ứng dụng kỹ thuật ask để truyền dữ liệu thoại

Số hóa và truyền dẫn tín hiệu dạng số là một phương pháp tăng hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu sai sót thông tin do tác động của nhiễu so với thông tin tương tự, đồng thời phù hợp với c

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội thông tin và truyền thông hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ khác và sự bùng nổ về kinh tế đó là sự phát triển không ngừng của công nghệ viễn thông.Kỹ thuật viễn thông hiện nay ứng dụng hầu hết các kết quả nghiên cứu tích cực trước đó trong lĩnh vực viễn thông

và ngày càng hoàn thiện hơn, nó gần như ứng dụng hầu hết các cơ sở lý thuyết về thông tin số Số hóa và truyền dẫn tín hiệu dạng số là một phương pháp tăng hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu sai sót thông tin do tác động của nhiễu so với thông tin tương tự, đồng thời phù hợp với các hệ thống xử lý ngày nay lấy cơ sở tốc độ

và hiệu suất làm nền tảng nên các dữ liệu dạng số được sử dụng

Trong các phương pháp điều chế số chúng ta phải nhắc đến phương pháp điều chế “khóa dịch biên“(ASK: Amplitude shift keying), nó là một phương pháp

cơ bản nhất và đơn giản nhất để tiến hành điều chế một tín hiệu Nó là nền tảng trước tiên cần nghiên cứu để có thể nghiên cứu thêm các hệ thống khác cao hơn

Đề tài là một vấn đề cũ trong viễn thông được nhóm ứng dụng vào việc truyền dữ liệu thoại Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng kỹ thuật ASK để truyền dữ liệu thoại”

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

Hiện nay công nghệ viễn thông thế giới đã đạt đến một trình độ cao với việc không những truyền nhận tín hiệu thoại mà người ta có thể truyền các tín hiệu hình ảnh, phim ảnh cũng như bất kỳ một dữ liệu nào mà người ta có thể số hóa vớitốc độ cực cao lên tới hàng Mhz với công nghệ di động và lên tới hàng Ghz như các hệ thống truyền dẫn chính như viba số

Việc điều chế tín hiệu để truyền đi trong không gian không chỉ đơn thuần là điều chế biên độ cổ xưa mà là các hệ thống phức tạp kết hợp cả điều chế tần số, pha và biên độ để đạt được hiệu quả cao nhất

Tuy nhiên đó đều là thành quả nghiên cứu của các nước phát triển, còn với Việt Nam công nghệ di động vẫn chỉ dừng ở mức ứng dụng chứ chưa đạt tới trình độ cóthể nghiên cứu tạo ra một cách thức, một lý thuyết mới hay xây dựng một hệ thốngthông tin

Do vậy, việc nghiên cứu các cách thức điều chế cơ bản cũng nhằm làm tiền

đề cho việc nghiên cứu tìm hiểu các hệ thống phức tạp hơn, đồng thời đó cũng là cách để người nghiên cứu có thể nảy sinh từ đó những ý tưởng mới

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện đề tài xin gửi đến toàn thể quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM nói chung và quý thầy cô khoa Điện - Điện tử nói riêng lời cảm ơn chân thành nhất Quý thầy cô đã truyền đạt cho nhóm những kiến thức chuyên ngành cũng như nhiều kinh nghiệm quý báu đó là những hành trang rất cần thiết cho nhóm để bước ra trường và công tác sau này sau gần 5 năm gắn bó với trường.

Đặc biệt nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Võ Minh Huân đã hướngdẫn cho nhóm rất tận tình trong suốt thời gian qua cùng những lời động viên, khích lệ giúp nhóm vượt qua thời điểm khó khăn Những tài liệu bổ ích cùng những lời góp ý quý báu giúp nhóm hoàn thành đồ án này

Cảm ơn tất cả bạn bè, những người đã đóng góp ý kiến và luôn động viên giúp đỡ nhóm hoàn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Hải Sơn – Trần Nguyên Trí

MỤC LỤC

LIỆT KÊ HÌNH

LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT

TÓM TẮT Nội dung nghiên cứu:

Để nghiên cứu cách thức truyền tín hiệu vô tuyến, nhóm tiến hành nghiên cứu sự truyền nhận tín hiệu thoại với hình thức điều chế đơn giản nhất là điều chế biên độ ASK Nghiên cứu cách thức một tín hiệu tiếng nói được điều chế và truyền đi trong không gian, từ đó giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu tiếng nói

