Giáo trình hướng dẫn kỹ thuật xác định trường phổ của các loại tín hiệu phần 4 doc

CHƯƠNG 2 ĐIỀU TẦN & ĐIỀU PHA (FM: Frequency Modulation - PM: Pules Modulation) I. Quan hệ giữa điều tần và điều pha: Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ với nhau, nên dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngược lại: Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế (tín hiệu âm tần). Tải tin là dao động điều hòa: V 0 (t) = V 0 cos( 0 t + 0 ) = V 0 cos(t) (3.2) Từ 3.1 ta có :         3.3tdttt t 0   Thay (3.3) vào (3.2) ta nhận được biểu thức:   )4.3()t(dt)t(cosV)t(V 00  Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm : V  (t)= V  cost (3.5) Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của tải tin biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng được xác đònh theo các biểu thức sau: (t) =  0 + cost (3.6) : lượng di tần cực đại.  = (3.1) d  dt Khi đó ta có chỉ số điều tần: k: hệ số tỷ lệ (t) =  0 +  cost (3.8) : lượng di pha cực đại. Khi đó ta có chỉ số điều pha: m p = kV  =  (3.9) Từ (3.6) ta có:  = kV  (3.10) Nên khi V  = const thì = const nhưng khi  thay đổi thì m f cũng thay đổi. Từ (3-8) ta nhận thấy khi V  = const thì m p = const, nhưng độ di tần khi điều pha thì tăng tỷ lệ với tần số điều chế theo biểu thức:     11.3tsin. dt d     Như vậy điều khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế, còn lượng di tần khi điều chế tần số chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế mà thôi. Thay (3.6) và (3.8) vào (3.3) ta nhận được tín hiệu đã điều tần và điều pha như sau: Ta nhận thấy nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch tích phân, rồi vào mạch điều chế pha thì ở đầu ra ta sẽ nhận được tín hiệu điều chế tần số. Ngược lại, nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch vi phân, rồi vào mạch điều chế tần số thì ở đầu ra ta nhận được tín hiệu điều chế pha (hình 3-1) V FM (t) = V 0 cos( 0 t + Ω ωΔ sint +  0 ) (3.12) V PM (t) = V 0 cos( 0 t + cost +  0 ) (3.13) m f = k = (3.7) V      II. Phổ của dao động điều tần và điều pha: Công thức (3.12) và (3.13) có thể viết lại như sau với  0 = 0: V FM (t) = V 0 cos( 0 t + m f sint) (3.14) V PM (t) = V 0 cos( 0 t + m p sint) (3.15) Khi điều chế đơn âm, phổ của tín hiệu điều tần và điều pha chỉ chứa thành phần  0 và nhiều thành phần tần số biên ( 0  n) với n = 1, 2, 3 (được cho trong bảng 2-1). Biên độ của các thành phần tần số biên tỷ lệ với hàm số Bessel loại 1 bậc n như hình (3-2) Lọc thông thấp Tách sóng pha Chia n:1 Dao động thạch anh Chia n 2 Khuyếch đại V f ra f TA Hình 3 - 1: Điều tần dùng hệ th ống AFC - P Bộ dao động f 0 Kích thước tần số m f J 0 J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J 6 J 7 J 8 J 9 J 10 J 11 J 12 0.25 0.5 1.0 1.5 2.0 2.4 3.0 4.0 5.0 5.5 6.0 7.0 8.0 8.65 0.98 0.94 0.77 0.51 0.22 0 -0.26 -0.40 -0.18 0 0.15 0.30 0.17 0 0.12 0.24 0.44 0.56 0.58 0.52 0.34 -0.07 -0.33 -0.34 -0.28 0 0.23 0.27 0.01 0.03 0.11 0.23 0.35 0.43 0.49 0.36 0.05 -0.12 -0.24 -0.30 -0.11 0.06 0.02 0.06 0.13 0.20 0.31 0.43 0.36 0.26 0.11 -0.17 -0.29 -0.24 0.01 0.03 0.06 0.13 0.28 0.39 0.40 0.36 0.16 -0.10 -0.23 0.01 0.04 0.13 0.26 0.32 0.36 0.35 0.19 0.03 0.01 0.05 0.13 0.19 0.25 0.34 0.34 0.26 0.02 0.05 0.09 0.13 0.23 0.32 0.34 0.02 0.03 0.06 0.13 0.22 0.28 0.01 0.01 0.02 0.06 0.13 0.10 0.01 0.02 0.06 0.10 0.01 0.03 0.05 0.01 0.02 Bảng hàm Bessel J 1 J 2 J 0 Hình 3 - 2:Giá trò hệ số Bessel đối với J 0 , J 1 , J 2 phụ thuộc mf mf 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Từ đồ thò hình 3.2 ta có nhận xét: - Biên độ hàm Bessel thay đổi trong khoảng: (-1)  (+1). - Có một số m f = 2,4; 5,5; 8,6; 75… có J 0 = 0. Như vậy ta không được chọn m f có các giá trò này vì nó sẽ làm mất thành phần tải tin  0 . - Với một số m nhất đònh thì J 1,2 = 0. - n càng cao thì J n càng giảm và m càng lớn thì J n cũng càng giảm. Về lý thuết n = , nhưng thực tế ta chỉ chú ý đến các thành phần tần số có J n (m f ) > 0,01J 0 (m f ) . Phổ của các hàm Bessel bậc lẻ ngược pha nhau, còn phổ của các hàm bessel bậc chẵn cùng chiều với nhau: J (2n + 1) (m) = -J -(2n + 1) (m) (3.17) J 2n(m) = J -2n (m)  Khi chỉ tính đến các thành phần có J n (m f )  0,01 thì bề rộng dải tần của tín hiệu điều tần chiếm là:  Khi m f > 1 ta có biểu thức gần đúng D FM  2m f  max = 2 (3.19) Như vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc tần số điều chế . Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần của nó được xác đònh gần đúng : D PM  2m p  max = 2 max . (3.20) V FM = V 0 J 0 (m)cos 0 t + J n (m) cos( 0 + n)t + (-1) n . cos( 0 - n)t (3.16) D FM = 2(m f + f m +1) max (3.18)  J 2 J 3 J 1 J 0 J 1 J 2 J 3 J n (m) 0 Hình 3 - 3: Phổ của hàm Bessel Vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha phụ thuộc tần số điều chế .  Khi m f 1thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ dải tần. Do đó: D FM  2 max (3.21) Trong trường hợp độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều biên, ta gọi là điều tần dải hẹp. Ngược lại khi m f , p >1ta gọi là điều tần dải rộng. - Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số. Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức sau:     22.3coscos 1 00          m i iiiFM tmVV  Trong đó:  i góc pha đầu; vì hiệu pha khác nhau của các thành phần phổ của tín hiệu điều chế có tính chất quyết đònh đối với dạng tín hiệu tổng quát của nó. Khai triển (3.22) theo chuỗi Bessel ta có h điều tần với tất cả thành phần tần số tổng hợp: Với  i : là số nguyên hữu tỷ: -     Khi tần số điều chế thay đổi ( biến thiên) thì bề rộng phổ của tín hiệu điều tần không thay đổi nhưng số vạch phổ thay đổi theo . Ngược lại, khi tần số điều chế thay đổi thì bề rộng phổ của tín hiệu điều pha thay đổi, nhưng số vạch phổ không thay đổi. Hình 3-4 minh họa sự khác nhau về bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần và điều pha.  0 +  i  i (3.23) m i = 1 III. Mạch điều tần và điều pha: Về nguyên tắc có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp cà mạch điều tần trực tiếp, cũng như mạch điều pha gián tiếp và mạch điều pha trực tiếp. Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha (hình 3-1a) và ngược lại điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần (hình 3-1b). Như vậy ta chỉ cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và mạch điều pha trực tiếp, rồi dựa vào sơ đồ khối trên hình 3-1 suy ra được điều tần gián tiếp và điều pha gián tiếp. Xét phổ âm thanh của người, ta thấy thực tế ở tần số cao biên độ âm bò giảm nhỏ. Do đó ở tần số cao độ di tần nhỏ vì  = kV  nghóa là tín hiệu điều tần bò méo.  min  max  Hình 3 - 5: Phổ của tín hiệu điều chế âm tần (V  ) 0 Hình 3 - 6:Mạch nâng cao tần(a) ở ma ùy phát và mạch giảm tần cao (b) ở máy thu. V  V  KAT Điều tần R R C C a) b) f f f mf = 5 mf = 1  = 1kHz  = 5kHz  = 5kHz         (a) (b) Hình 3 - 4: Bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần (a); và của tín hiệu điều pha (b) Để khắc phục ở phía máy phát trước khi đưa tín hiệu điều chế V  vào bộ điều tần, ta phải đưa qua bộ khuếch đại nâng tần số cao (emphasis) để trong dải tần số điều chế ta có   const. Ngược lại trong máy thu ở tần đầu của bộ khuếch đại âm tần ta phải cho tín hiệu đã điều chế qua bộ suy giảm tần số (deemphasis) để nhận được tín hiệu trung thực ở loa. (hình 3-6) 1. Mạch điều tần trực tiếp: Khi điều tần trực tiếp, tần số dao động riêng của mạch tạo dao động được điều khiển theo tín hiệu điều chế. Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tạo dao động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bởi dòng điện hoặc áp (VCO: Voltage controlled oscillator và CCO: Circuit controlled oscillator) hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp – tần số. Các mạch tạo dao động biến đổi theo điện áp đặt vào có thể là mạch tạo dao động xung hoặc các mạch tạo dao động điều hòa LC. Các mạch tạo dao động LC cho khả năng biến đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng diode biến dung (varicap) và transistor điện kháng. a) Điều tần dùng trasistor điện kháng: Phần tử điện kháng: dung tính hoặc cảm tính có trò số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nó được mắc song song với hệ dao động của bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phần tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của một transistor. Có 4 cách mắc mạch phần tử điện kháng như biểu diễn trong bảng 3.1 Với mạch phân áp RC ta tính được: Cj 1 S Cj 1 R Cj 1 R Cj 1 SU U SU U I U Z BE         S: hỗ dẫn Nếu chọn các linh kiện sao cho R Cj 1   thì trở kháng Z có thể xác đònh theo biểu thức: Cách mắc Sơ đồ nguyên lý Đồ thò vector Trò số điện kháng Tham số tương đương Mạch phân áp RC S RCj Z   S RC L  tđ Mạch phân áp RL LS jR Z   R LS C  tđ Mạch phân áp RC RCS j Z    RCSC  tđ Mạch phân áp LC RS j Z  RS L L  tđ Z  = jX L = jL tđ (3.24) j  CR S Trong đó: L td = SC S I V V R V L I V V C V R I V V L V R Bảng 3 - 1 I V V C V R R C I V I L R V R I C V I R L V Tương tự như vậy, có thể chứng minh cho các sơ đồ phân áp còn lại trong bảng 3-1. Các tham số tương đương của thành phần điện kháng điều phụ thuộc vào hổ dẫn S. Rõ ràng, khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số L tđ hoặc C tđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo V  . Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối f/f t khoảng 2%. Trên hình 3.7 là sơ đồ bộ dao động ghép biến áp được điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC. Trong đó T 1 là transistor điện kháng, T 2 là transistor tạo dao động. Transistor điện kháng được mắc một phần (trên L 1 ) với hệ dao động. Cũng có thể mắc hai transistor điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần trên hình 3.8. Trên sơ đồ này (hình 3-8), T 1 là phần tử điện kháng cảm tính, với L tđ = 1T S CR và T 2 là phần tử điện kháng dung tính với C tđ = CRS T2 . Hình3 - 7: Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC. C B1  C B4 : Tụ điện ngắn mạch cao tần L C : Cuộn chặn cao tần L K C B2 C B3 C B4 C K L C L 1 C B1 [...]... có tham số giống nhau) Mạch còn có ưu tiên, tăng được độ ổn đònh tần số trung tâm ft của bộ tạo dao động (T3) Thật vậy, giả thiết điện áp nguồn cung cấp tăng thì hỗ dẫn của cả T 1 và T2 đều tăng một lượng S Lúc đó Ltđ giảm, Ctđ tăng Nếu mạch điện T1, T2 hoàn toàn đối xứng thì lượng tăng của Ctđ sẽ bù được lượng giảm của Ltđ , do đó có thể coi tần số trung tâm không đổi b) Điều tần dùng diode Tunel:...CB1 R1 C2 T1 C1 R CB5 CB2 T3 CK T2 LK LC R2 CE R4 CB4 UB CB3 R3 R4 US Hình 3-8: Sơ đồ tạo dao động điều tần bằng mạch điện kháng đẩy kéo CB1 CB4: tụ điện ngắn mạch cao tần: CB5: tụ điện ngắn mạch âm tần (u) Theo sơ đồ, khi USSB tăng thì ST1 tăng, còn ST2 giảm, làm cho Ltđ và Ctđ đều giảm, do đó... Ctđ sẽ bù được lượng giảm của Ltđ , do đó có thể coi tần số trung tâm không đổi b) Điều tần dùng diode Tunel: Người ta có thể đưa điện áp ngược vào hai đầu diode để thay đổi điện dung gián tiếp của diode theo tín hiệu điều chế âm tần Khi đó: CĐ  k VĐ k = const VĐ  0,8 VĐ đánh thủng (3.25) .  22.3coscos 1 00          m i iiiFM tmVV  Trong đó:  i góc pha đầu; vì hiệu pha khác nhau của các thành phần phổ của tín hiệu điều chế có tính chất quyết đònh đối với dạng tín hiệu tổng quát của nó. Khai triển (3.22) theo chuỗi. chế thay đổi thì bề rộng phổ của tín hiệu điều pha thay đổi, nhưng số vạch phổ không thay đổi. Hình 3 -4 minh họa sự khác nhau về bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần và điều pha   (a) (b) Hình 3 - 4: Bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần (a); và của tín hiệu điều pha (b) Để khắc phục ở phía máy phát trước khi đưa tín hiệu điều chế V  vào bộ điều