Bài giảng CƠ SỞ VIỄN THÔNG - Chương 2 pps

Chương 2: Điều chế tương tự Chƣơng 2 ĐIỀU CHẾ TƢƠNG TỰ 2.1 Mô hình hoá hệ thống: Định nghĩa: biễu diễn mối quan hệ giữa các đặc trưng của tín hiệu ở đầu vào và đầu ra của hệ thống tuyến tính. - Xét hệ thống tuyến tính có đáp ứng xung là k(t) và hàm truyền đạt )(  K , x(t) là ngõ vào, y(t) là ngõ ra. - Sơ đồ khối hệ thống tuyến tính: Hình 2.1: sơ đồ khối hệ thống tuyến tính - Quan hệ ngõ ra - vào: )(*)()( txtkty  )().()(  XKY  Giá trị biên độ: )(.)()(  XKY  Giá trị góc pha: )(arg)()(arg  XY  2.2 Điều chế và giải điều chế tƣơng tự: 2.2.1 Định nghĩa: Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ, hay tần số, hay pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc BB (BaseBand). 2.2.2 Điều kiện điều chế: 1) Tần số sóng mang cao tần f c (frequency carry), f c )108(  F max trong đó F max : tần số cực đại tín hiệu điều chế băng gốc. 2) Thông số sóng mang cao tần biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế Bandbase mà không phụ thuộc vào tần số của nó. 3) Biên độ sóng mang cao tần m VV   (biên độ tín hiệu điều chế băng gốc). y(t) )(  Y x(t) )(  X )( )(  K tk Chương 2: Điều chế tương tự 4) Trong điều chế xung – số thì tần số lấy mẫu f mẫu max 2F Phân loại điều chế: + Điều chế tương tự: AM, FM, PM, SSB, DSB. + Điều chế số: ASK, FSK, PSK, QPSK,… + Điều chế xung: PAM (Pulse Amplitude Modulation) PWM (Pulse Width Modulation) PPM (Pulse Position Modulation) PCM (Pulse Code Modulation) 2.2.3 Điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation) 2.2.3.1 Điều chế AM: - Định nghĩa: biên độ sóng mang cao tần tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc gọi là điều chế AM. - Sơ đồ khối điều chế AM mức thấp: Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế AM mức thấp. Ứng dụng: trong truyền hình, truyền thanh. anten Sóng mang carrier tVtx ccc  cos)(  Tín hiệu băng gốc tVtm mm  cos)(  Điều chế AM mức thấp KĐCS cao tần Chương 2: Điều chế tương tự - Sơ đồ khối mạch điều chế AM mức cao: Hình 2.3: sơ đồ khối điều chế AM mức cao - Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế. - Cách đánh giá điều chế AM thơng qua đường bao: Hình 2.4: điều chế AM đơn âm. anten Sóng mang tVtx ccc  cos)(  Tín hiệu băng gốc tVtm mm  cos)(  Điều chế AM mức cao KĐCS cao tần t m(t) V m t Sóng mang V AM (t) V max V min -V max -V min Tín hiệu băng gốc Tín hiệu điều chế AM Đường bao Chương 2: Điều chế tương tự Tín hiệu sóng mang: tVtx ccc  cos)(  ; trogn đó V c là giá trị biên độ sóng mang và c  là tần số gốc sóng mang. Tín hiệu băng gốc: tVtm mm  cos)(  ; trong đó V m là giá trị biên độ tín hiệu băng gốc, m  là tần số gốc tín hiệu băng gốc. Tín hiệu sóng mang: tVtx ccc  cos)(  ; trogn đó V c là giá trị biên độ sóng mang và c  là tần số sóng mang. Lưu ý: c  rất