Giáo trình khảo sát tín hiệu điều chế đa âm phổ của tín hiệu khuếch đại điều biên có tần số và biên độ dao động p3 pot

fc=1.7*10^6;fm=5*10^4; T=1/fc; t=0:T/200:100*T; V AM (t)=5*cos(2*pi*fc*t).*[1+1*cos(2*pi*fm*t)]; plot(t,V AM (t)) title('DC-AM,m=1') 0 2 4 6 x 10 -5 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN (SSB: single sideband) 1. Ưu khuyết điểm của điều chế đơn biên: Ta biết tin tức chỉ chứa trong biên tần, nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức. Quá trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần gọi là điều chế đơn biên. Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tin trước khi truyền đi. Một số ưu điểm của điều chế đơn biên (SSB) so với điều biên (1) Độ rộng dải tần giảm một nữa : D SSB <1/2D AM Bởi vậy trong cùng một dải tần số thì số đài có thể bố trí tăng gấp đôi. (2) Hiệu suất rất cao đối với điều chế AM: P hữu ích = P bt = 1/3P AM khi m=1 Đối với điều chế đơn biên P hữu ích = P bt = P SSB . Xét hệ số lợi dụng công suất : k AM =1/3 và k SSB =1 khi m = 1 k AM = 1/9 và k SSB =1 klhi m = 0,5 Vậy khi m càng nhỏ thì máy phát đơn biên càng có công suất hữu ích lớn hơn nhiều lần so với P hữu ích của máy phát điều biên. (3) Do D SSB  2D AM nên đối với các loại nhiễu nói chung (S/N) SSB > (S/N) AM và riêng đối với nhiễu trắng (nhiễu có cường độ như nhau) thì (S/N) SSB  Như vậy để máy phát AM và SSB có cùng S/N, ta phải tăng P AM lên hai lần   AM N/S2 >> 0 f 0 f 0 f Hình 2 - 1:Phổ của SSB >> (4) Do hiện tượng pha đinh trong truyền sóng mà tần số sóng mang f 0 có thể bò suy giảm. Đối với máy thu AM có lúc m > 1 sẽ gây méo do quá điều chế. Nếu pha đinh rất lớn làm mất hẳn tần số sóng mang thì máy thu sẽ không thu được gì. Còn đối với máy thu SSB pha đinh làm suy giảm hay triệt tiêu tần số sóng mang không gây ảnh hưởng gì. (5) Đối với tín hiệu AM trong giải truyền sóng ngắn, do sự phân tán của đặc tuyến pha mà xẩy ra sự chia pha các dao động trong dải biên. Điều đó làm méo tín hiệu truyền và làm giảm biên độ điện áp ở đầu vào bộ tách sóng của máy thu AM. Tổn hao công suất ở đầu ra, do đó được đánh giá là 50%. Còn đối với tín hiệu SSB thì mọi tin tức điều được phát trong một dải biên nên không có hiện tượng chia pha. (6) Dùng tín hiệu SSB sẽ thực hiện được sự bảo mật tốt, do nếu không biết tần số sóng mang thì sẽ không thu được tin tức. Do vậy máy phát và máy thu SSB được sử dụng rất nhiều trong lónh vực quân sự. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng do yêu cầu kỹ thuật khá cao như mạch lọc dải phải rất hẹp và dốc đứng; việc tạo lại tần số sóng mang f 0 trong máy thu phải rất chính xác mới không méo tín hiệu… nên máy phát và máy thu hiệu SSB cấu tạo phức tạp hơn so với máy phát và máy thu AM. Bởi vậy nó chỉ được dùng trong các máy thu phát thông tin chuyên dụng như trong máy phát thoại và phát tín hiệu nhiều kênh. Ta có tín hiệu điều chế đơn biên sau đây: Trong đó: Trong biểu thức (2-1), m không mang ý nghóa về độ sâu điều chế nữa và gọi là hệ số nén tải tin. Đồ thò vecto của tín hiệu đơn biên được biểu diễn trên hình 2-2. Ta thấy, vectơ đặc trưng cho dao động điều chế đơn biên thay đổi cả về biên độ lẫn góc pha, nghóa là điều chế đơn biên bao giờ cũng kèm theo điều chế pha. Tải tin bò nén một phần hoặc bò nén hoàn toàn, do đó vectơ tải tin U 0 có thể nhỏ hơn vectơ biên tần U  . Trong kỹ thuật truyền hình tín hiệu điều chế video một phần là tín hiệu điều biên (khi f s  0,75MHz), phần còn lại (0,75 MHz  f S  5 MHz) là tín hiệu điều chế đơn biên (hình2-3). Bằng cách đó giảm được dải tần của tín hiệu điều chế video. Nếu cắt bỏ hoàn toàn một tín hiệu biên tần thì vấn đề lọc dải sẽ khó khăn, hơn nữa sẽ xuất hiện sai pha. u đb (t) = U 0 2 m cos ( 0 +  ) (2- 1) 0 Ω U U =m 2 . Các phương pháp điều chế đơn biên: Phương pháp đầu tiên để tạo ra tín hiệu đơn biên SSB là từ tín hiệu điều biên AM người ta dùng bộ lọc dải để tách một biên tần cần thiết của tín hiệu ra. Nhưng do yêu cầu chất lượng cao nên bộ lọc dải rất phức tạp. Bởi vậy người ta tạo hai phương pháp tạo tín hiệu SSB khác nhau: phương pháp quay pha và phương pháp lọc-pha Nhưng do hai phương pháp này lại tạo ra một số sản phảm không cần thiết như tần số sóng mang f 0 , dải biên thứ hai Mặt kác hai phương pháp này không thể tạo ra bộ điều chế có chỉ tiêu kỹ thuật cao và ổn đònh, bởi vậy nó cũng ít được dùng. Ngày nay phương pháp tạo tín hiệu SSB đã được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp tổng hợp: tạo tín hiệu SSB bằng các tần số sóng mang khác nhau. Đặc biệt là khi bộ lọc thạch anh ra đời thì phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi. F(MHz) f th +5 F th +5,5 = f tt f th f th - 0,75 f th - 1,75 5,5 MHz U ĐB  0   U 0 U  Hình 2-2:Đồ thò vector của dao động điều chế đơn biên Hình 2-3: Đặc tính biên độ của tín hiệu hình. (f th : tải tần tin; f tt : tải tần tiếng) ( ) 2_2==X 0 min 0 ω Ω ω Δ a) Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc: Tín hiệu điều chế V  và tải tin V  được đưa vào bộ điều chế cân bằng. Sau bộ điều chế cân bằng ta thu được hai dải biên (DSB). Sau đó dùng bộ lọc dải ta sẽ thu đïc biên trên hoặc biên dưới như hình 2-4. Nhưng do  <<  0 nên  0   rất gần  0 , vì vậy việc lọc rất khó khăn. Ta có tỷ số lọc:  0 :tần số sóng mang. : khoảng cách giữa tần số cần lọc và tần số cho qua. Ta thấy X càng lớn, càng dễ lọc có nghóa là tần số sóng mang f 0 càng gần tần số điều chế  càng dễ lọc. Trong thực tế ta chọn tần số trung gian nằm trong khoảng (100  500MHz) vì ở dải tần số đó ta có bộ lọc thạch anh và bộ lọc cơ điện tốt nhất. Sau đó để chuyển f TG lên tần số tải tin f 0 ta dùng thêm một vài bộ điều chế cân bằng và bộ lọc dải ở các tần số khác nhau. Mỗi lần lọc thì tỷ số X lớn hơn nên dễ thực hiện lọc hơn. Phương pháp đó gọi là phương pháp tổng hợp. Điều chế cân bằng Bộ lọc dải hẹp  min  max  0 -  max  0 +  min  0 -  max  0 +  min  0  0 -  max  0 -  min 4 3 1 2  0 f f f 4 3 2 1 V  0 V  V SSB V  ,V o V DSB 0 0 0 Hình 2.4: Sơ đồ khối và phổ tín hiệu của phương pháp lọc b) Phương pháp tổng hợp: Bộ lọc 1 thường là bộ lọc thạch anh hay bộ lọc cơ điện chất lượng cao vì  rất nhỏ. Tần số sóng mang thứ 2 có f 1 >>f 0 và  =  1 +  min khá lớn nên dễ lọc hơn. Vì vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản. Nếu f 2 chưa ở trong dải tần số làm việc thì ta lại dùng tới tần số thứ 2 : dùng bộ điều chế cân bằng 3. Bộ lọc 3 cũng đơn giản như bộ lọc 2 vì  lớn:  =  1 + 2 +  min Cứ thế cho đến khi nào ta đạt được tần số làm việc f 0. (tần số tải tin) Dao động n Dao động 2 Dao động 1 Hình 2 - 5a: Sơ đồ khối của phương pháp tổng hợp f 1 f 2 f n f 0 = f 1 + f 2 +…+ f n        2  = 2  1 + 2  min  2 +  1 +  min  2 +  1 +  max  2 -  1 -  max  2 -  1 -  min  1 +  min  1 +  ma x  1 -  max  1 -  min  1 +  min  1 +  max 2  min  min  max  1  2 f f f f f V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 Hình 2.5b:Phổ tín hiệu theo phương pháp tổng hợp ĐCCB I Lọc 1 ĐCCB II Lọc 2 ĐCCB n Lọc n c) Phương pháp quay pha: Nguyên tắc tạo tín hiệu đơn biên bằng phương pháp quay pha được minh họa trên đồ thò vectơ hình 2-6 Tín hiệu âm tần V  và dải tin V o trước khi đưa vào bộ ĐCCB II được di pha một góc 90 0 . Còn tín hiệu âm tần V  và tải tin V o được đưa thẳng vào bộ ĐCCB I. Tín hiệu ở đầu ra của hai bộ ĐCCB sẽ qua bộ tổng (hoặc hiệu) và ở đầu ra của bộ tổng (hoặc hiệu) là tín hiệu đơn biên SSB như hình 2-7 Phương pháp quay pha được thực hiện ở ngay dải tần số làm việc.     1 2 3 4 I II   t =  0 3 4 1,2 I II   t = 0 0 Hình 2-6: Đồ thò vector của dao động điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha V SSB ĐCCB I ĐCCB II Di Pha 90 0 Mạch tổng Dao động tải tin Di Pha 90 0 V I V II V  Hình 2 - 7: Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp quay pha  Ở đầu ra bộ ĐCCB I ta nhận được:  Ở đầu ra bộ ĐCCB II ta nhận được:  Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được: V SSB = V o V  cos( 0 - )t (2.2) Đây chính là biên tần dưới của tín hiệu SSB. Nếu ta thay mạch tổng bằng mạch hiệu ta sẽ nhận được biên tần trên. Phương pháp này có thể mở rộng cho trường hợp hệ thống điều chế có số lượng bộ điều chế n  3, lúc đó sẽ có n mạch quay pha /n. Biểu thức 2.2 chỉ đúng khi hai bộ ĐCCB hoàn toàn giống nhau để V I , V II có biên độ như nhau và hai bộ di pha phải tạo ra di pha chính xác (đúng 90 0 ). Nếu không ở đầu ra ta sẽ thu được cả hai biên tần. Đây là khó khăn lớn vì thực hiện quay pha chính xác đối với một tín hiệu có dải tần rộng ( min +  max ) không phải đơn giản. Vì vậy phương pháp này ngày nay ít được sử dụng. c) Phương pháp lọc và quay pha kết hợp: ( ) ( ) [ ] tΩ_oωcos+tΩ+oωcos 2 V V =V Ωoω I ( ) [ ] ( ) [ ] { } ( ) ( ){ } Ω_oωcos+tΩ+oωcos_ 2 VV = 0+tΩ_oωcos+180_tΩ+oωcos 2 V V =V Ωoω 00 Ωoω II Di pha 90 0 Dao động  1 Lọc thông dưới 1 Dao động  2 Mạch tổng V  V II V' II V' I V III V I V SSB Hình 2-8: Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp lọc và quay pha kết hợp Di pha 90 0 ĐCCB IV Lọc thông dưới 2 ĐCCB II ĐCCB I ĐCCB III  Ta chọn tải tin thứ nhất có tần số dao động : để dễ dàng lọc lấy thông dưới  Ở đầu ra bộ ĐCCB I và II ta nhận được:  Qua bộ lọc thông dưới 1, 2 ta nhận được:  Ở đầu ra bộ ĐCCB III và IV ta nhận được: 2 Ω + Ω =ω maxmin 1 ( ) ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] { } 0 1 0 1 Ω II 11 Ωω 1 90+tω_Ωcos+90_tω+Ωcos 2 VV =V t_cos+tω+Ωcos 2 V V =V 1 1 ω ωΩ ( ) ( ) [ ] 0 1 Ωω II 1 Ωω 1 90+tω_Ωcos 2 VV ='V tω_Ωcos 2 V V ='V 1 1                      tωΩωcostωΩωcos 4 VVV 9090tωΩωcos9090tωΩωcos 4 VVV V tωΩωcostωΩωcos 4 VVV V 1212 Ωωω 00 12 00 12 Ωωω IV 1212 Ωωω III 21 21 21     Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được: Đây là biên tần trên của tín hiệu SSB. Nếu ta thay bộ tổng bằng bộ hiệu ta sẽ thu được biên tần dưới. Phương pháp không cần dùng mạch quay pha đối với tín hiệu điều chế nên dễ thực hiện hơn. Phổ của tín hiệu đơn biên và đồ thò vectơ của nó theo phương pháp lọc – quay pha kết hợp được biểu diễn trên hình 2-9. 3. Ví dụ minh họa: Cho tín hiệu tải tin: V 0 (t) = 10 cos (6*10 6 ) t Và tín hiệu diều chế: V  (t) = 5 cos (3*10 4 ) t. Hãy viết biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên ở đầu ra V SSB trong trường hợp dùng phương pháp quay pha và vẽ dạng tín hiệu V SSB đó.     42tcos 4 VVV V 12 Ωωω SSB 21  f Smin f t1 f t2 f t1 + f t2 S(f) S(f) S(f) S(f) f Smin f Smax f t1 f f f f a ) b) c) d) Hình 2-9: Phổ và đồ thò vectơ của dao động điều chế đơn biên theo phương pháp lọc – quay pha kết hợp. a) Phổ của tín hiệu điều chế; b) Phổ tín hiệu ra trên bộ ĐCCB I; c) Phổ tín hiệu ra bộ lọc; d) Phổ tín hiệu ra mạch hiệu [...]...Giải: - Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên: VI  V0 V cos(0  )t  cos(0  ) 2 VI  50 cos 603 * 104 t  cos 597 * 104 t 2 VII  V0V  cos(0  ) t  cos(0  ) 2 VII  50  cos 603 * 104 t  cos 597 * 104 t 2           VSSB (t) = VI +VII = 50 cos (597*104) t - Mô phỏng dạng tín hiệu điều chế đơn biên: f=597*pi*10^4; T=1/f; t=0:T/50:30*T; . Hình 2-9: Phổ và đồ thò vectơ của dao động điều chế đơn biên theo phương pháp lọc – quay pha kết hợp. a) Phổ của tín hiệu điều chế; b) Phổ tín hiệu ra trên bộ ĐCCB I; c) Phổ tín hiệu ra bộ. thò vector của dao động điều chế đơn biên Hình 2-3: Đặc tính biên độ của tín hiệu hình. (f th : tải tần tin; f tt : tải tần tiếng) ( ) 2_2==X 0 min 0 ω Ω ω Δ a) Điều chế đơn biên theo phương. Ta có tín hiệu điều chế đơn biên sau đây: Trong đó: Trong biểu thức (2-1), m không mang ý nghóa về độ sâu điều chế nữa và gọi là hệ số nén tải tin. Đồ thò vecto của tín hiệu đơn biên