch đại tín hiệu vật lý
Trang 19CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ
3.1.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Mô hình phát AM trên Matlab Simulink được xây dựng dựa trên sơ đồ khốisau
Hình 3.1 Sơ đồ khối phát tín hiệu AM
Tín hiệu AM được điều chế bằng cách lấy tín hiệu tin tức có tần số fm trộnvới sóng mang có tần số fc, với fc >> fm Sau đó tín hiệu AM được khuếch đại lênnhiều lần và độ lợi có thể điều chỉnh được Biên độ, tần số của tín hiệu tin tức vàsóng mang có thể điều chỉnh được thông qua các Tuning
Xây dựng mô hình tạo tín hiệu AM trên Matlab Simulink từ sơ đồ khối
Hình 3.2 Mô hình phát AM
Tín hiệu tin tức s(t) có dạng hình sine được tạo ra từ khối “Tin tuc” đượccộng với hằng số A ở khối “Constant” và sau đó nhân với sóng mang sc(t) có dạng
MESSAG E s(t)
SIGNAL S(m) A
Trang 20cos2 fct được tạo ra bằng khối “Song mang” Tín hiệu sau khi nhân với nhau sẽtạo thành tín hiệu AM (S(m)), qua khối “Gain” để khuếch đại biên độ Khối “Dangsong” được dùng để quan sát dạng sóng của tín hiệu tin tức, sóng mang và AM.
Các khối “Slider” sẽ có chức năng như là các Tuning trong sơ đồ khối hình3.1, để chỉnh biên độ, độ lợi hay tần số của tín hiệu ta chỉ cần kéo các thanh trượtcủa các khối “Slider” trong lúc chạy mô phỏng Giá trị nhỏ nhất và lớn nhất củaSlider có thể chỉnh được tùy theo yêu cầu cần sử dụng
Vì đây là kiểu điều chế DSBTCAM có dạng tổng quát như sau:
S(m) = [A + S(t)] Sc(t)
↔ S(m) = [A + S(t)] cos2 fctVới:
S(m) là tín hiệu sau khi điều chếS(t) là tín hiệu tin tức
Sc(t) là sóng mang
A là hằng số
fc là tần số sóng mangTín hiệu tin tức được cộng với hằng số sau đó nhân với sóng mang để tạo tínhiệu AM
Biên độ, tần số của tin tức và sóng mang được điều chỉnh bằng các khốiSlider Giá trị ban đầu của fm = 10kHz, fc = 100kHz
Độ lợi của khối khuếch đại được điều chỉnh bằng khối Slider Gain
Từ mô hình cơ bản, ta xây dựng thêm các khối phân tích phổ, xem dạng sóngđể khảo sát tín hiệu trước điều chế và sau khi điều chế Bên cạnh đó, chúng ta có thểthay đổi tần số của tín hiệu tin tức và sóng mang để quan sát ảnh hưởng của sự thayđổi đó lên sóng AM
Hình 3.3 Mô hình phát AM và khảo sát tín hiệu trước điều chế và sau
khi điều chế
Trang 21phổ Trong đề tài sử dụng khối Spectrum Scope trong thư viện Signal ProcessingBlockset để quan sát phổ của tín hiệu Tuy nhiên, để các khối Spectrum Scope hoạtđộng thì tín hiệu input của nó phải được rời rạc Vì thế các khối Unit Delay đượcthêm vào trước các khối Spectrum Scope.
3.1.2 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT
- Cho biên độ tin tức, biên độ sóng mang và hằng số bằng 1, tức là cho A = a
Hình 3.4 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng
AM với A = a
Với hằng số A bằng biên độ của tin tức, ta thu được sóng AM có dạng nhưhình trên Ta có thể dễ dàng thấy được biên độ của sóng mang thay đổi theo biên độcủa tín hiệu tin tức
Trong trường hợp này, chỉ số biến điệu m (%) =
Trang 22Hình 3.5 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng
1 của kiểu điều chế biên độ
- Cho A = 1, a = 2, tức A < a, kết quả thu được là
Tin tức + A
Sóng mang
Sóng AM
Trang 23Hình 3.6 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng
- Cho A = 0 và a bất kì, kết quả thu được là:
Sóng mang
Sóng AM Tin tức + A
Trang 24Hình 3.7 Dạng sóng của tín hiệu tin tức cộng với hằng số, sóng mang và sóng
Trang 25Hình 3.8 Phổ tần của tín hiệu tin tức cộng với hằng số A
Tín hiệu tin tức có dạng sine nên phổ tần là hai vạch ở tần số -10kHz và10kHz, do điều chế kiểu TCAM, tín hiệu tin tức được cộng với một hằng số nên sẽcó một xung ở tần số 0kHz
Biểu thức phổ tần của tín hiệu tin tức sau khi cộng với hằng số A:
Trang 27Hình 3.10 Phổ tần của tín hiệu AM
Vì điều chế theo kiểu DSBTCAM nên phổ tần của tín hiệu AM sẽ có haibăng cạch trên và dưới của tín hiệu tin tức được dời đến tần số fc cộng thêm phổ tầncủa hằng số là một xung lực
Biểu thức phổ tần của sóng AM:
Tách sóng AM theo sơ đồ khối sau
(f – 100000)(f + 100000)
Trang 28Xây dựng mô hình tách sóng theo hai phương pháp: tách sóng đồng bộ vàtách sóng bao hình.
Trang 29Hình 3.12 Mô hình mạch tách sóng AM đồng bộ trong Matlab Simulink
Tách sóng AM đồng bộ là tách sóng thuộc kiểu coherent, tức là có phục hồisóng mang và sóng mang giữa nơi phát và nơi thu phải cùng tần số và pha ban đầu
Nhằm mục đích thu được tất cả các tín hiệu AM với các tần số khác nhaunhưng chỉ dùng một mạch lọc hạ thông có tần số cắt và băng thông cố định nên tínhiệu AM thu được sẽ được chuyển về tần số trung tần cố định 455kHz bằng cách sửdụng dao động nội và lọc dãi thông
Lấy tín hiệu AM thu được nhân với tín hiệu dao động nội, qua lọc dãi thôngđể chuyển về tần số trung tần 455kHZ, sau đó nhân với sóng mang có cùng tần sốvà pha ban đầu với sóng trung tần, qua lọc hạ thông để thu được tín hiệu tin tức
Các thông số của các khối trong mô hình: fm = 10kHz, fc = 950kHz, dao độngnội tạo tần số 1405kHz, lọc dãi thông tần số trung tâm 455kHz, lọc hạ thông tần sốcắt 11kHz
Tiếp theo ta thiết kế thêm các khối quan sát dạng sóng và phân tích phổ tầncủa tín hiệu nhằm khảo sát các ảnh hưởng của tần số, biên độ lên tín hiệu thu được
Local Oscillator
Carrier
S c (t)
Message S(t)
IF Fillter
Trang 30Hình 3.13 Mô hình tách sóng AM đồng bộ và khảo sát tín hiệu AM lúc điều chế
và giải điều chế
Trong phần điều chế AM đã khảo sát được dạng sóng và phổ tần của tín hiệutin tức, sóng mang và sóng AM Còn phần thu này sẽ khảo sát tín hiệu trung tần saukhi qua khối lọc dãi thông, sau khi nhân với sóng mang đồng bộ thu và tín hiệu tintức thu được
Hình 3.14 Dạng sóng của tín hiệu tin tức, sóng AM, sóng trung tần, sóng sau
khi qua LPF và tin tức thu được
Khảo sát phổ tần tại một số điểm trên mô hình hình 3.13:
Tin tứcphátSóng AM
Tin tứcthu
Sóng trung tần
Sóng sau khi qua LPF
Trang 31Hình 3.15 Phổ tần của sóng trung tần
Sóng trung tần có biểu thức tổng quát như sau:
[A + S(t)] cos2 fct cos2 fLOSCtVới
S(t) là tín hiệu tin tức
A là hằng số
fc là tần số sóng mang
fLOSC là tần số dao động nộiKết quả sau khi khai triển của biểu thức sóng trung tần là
2
1
[A + S(t)] cos2 455000t cos2 fc2tVới