Tài liệu điều chế tương tự

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 Vω >V mbiên độ tín hiệu điều chế băn

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ TƯƠNG 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(ω), 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:

) (

* ) ( ) (t k t x t

) ( )

( ) (ω K ω X ω

⇒ Giá trị biên độ: Y(ω) = K(ω) X(ω)

Giá trị góc pha: argY(ω)=ϕ(ω)+argX(ω)

2.2 Điều chế và giải điều chế tương 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 fc (frequency carry), fc≥(8÷10)Fmax

trong đó Fmax: 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 Vω >V m(biên độ tín hiệu điều chế băng gốc)

4) Trong điều chế xung – số thì tần số lấy mẫu f

x(t) ) (ω

Y

x(t) ) (ω

) ( ω

K t k

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)

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

t V

t

x c( )= ccosωc

Tín hiệu băng gốc

t V

t

m( )= mcosωm

Điều chế

AM mức thấp

KĐCS cao tần

- 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 thông qua đường bao:

Hình 2.4: điều chế AM đơn âm

anten

Sóng mang

t V

t

x c( )= ccosωc

Tín hiệu băng gốc

t V

t

m( )= mcosωm

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

Tín hiệu sóng mang: x c(t)=V ccosωc t; trogn đó Vc là giá trị biên độ sóng mang và ωclà tần số gốc sóng mang

Tín hiệu băng gốc: m(t)=V mcosωm t; trong đó Vm là giá trị biên độ tín hiệu băng gốc, ωm

là tần số gốc tín hiệu băng gốc

Tín hiệu sóng mang: x c(t)=V ccosωc t; trogn đó Vc là giá trị biên độ sóng mang và ωc là tần số sóng mang Lưu ý: ωcrất lớn hơn nhiều ωm

- Khi chưa có tín hiệu băng gốc đưa vào (Vm=0), nghĩa là máy phát hoạt động ở chế độ sóng mang, khi đó ngõ ra có dạng: V AM(t)=V ccosωc t

- Khi có tín hiệu băng gốc đưa vào (V m ≠0) máy phát, khi đó ngõ ra có dạng:

t t

V

V V t t

V

V t V

t

c

m c c m

c

m c c

AM( ) = cosω + cosω cosω = ( + cosω ) cosω (2.1) Hay V AM(t)=(V c +m Acosωm t)cosωc t

Hệ số điều chế:

min max

min max

V V

V V V

V m

c

m

−

=

Để tín hiệu điều chế AM không bị méo thì điều kiện: m A ≤ 1

Biến đổi công thức (2.1), dùng công thức biến đổi lượng giác ta được:

m

V t V

t

c c

2 cos

)

t m

V t m

V t V

t

2 ) cos(

2 cos

)

Nhận xét công thức (2.3): tín hiệu AM điều chế đơn âm gồm thành phần sóng mang và hai biên

Vẽ phổ AM điều chế đơn âm:

Hình 2.5: Phổ tín hiệu điều chế AM

LSB: Lower Side Band

USB: Upper Side Band

- Công suất ra ở chế độ sóng mang:

eq

c c

R

V P

2

2

=

Trong đó: Vc là giá trị biên độ sóng mang

Req là tải tương đương

- Công suất ngõ ra AM lớn nhất: )

2 1 (

2

A c

AM

m P

Nhận xét: công suất ngõ ra AM lớn nhất phụ thuộc vào công suất sóng mang và hệ số điều chế

Khi điều chế cực đại, nghĩa là mA=1, thì công suất ngõ ra AM lớn nhất trong trường hợp này là: P AMmac =4P c

- Công suất trung bình điều chế AM:

LSB USB c

Nhận xét: công suất trung bình điều chế AM là tổng công suất sóng mang, công suất biên dưới và công suất biên trên

- Băng thông của điều chế AM: BWAM=2fm (2.6)

Ví dụ 3: cho tín hiệu AM có Vmax= 100V, Vmin = 20V Tính hệ số điều chế và cho biết điều chế này có bị méo hay không? Và tính công suất sóng mang và công suất ngõ ra

AM, biết R eq = 50Ω

ω

Vc

2

A

m

Vc

2

A

m

Vc

m

ω − ωc ωc +ωm

Phổ biên

Phổ trung tâm

Giải:

Hệ số điều chế, áp dụng công thức (2.2):

667 0 20 100

20 100

min max

min

+

−

= +

−

=

V V

V V

m A

2

20 100 2

min

=

50

* 2

60 2

2 2

=

=

=

eq

c c

R

V

3

2 1 ( 36 ) 2 1 (

2 2

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

= +

c AM

m P

Bài tập về nhà 1: cho tần số sóng mang cao tần AM bằng 1MHz, biên độ 100V trên tải

Ω

= 50

eq

R Tín hiệu điều chế m(t) =V1cos 2πF1t+V2cos 2πF2t và mA1=0.2, mA2=0.3 lần lượt là các hệ số của tín hiệu tần số F1=5KHz và F2=15KHz Tính công suất sóng mang và công suất ngõ ra AM, vẽ phổ AM

Bài tập về nhà 2: cho tín hiệu điều chế AM như hình 2.6 Tính hệ số điều chế, vẽ phổ

biên độ biết tần số sóng mang là 100KHz và tần số tín hiệu băng gốc là 15KHz

Hình 2.6: tín hiệu điều chế AM

2.2.3.2: Nhận xét điều chế AM:

- Công suất mang không tải tin thì chiếm nhiều

- Công suất cao tần tải tin nhỏ ở hai biên như nhau và phụ thuộc vào hệ số điều chế mA

- Băng thông cần truyền lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu

- Xét về tính hiệu quả sử dụng công suất cao tần kém

- Tính chống nhiễu kém

t

V AM (t) 80V 40V

-80V -40V

Đường bao

- 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

- Đổi tần là một dạng đặt biệt AM với mục đích dịch chuyển tần số

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

2.2.4: Giải điều chế AM:

-Định nghĩa: là quá trình khôi phục lại tín hiệu nguyên thuỷ hay tín hiệu băng gốc

Rf

C1 )

(t m

RG

-VG

xc(t)

Cout

t V

t

m( )= mcosωm

R2

R1

t V

t

x c( )= ccosωc

R3

D

Ngo ra

- 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, D1 dẫn, C1 nạp đến giá trị biên độ tín hiệu cao tần

+ Ở bán chu kỳ âm, D1 tắt, tụ C1 xả qua R1

Diode D1 tách sóng nửa bán kỳ biên độ tín hiệu cao tần IF Với sự lựa chọn R1C1 thích hợp, điện áp trên tụ C1 có dạng đường bao cao tần là tín hiệu giải điều chế AM:

1 max

2

1

2

1 1

R f

m

π

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

≤

Thông thường giá trị C1 được chọn 0.01 đến 0.08 (F), và R1 khoảng vài KΩ

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

IF

D

R1

R2

C4

Giải điều chế AM

KĐCS cao tần

anten

Loại bỏ sóng mang

Tín hiệu

Bộ lọc

- Cách tạo SSB:

Hình 2.11: Phổ của các tín hiệu điều chế AM, DSB, và SSB

- Băng thông BWSSB=fm

- 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

ω

Vc

2

A

m

Vc

2

A

m

Vc

m

ω − ωc ωc +ωm

AM

ω

2

A

m

Vc

2

A

m

Vc

m

ω − ωc+ωm DSB

ω

2

A

m

Vc

m

ω + SSB

- Sơ đồ mạch điều chế cân bằng:

Hình 2.12: sơ đồ mạch điều chế cân bằng

- Qui trình hoạt động:

D1-D2 dẫn; D3-D4 tắt

D3-D4 dẫn; D1-D2 tắt

m(t)

- +

D3

D4

vout

xc(t)

m(t)

D 1

D 2

v out

x c (t) +

-m(t) Tín hiệu băng gốc

D1

D2

D3

D4

vout

xc(t) tín hiệu sóng mang

- Ứng dụng: trong phát thanh FM, đổi tần, điều chế số BPSK

Giả sử sóng mang có dạng:

t nf n

t f t

f t

3

1 2

sin )

Khi đó tín hiệu ngõ ra cân bằng:

) ( )

( ) (t m t x t

Ví dụ 4: cho tín hiệu băng gốc m(t)=2sin2π(5.103)t Hãy cho biết dạng sóng điện áp ngõ

ra của bộ điều chế cân bằng, biết tần số sóng mang là 45KHz

Giải:

Dạng điện áp sóng mang:

t n

n t

t t

x c sin2 (3.45.10 ) 1sin2 ( 45.10 )

3

1 ) 10 45 ( 2 sin )

Dạng điện áp ngõ ra, áp dụng (2.8):

t n

t n

t t

t t

t x t m t

) 10 45 ( 2 sin ) 10 5 ( 2 sin 1

) 10 45 3 ( 2 sin ) 10 5 ( 2 sin 3

2 ) 10 45 ( 2 sin ) 10 5 ( 2 sin 2 ) ( )

( ) (

3 3

3 3

3 3

π π

π π

π π

+ +

+

=

=

L Vẽ phổ DSB:

Hình 2.14: Phổ của tín hiệu điều chế DSB

V 2

m

f − 3

m

f − f c + f m

m

FM quảng bá stereo:

Hình 2.15: sơ đồ khối âm thanh Stereo Tín hiệu truyền hình:

Hình 2.16: Phổ của tín hiệu truyền hình

2.5 Điều chế và giải điều chế góc FM-PM:

2.5.1 Định nghĩa điều chế FM-PM:

- Tín hiệu băng gốc: m(t)=V mcosωm t

- Tín hiệu sóng mang cao tần: x c(t)=V ccos(ωc t+θ0)chưa điều chế

c

ω tần số góc sóng mang

0

θ pha ban đầu

0 )

θ t = c t+ pha tức thời của dao động cao tần

f

fc 75 0

−

c

f f c +5 fc+6.5

8MHz

hình

tiếng

KHz

19 38

L-R L-R

L+R

38KHz

L+R

L-R

+

19KHz pilot

FM

- Nếu tín hiệu điều chế tần thấp làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc Trong điều chế góc biên độ sóng mang không đổi

+ Nếu như tín hiệu băng gốc làm thay đổi tần số ω0 ta có điều chế tần số FM

+ Nếu như tín hiệu băng gốc làm thay đổi pha ban đầu θ0 ta có điều chế pha PM

- Mối quan hệ giữa pha và tần số:

dt

t d t

c

) ( )

∫

= t dt

t) c( )

2.5.2 Phổ FM (Frequency Modulation):

- Phổ tín hiệu điều chế (FM, PM) khi điều chế đơn âm giống nhay và được xác định:

V t

v FM( )= cosωc + f sinωm (2.10) Trong đó: mf: hệ số điều chế

c

ω : tần số góc sóng mang

m

ω : tần số góc tín hiệu băng gốc V: biên độ điều chế FM

Aùp dụng công thức lượng giác cos(a+b)=cosa.cosb – sina.sinb vào công thức (2.10), ta

được (2.11):

V t

v FM( )= cos f sinωm cosωc − sin f sinωm sinωc (2.11) Lưu ý: cosα ≈ 1, sinα ≈α với α rất nhỏ (2.12)

Vì mf<0.25 nên m f sinα <0.25

1 ) sin cos(m f α ≈ và sin(m f sinα)≈m f sinα Công thức (2.11) được viết lại dưới dạng sau:

t t Vm

t V

t

v NBFM( )= cosωc − f sinωm sinωc (2.13) Nhận xét: công thức (2.13) gồm hai thành phần:

+ Vcosωc t: dạng sóng mang trung tâm

+ Vm f sinωm tsinωc t: dạng sóng biên tần được phân tích thành hai thành phần biên như sau:

4 4

4 4

1 4 4

4 4

1

t

Vm t

Vm t t

2 ) cos(

2 sin

-Phổ băng tần hẹp FM:

Hình 2.17: phổ băng tần hẹp FM Nhận xét: phổ băng tần hẹp FM giống phổ AM

Ứng dụng: dùng trong thông tin thoại FM với độ di tần (5-15)KHz

- Gồm thành phần tần số sóng mang và các thành phần biên: ωc ±nωm với n=1, 2, 3, …

- Biên độ tỷ lệ với hệ số hàm Bessel loại 1 bậc n:

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−

− + +

+

=1 ( ) )

(

) (

n

m c n

m c m

n c

m

v

f

Trong đó: J0, Jn : các hệ số hàm Bessel (tra bảng)

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 mf=1.5, VWBFM=2V

ω

2

f

Vm

2

f

Vm

m

ω − ωc ωc +ωm

Sóng mang

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

Aùp dụng công thức (2.15) với n=4, ta có:

[cos( 4 ) cos( 4 )] 01

0

* 2

) 3 cos(

) 3 cos(

06 0

* 2

) 2 cos(

) 2 cos(

23 0

* 2

) cos(

) cos(

56 0

* 2 ) cos 51 0 ( 2 ) (

m c m

c

m c m

c

m c m

c

m c m

c c

v

ω ω ω

ω

ω ω ω

ω

ω ω ω

ω

ω ω ω

ω ω

− +

+

− +

+

− +

+ +

− +

+ +

=

Vẽ phổ WBFM:

Hình 2.18: Phổ băng tần rộng FM với (mf=1.5)

- Công suất phổ biên cực đại: V2/2Req

- Công suất có điều chế: P(m f ≠0)= tổng công suất các vạch phổ (2.16) Ứng dụng: WBFM có tính chống nhiễu cao dùng trong phát thanh FM stereo, tiếng TV, Viba, truyền hình vệ tinh Theo tiêu chuẩn FCC, độ di tần cực đại FM phát thanh và tiếng TV là ± 75KHz

* Nhận xét:

- Công suất AM thay đổi theo điều chế Công suất FM không đổi (sai số không đáng kể)

- Băng thông: xét về mặt lý thuyết thì băng thông FM-PM là vô cùng lớn nhưng trên thực tế đôi khi băng thông FM được coi là không đổi với công thức:

) 1

(

Lưu ý: khi thiết kế BW(-3dB) của mạch công suất cao tần phải lớn hơn băng thông tính toán theo công thức (2.17) để tín hiệu không bị méo

ω

1.02

0.46 0.46

0.12 0.12

c

ω

m

ω +ωc +2ωm

m

ω +3ωc +4ωm

m

ωm −

ω −2

m

ω m−3

ω −4

- Tính chống nhiễu: thông tin FM có tính chống nhiễu cao hơn AM, chính vì vậy điều chế

FM thường được chọn ở hệ thống thông tin điều chế tương tự

2.5.3 Phổ và điều chế PM (Phase Modulation)

PM là một dạng điều chế quan trọng dùng trong thông tin FM gián tiếp dải hẹp, thông tin vệ tinh, thông tin vũ trụ bởi vì tính chống nhiễu của PM và FM tốt hơn AM

Mạch PM dễ thực hiện từ VCXO (mạch dao động bằng thạch anh) có độ ổn định tần số cao

Ngoài ra trong mạch FM có độ di tần cao, chỉ số điều chế lớn, nhưng tần số sóng mang bị trôi Trong khi đó điều chế PM thì độ ổn định tần số sóng mang là một tiêu chuẩn rất quan trọng mà dễ dàng thực hiện

- Định nghĩa: điều chế PM là dạng điều chế pha trong đó tần số sóng mang cao tần không đổi, chỉ có pha sóng mang cao tần biến đổi tỉ lệ với điều chế

- Công thức:

cos )

Với m(t)=V mcos2πf m t, ta được φ(t):

t f V

k

Trong đó: kp là hằng số [rad/s] gọi là độ nhạy điều chế (modulation sensitivity)

Vậy m p =Δφ =k p V m độ di pha PM hay chỉ số điều chế PM

Dạng sóng điều chế PM:

V t

v PM( )= cos(2π c + p cos2π m (2.19)

* Xét trường hợp m p <0.25: điều chế PM dải hẹp (Narrow –PM)

Aùp dụng công thức biến đổi lượng giác và gần đúng, công thức (2.19) được viết lại:

t t

m V t V

t

v NPM( )= cosωc − ( pcosωm )sinωc (2.20)

Nhận xét công thức (2.20):

+ Thành phần (1) trong công thức là thành phần sóng mang

+ Thành phần (2) trong công thức là thành phần biên

Sơ đồ khối điều chế:

Hình 2.19: sơ đồ khối điều chế PM dải hẹp

* Xét trường hợp m p >0.25: điều chế PM dải rộng (Wide –PM)

- PM dải rộng dựa vào ngõ ra PM dải hẹp đưa qua bộ nhân Ý nghĩa bộ nhân làm tăng độ dịch pha tạo PM dải rộng:

- Với chỉ số mp cho trước thì biên độ, công suất của điều chế PM và FM hoàn toàn giống nhau

- Sự khác biệt giữa điều chế PM và FM có thể phân biệt khi tăng hoặc giảm tần số tín hiệu điều chế Fm, vì:

+ Đối với PM: m PM =Δφ =const ∉F m

m

c

F

f

2.5.4: Giải điều chế PM:

Sơ đồ mạch:

PM input

f i

D 1

D 2

T 1

V d

R

C C

-Bal-Mod

m(t)

t

Vsinωc

t

Vcosωc

+

X -900

OSC

output

Nhận xét: - giống mạch dạng điều chế cân bằng

- fc = fi

- tín hiệu có tần số fc thì D1, D2 dẫn -Nếu fc≠ fi mạch hoạt động như bộ đổi tần

- Mạch lọc RC chọn lọc lấy thành phần điện áp Vd của phách hiệu (fi - fc)

- Khi khoá pha (đồng bộ) fi=fc chỉ còn sự sai pha giữa hai tín hiệu fi và fc Điện áp ra Vd tỉ lệ với sai pha

- Mạch đổi tần thực hiện hàm nhân 2 tín hiệu điện áp Điện áp ra:

) cos(

2 )

)]

( ) sin[(

)]

( )

- Khi khoá pha ωc =ωi, thành phần (2) bị loại khỏi LPF thì công thức (2.21) được viết lại:

) sin( i c

- Vd tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào fi và độ sai pha θe