Tài liệu điều chế tương tự

http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 18 CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ 2.1 Mô hình hoá hệ thống: Đònh nghóa: 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 )( ω 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 = )().()( ω ω ω XKY =⇒ Giá trò biên độ: )(.)()( ωωω XKY = Giá trò góc pha: )(arg)()(arg ω ω ϕ ω XY + = 2.2 Điều chế và giải điều chế tương tự: 2.2.1 Đònh nghóa: 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 > ω (biên độ tín hiệu điều chế băng gốc). 4) Trong điều chế xung – số thì tần số lấy mẫu f mẫu max 2F≥ x(t) )( ω Y x(t) )( ω X )( )( ω K tk http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 19 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: - Đònh nghóa: 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 tVtx ccc ω cos)( = Tín hiệu băng gốc tVtm mm ω cos)( = Điều chế AM mức thấ p KĐCS cao tần http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 20 - 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 tVtx ccc ω cos)( = Tín hiệu băng gốc tVtm mm ω 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 Đ ường bao http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 21 Tín hiệu sóng mang: tVtx ccc ω cos)( = ; trogn đó V c là giá trò biên độ sóng mang và c ω là tần số gốc sóng mang. Tín hiệu băng gốc: tVtm mm ω cos)( = ; trong đó V m là giá trò biên độ tín hiệu băng gốc, m ω là tần số gốc tín hiệu băng gốc. Tín hiệu sóng mang: tVtx ccc ω cos)( = ; trogn đó V c là giá trò biên độ sóng mang và c ω là tần số sóng mang. Lưu ý: c ω rất lớn hơn nhiều m ω . - Khi chưa có tín hiệu băng gốc đưa vào (V m =0), nghóa là máy phát hoạt động ở chế độ sóng mang, khi đó ngõ ra có dạng: tVtV ccAM ω cos)( = - Khi có tín hiệu băng gốc đưa vào ( 0 ≠ m V ) máy phát, khi đó ngõ ra có dạng: tt V V Vtt V V tVtV cm c m ccm c m ccAM ωωωωω cos)cos(coscoscos)( +=+= (2.1) Hay ttmVtV cmAcAM ω ω cos)cos()( + = Hệ số điều chế: minmax minmax VV VV V V m c m A + − == (2.2) Để tín hiệu điều chế AM không bò 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)( ωωωωω −+++= tm V tm V tVtV mcA c mcA c ccAM )cos( 2 )cos( 2 cos)( ωωωωω −+++= (2.3) Nhận xét công thức (2.3): tín hiệu AM điều chế đơn âm gồm thành phần sóng mang và hai biên. http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 22 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: V c là giá trò biên độ sóng mang. R eq là tải tương đương - Công suất ngõ ra AM lớn nhất: ) 2 1( 2 A cAM m PP += (2.4) 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, nghóa là m A =1, thì công suất ngõ ra AM lớn nhất trong trường hợp này là: cAMmac PP 4= - Công suất trung bình điều chế AM: LSBUSBcAMtb PPPP + + = (2.5) 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: 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 bò méo hay không? Và tính công suất sóng mang và công suất ngõ ra AM, biết Ω= 50 eq R . ω V c 2 A m V c 2 A m V c mc ω ω − c ω mc ω ω + Phổ biên dưới LSB Phổ biên trên USB Phổ trung tâm http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 23 Giải: Hệ số điều chế, áp dụng công thức (2.2): 667.0 20100 20100 minmax minmax = + − = + − = VV VV m A Biên độ sóng mang: V VV V c 60 2 20100 2 minmax = + = + = Công suất sóng mang: 36 50*2 60 2 2 2 === eq c c R V P W Công suất ngõ ra máy phát AM: 44)2/ 3 2 1(36) 2 1( 2 2 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +=+= A cAM m PP W 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 tFVtFVtm 2211 2cos2cos)( π π + = và m A1 =0.2, m A2 =0.3 lần lượt là các hệ số của tín hiệu tần số F 1 =5KHz và F 2 =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 m A . - 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 Đ ường bao http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 24 - 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 dòch 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: -Đònh nghóa: là quá trình khôi phục lại tín hiệu nguyên thuỷ hay tín hiệu băng gốc. R f C 1 )(tm R G -V G x c (t) C out tVtm mm ω cos)( = R 2 R 1 tVtx ccc ω cos)( = R 3 D C L C Ngo ra http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 25 - 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 trò 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 π − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ≤ Thông thường giá trò C 1 được chọn 0.01 đến 0.08 (F), và R 1 khoảng vài KΩ. 2.3 Điều chế đơn biên SSB (Single Side Band): - Đònh nghóa: 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 C 1 C 2 C 3 R 1 R 2 C 4 Giải điều chế AM KĐCS cao tần anten Loại bỏ sóng man g Tín hiệu băng gốc Loa Bộ lọc http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 26 - 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. ω V c 2 A m V c 2 A m V c mc ω ω − c ω mc ω ω + AM ω 2 A m V c 2 A m V c mc ω ω − mc ω ω + DSB ω 2 A m V c mc ω ω + SSB http://www.ebook.edu.vn Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 27 - Sơ đồ mạch điều chế cân bằng: Hình 2.12: sơ đồ mạch điều chế cân bằng - Qui trình hoạt động: D 1 -D 2 dẫn; D 3 -D 4 tắt. D 3 -D 4 dẫn; D 1 -D 2 tắt 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) m(t) D 1 D 2 T 1 T 2 v out x c (t) + - m(t) Tín hiệu băng gốc D 1 D 2 D 3 D 4 T 1 T 2 v out x c (t) tín hiệu sóng mang [...]... công thức (2.17) để tín hiệu không bò méo Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 32 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử - 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... 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 + Đối với FM: m FM = Δf c = const Fm ∉ Fm ∈ Fm 2.5.4: Giải điều chế PM: Sơ đồ mạch: D1 http://www.ebook.edu.vn T1 PM input fi R fc C Vd D2 R C Hình 2.20: sơ đồ mạch giải điều chế PM Chương 2: Điều chế tương tự Th.S... 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 ω 0 ta có điều chế tần số FM + Nếu như tín hiệu băng gốc làm thay đổi pha ban đầu θ 0 ta có điều chế pha PM - Mối quan hệ giữa pha và tần số: dθ (t ) dt θ (t ) = ∫ ω c (t )dt ω c (t ) = (2.9) 2.5.2 Phổ FM (Frequency Modulation): - Phổ tín hiệu điều chế (FM, PM) khi điều chế đơn âm... 2.5.1 Đònh nghóa điều chế FM-PM: - Tín hiệu băng gốc: m(t ) = Vm cos ω m t - Tín hiệu sóng mang cao tần: xc (t ) = Vc cos(ω c t + θ 0 ) chưa điều chế http://www.ebook.edu.vn ω c tần số góc sóng mang θ 0 pha ban đầu θ (t ) = ω c t + θ 0 pha tức thời của dao động cao tần Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 29 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử - Nếu tín hiệu điều chế tần thấp... cao Ngoài ra trong mạch FM có độ di tần cao, chỉ số điều chế lớn, nhưng tần số sóng mang bò trôi Trong khi đó điều chế PM thì độ ổn đònh tần số sóng mang là một tiêu chuẩn rất quan trọng mà dễ dàng thực hiện - Đònh nghóa: 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: [ ] v PM (t ) = V cos ω c t + k p... phần sóng mang + Thành phần (2) trong công thức là thành phần biên Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 33 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử Sơ đồ khối điều chế: OSC V cos ω c t output + - -900 Bal-Mod V sin ω c t X m(t) Hình 2.19: sơ đồ khối điều chế PM dải hẹp * Xét trường hợp mp>0.25: điều chế PM dải rộng (Wide –PM) - PM dải rộng dựa vào ngõ ra PM dải hẹp đưa qua bộ... Phổ của tín hiệu điều chế DSB Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 28 Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử FM quảng bá stereo: L L+R + FM + L-R - R 19KHz pilot X 38KHz L+R L-R L-R 19 38 KHz Hình 2.15: sơ đồ khối âm thanh Stereo Tín hiệu truyền hình: hình 8MHz tiếng f c − 0.75 fc f c + 5 fc+6.5 f Hình 2.16: Phổ của tín hiệu truyền hình 2.5 Điều chế và giải điều chế góc FM-PM:... , ta được φ (t ) : (2.18) φ (t ) = k pVm cos 2πf m t Trong đó: kp là hằng số [rad/s] gọi là độ nhạy điều chế (modulation sensitivity) Vậy m p = Δφ = k pVm độ di pha PM hay chỉ số điều chế PM Dạng sóng điều chế PM: [ v PM (t ) = V cos(2πf c t + m p cos 2πf m t ] (2.19) * Xét trường hợp mp . nghệ điện tử Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 19 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. Chương 2: Điều chế tương tự Th.S Lý Tú Nga 25 - 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. 2.2.3 Điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation) 2.2.3.1 Điều chế AM: - Đònh nghóa: 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