lớn hơn nhiều m  . - Khi chưa có tín hiệu băng gốc đưa vào (V m =0), nghĩa là máy phát hoạt động ở chế độ sóng mang, khi đó ngõ ra có dạng: tVtV ccAM  cos)(  - Khi có tín hiệu băng gốc đưa vào ( 0 m V ) máy phát, khi đó ngõ ra có dạng: - ( ) cos cos cos ) (1 cos )cos (1 cos )cos AM C C m m C m C m C C C A m C V t V t V t t V V t t V V m t t         (2.1) Hệ số điều chế: minmax minmax VV VV V V m c m A    (2.2) Để tín hiệu điều chế AM không bị méo thì điều kiện: 1 A m Biến đổi công thức (2.1), dùng công thức biến đổi lượng giác ta được:   ttm V tVtV mcmcA c ccAM )cos()cos( 2 cos)(   tm V tm V tVtV mcA c mcA c ccAM )cos( 2 )cos( 2 cos)(   (2.3) Nhận xét công thức (2.3): tín hiệu AM điều chế đơn âm gồm thành phần sóng mang và hai biên. Chương 2: Điều chế tương tự Vẽ phổ AM điều chế đơn âm: Hình 2.5: Phổ tín hiệu điều chế AM. LSB: Lower Side Band. USB: Upper Side Band. - Cơng suất ra ở chế độ sóng mang: eq c c R V P 2 2  Trong đó: V c là giá trị biên độ sóng mang. R eq là tải tương đương - Cơng suất ngõ ra AM lớn nhất: ) 2 1( 2 A cAM m PP  (2.4) Nhận xét: cơng suất ngõ ra AM lớn nhất phụ thuộc vào cơng suất sóng mang và hệ số điều chế. Khi điều chế cực đại, nghĩa là m A =1, thì cơng suất ngõ ra AM lớn nhất trong trường hợp này là: P AM max = (3/2) P C - Cơng suất trung bình điều chế AM: LSBUSBcAMtb PPPP  (2.5) Nhận xét: cơng suất trung bình điều chế AM là tổng cơng suất sóng mang, cơng suất biên dưới và cơng suất biên trên. - Băng thơng của điều chế AM: BW AM =2f m . (2.6) Ví dụ 3: cho tín hiệu AM có V max = 100V, V min = 20V. Tính hệ số điều chế và cho biết điều chế này có bị méo hay khơng? Và tính cơng suất sóng mang và cơng suất ngõ ra AM, biết  50 eq R .  V c 2 A m V c 2 A m V c mc   c  mc   Phổ biên dưới LSB Phổ biên trên USB Phổ trung tâm Chng 2: iu ch tng t Gii: H s iu ch, ỏp dng cụng thc (2.2): 667.0 20100 20100 minmax minmax VV VV m A Biờn súng mang: V VV V c 60 2 20100 2 minmax Cụng sut súng mang: 36 50*2 60 2 2 2 eq c c R V P W Cụng sut ngừ ra mỏy phỏt AM: 44)2/ 3 2 1(36) 2 1( 2 2 A cAM m PP W Bi tp v nh 1: cho tn s súng mang cao tn AM bng 1MHz, biờn 100V trờn ti 50 eq R . Tớn hiu iu ch tFVtFVtm 2211 2cos2cos)( v m A1 =0.2, m A2 =0.3 ln lt l cỏc h s ca tớn hiu tn s F 1 =5KHz v F 2 =15KHz. Tớnh cụng sut súng mang v cụng sut ngừ ra AM, v ph AM. Bi tp v nh 2: cho tớn hiu iu ch AM nh hỡnh 2.6. Tớnh h s iu ch, v ph biờn bit tn s súng mang l 100KHz v tn s tớn hiu bng gc l 15KHz. Hỡnh 2.6: tớn hieọu ủieu cheỏ AM 2.2.3.2: Nhn xột iu ch AM: - Cụng sut mang khụng ti tin thỡ chim nhiu. - Cụng sut cao tn ti tin nh hai biờn nh nhau v ph thuc vo h s iu ch m A . - Bng thụng cn truyn ln gp ụi cn thit nờn phớ v tng nhiu. - Xột v tớnh hiu qu s dng cụng sut cao tn kộm. - Tớnh chng nhiu kộm. t V AM (t) 80V 40V -80V -40V ẹửụứng bao Chương 2: Điều chế tương tự - Dễ thực hiện tín hiệu AM và máy thu giải điều chế đơn giản, rẽ. - Điều chế AM dùng trong phát thanh quảng bá MW-SW. 2.2.3.3 Mạch điều chế AM - Mạch điều chế AM đơn giản dùng diode: Hình 2.7: mạch điều chế AM đơn giản dùng diode - Mạch điều chế AM dùng FET: Hình 2.8: mạch điều chế AM dùng FET FET có điện trở ngõ ra tuyến tính, vì vậy độ lợi mạch cũng tuyến tính. R f C 1 )(tm R G -V G x c (t) C out tVtm mm  cos)(  R 2 R 1 tVtx ccc  cos)(  R 3 D C L C Ngo ra Chương 2: Điều chế tương tự 2.2.4: Giải điều chế AM: -Đònh nghóa: là quá trình khôi phục lại tín hiệu nguyên thuỷ hay tín hiệu băng gốc. Sự phân tích mạch tách sóng đỉnh dựa vào 2 quan sát: (1) input khơng thể lớn hơn output ( với một diode lý tưởng ). Và (2) output khơng bao giờ giảm với t. Quan sát thứ nhất đúng, vì nếu input vượt q output thì diode có thêm một điện thế dương phân cực thuận. Quan sát thứ 2 do sự kiện là tụ khơng có đường xã điện. Nên output ln ln bằng với trị đỉnh của input trước thời điểm đó. * Bây giờ nếu ta đấu thêm một điện trở xã điện cho tụ. Mạch ở hình 4.36 là mạch tách sóng bao hình. Output sẽ có dạng expo giữa các đỉnh. Nếu chọn lựa thời hằng RC thích hợp, thì output sẽ xấp xĩ với bao hình. Và mạch tác động như một mạch tách sóng. Output có chứa sóng dư ( tần số f C ) nhưng điều đó khơng hề gì, vì ta chỉ quan tâm đến những tần số dưới tần số f m . Thời hằng RC phải ngắn sao cho bao hình có thể vạch những thay đổi trị đỉnh của sóng AM . Các đỉnh cách nhau tại những khoảng bằng với tần số sóng mang, trong lúc chiều cao thì theo biến đổi của biên độ của s(t). Chương 2: Điều chế tương tự - Sơ đồ khối giải điều chế AM: Hình 2.9: sơ đồ khối mạch giải điều chế AM - Mạch giải điều chế AM dùng diode: Hình 2.10: Mạch giải điều chế AM dùng Diode + Ở bán chu kỳ dương, D 1 dẫn, C 1 nạp đến giá trị biên độ tín hiệu cao tần. + Ở bán chu kỳ âm, D 1 tắt, tụ C1 xả qua R 1 Diode D 1 tách sóng nửa bán kỳ biên độ tín hiệu cao tần IF. Với sự lựa chọn R 1 C 1 thích hợp, điện áp trên tụ C 1 có dạng đường bao cao tần là tín hiệu giải điều chế AM: 1max 2 1 2 1 1 Rf m C A            Thơng thường giá trị R 1 khoảng vài K  . IF D C 1 C 2 C 3 R 1 R 2 C 4 Giải điều chế AM KĐCS cao tần anten Loại bỏ sóng mang Tín hiệu băng gốc Loa Bộ lọc Chương 2: Điều chế tương tự 2.3 Điều chế đơn biên SSB (Single Side Band): - Định nghĩa: điều chế đơn biên SSB là quá trình điều chế tạo một biên tần (biên trên hay biên dưới) của tín hiệu AM. - Cách tạo SSB: Hình 2.11: Phổ của các tín hiệu điều chế AM, DSB, và SSB. - Băng thông BW SSB =f m - Sóng mang phụ tín hiệu SSB từ 100KHz đến 500KHz. Thông thường chọn 100KHz, hay 200KHz. - Phạm vi ứng dụng: dùng trong thông tin sóng ngắn, quân đội, hàng hải, … có khoảng cách thông tin rất xa. - Nhận xét: + So với AM thì điều chế SSB thực hiện phức tạp hơn. + Băng thông SSB giảm phân nữa so với AM. Tiết kiệm băng tần, giảm nhiễu. + Vì chỉ phát phần công suất một biên nên công suất phát SSB thấp hơn nhiều so hơn công suất phát AM xét cùng một khoảng cách thông tin. + S/N của điều chế SSB tốt hơn S/N của điều chế AM. 2.4 Điều chế cân bằng (Balanced Modulation): - Điều chế cân bằng: tạo tín hiệu DSB.  V c 2 A m V c 2 A m V c mc   c  mc   AM  2 A m V c 2 A m V c mc   mc   DSB  2 A m V c mc   SSB [...].. .Chương 2: Điều chế tương tự - Sơ đồ mạch điều chế cân bằng: D1 T1 m(t) Tín hiệu băng gốc D3 T2 D4 vout D2 xc(t) tín hiệu sóng mang Hình 2. 12: sơ đồ mạch điều chế cân bằng D1 T1 T2 m(t) D2 vout D1-D2 dẫn; D3-D4 tắt + xc(t) T1 m(t) D3 T2 vout D3-D4 dẫn; D4 D1-D2 tắt - + xc(t) Hình 2. 13: qui trình hoạt động điều chế cân bằng Chương 2: Điều chế tương tự - Ứng dụng: trong phát thanh... 0.00 0 .25 0.5 1.0 1.5 2. 0 2. 4 J0 1.0 0.98 0.94 0.77 0.51 0 .22 0 J1 0. 12 0 .24 0.44 0.56 0.58 0. 52 J2 0.03 0.11 0 .23 0.35 0.43 J3 0. 02 0.06 0.13 0 .20 Ví dụ: vẽ phổ điều chế WBFM biết mf=1.5, VWBFM=2V J4 0.01 0.03 0.06 J5 0. 02 (2. 15) Chương 2: Điều chế tương tự Giải: Tra bảng hàm bessel ứng với mf=1.5, ta có các giá trị như sau: J0=0.51, J1=0.56, J2=0 .23 , J3=0.06 và J4=0.01 Vậy n=4 Ap dụng cơng thức (2. 15)... )  2( 0.51cos  c t )  2 * 0.56cos( c   m )  cos( c   m )  2 * 0 .23 cos( c  2 m )  cos( c  2 m ) 2 * 0.06cos( c  3 m )  cos( c  3 m ) 2 * 0.01cos( c  4 m )  cos( c  4 m ) Vẽ phổ WBFM: 1. 12 1. 02 1. 12 0.46 0.46 0. 02 0. 12 0. 12 c  4 m c  2 m  c   m c c  3 m 0. 02 c  2 m c  4 m  c  3 m c   m Hình 2. 18: Phổ băng tần rộng FM với (mf=1.5) - Cơng...   sin 2 (n.45.10 3 )t 3 n Dạng điện áp ngõ ra, áp dụng (2. 8): 2 vout (t )  m(t ).xc (t )  2 sin 2 (5.10 3 )t sin 2 (45.10 3 )t  sin 2 (5.10 3 )t sin 2 (3.45.10 3 )t 3 1 3    sin 2 (5.10 )t sin 2 (n.45.10 3 )t n Vẽ phổ DSB: V 2 fm fc  fm fc  fm 3 fc  fm 3 fc  fm f Hình 2. 14: Phổ của tín hiệu điều chế DSB FM quảng bá stereo: L + L+R FM + - R L-R 19KHz pilot X 38KHz L+R L-R L-R 19 38... (t )  V cos (2 f ct  m p cos 2 f mt ) (2. 19) Chương 2: Điều chế tương tự * Xét trường hợp mp .           1 )()(0 )cos()1()cos(cos)( n mc n mcmncmFM nnJtJVtv ff  (2. 15) Trong đó: J 0 , J n : các hệ số hàm Bessel (tra bảng) m f J 0 J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 0.00 1.0 - - - - - 0 .25 0.98 0. 12 - - - - 0.5 0.94 0 .24 0.03 - - - 1.0. 0. 02 - - 1.5 0.51 0.56 0 .23 0.06 0.01 - 2. 0 0 .22 0.58 0.35 0.13 0.03 - 2. 4 0 0. 52 0.43 0 .20 0.06 0. 02 Ví dụ: vẽ phổ điều chế WBFM biết m f =1.5, V WBFM =2V. Chương 2: . Hình 2. 13: qui trình hoạt động điều chế cân bằng. m(t) - + D 3 D 4 T 1 T 2 v out x c (t) D 3 -D 4 dẫn; D 1 -D 2 tắt m(t) D 1 D 2 T 1 T 2 v out x c (t) + - D 1 -D 2