THIẾT BỊ THU PHÁT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG docx

1 Chơng 1 Các khái niệm cơ bản của hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN (thiết bị thu phát) 1.1 Các thnh phần của hệ thống thiết bị thu phát 1.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thiết bị thu phát Trong hệ thống thu phát, thông tin đợc truyền từ nơi ny đến nơi khác bằng thiết bị điện tử thông qua môi trờng truyền. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống đợc biểu diễn nh hình 1.1: Máy phát Tx Môi trờng truyền Máy thu Rx Nhiễu Tín hiệu vo: âm thanh, dữ liệu, hình ảnh Tín hiệu ra Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thiết bị thu phát Nhiễu Nhiễu + Máy phát: Tập hợp các linh kiện v mạch điện tử đợc thiết kế để biến đổi tin tức thnh tín hiệu phù hợp với môi trờng truyền. + Môi trờng truyền: Phơng tiện để truyền thông tin, có thể l dây dẫn (gọi l hữu tuyến nh cáp đồng trục, cáp sợi quang) hoặc l khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi l vô tuyến, nh trong thông tin vi ba số, thông tin vệ tinh) + Máy thu: Tập hợp các linh kiện v mạch điện tử đợc thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trờng truyền, xử lý v khôi phục lại tín hiệu ban đầu. + Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen lẫn vo tín hiệu hữu ích, lm sai dạng tín hiệu ban đầu. Nhiễu có thể xuất hiện trong cả 3 quá trình phát, truyền dẫn v thu. Do đó việc triệt nhiễu l một vấn đề quan trọng cần đợc quan 2 tâm trong hệ thống thiết bị thu phát nhằm nâng cao chất lợng tín hiệu truyền dẫn. 1.1.2 Sơ đồ khối của máy phát Máy thu thanh v máy thu hình dân dụng thờng đợc đổi tần 1 lần. Máy thu thông tin chuyên dụng đợc đổi tần 2 lần nhằm tăng độ chọn lọc v loại bỏ nhiễu tần số ảnh. Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tơng tự hay số cha điều chế đợc gọi l tín hiệu băng gốc (Base Band Signals). Tín hiệu băng gốc có thể đợc truyền trực tiếp trong môi trờng truyền nh điện thoại nội bộ (Intercom), giữa các máy tính trong mạng LAN hoặc truyền gián tiếp bằng kỹ thuật điều chế. + Điều chế: l quá trình biến đổi một trong các thông số của sóng mang cao tần hình sine (biên độ, tần số hoặc pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc. Có ba loại điều chế cơ bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM v các biến thể của chúng (dạng tơng tự) nh SSB, DSB, (dạng số) nh FSK, PSK, QPSK, MPSK Điều ch ế Đổi tần Tổng hợp tần số KĐCS cao tần Tín hiệu vo Điều khiển số Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát + Đổi tần: (Trộn tần-Mixer) l quá trình dịch chuyển phổ của tín hiệu đã điều chế lên cao (ở máy phát) hoặc xuống thấp (ở máy thu) m không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) của nó để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu. + Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) l bộ tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ một hoặc vi tần số chuẩn của dao động thạch anh. 3 + Khuếch đại công suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu đã điều chế ở tần số no đó đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát. + Anten phát: l phần tử biến đổi năng lợng điện cao tần thnh sóng điện từ bức xạ vo không gian. 1.1.3 Sơ đồ khối của máy thu KĐCS KĐC T Đổi tần 1 KĐT T Đổi tần 2 KĐT T Giải điều + Anten thu: l phần tử biến đổi năng lợng sóng điện từ thnh tín hiệu cao tần ở ngõ vo của máy thu, anten có tính thuận nghịch. + Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) thờng l bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier). Nó khuếch đại tín hiệu thu đợc từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần. + Bộ khuếch đại trung tần: IF Amp (Intermediate Frequency Amplifier): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn để tăng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết cho việc giải điều chế. ở nhiều máy thu hiện đại, nhằm tăng chất lợng, việc đổi tần đợc thực hiện 2 lần nh hình vẽ. + Giải điều chế: (Demodulation) l quá trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đa vo điều chế ở máy phát) từ tín hiệu trung tần. AGC Tổng h ợp tần Điều khiển Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu 4 + Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao: Bộ tổng hợp tần số, Bộ điều khiển số, tải chọn lọc tần số không thuần trở, phối hợp trở kháng, anten, mạch xử lý tín hiệu Ngy nay, công nghệ hiện đại đã chuẩn hoá vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu nhỏ của máy thu v máy phát. 1.2 Phổ tần số Việc phân loại phổ tần số ra nhiều dải tần để nâng cao hiệu quả sử dụng ở máy thu: Tên dải tần Tần số Bớc sóng Tần số cực thấp (ELF) Extremly Low Frequency (30 - 300) Hz m 67 1010 ữ Tần số tiếng (VF) Voice Frequency (300 - 3000) Hz m 56 1010 ữ Tần số rất thấp (VLF) Very Low Frequency (3 - 30)KHz m 45 1010 ữ Tần số thấp (LF) Low Frequency (30 - 300)KHz m 34 1010 ữ Tần số trung bình (MF) Medium Frequency (300 - 3000)KHz m 23 1010 ữ Tần số cao (HF) High Frequency (3 - 30)MHz m 12 1010 ữ Tần số rất cao (VHF) Very High Frequency (30 - 300)MHz m110ữ Tần số cực cao (UHF) Ultra High Frequency (300 - 3000)MHz m 1 101 ữ 5 Tần số siêu cao (SHF) Super High Frequency (3 - 30)GHz m 21 1010 ữ Tần số siêu cực cao (EHF) Extremly High Frequency (30 - 300)GHz m 32 1010 ữ Vùng ánh sáng Hồng ngoại (IR) Infrared m 107,0 ữ Vùng ánh sáng thấy đợc The Visible Spectrum (Light) m 8,04,0 ữ Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz đợc chia lm nhiều dải nhỏ: L Band : (1 - 2) GHz S Band : (2 - 4) GHz C Band : (4 - 8) GHz X Band : (8 - 12) GHz Ku Band : (12 - 18) GHz K Band : (18 - 27) GHz Ka Band : (27 - 40) GHz 1.3 Băng thông Băng thông l hiệu giữa tần số lớn nhất v tần số nhỏ nhất của tín hiệu. Đó l khoảng tần số m phổ tín hiệu chiếm giữ hoặc l khoảng tần số tín hiệu đợc truyền từ máy phát đến máy thu. Khi tín hiệu ban đầu đợc điều chế lên sóng mang cao tần, phổ của tín hiệu cao tần đã điều chế chiếm giữ một băng thông quanh tần số sóng mang. Tuỳ theo kiểu điều chế m băng thông cao tần có độ rộng khác nhau. Các kỹ thuật viễn thông hớng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số. 1.4 Các ứng dụng kỹ thuật thông tin điện tử 1.4.1 Thông tin một chiều (Simplex) 6 - Phát thanh quảng bá AM, FM - Truyền hình quảng bá - Truyền hình cáp - Nhắn tin - Đo xa, điều khiển xa - Định vị ton cầu GPS 1.4.2 Thông tin hai chiều (Duplex) - Điện thoại công cộng - Điện thoại vô tuyến di động hoặc cố định - Điện thoại di động tế bo - Thông tin của các