KHAO SAT TIN HIEU DIEU CHE DUNG MATLAB docx

Đặc tuyến điều chế tĩnh cho biết quan hệ giữa biên độ tín hiệu ra và giá trị tức thời của tín hiệu điều chế ở đầu vào.. Đường đặc tuyến điều chế tĩnh lý tưởng là một đường thẳng từ C đến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT TÍN HIỆU

ĐIỀU CHẾ DÙNG

CHƯƠNG 1 ĐIỀU BIÊN (AM: Amplitude modulation)

I Phổ của tín hiệu điều biên:

Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức

Giả thiết tin tức là tín hiệu âm tần có phạm vi biến đổi tần số từ Ωmin÷Ωmax,

ta có:

VΩ= VΩ.cosΩt (1.1)Tải tin là dao động cao tần:

Vωo = V0.cosω0t (1.2)Từ (1-1) và (1-2) ta được tín hiệu điều biên có dạng:

(1 mcos t)cos t ( )1.3V

tcostcosV

V1V

tcostcosVVtV

0 0

0 0

0

0 0

AM

ωΩ+

=

ωΩ+

=

Ω Ω

Trong đó:

0V

V

m= Ω là hệ số điều chế hay còn gọi là độ sâu điều chế Hệ số

điều chế “m” phải thỏa mãn điều kiện m ≤ 1 Nếu m > 1 thì mạch có hiện tượngđiều chế và tín hiệu méo trầm trọng (hình 1-1)

Trong thực tế mmax = 0,7 ÷ 0,8 để đảm bảo thu tín hiệu không bị méo Taxác định “m” trong thực tế bằng cách đo các giá trị Vmax, Vmin và áp dụng côngthức:

( )1.4V

V

VV2

V

V 2

VVV

Vm

min max

min max min

max

min max

−

=+

−

=

Khi m = 1 ta có Vmax = 2V0 và Vmin = 0.

Biến đổi lượng giác công thức (1.3) ta có:

( ) cos( )t ( )1.5

2

mVtcos

2

mVtcosV

0

0 0

0

V0

t0

Như vậy khi điều

chế đơn âm phổ của tín

hiệu điều biên AM có ba

thành phần: Tải tin có tần

số ω0 và có biên độ V0; hai

dao động biên có tần số ω0

± Ω và có biên độ

2

mV0như hình 1-2,a Khi m=1

Nếu ta điều chế

một dãi âm tần

(Ωmin÷Ωmax) vào tải tin, ta

sẽ có phổ của tín hiệu AM

như hình 1-2,c

Ta thấy ngoài tải

tin ω0 có biên độ V0 còn

có hai biên tần: biên tần

trên có tần số từ (ω0 - Ωmin)

đến (ω0 + Ωmax) và biên

tần dưới có tần số từ (ω0

-Ωmax) đến (ω0 + Ωmin) đối

xứng qua tải tin

Thực chất phổ của các dao động hai biên không đồng điều nhau mà càng

xa ω0 thì biên độ càng giảm do đặc tuyến lọc của bộ cộng hưởng không phải làhình chữ nhật lý tưởng

II Quan hệ năng lượng trong điều biên:

Trong tín hiệu đã điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin khôngmang tin tức Như vậy công suất tải tin là công suất tiêu hao vô ích, còn công suấtbiên tần là công suất hữu ích

• Công suất tải tin là công suất bình quân trong một chu kỳ tải tin:

Hình 1-2 Phổ của rín hiệu AM

• Công suất biên tần:

2

mPP

P

P

7.12

mPR2

12

mVP

P

2 bt

bt bt

2 L

2 0 bt

bt

0 0

0

0 0

0

ω Ω

− ω Ω

+ ω

ω Ω

− ω Ω

+

ω

=+

0 max

R2

m1V

mPPPPP

2 bt

AM = ω0 + = ω0 + ω0 = ω0 + 

Nếu m = 1 thì PAM = 3/2 Pω o (1.13) ⇒ Pbt = 1/3 PAM (1.14)

•Hệ số lợi dụng công suất:

(1.15)

