Giáo trình phân tích tín hiệu điều biên và quan hệ năng lượng trong tín hiệu điều biên với hệ số phi tuyến p2 potx

2. Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số Thay đổi: Thực chất quá trình điều biên này là quá trình nhân tín hiệu. Ví dụ về mạch điện loại này là điều biên dùng bộ nhân tương tự (hình 1-7). Trong mạch điện này, quan hệ giữa điện áp ra u db và điện áp vào u 0 là quan hệ tuyến tính. Tuy nhiên, khi u  biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác làm cho biên độ tín hiệu ra thay đổi để có điều biên. Căn cứ vào tính chất của mạch nhân, ta viết được biểu thức của điện áp ra sau đây: U đb = (E + U  cos  t)U 0 cos 0 t Hoặc       29 1 t cos 2 U U t cos 2 U U t cos EU u 0 0 0 0 0 0                đb t Hình 1.6: Điều biên ở chế độ lớp C (tín hiệu vào lớn) b) Đặc tuyến của Diode, đồ thò thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra. b) Mạch điện. i D i D 0 0 U D U D 0 U  (t)  a) U  U 0 b) - E 0 + D C B Theo (1-28) phổ của tín hiệu ra có tải tin và hai biên tần mong muốn. V. Các mạch điều biên cụ thể: Để thực hiện theo nguyên tắc thứ nhất, có thể dùng mọi phần tử phi tuyến, nhưng nếu dùng bán dẫn, đèn điện tử thì đồng thời với điều biên, còn có thể khuyếch đại tín hiệu. Về mạch điện, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau: mạch điều đơn biên, mạch điều biên cân bằng và mạch điều biên vòng. 1. Mạch điều biên đơn: Mạch điều biên đơn là mạch chỉ dùng một phần tử tích cực để điều chế. Các mạch điện trên hình 1-5 và 1-6 là các mạch điều biên đơn dùng diode. Như đã xét trong hai mạch điều biên, dòng điện ra tải ngoài các thành phần hữu ích (các biên tần) còn có đủ mọi thành phần không mong muốn khác (tải tần và các hài bậc cao). Đó là đặc điểm cơ bản của các mạch điều biên đơn.  Đặt tuyến Volt-ampe của diode, Transistor hay đèn điện tử chỉ được coi là gần đúng là thẳng khi tín hiệu vào đủ lớn. Chính vì vậy đối với máy phát AM quá trình điều chế thường được tiến hành ở đầu cuối, hay trước cuối. Nếu chỉ dùng Diode ta chỉ thực hiện được điều biên. Còn nếu dùng Transistor, FET hay đèn điện tử ta thực hiện được điều biên, lại vừa khuyếch đại được tín hiệu. U đb U  E U 0 K U đb U  3 U  2 U  1 U 0 b) a) Hình 1-7: Điều biên dùng mạch nhân tương tự a) Mạch điện; b) Đặc tuyến truyền đạt  Khi tín hiệu vào nhỏ, đặc tuyến Volt-ampe của diode, transistor, đèn điện tử được gọi gần đúng là một đường cong: i = f(V) = a 0 + a 1 V + a 2 V 2 + a 3 V 3 +… (1.30) Sự biểu diễn càng chính xác nếu ta lấy lũy thừa càng cao. Thực tế ta chỉ xét đặc tuyến đến bậc 3, vì các bậc n > 3 có biên độ rất nhỏ.  Gọi V 1 = V o và V 2 = V  , cho chúng tác dụng vào phần tử phi tuyến ta có: i=f(V 1 +V 2 )=a 0 +a 1 V 1 +a 1 V 2 +a 2 V 1 2 + a 2 V 2 2 +2a 2 V 1 V 2 +a 3 V 1 3 +3a 3 V 1 2 V 2 +3a 3 V 1 V 2 2 +a 3 V 2 3 +… (1.31)  Để có tín hiệu điều biên ở ngõ ra, chúng ta cần lấy ra: a 1 V 1 là thành phần tần số sóng mang (tải tin):  0 2a 2 V 1 V 2 là thành phần hai dải biên trên ( 0 + ) và biên dưới ( 0 - )  Nếu ta dùng mạch lọc có tần số cộng hưởng:  CH =  0 như ở hình 1-9 và dải thông có bề rộng D = 2, ta sẽ lọc được hai thành phần trên và có tín hiệu điều biên thông thường.  Nhưng các số hạng 3a 3 V 1 V 2 2 sẽ gồm hai thành phần tần số  0 và  0  2 vì cos 2 x = ½(1 + cos2x). Do  << 0 nên các thành phần này cũng đi qua mạch cộng hưởng và gây ra sự méo điều chế không tuyến tính. Còn các thành phần khác không đi qua được mạch lọc vì , 2 <<  0 , còn 2 0 , 3 0 >>  0  Để khử méo không tuyến tính ta có hai phương pháp: - Đặc tuyến volt-ampe của phần tử không tuyến tính phải có dạng bậc 2 để không có các số hạng bậc 3 (hoặc a 3 rất nhỏ). Muốn vậy ta phải dùng FET. 1uH 1k D L R V  o V  o Hình 1 - 8 Điều biên một vế - Khử méo bằng cách cải tiến mạch, thực hiện điều chế cân bằng như sau: Trong hình 1-9a, điện áp đặt trên D 1 và D 2 lần lược là: u 1 = U  cos  t + U 0 cos 0 t u 2 = - U  cos  t + U 0 cos 0 t Dòng điện qua các diode được biểu diễn thành chuỗi Taylor: i 1 = a 0 + a 1 u 1 + a 2 u 1 2 + a 3 u 1 3 +… i 2 = a 0 + a 1 u 2 + a 2 u 2 2 + a 3 u 2 3 +… Dòng điện ra: i = i 1 -i 2 (1.34) Thay (2-32), (2-33) vào (2-34) ta có: i = Acos  t+ Bcos3  t+ C[cos( 0 +  )t+ cos( 0 -  )t]+ D[cos(2 0 +  )+ cos(2 0 -  )t] (1.35) Trong đó: A = U  2a 1 +3a 3 U 0 2 +½(a 3 U  2 ) B = ½(a 3 U  3 ) C =2a 2 U  U 0 D=3/2(a 3 U  U 0 ) Tương tự như vậy cũng chứng minh kết quả đó trên mạch điện hình 1-9b, Trong trường hợp cần có tải tin ở đầu ra, sau khi điều chế có thể đưa thêm tải tin vào phổ của tín hiệu ra của mạch điều biên đã cân bằng được biểu diễn trên hình 1-9c. (1 .32) (1.33) 1.36 Một dạng khác của mạch điều chế cân bằng là mạch điều chế vòng, thực chất đây là hai mạch điều chế cân bằng có chung tải. Sơ đồ mạch điều biên biểu diễn trên hình 1-10. Gọi phần điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D 1 , D 2 là i 1 và dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D 3 , D 4 là i II . Theo 1.35: I I = Acos  t+ Bcos3  t+ C[cos( 0 +  )t+ cos( 0 -  )t]+ D[cos(2 0 +  )+ cos(2 0 -  )t] (1.37a) I II = i D3 - i D4 (1.37b) Trong đó: i D3 = a 0 +a 1 u 3 +a 2 u 3 2 +a 3 u 3 3 +… i D4 = a 0 +a 1 u 4 +a 2 u 4 2 +a 3 u 4 3 +… Với u 3 và u 4 là điện áp đặt lên D 3 và D 4 , được xác đònh như sau: 1 .38 C C D 1 D 2 i 1 i 2 U đb U  U 0 U  U 0 - U CC + U đb a) b) 0   3    t +3    0 2  0  t - 3   Hình 1.9: Mạch điều biên cân bằng. a) Dùng diode; b) Dùng Transistor; phổ tín hiệu ra;  0 -    0 +   2  0 +   2  0 -   u 3 =-U 0 cos 0 t-U  cos  t u 4 =-U 0 cos 0 t-U  cos  t Thay (1.38), (1.39) vào (1-37b) ta được: i II =- Acos  t - Bcos3  t+ C[cos( 0 +  )t+ cos( 0 -  )t]- D[cos(2 0 +  )+ cos(2 0 -  )t] (1.40) A, B, C, D trong các biểu thức (1.37a), (1.40) được xác đònh theo biểu thức (1.36). Từ (2.37a) và (1.40) xác đònh được dòng điện ra: i đb = i I +i II = 2 C[cos( 0 +  )t+ cos( 0 -  )t] (1.41) Vậy dùng mạch điều chế vòng còn có thể khử được các hài bậc lẻ của   và các biên tần của 2 0 , do đó méo phi tuyến rất nhỏ. Phổ tín hiệu ra của mạch điều chế vòng được biểu diễn trên hình 1-10b. 1.39 D D D D U đb U  C B C B U 0   0 -    0 +    0 Hình 1.10: Mạch điều biên vòng. a) Mạch điện; b) Phổ tín hiệu 0 Mạch điều chế vòng cũng có thể coi là một mạch nhân. Nguyên tắc nhân được minh họa trên hình 1-11. Giả thiết tải tin là dãy xung hình chữ nhật. Tùy thuộc vào sự thay đổi của tải tin, lúc thì D 1 , D 2 mở , lúc thì D 3 và D 4 mở, cặp diode còn lại ngắt làm cho tín hiệu vào u  thay đổi cực tính theo nhòp của u 0 . Tác dụng của mạch điều chế vòng đúng như một mạch nhân. 3. Mạch điều chế bằng Transistor: Về nguyên lý điều biên bằng Transistor cũng gồm các loại : Trong trường hợp Tranzistor lưỡng cực, FET, đèn điện tử để điều biên, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau đây: điều biên base, điều biên collector, điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anot, điều biên lưới,… Các loại mạch điều biên có tên gọi tương ứng với cực mà điện áp điều chế được đặt vào. Các Transistor cũng hoạt động ở chế độ kém áp (= 0,85 0,95 th ) và được chọn sao cho có thể duy trì độ tuyến tính của đặc tính điều chế. Người ta thường sử dụng việc tạo thiên áp hỗn hợp cho base để duy trì điều chế tuyến tính và giữa góc cắt  = 90 0 . Trên hình 1-13 là một mạch điều biên collector biến đổi theo điện áp âm tần: V * CC =V CC + V  cost (1.42) V CC : điện áp nguồn cung cấp trong trường hợp sóng mang không điều chế. V  :Biên độ điện áp âm tần từ bộ khuếch đại công suất âm tần. U  U 0 U đb t t t Hình 1 - 11: Minh họa tác dụng của mạch điều chế vòng như một mạch nhân 0 0 0 Đối với Transistor, điện áp của Collector không được tăng quá giá trò an toàn cực đại dù trong thời gian ngắn. Bởi vậy cần phải thỏa mãn điều kiện: V o + V  < V Cemax = BV CEO (1.43) Trong đó : - V o : điện áp cao tần cực đại ở collector khi m=1; - BV CEO : điện áp đánh thủng cho phép cực đại; Khác với đèn điện tử, điều biên Collector có công suất đánh giá bằng công suất đỉnh: P TB = P o (1+m) 2 / CH (1.44)  CH : hiệu suất của mạch cộng hưởng.  Trong trường hợp tổng quát, đặt tuyến điều chế I C1 (V CC ) là phi tuyến như hình 2-14. Khi đó:  I C1 = I C1max (V CC /V Ccmax ) 1- (1.45)  : hệ số biến thiên 0    0,25 V o V CC Tới tầng trước Tới bộ KĐCS âm tần V  Ra L C  C 1 C 2 C  L ch Hình 1 - 12: Điều biên Collector Đặc tuyến điều chế Collector có thể được tuyến tính hóa nhờ điều chế phụ base. Khi điện áp Collector thấp mối nối Collector được phân cực thuận bởi điện áp đầu vào. Do vậy dao động cao tần trực tiếp đi qua mối nối Collector phân cực thuận. Sự thay đổi của dòng Collector trong vùng 0-a xuất hiện bởi điều chế quá mức khi tín hiệu lớn. Để tránh méo phi tuyến gây ra người ta áp dụng điều chế Collector phụ được thực hiện ở Collector của tầng trước đó. Ta có thể thực hiện điều chế cân bằng không có mạch lọc đầu ra dùng Transistor (hình 1-14). Ưu điểm của nó là méo phi tuyến nhỏ, biên độ điều biên ở đầu ra lớn. VI. VÍ DỤ MINH HỌA: 1. Cho tín hiệu điều biên với hệ số điều chế m=2, tần số điều chế  =10Khz. Tín hiệu tải tin có biên độ V 0 =5mV và tần số  0 =1Mhz a) Viết phương trình tín hiệu điều chế và tín hiệu đã điều chế. b) Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế. Giải: a) Ta có: V 0 (t) = 0.005 cos (2*10 6 ) t Ta lại có: 0 V V m    V  = mV 0 = 2*0.005 =0.01 0 I C1 V CC V  V AM V R V o - V AM + Hình 1-13: Đặc tuyến điều chế Collevtor Hình 1-14:ĐBCB Transistor  Tín hiệu điều chế: V  = 0.01 cos (2*10 4 ) t  Tín hiệu đã điều chế: V AM (t) = 0.005 [cos (2*10 6 ) *t]*[ 1+ 2 cos(2*10 4 ) *t]. b) Mô phỏng dạng tín hiệu đã điều chế: fc=10^6;fm=10^4; T=1/fc; t=0:T/200:100*T; V AM (t)=0.005*cos(2*pi*fc*t).*[1+2*cos(2*pi*fm*t)]; plot(t,V AM (t)) Title('DC-AM,m>1') 2. Cho mạch điều biên collector như hình vẽ. +V +12v TF 2 TF 1 T 1 2N39C LF HF AM Hình 1 - 15: Bộ điều biên sử dụng Transistor [...]...Có tín hiệu tải tin: V0 (t) = 10 cos (2 *106) t Và tín hiệu điều chế: V (t) =7 cos (*104) t Hãy tìm giá trò của hệ số điều chế m và biểu thức của tín hiệu đã điều chế.Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế Giải: Hệ số điều chế m: - Biểu thức của tín hiệu đã điều chế: VAM (t) = 10 cos (2*106) t *[ 1+ 0.7* cos (2*104) t] Mô phỏng dạng tín hiệu đã điều chế: - m= V 7   0 7 V0... title('DC-AM,m . biên với hệ số điều chế m=2, tần số điều chế  =10Khz. Tín hiệu tải tin có biên độ V 0 =5mV và tần số  0 =1Mhz a) Viết phương trình tín hiệu điều chế và tín hiệu đã điều chế. b) Vẽ dạng tín hiệu. *10 6 ) t Và tín hiệu điều chế: V  (t) =7 cos (*10 4 ) t Hãy tìm giá trò của hệ số điều chế m và biểu thức của tín hiệu đã điều chế.Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế. Giải: - Hệ số điều chế. với điều biên, còn có thể khuyếch đại tín hiệu. Về mạch điện, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau: mạch điều đơn biên, mạch điều biên cân bằng và mạch điều biên vòng. 1. Mạch điều