trạm mặt đất thông qua vệ tinh - Thông tin hng không, thông tin vi ba số - Thông tin số liệu giữa các máy vi tính 1.5 Một số khái niệm cơ bản về cao tần 1.5.1 Bán dẫn công suất cao tần Để có đợc công suất lớn ở tần số cao, BJT công suất cao tần đợc chế tạo bằng công nghệ đặc biệt, nhiều tiếp giáp Emitter nhằm tăng chu vi dẫn dòng điện cao tần, giảm điện trở cực Base v các điện dung kí sinh. C E B Base Emitter Điện trở cân bằn g Hình 1.4 Cấu trúc BJT công suất cao tầ n Số tiếp giáp Emitter có thể vi chục, vi trăm hoặc hơn nữa. 7 r b C bc C be r be = R ip E B Hình 1.5 M ạ ch tơn g đơn g n g õ vo BJT côn g suất cao tần Bản chất BJT l luôn luôn tồn tại các điện dung mối nối ( ) ảnh hởng đến hệ số khuếch đại ở tần số cao, lm giới hạn tần số hoạt động của BJT. ce cbeb CCC ,, ,, Thông thờng, kiểu khuếch đại cao tần mắc E chung cho công suất ra lớn. Tuy nhiên ở tần số cao, hồi tiếp âm điện áp qua tăng, lm giảm hệ số khuếch đại. Tụ ny tác động nh tụ Miller tơng đơng có giá trị lớn ở ngõ vo: trong đó A cb C , )1( , V cb Miller ACC += V l hệ số khuếch đại điện áp của mạch. Từ đó, tạo ra tụ tơng đơng ở ngõ vo của BJT công suất cao tần nh hình 1.6, có giá trị eb Millerin CCC , += Hình 1.6 T ụ tơn g đơn g n g õ vo BJT côn g suất cao tần C Miller C be E B C C in 8 Do đó, trở kháng vo của BJT (Z iQ ), A v , hệ số khuếch đại dòng A i , hệ số khuếch đại công suất A p , đều giảm khi tần số tăng. BJT thể hiện quán tính, đáp ứng vo - ra không tức thời. Giữa dòng I c v I b có sự dịch pha, biên độ dòng ra I c giảm. Mắc B chung l giải pháp tối u của khuếch đại công suất cao tần, tuy hệ số khuếch đại công suất của nó nhỏ hơn so với sơ đồ mắc E chung nhng phạm vi tần số hoạt động cao hơn, băng thông đều v rộng hơn. JFET v MOSFET có cấu trúc bán dẫn khác BJT, chúng có trở kháng vo lớn, điện dung tiếp giáp Cgs nhỏ, hoạt động tốt ở tần số cao với công suất lớn ổn định hơn BJT. JFET v MOSFET công suất cao tần đang đợc dùng rất nhiều trong các hệ thống thông tin hiện đại nh trạm gốc BTS của điện thoại di động tế bo, phát thanh, truyền hình, vi ba, SSPA ( Solid State Power Amp), thông tin vệ tinh 1.5.2 Truyền công suất lớn nhất R S R L X S X Z S V RL a) X L = - X S X L = X S = 1 1 2,2 E = 1V R S = 1 P RL R L / R S b) Hình 1.7 a/ Nguồn cung cấp công suất cho tải Z L b/ S ự p h ụ thu ộ c côn g suất tải P RL theo R L E 9 Công suất trên tải: LRLRL RIIVP 2 == L SLS RL R XXRR E P 2 22 )()( . +++ = 22 2 )()( . XXRR RE P SLS L RL +++ = X S , X l phần kháng của nội trở nguồn v tải. Khi X S =-X thì công suất trên tải l 2 2 )( . LS L RL RR RE P + = Khảo sát sự biến thiên P RL theo R L bằng cách lấy đạo hm, cho bằng zero. 0 )( ]2).[( 2 2 ' = + + = LS LLS RL RR RRRE P Suy ra R S =R L . Khi đó công suất trên tải l cực đại: SL RL R E R E P 44 22 max == Đồ thị biến thiên P RL theo R L cho ở hình 1.7b. Vậy trở kháng nguồn bằng trở kháng tải R S + jX S = R L - jX hay R S = R L v X S =-X Ta nói có sự truyền công suất lớn nhất ra tải. Nếu yêu cầu truyền công suất lớn nhất trong cả một dải tần số thì giá trị thích hợp cho phối hợp trở kháng không phản xạ l Z L = Z S hay R S + jX S = R L + jX. Tuy nhiên hiệu suất sẽ nhỏ hơn so với một tần số. Vấn đề ny liên qua đến sự lựa chọn truyền tín hiệu trên dây truyền sóng. 1.5.3 Mạch điều hởng song song v nối tiếp (Parallel and Serial Tuned Circuit) Mạch điều hởng song song: Cho mạch L, C song song, trong đó r - điện trở tổn hao của cuộn dây. Trở kháng tơng đơng của mạch điều hởng: 10 )( ))(( CL CL eq XXjr jXjXr Z + + = X L = L : Cảm kháng cuộn dây. C X c 1 = : dung kháng của tụ điện. C L r Hình 1.8 Mạch điều hởn g son g son g 0 Z eq 2 0 3 0 R eq ( 0 ) Hình 1.9 Đáp tuyến Zeq( ) Thông thờng r << X L nên: )( CL CL mch XXjr XX eq Z + = . Tại tần số cộng hởng = 0 = LC 1 có ===== C L C LXX CL 0 0 1 - trở kháng đặc tính. Thay thế vo biểu thức tính trở kháng: )( 0 2 )( o o CL omch eqR C Q LQQ rr XX eq Z ====== CL mch X q X q r Q )(Re)(Re 00 === . Q l hệ số phẩm chất của mạch cộng hởng song song. Băng thông Q fo B = ; 0 =2 fo. [...]... Chơng 2 Máy phát 2.1 Định nghĩa v phân loại Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu v môi trờng truyền sóng nh hình 2.1 Trong đó máy phát l một thiết bị phát ra tín hiệu dới dạng sóng điện từ đợc biểu diễn dới một hình thức no đó Môi trờng Truyền sóng Máyphá t Máy thu Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thiết bị thu Sóng điện từ gọi l sóng mang hay tải tin lm nhiệm vụ chuyển tải thông tin... qui định của hiệp hội thông tin quốc tế (ITV) Các tần số trung tâm của máy phát phải có độ ổn định cao Do đó, chỉ tiêu kỹ thu t của máy phát l: Công suất ra, tần số lm việc, độ ổn định tần số, dải tần số điều chế Có nhiều cách phân loại máy phát 2.1 1 Theo công dụng Máy phát Phát Thông Cố định Di động Phát Chg Phát thanh Phát ứng dụng Phát hình Đo kh cách Hình 2.2 Phân loại máy phát theo công dụng Ra... công suất ra tối u + Anten để bức xạ năng lợng cao tần của máy phát thnh sóng điện từ truyền đi trong không gian + Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc đèn điện tử công suẩt + Ngoi ra, máy phát phải có thiết bị an ton v thiết bị lm nguội 2.2.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên (SSB) Thiết bị đầu vo Bộ kích thích đơn biên Bộ điều chếđơn f1 Bộ đổi tần Suy... 300GHz (0,01m ữ 0,001m): đi phát sóng mm 2.1.3 Theo phơng pháp điều chế + Máy phát điều biên (AM) + Máy phát đơn biên (SSB) + Máy phát điều tần (FM) v máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo) + Máy phát điều xung (PM) + Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM + Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK + Máy phát khoá dịch tần FSK 2.1.4 Theo công suất + Máy phát công suất nhỏ Pra Vin2 > Vin3 Hình 5.1 Kỹ thu t FM tần số thấp l một phơng thức biến đổi điện áp sang tần số gọi tắt l chuyển đổi V TO F Kỹ thu t ny đợc sử dụng . của hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN (thiết bị thu phát) 1.1 Các thnh phần của hệ thống thiết bị thu phát 1.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thiết bị thu phát Trong hệ thống thu phát, thông tin đợc. cách xa máy phát, máy thu. Ví dụ Anten thu TV, anten máy phát thanh - phát hình, anten viba v.v. Dây truyền sóng nối giữa anten phát với ngõ ra máy phát hoặc ngõ vo máy thu với anten thu có trở. Máy phát 2.1 Định nghĩa v phân loại Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu v môi trờng truyền sóng nh hình 2.1. Trong đó máy phát l một thiết bị phát ra tín hiệu dới dạng sóng điện