đã truyền đi và đưa ra loa

Đồng thời với việc nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền nhận trên, mục đích của việc nghiên cứu cũng nhằm kiểm chứng các cơ sở lý thuyết về điều chế,

mã hóa, thu phát, khuếch đại tín hiệu để từ đó phát triển các hệ thống tốt hơn về sau nếu có cơ hội

Cùng với các mục đích nghiên cứu tìm hiểu kiến thức đó là việc nhóm thực hiện công trình nghiên cứu để rèn luyện kỹ năng nghiên cứu khoa học, tích góp kinh nghiệm cho bản thân

Phương pháp nghiên cứu:

Để nghiên cứu một vấn đề khoa học luôn có những con đường khác nhau

để tiếp cận vấn đề Có thể tiến hành nghiên cứu từ chi tiết đến tổng thể như các công trình nghiên cứu tạo ra sản phẩm thi công, hoặc cũng có thể tiến hành nghiêncứu đi từ cái tổng quan đến từng chủ điểm riêng như với các công trình nghiên cứu

lý thuyết

Ở đây, để xây dựng mạch hoàn chỉnh, nhóm tiến hành nghiên cứu hoạt động từng khối một, kiểm tra với từng khối riêng lẻ để thấy được hoạt động của mỗi khối, từ đó kết hợp các khối và điều chỉnh phù hợp để xây dựng nên mạch sảnphẩm, tức là đã đi từ cái chi tiết đến cái tổng thể Làm như vậy để chúng ta có thể

dễ dàng kiểm hoạt động của mỗi khối và dễ dàng khắc phục nếu xuất hiện lỗi

Cụ thể quá trình nghiên cứu:

• Giai đoạn đầu nhóm tập trung nghiên cứu hoàn thành các mạch cơ bản đã được biết trong quá trình thực tâp có tính chất đơn giản dễ thực hiện

• Tiếp theo nhóm tiến hành nghiên cứu thực hiện việc điều chế và giải điều chế ASK với tín hiệu mẫu lấy từ bộ tạo xung vuông

• Sau khi kiểm tra chạy ổn định việc điều chế ASK, nhóm tiến hành nghiên cứu việc mã hóa và giải mã PCM sử dụng IC TP3057

• Cuối cùng nhóm tiến hành nghiên cứu và xây dựng hệ thống thu phát tín hiệu điều chế qua Anten

• Giai đoạn cuối cùng là hoàn thiện mạch và viết báo cáo khoa học

ABSTRACT

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Như đã giới thiệu ở trên, công nghệ nghiên cứu khoa học của nhóm đi vào nghiên cứu xây dựng một hệ thống truyền nhận tín hiệu dựa vào phương pháp điều chế biên độ ASK Trước hết là thực hiện điều chế, truyền và giải điều chế một tín hiệu tự tạo, tiếp theo đó sẽ đi tiến hành điều chế tín hiệu thoại (tín hiệu giọng nói) để truyền đi, cuối cùng

là sẽ thực hiện truyền và vô tuyến (không dây)

Sau đây chúng ta sẽ tiến hành đi tìm hiểu sơ lược về điều chế ASK và việc truyền tín hiệu thông qua điều chế ASK và quá trình thi công mạch

1.1. Sơ lược điều chế ASK:

ASK (Ampitude Shift Keying) điều chế khoá dịch biên độ : sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu tin tức

Hình 1.2: Dạng sóng

1.1.2.Biểu thức toán học:

Tín hiệu sóng mang:

Vc (t) = cost (1.1)Tín hiệu tin tức:

Vd (t) = (1.2)Tín hiệu sau khi qua bộ điều chế ASK:

+Kết hợp: mạch phức tạp nhưng có khả năng chống nhiễu tốt

+Không kết hợp: mạch đơn giản thường sử dụng trong mạch tách sóng hìnhbao

1.3. Ưu điểm và nhược điểm:

+ Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu

+ Không phù hợp đối với các tín hiệu được truyền trong các kênh truyền yêu cầu tốc độ cao

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.4. Sơ đồ khối truyền nhận tín hiệu sử dụng điều chế ASK:

Hình 1.3: Sơ đồ khốiNguyên lý:

+Điều chế:

Tín hiệu tin tức trước khi điều chế được đưa qua bộ lọc thông thấp để loại

bỏ các nhiễu tần số cao.Sau đó tín hiệu được điều chế biên độ với một sóng mang nhờ một bộ nhân.Tín hiệu sau khi điều chế được cho qua một bộ lọc thông dải để lấy dài thông của của tín hiệu cần truyền đi, tiết kiệm băng thông

+Giải điều chế:

Tín hiệu điều chế ASK được đưa qua bộ nhân đề tách lấy tín hiệu cần thu

và loại bỏ tín hiệu sóng mang Sau đó tín hiệu được cho qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ toàn bộ thành phần nhiễu ở tần số cao

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

V ASK (t)

V d (t) (tin tức)

BP F

V c (t)

V c (t) (sóng mang)

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

2.1. Sơ đồ khối của hệ thống :

2.1.1. Sơ đồ khối phát:

Hình 2.1: Sơ đồ khối phát

2.1.2. Sơ đồ khối thu:

Hình 2.2: Sơ đồ khối thu

2.2. Thiết kế và xây dựng mạch điện:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

anten Khối tạo

dao động

Khối nhận tín hiệu từ MIC

Khối điều chế PCM

Khối điều chế ASK

Khối khuếch đại cao tần Khối tạo dữ

liệu số

anten

Khối giải điều chế ASK

Khối khuếch đại trung tần Khối thu

Khối khuếch đại

âm tần

Khối giải

mã PCM loa

Để đảm bảo việc test mạch được dễ dàng nhóm đã làm từng khối riêng lẻ

và sau khi hoàn thành nhóm sẽ ghép chúng trên cùng một board mạch

2.2.1. Khối tạo dữ liệu số:

Khối này có chức năng tạo dữ liệu tín hiệu điều chế ở dạng số để dễdàng cho việc kiểm tra các khối phía sau trước khi thực hiện điều chế tínhiệu thoại để truyền đi

Khối sẽ sử dụng nguồn dao động từ bộ dao động bên bộ phát để đưavào làm nguồn xung tín hiệu, sau đó tín hiệu sẽ đưa qua các thanh ghi dịch(IC 7495), để tiến hành dịch dữ liệu nhờ các Switch để đưa ra dạng dữ liệu

số mong muốn.Dữ liệu ở đây là dạng số 8bit với các bit có thể thay đổi giátrị là “0” hoặc “1” tùy thuộc vào Switch

Khối này được thiết kế gồm có 8 led đơn để mô tả giá trị bit tươngứng với mỗi Switch, led sáng tương ứng với bit có mức logic là “1” vàngược lại

Sơ đồ nguyên lý của mạch:

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý khối tạo dữ liệu số

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Các điện trở hạn dòng có giá trị từ 330Ω - 1K, tương ứng với nguồn VCC là+5V, để đảm báo cho led sáng tốt và không bị cháy.

2.2.2. Khối nhận tín hiệu từ MIC:

Sử dụng Transistor BJT, kết hợp với 1 Opamp để khuếch đại biên độ

và điều chỉnh biên độ tín hiệu nếu cần

Mạch khuếch đại BJT được mắc dạng cầu phân áp với cực E chung,ngõ ra tín hiệu sẽ được khuếch đại về dòng và áp

Opamp khuếch đại không đảo,hệ số khuếch đại có thể được điềuchỉnh nhờ biến trở 10K,có giá trị biến đổi từ 1 đến 10 lần tùy thuộc vào giátrị của biến trở

Sơ đồ nguyên lý cùa mạch:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý khối nhận tín hiệu từ MIC

2.2.3. Khối mã hóa PCM:

Có nhiều giải pháp để thực hiện việc mã hóa PCM như là:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

- Thực hiện mã hóa dựa trên các IC số thông dụng với các chức năngđược chia nhỏ như là lấy mẫu, lượng tử và mã hóa, từ đó gom lại thành một

hệ thống điều chế PCM Phương pháp này dễ hiểu và dễ thực hiện, dễ dàngcho việc phân tích mạch.Tuy nhiên mạch khó thi công, phức tạp tốn nhiều