1m212

m1P2

mPP

Pk

2 2

2

AM bt

Khi điều chế sâu nhất m = 1 thì

3

1

k= có nghĩa là công suất hữu ích chỉbằng một phần ba tổng công suất phát đi

Trong thực tế để tín hiệu không méo m = 0,7 ÷ 0,8 thì

3

1

k < Đây chính là

nhược điểm của tín hiệu AM so với tín hiệu điều biên (SSB)

III Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đã điều biên:

1 Hệ số méo phi tuyến:

( ω ± ω Ω )

ω

± ω ω

I

II

k

2 3

2 2

I( ω t ± n ω s) (n ≥ 2) là biên độ các thành phần dòng điện ứng với hài bậc caocủa tín hiệu điều chế;

I( ω t ± ω s) là biên độ các thành phần biên tần

Để đặc trưng cho méo phi tuyến

trong mạch điều khiển, người ta dùng

đặc tuyến điều chế tĩnh (hình 1.3) Đặc

tuyến điều chế tĩnh cho biết quan hệ

giữa biên độ tín hiệu ra và giá trị tức

thời của tín hiệu điều chế ở đầu vào

Dạng tổng quát của đặc tuyến

điều chế tĩnh được biểu diễn trên hình

1-3

Đường đặc tuyến điều chế tĩnh lý tưởng là một đường thẳng từ C đến A.Đặc tuyến điều chế tĩnh không thẳng sẽ làm cho lượng biến đổi của biên độ daođộng cao tần đầu ra so với giá trị ban đầu (điểm B) không tỷ lệ đường thẳng vớitrị tức thời của điện áp điều chế Do đó trên đầu ra thiết bị điều biên, ngoài cácthành phần hữu ích (các biên tần), còn có các thành phần bậc cao không mongmuốn khác Trong đó đáng lưu ý nhất là thành phần của tần số ωt± 2ωs có thể lọtvào các biên tần mà không thể lọc được

Để giảm méo phi tuyến, cần hạn chế phạm vi làm việc của bộ điều chếtrong đoạn đường thẳng của đặc tuyến điều chế tĩnh Lúc đó buộc phải giảm độsâu điều chế

Hình 1-3: Đặc tuyến điều chế tĩnh.

A–Giá trị cực đại; B–Tải tin chưa điều chế

2 Hệ số méo tần số:

Để đánh giá độ méo tần số, ngươì ta căn cứ vào đặc tuyến biên độ – tầnsố:

M = f(Fs)Us = const

Hệ số méo tần số được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

m0 – hệ số điều chế lớn nhất;

m – hệ số điều chế tại tần số đang xét;

Méo tần số xuất hiện chủ yếu trong các tầng khuyếch đại âm tần (khuyếchđại tín hiệu điều chế), nhưng cũng có thể xuất hiện trong các tầng điều chế và sauđiều chế, khi mạch lọc đầu ra của các tầng này không đảm bảo băng thông chophổ của tín hiệu đã điều biên(2Fmax)

IV Phương pháp tính toán mạch điều biên:

Các mạch điều biên được xây dựng dựa vào hai nguyên tắc sau đây:

- Dùng phần tử phi tuyến : cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến củaphần tử phi tuyến đó

- Dùng phần tử phi tuyến có tham số điều khiển được: nhân tải tin và phi tín hiệuđiều chế nhờ phần tử phi tuyến đó

1 Điều biên dùng phần tử phi tuyến:

Các phần tử phi tuyến được dùng để điều biên có thể là đèn điện tử, bándẫn, các đèn có khí, cuộn cảm có lõi sắt hoặc điện trở có trị số biến đổi theo điệnáp đặt vào

M = Hoặc Mm0 dB = 20logM (1.17)

m

Tùy thuộc vào điểm làm việc được chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm sốđặc trưng cho phần tử phi tuyến, có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor khichế độ làm việc của mạch là chế độ A(θ = 1800) hoặc phân tích theo chuỗi Fourierkhi mạch làm việc ở chế độ mà góc cắt θ < 1800 (chế độ lớp AB, B, C) phươngpháp tính toán cho hai trường hợp đó như sau:

a) Trường hợp 1: θ = 1800

Giả thiết mạch điều biên dùng Diode (hình 1-5) Nếu các tín hiệu vàothỏa mãn điều kiện V0 + VΩ < E (2.18)

thì mạch làm việc ở chế độ A (θ = 1800) Hàm số đặt trưng cho phần tử phituyến (diode) xung quanh điểm làm việc được biểu diễn theo chuỗi Taylor:

iD = a1uD + a2uD2 + a3uD3 +… (1.18)

với uD = ED + U0cos0t + UΩcosΩt

Thay uD vào biểu thức (1.18), nhận được:

ID = a1(E+ U0 cosω0t + UΩcosωΩt) + a2(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt)2 + +

a3(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt)3 +… (1.19)

Khai triển (1.18) và bỏ qua các số hạng bậc cao n ≥ 4 sẽ có kết quảmà phổ của nó được biểu diễn trên hình 1.6 Phổ của tín hiệu ra trong trườnghợp này gồm thành phần phổ mong muốn Các thành phần phụ bằng khôngkhí

A3 = a4 = a5 = … = a2n+1 = 0 (n = 1, 2, 3,…)

Nghĩa là nếu đường đặc tính của phần tử phi tuyến là một đường cong bậchai thì tín hiệu đã điều biên không có méo phi tuyến Phần tử phi tuyến có đặc tínhgần với dạng lý tưởng (bậc 2) là FET

Để thỏa mãn điều kiện (1.18), tải tin và tín hiệu điều chế phải cóbiên độ bé, nghĩa là phải hạn chế công suất ra Vì lý do đó, rất ít dùng điềubiên chế độ A

Hình 1.5 Điều biên ở chế độ Aa) Mạch điện dùng Diode; b) Đặt tuyến của Diode

+ E0

-CBD

b) Trường hợp 2: θ < 180 0

Khi θ < 1800, nếu biên độ điện áp đặt vào diode đủ lớn thì có thể coi đặc tuyến của nó là một đường gấp khúc (hình 1-7) Phương trình biểu diễn đặt tuyến của diode trong trường hợp này như sau:

S: hỗ dẫn của đặc tuyến diode Chọn điểm làm việc ban đầu trong khu tắc của diode (ứng với chế độ C) Vì dòng qua diode là một dãy xung hình sin (hình 1-7b), nên có thể biểu diễn iD theo chuỗi Fourier như sau: ID = I0 + i1 + i2 +…+ in +…= Io + I1cosω0t + I2cos2ω0t + + Incosnω0t (1.21) Trong đó: I0: thành phần dòng điện một chiều; I1: biên độ thành phần dòng điện cơ bản đối với tải tin; I2, I3,…,In: biên độ thành phần dòng điện bậc cao (hài bậc cao) đối với tải tin; I0, I1, I2,…, In được tính toán theo các biểu thức xác định hệ số của chuỗi Furier: (1.22) t td n cos i n I

t td cos i 2 I t d i 1 I 0 0 0 D n 0 0 0 D 1 0 D 0             ω ω π = ω ω π = ω π = ∫ ∫ ∫ θ θ θ Theo biểu thức (1.20): iD = SuD = S(E + UΩcosωΩt + U0cosω0t) (1.23) khi uD ≤ 0 ID = (1.20) SuD khi uD >0

Khi ω0t = θ thì ID = 0 (hình 2-6), do đó ta có:

0 = S(E + UΩcosωΩt + U0cosθ) (1.24)

Do đó trị tức thời của thành phần cơ bản:

Ơû đây θ xác định được từ biểu hức (1-24)

(1 26)

2sin2

1SU

ttdcos)cost(cosSU

2I

t 0

0 0 0

t 1

−ωπ

= ∫θ

U

tcosUEcos

0

ω+

−

=

tcos2sin2

1SU

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 mạchđiện loại này là điều biên dùng bộ nhân tương tự (hình 1-7) Trong mạch điện này,quan hệ giữa điện áp ra udb và điện áp vào u0 là quan hệ tuyến tính Tuy nhiên, khi

uΩ biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác làmcho 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 điệnáp ra sau đây:

Uđb = (E + UΩcosωΩt)U0cosω0t

2

UUtcos

2

UUtcosEU

CB

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 phituyến, nhưng nếu dùng bán dẫn, đèn điện tử thì đồng thời với điều biên, còncó thể khuyếch đại tín hiệu Về mạch điện, người ta phân biệt các loại mạchđiều biên sau: mạch điều đơn biên, mạch điều biên cân bằng và mạch điềubiên vòng

1 Mạch điều biên đơn:

Mạch điều biên đơn là mạch chỉ dùng một phần tử tích cực để điềuchế Các mạch điện trên hình 1-5 và 1-6 là các mạch điều biên đơn dùngdiode Như đã xét trong hai mạch điều biên, dòng điện ra tải ngoài cácthành phần hữu ích (các biên tần) còn có đủ mọi thành phần không mongmuốn khác (tải tần và các hài bậc cao) Đó là đặc điểm cơ bản của cácmạch điều biên đơn

• Đặt tuyến Volt-ampe của diode, Transistor hay đèn điện tử chỉ được coilà gần đúng là thẳng khi tín hiệu vào đủ lớn Chính vì vậy đối với máyphát AM quá trình điều chế thường được tiến hành ở đầu cuối, hay trướccuối Nếu chỉ dùng Diode ta chỉ thực hiện được điều biên Còn nếu dùngTransistor, FET hay đèn điện tử ta thực hiện được điều biên, lại vừakhuyếch đại được tín hiệu

Hình 1-7: Điều biên dùng mạch nhân tương tựa) Mạch điện; b) Đặc tuyến truyền đạt

• Khi tín hiệu vào nhỏ, đặc tuyến Volt-ampe của diode, transistor, đènđiện tử được gọi gần đúng là một đường cong:

a2V22+2a2V1V2+a3V13+3a3V12V2+3a3V1V22+a3V23+… (1.31)

• Để có tín hiệu điều biên ở ngõ ra, chúng ta cần lấy ra:

a1V1 là thành phần tần số sóng mang (tải tin): ω0

2a2V1V2 là thành phần hai dải biên trên (ω0 + Ω) và biên dưới (ω0 - Ω)

• Nếu ta dùng mạch lọc

có tần số cộng

hưởng: ωCH = ω0

như ở hình 1-9 và dải

thông có bề rộng D

= 2Ω, ta sẽ lọc được

hai thành phần trên

và có tín hiệu điều

biên thông thường

• Nhưng các số hạng 3a3V1V22 sẽ gồm hai thành phần tần số ω0 và ω0 ± 2Ω

vì cos2x = ½(1 + cos2x) Do Ω <<ω0 nên các thành phần này cũng đi quamạch cộng hưởng và gây ra sự méo điều chế không tuyến tính Còn cácthành phần khác không đi qua được mạch lọc vì Ω, 2Ω << ω0 , còn 2ω0,

3ω0 >> ω0

• 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 2để không có các số hạng bậc 3 (hoặc a3 rất nhỏ) Muốn vậy ta phải dùngFET

- Khử méo bằng cách cải tiến mạch, thực hiện điều chế cân bằng như sau:Trong hình 1-9a, điện áp đặt trên D1 và D2 lần lược là:

Dòng điện ra: i = i1-i2 (1.34)

Thay (2-32), (2-33) vào (2-34) ta có:

i = AcosωΩt+ Bcos3ωΩt+ C[cos(ω0+ωΩ)t+ cos(ω0-ωΩ)t]+ D[cos(2ω0+ωΩ)+cos(2ω0-ωΩ)t] (1.35)Trong đó:

(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 điềubiên biểu diễn trên hình 1-10.

Gọi phần điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D1, D2 là i1 vàdòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D3, D4 là iII Theo 1.35:

II= AcosωΩt+ Bcos3ωΩt+ C[cos(ω0+ωΩ)t+ cos(ω0-ωΩ)t]+ D[cos(2ω0+ωΩ)+cos(2ω0-ωΩ)t] (1.37a)

Hình 1.9: Mạch điều biên cân bằng

a) Dùng diode; b) Dùng Transistor; phổ tín hiệu ra;

u4=-U0cosω0t-UΩcosωΩt

Thay (1.38), (1.39) vào (1-37b) ta được:

iII=- AcosωΩt - Bcos3ωΩt+ C[cos(ω0+ωΩ)t+ cos(ω0-ωΩ)t]- D[cos(2ω0+ωΩ)+ cos(2ω0

-ωΩ)t] (1.40)

A, B, C, D trong các biểu thức (1.37a), (1.40) được xác định theo biểuthức (1.36) Từ (2.37a) và (1.40) xác định được dòng điện ra:

iđb = iI+iII= 2 C[cos(ω0+ωΩ)t+ cos(ω0-ωΩ)t] (1.41)

Vậy dùng mạch điều chế vòng còn có thể khử được các hài bậc lẻ của ωΩ

và các biên tần của 2ω0, do đó méo phi tuyến rất nhỏ Phổ tín hiệu ra của mạchđiều chế vòng được biểu diễn trên hình 1-10b

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 D1, D2 mở , lúc thì

D3 và D4 mở, cặp diode

còn lại ngắt làm cho tín

hiệu vào uΩ thay đổi cực

tính theo nhịp của u0 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 điềubiên, 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, điềubiên lưới,… Các loại mạch điều biên có tên gọi tương ứng với cực mà điệnáp điều chế được đặt vào

Các Transistor cũng hoạt động ở chế độ kém áp (ξ= 0,85 ÷0,95ξth) vàđược 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 duytrì điều chế tuyến tính và giữa góc cắt θ = 900 Trên hình 1-13 là một mạchđiều biên collector biến đổi theo điện áp âm tần:

Hình 1-11: Minh họa tác dụng của mạch điều chế vòng như một mạch

nhân

000

Đối với Transistor, điện áp của Collector không được tăng quá giá trị

an toàn cực đại dù trong thời gian ngắn Bởi vậy cần phải thỏa mãn điềukiện:

Vω o + VΩ < VCemax= BVCEO (1.43)

Trong đó :

- Vω o: điện áp cao tần cực đại ở collector khi m=1;

- BVCEO: điện áp đánh thủng cho phép cực đại;

Khác với đèn điện tử, điều biên Collector có công suất đánh giá bằngcông suất đỉnh:

PTB = Pω o(1+m)2/ηCH (1.44)

ηCH: hiệu suất của mạch cộng hưởng

• Trong trường hợp tổng quát, đặt tuyến điều chế IC1(VCC) là phi tuyến nhưhình 2-14 Khi đó:

• IC1 = IC1max(VCC/VCcmax)1- δ (1.45)

δ : hệ số biến thiên 0 ≤ δ≤ 0,25

Vωo

VCCTới tầng trước

Tới bộ KĐCS âm tần

Đặc tuyến điều chế Collector có thể được tuyến tính hóa nhờ điều chế phụbase.

Khi điện áp Collector thấp mối nối Collector được phân cực thuận bởiđiện áp đầu vào Do vậy dao động cao tần trực tiếp đi qua mối nốiCollector phân cực thuận Sự thay đổi của dòng Collector trong vùng 0-axuất hiện bởi điều chế quá mức khi tín hiệu lớn Để tránh méo phi tuyếngây ra người ta áp dụng điều chế Collector phụ được thực hiện ở Collectorcủa tầng trước đó

Ta có thể thực hiện điều chế cân bằng không có mạch lọc đầu radùng Transistor (hình 1-14) Ưu điểm của nó là méo phi tuyến nhỏ, biên độđiều biên ở đầu ra lớn

=10Khz Tín hiệu tải tin có biên độ V0=5mV và tần số ω0=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: V0(t) = 0.005 cos (2π*106) t

Ta lại có:

0V

⇒ Tín hiệu điều chế:

Title('DC-AM,m>1')

2 Cho mạch điều biên collector như hình vẽ.

+V +12v

-0.01

-0.005

0 0.005

0.01

0.015

D -A M ,m >1

Có tín hiệu tải tin: V0 (t) = 10 cos (2π *106) t

Và tín hiệu điều chế: VΩ(t) =7 cos (π*104) t

Hãy tìm giá trị 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: m = 0.7

10

7V

V0

=

=Ω

- Biểu thức của tín hiệu đã điều chế:

3 Hãy tìm biểu thức của tín hiệu điều biên và vẽ dạng tín hiệu điều biên đó với

tín hiệu tải tin: V0 (t) = 5 cos (2π*1.7*106) t

Và tín hiệu điều chế: VΩ (t) = 5 cos (2π*5*104) t

V

0

=

=Ω

Do đó: VAM (t) = 5 cos(2π*1.7*106) t*[ 1+ 1cos(2π*5*104) t]

- Mô phỏng dạng tín hiệu điều chế:

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 :

DSSB <1/2DAM

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:

Phữu ích= Pbt = 1/3PAM khi m=1

Đối với điều chế đơn biên Phữu ích = Pbt = PSSB

Xét hệ số lợi dụng công suất :

(4) Do hiện tượng pha đinh trong truyền sóng mà tần số sóng mang f0 có thể bị suygiảm Đối với máy thu AM có lúc m > 1 sẽ gây méo do quá điều chế Nếu phađinh 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 sóngmang không gây ảnh hưởng gì.

(5) Đối với tín hiệu AM trong giải truyền sóng ngắn, do sự phân tán của đặc tuyếnpha mà xẩy ra sự chia pha các dao động trong dải biên Điều đó làm méo tínhiệu 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 tínhiệu SSB thì mọi tin tức điều được phát trong một dải biên nên không có hiệntượng chia pha

(6) Dùng tín hiệu SSB sẽ thực hiện được sự bảo mật tốt, do nếu không biết tần sốsóng mang thì sẽ không thu được tin tức Do vậy máy phát và máy thu SSBđược sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng do yêu cầu kỹ thuật khá cao như mạch lọc dảiphải rất hẹp và dốc đứng; việc tạo lại tần số sóng mang f0 trong máy thu phải rấtchính xác mới không méo tín hiệu… nên máy phát và máy thu hiệu SSB cấu tạophức tạp hơn so với máy phát và máy thu AM Bởi vậy nó chỉ được dùng trong cácmáy thu phát thông tin chuyên dụng như trong máy phát thoại và phát tín hiệunhiều kênh

Ta có tín hiệu điều chế đơn biên sau đây:

uđb(t) = U0 2

m cos (ω0+ωΩ) (2-1)

0

ΩU

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 f0 , 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 định, 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

Hình 2-2:Đồ thị vector của dao

động điều chế đơn biên

Hình 2-3: Đặc tính biên độ của tín hiệu hình (fth: tải tần tin; ftt: tải tần tiếng)

điều chế VΩ và tải

tin Vωđược 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 đuợc biên

trên hoặc biên

dưới như hình 2-4

Nhưng do Ω << ω0

nên ω0 ±Ω rất gần

ω0, vì vậy việc lọc

rất khó khăn Ta

có tỷ số lọc:

ω0 :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 nghĩa là tần số sóng mang f0 càng gầntần số điều chế Ω càng dễ lọc Trong thực tế ta chọn tần số trung gian nằm trongkhoảng (100 ÷ 500MHz) vì ở dải tần số đó ta có bộ lọc thạch anh và bộ lọc cơ điệntốt nhất Sau đó để chuyển fTG lên tần số tải tin f0 ta dùng thêm một vài bộ điềuchế cân bằng và bộ lọc dải ở các tần số khác nhau Mỗi lần lọc thì tỷ số X lớn hơnnên dễ thực hiện lọc hơn Phương pháp đó gọi là phương pháp tổng hợp

Điều chế cân bằng Bộ lọc dải hẹp

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 f1>>f0 và ∆ = ω1 + Ωmin khá lớn nên dễ lọc hơn

Vì vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản Nếu f2 chưa ở trong dải tần số làmviệc thì ta lại dùng tới tần số thứ 2 : dùng bộ điều chế cân bằng 3 Bộ lọc 3 cũngđơn giản như bộ lọc 2 vì ∆ lớn:

∆ = ω1 +ω2 + Ωmin

Cứ thế cho đến khi nào ta đạt được tần số làm việc f0 (tần số tải tin)

Dao độngn

Dao động2

c) Phương pháp quay pha:

Nguyên tắc tạo tín hiệu đơn biên bằng phương pháp quay pha đượcminh họa trên đồ thị vectơ hình 2-6

Tín hiệu âm tần VΩ và dải tin Vωo trước khi đưa vào bộ ĐCCB II được dipha một góc 900 Còn tín hiệu âm tần VΩ và tải tin Vω o được đưa thẳng vào bộĐCCB 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

Hình 2-6: Đồ thị vector của dao động điều chế đơn biên theo phương

pháp quay pha

VSSBĐCCB I

ĐCCB II

Di Pha

900

Mạch tổng

Dao động tải tin

• 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:

c) Phương pháp lọc và quay pha kết hợp:

[cosωo+Ωt+cosωo_Ωt]

2

VV

=

0+tΩ_oωcos+180_tΩ+oωcos2

VV

=

V

Ω o

ω

0 0

Ω o

Dao

Mạch tổng

Lọc thông dưới 2

ĐCCB II

ĐCCB I

ĐCCB III

• Ta chọn tải tin thứ nhất có tần số dao động : để dễ dàng lọclấy 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 II

1 1

Ω ω 1

90+tω_Ωcos+90_tω+Ωcos2

VV

=

V

t_cos+tω+Ωcos2

VV

1 Ω

ω II

1 Ω

ω 1

90+tω_Ωcos2

VV

='V

tω_Ωcos2

VV

='V

1 1

9090tωΩωcos90

90tωΩωcos4

VVV

V

tωΩωcostωΩωcos4

VVV

V

1 2

1 2

Ω ω ω

0 0 1

2 0

0 1

2 Ω

ω ω IV

1 2

1 2

Ω ω ω III

2 1

2 1

2 1

+

−

−

−+

=

−

−+

−+

+

−

−+

=

+

−+

−+

=

• Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được:

Đây là biên tần trên của tín hiệu SSB Nếu ta thay bộ tổng bằng bộhiệu ta sẽ thu được biên tần dưới Phương pháp không cần dùng mạch quaypha đối với tín hiệu điều chế nên dễ thực hiện hơn

Phổ của tín hiệu đơn biên và đồ thị vectơ của nó theo phương pháp lọc – quay phakết hợp được biểu diễn trên hình 2-9

3 Ví dụ minh họa:

Cho tín hiệu tải tin: V0(t) = 10 cos (6π*106) t

Và tín hiệu diều chế: VΩ(t) = 5 cos (3π*104) t

cos4

VVV

Phổ của tín hiệu điều chế;

Phổ tín hiệu ra trên bộ ĐCCB I;

Phổ tín hiệu ra bộ lọc;

Phổ tín hiệu ra mạch hiệu

Hãy viết biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên ở đầu ra VSSB trongtrường hợp dùng phương pháp quay pha và vẽ dạng tín hiệu VSSB đó.

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, nêndễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngượclại:

Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tầnsố hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế (tínhiệu âm tần)

Tải tin là dao động điều hòa:

V0(t) = V0cos(ω0t +ϕ0) = V0cosϕ(t) (3.2)

Từ 3.1 ta có :

( )t ( )t dt ( )t ( )3.3

t 0

ϕ+ω

=

Thay (3.3) vào (3.2) ta nhận được biểu thức:

[ (t)dt (t)] (3.4)cos

V)

ω(t) = ω0 + ∆ωcosΩt (3.6)

∆ω: lượng di tần cực đại

ω = (3.1) dψ

dt

Khi đó ta có chỉ số điều tần:

k: hệ số tỷ lệ

ϕ(t) = ϕ0 + ∆ϕ cosΩt (3.8)

∆ϕ: lượng di pha cực đại Khi đó ta có chỉ số điều pha:

mp= kVΩ= ∆ϕ (3.9)Từ (3.6) ta có:

∆ω = kVΩ (3.10) Nên khi VΩ= const thì ∆ω= const nhưng khi Ω thay đổi thì mf cũng thay đổi.Từ (3-8) ta nhận thấy khi VΩ= const thì mp = const, nhưng độ di tần khi điềupha thì tăng tỷ lệ với tần số điều chế theo biểu thức:

( ) . sin t (3.11)

dt

d ∆ϕ =∆ϕΩ Ω

=ω

∆

Như vậy điều khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng ditần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế, cònlượng di tần khi điều chế tần số chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế màthôi

Thay (3.6) và (3.8) vào (3.3) ta nhận được tín hiệu đã điều tần và điều phanhư 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 tầnsố Ngược lại, nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch vi phân, rồi vàomạch điều chế tần số thì ở đầu ra ta nhận được tín hiệu điều chế pha (hình3-1)

VFM(t) = V0cos(ω0t +

Ω

ωΔ sinΩt + ϕ0) (3.12)

VPM(t) = V0cos(ω0t + ∆ϕcosΩt + ϕ0) (3.13)

mf = k = (3.7)

VΩ

∆ω

II Phổ của dao động điều tần và điều pha:

Công thức (3.12) và (3.13) có thể viết lại như sau với ϕ0 = 0:

VFM(t) = V0cos(ω0t + mfsinΩt) (3.14)

VPM(t) = V0cos(ω0t + mpsinΩt) (3.15)

Khi điều chế đơn âm, phổ của tín hiệu điều tần và điều pha chỉ chứa thành

phần ω0 và nhiều thành phần tần số biên (ω0± nΩ) 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 anhChia n2

Khuyếch đại

mf J0 Kích thước tần số

J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10 J11 J12 0.25

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 0.02Bảng hàm Bessel

0,4 0,6 0,8 1

Từ đồ thị hình 3.2 ta có nhận xét:

- Biên độ hàm Bessel thay đổi trong khoảng: (-1) ÷ (+1)

- Có một số mf = 2,4; 5,5; 8,6; 75… có J0 = 0 Như vậy ta không được chọn mf cócác giá trị này vì nó sẽ làm mất thành phần tải tin ω0

- Với một số m nhất định thì J1,2 = 0

- n càng cao thì Jn càng giảm và m càng lớn thì Jn cũng càng giảm Về lý thuết

n = ∞, nhưng thực tế ta chỉ chú ý đến các thành phần tần số có

Vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha phụ thuộc tần số điều chế

• Khi mf≤1thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ dảitần Do đó:

DFM ≈ 2Ωmax (3.21)Trong trường hợp độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộngdải tần của tín hiệu điều biên, ta gọi là điều tần dải hẹp Ngược lại khi mf,p

>1ta gọi là điều tần dải rộng

- Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phầntần số Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễntổng quát theo biểu thức sau:

( ) (3.22)

coscos

1 0

Khai triển (3.22) theo chuỗi Bessel ta có h điều tần với tất cả thànhphần tần số tổng hợp:

Với µi: là số nguyên hữu tỷ: -∞≤µ≤∞

Khi tần số điều chế thay đổi (Ω biến thiên) thì bề rộng phổ của tínhiệu điều tần không thay đổi nhưng số vạch phổ thay đổi theo Ω 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 củatín hiệu điều tần và điều pha

ω0 + Σµm iΩi (3.23)

i = 1

III Mạch điều tần và điều pha:

Về nguyên tắc có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp cà mạch điềutần 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) vàngược lại điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần (hình 3-1b) Nhưvậy ta chỉ cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và mạch điều pha trựctiếp, rồi dựa vào sơ đồ khối trên hình 3-1 suy ra được điều tần gián tiếp vàđiều pha gián tiếp

Xét phổ

âm thanh của

người, ta thấy

thực tế ở tần số

cao biên độ âm

bị giảm nhỏ Do

đó ở tần số cao

độ di tần nhỏ vì

Hình 3-6:Mạch nâng cao tần(a) ở máy phát và

mạch giảm tần cao (b) ở máy thu

VΩ

VΩ

KATĐiều tần

RR