IC, dễ bị lỗi và hoạt động không chính xác nếu thi công không đúng

- Phương pháp thứ 2 là sử dụng VĐK dễ thực hiện công việc mãhóa Phương pháp này sẽ đơn giản nếu việc lập trình tốt, việc đồng bộ tínhiệu cũng tốt hơn do chỉ lấy từ một nguồn xung Thạch anh duy nhất Tuynhiên yếu điểm của phương pháp này là VDK chỉ xử lý được tín hiệu sốdạng nhị phân mà tín hiệu thoại là tín hiệu tương tự nên ta không thể trựctiếp xử lý trên tín hiệu thoại mà phải qua khâu chuyển đổi tín hiệu từ analogsang digital trước khi mã hóa và thực hiện quá trình ngược lại khi giải mã

Từ đó nó cũng sẽ tạo ra sai số trong quá trình chuyển đổi dữ liệu dẫn đếnlàm sai khác tín hiệu gốc

- Phương pháp thứ 3 là sử dụng IC TP3057/ TP3054 với chức năngđặc thù là thực hiện mã hóa PCM Với tín hiệu đầu vào là tín hiệu cần mãhóa ở dạng analog và dữ liệu đầu ra là tín hiệu đã được mã hóa PCM ởdạng số IC này đặc thù cho việc điều chế dữ liệu sử dụng trong truyền tínhiệu thoại, rất tiện dụng IC TP3057 được sản xuất theo chuẩn của Bắc Mỹ,

sử dụng xung clock luồng 2,048Mhz để mã hóa Còn IC TP3054 thì sảnxuất theo chuẩn của Tây Âu, sử dụng xung clock luồng 1,544Mhz để mãhóa

Nhóm nghiên cứu chọn giải pháp sử dụng IC đặc thù TP3057 để thực hiện

mã hóa và giải mã PCM

Sơ đồ nguyên lý mạch:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối PCMCác tụ C1 và C2 làm nhiệm vụ lọc nguồn cho IC

- Các trở R1 và R2 là trở tạo hệ số khuếch đại cho bộ khuếch đại đầuvào của IC TP3057

- Tín hiệu analog cần điều chế đưa vào chân 16

- Tín hiệu số PCM ra ở chân 11

- Chân số 9 là chân cấp xung clock master cho IC hoạt động

- Các chân FSX và FSR là chân nhận xung đồng bộ khung cho việc

- Chân số 7 BCLKR/CLKSEL có chức năng như bảng sau:

TABLE Selection of Master Clock Frequencies

BCLKR/CLKSEL

Master ClockFrequency Selected

Một IC TP3057 có thể đồng thời thực hiện công việc mã hóa và giải

mã PCM bởi vì hai khối này được thiết kế riêng lẽ trong cùng một

IC, không ảnh hưởng gì đến nhau

2.2.4. Khối tạo dao động:

Để tạo ra nguồn dao động ổn định cung cấp cho các khối trong hệthống, nhóm thực hiện chọn phương án dùng mạch dao động Thạch anh.Tinh thể thạch anh tạo ra dao động với độ ổn định cao và ít bị ảnh hưởngbởi yếu tố bên ngoài

Mạch dao động gồm một tinh thể thạch anh 4Mhz kết hợp với cáccổng đảo và các tụ, điện trở tạo ra xung clock cố định có tần số 4Mhz.Nguồn xung clock này sẽ được cho qua IC chia tần CD4040 đếm lấy cáctần số ngõ ra mong muốn

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Ngõ ra chân số 9 là xung clock tần số 2,048Mhz để làm xung masterclock cho PCM, các ngõ ra chân số 2 (64Khz) là xung bit clock và chân số

12 (8Khz) là xung FSX cung cấp cho PCM

Ngõ ra chân số 6 là xung tần số 512Khz sẽ được đưa đến mạch lọc

PI để tạo ra dạng sóng sin làm sóng mang điều chế cho mạch điều chếASK

Mạch lọc PI gồm 2 loại linh kiện thụ động là tụ và cuộn cảm nhằmhiệu chỉnh xung vuông thành dạng sóng sin để dễ dàng cho việc điều chếASK

Sơ đồ nguyên lý mạch:

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối tạo dao động

2.2.5. Khối điều chế ASK:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Điều chế ASK là nhằm biến đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theodạng của tín hiệu tin tức Điều mà ta mong muốn chính là truyền tín hiệu tintức đi xa (có dây hoặc không dây) Tuy nhiên với các tín hiệu nằm ở dãytần số âm thanh (tín hiệu thoại) thì có tần số thấp (300Hz - 3,4Khz) cho nênkhông thể thực hiện việc truyền đi xa vì tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng bởi vô sốcác loại nhiễu cùng tạp âm Do vậy chúng ta cần phải nhờ đến một sóng cótần số cao vượt ra khỏi dải tần số âm thanh để mang tin tức đi Việc ghéptín hiệu sóng mang và tin tức được gọi là điều chế Có nhiều loại điều chếkhác nhau như điều chế biên độ, điều chế tần số, điều pha,…Tuy nhiên ởđây ta chỉ xét phương pháp điều chế đơn giản và dễ thực hiện nhất là điềubiên.

Có nhiều cách điều chế biên độ khác nhau như sử dụng transistor, sửdụng IC chuyên dụng Ở đây, để dễ dàng thực hiện và đảm bảo độ ổn định,nhóm nghiên cứu chọn giải pháp sử dụng IC điều chế chuyên dụng làIC1496

Sơ đồ nguyên lý mạch:

Hình 2.7: Sơ đồ khối điều chế ASKMạch bao gồm một bộ khuếch đại vi sai 4 transistor ở trên dựa trên

bộ khuếch đại vi sai tiêu chuẩn với nguồn dòng đôi Cực thu ngõ ra được

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

ghép chéo để mà dạng sóng đầy đủ được cân bằng khi phép nhân của 2 tínhiệu điện áp xảy ra Đó là tín hiệu ngõ ra là một thời hằng của phép nhân 2tín hiệu ngõ vào.

Các transistor và điện trở, tụ điện mắc thêm bên ngoài là nhằm đểđiều chỉnh dạng sóng điều chế cũng như hệ số điều chế

2.2.6. Khối khuếch đại cao tần:

Tín hiệu sau khi điều chế có tần số của sóng mang có thể truyềnđược trên kênh truyền không dây Tuy nhiên cường độ tín hiệu thì chưa đủ

và nó sẽ bị suy hao gần như hoàn toàn nếu như khoảng cách xa và việc khôiphục là sẽ rất khó khăn Do vậy, ta phải tiến hành khuếch đại công suất phát

đi để tìn hiệu phát đi có công suất đủ lớn để truyền đi xa và bên nhận có thểthu và giải điều chế tín hiệu đó

Bộ khuếch đại đơn giản là dùng transistor khuếch đại công suất Phảichọn loại đáp ứng tốt tần số cao và công suất đủ lớn

Các transistor mắc dạng phân cực, có 2 tầng khuếch đại: một tầngmắc dạng C chung để khuếch đại dòng, một tầng mắc dạng E chung khuếchđại cả dòng và áp

Tín hiệu sau khuếch đại đủ lớn để bù trừ suy hao qua kênh truyền

Sơ đồ nguyên lý mạch:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Hình 2.8: Sơ đồ khối mạch khuếch đại cao tần

2.2.7. Khối thu, khối khuếch đại cao tần và khuếch đại trung tần:

Mạch vào anten bao gồm các linh kiện thụ động là điện cảm và tụđiện hoạt động trên nguyên tắc mạch cộng hưởng tần số, mạch vào sẽ tạo ratần số dao động nội chính là tần số của tín hiệu phát Khi đó, ở đâu vào bộthu, tín hiệu phát có cùng tần số với tần số dao động nội sẽ được thu vào.Trên đây là dạng giản lược của mạch thu đổi tần, tần số phát là cố định nênmạch thu sử dụng tần số cố định cho đơn giản

Mạch tiền khuếch đại: Là để khuếch đại thu được, bởi vì tín hiệu thuđược có cường độ rất thấp, không thể đưa đi giải điều chế được Vì vậy, ta

sẽ tiến hành khuếch đại mức tín hiệu lên một mức đáng kể

Mạch khuếch đại trung tần: Tiếp tục khuếch đại tín hiệu thu được vàđiều chỉnh độ lợi của mạch Với một số mạch ta có thể sử dụng nhiều lớpkhuếch đại trung tần để khuếch đại tín hiệu, nhưng ở đây, ta thực hiệntruyền nhận gần nên chỉ cần sử dụng một tầng khuếch đại để khuếch đại tínhiệu trước khi đưa đi giải điều chế

Sơ đồ nguyên lý mạch:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU