tìm hiểu kỹ thuật điều chế am

tìm hiểu kỹ thuật điều chế am

1 MỤC LỤC        MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 4 LỜI MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 7 1.1 Sóng vô tuyến trong thông tin viễn thông 7 1.2 Điều chế biên độ 12 1.2.1Điều chế biên độ truyền sóng mang (Double Side Ban Transmitted Carrier). 17 1.2.2 Điều chế DSB-SC (Double SideBand- Supperssed carrier) 20 1.3 Điều chế đơn biên (SSB: single sideband) 24 1.3.1Một số ưu điểm của điều chế đơn biên (SSB) so với DSB 25 1.3.2 Các phương pháp điều chế đơn biên 26 1.4 Điều chế biên độ dải biên dớt (Vestigial SideBand – VSB) 29 1.5 Các mạch điều chế cụ thể 30 1.5.1 Mạch điều chế AM dùng diode 30 1.5.2Mạch điều chế vòng 30 1.5.3Mạch điều biên dùng transistor 32 CHƯƠNG 2: GIẢI ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 33 2.1 Khái niệm tách sóng điều biên 33 2.2 Tách sóng DSB-AM 33 2.2.1 Hoàn điệu cổng. 33 2.2.2 Hoàn điệu bình phương 34 2.2.3 Tách sóng không kết hợp (Incoherent detection) 35 2.2.4 Tách sóng kết hợp (coherent) 37 2.3Tách sóng SSB-AM 37 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU BIÊN TRONG MÁY PHÁT HÌNH, PHÁT THANH 39 3.1 ỨNG DỤNG ĐIỀU BIÊN TRONG MÁY PHÁT HÌNH 39 2 3.1.1 Chức năng và nhiệm vụ của máy phát hình. 42 3.1.2 Sơ đồ khối cơ bản của máy phát hình 42 3.1.3 Đặc điểm của loại máy phát điều chế ở mức công suất lớn. 46 3.1.4 Khối chủ sóng hình. 47 3.1.5 Mạch trộn tần tạo cao tần hình 49 3.1.6 Mạch bội tần. 51 3.1.7 Mạch khuếch đại và sửa âm tần 53 3.1.8 Bộ tiền điều chế. 53 3.1.9 Tính toán mạch điều chế AM 54 3.1.10 Chức năng và đặc tính các tầng khuếch đại cao tần. 56 3.1.11 Bộ trung hợp và mạch lọc hài 57 3.1.12 Dây dẫn cao tần và Anten. 58 3.2 Ứng dụng điều chế AM trong máy phát thanh 59 3.2.1 Khảo sát máy phát AM mức thấp 59 3.2.2 Máy phát AM mức cao 61 3.2.3 Một số mạch điện cơ bản trong máy phát thanh AM 62 Chương 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ AM DÙNG MATLAB 69 4.1 Giới thiệu chương trình MATLAB: 69 4.2 Giới thiệu về chương trình mô phỏng 70 4.2.1 Mô phỏng điều biên với tín hiệu sóng sin 70 4.2.2 Mô phỏng điều chế với tín hiệu file wav 75 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Phụ lục 79 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT        AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ B Băng thông cơ sở DSB Double SideBand Điều chế biên độ triệt sóng mang Fc Frequency carrier Tần số sóng mang FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK LFP Frequency Shift Keying Low-Pass Filter Khóa dịch tần số Bộ lọc thông thấp LSSB Lower Single SideBand Điều chế đơn biên dưới SNR Signal-to-noise ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SSB Single SideBand Điều chế đơn biên USSB Upper Single SideBand Điều chế đơn biên trên VCO W Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp Băng thông tín hiệu gốc 4 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU        Hình 1.1: Một tín hiện nhiễu trắng. 10 Hình1.2: Nhiễu xuyên âm 11 Hình 1.3: Nhiễu xuyên kênh 11 Hình 1.4 Sơ đồ khối điều chế biên độ 12 Hình 1.5 dạng tín hiệu miền thời gian với hệ số điều chế m=1 14 Hình 1.6 dạng tín hiệu miền thời gian với hệ số điều chế m<1 15 Hình 1.7 Hình dạng phổ của tín hiệu điều biên 15 Hình 1.8 mô phỏng phổ của tín hiệu sau điều chế 16 Hình 1.9: đặc tuyến điều chế tĩnh A-giá trị cực đại B-tải tin chưa điều chế 16 Hình 1.10 Sơ đồ điều chế DSB-TC 17 Hình 1.11 Biến đổi furier của 2 sóng AM 18 Hình 1.12 Sự tách sóng điều biên hai kênh hai kênh 19 Hình 1.13 Biến đổi F của TC-AM 19 Hình 1.14 Mô phỏng tín hiệu điều chế DSB-SC. 21 Hình 1.15: Phân tích phổ tín hiệu điều chế DSB-SC 21 Hình 1.16 Tích của s(t) với hàm cổng tuần hoàn 22 Hình 1.17 Mạch tạo xung cổng dùng diode 23 Hình 1.18 Biểu diễn furier của tín hiệu biến điệu bình phương. 23 Hình 1.19 Điều biên cân bằng. 24 Hình 1.20 Biểu diễn phổ của 2 băng cạnh USSB và LSSB 25 Hình 1.21: Sơ đồ khối và dải phổ của tín hiệu của phương pháp lọc 27 Hình 1.22: Phổ tín hiệu theo phương pháp tổng hợp 28 Hình 1.23 Phổ điều chế điều biên rớt 29 Hình 1.24 Sơ đồ mạch điều chế AM dùng diode 30 Hình 1.25: Mạch điều biên vòng dùng diode. 31 Hình1.26: Điều biên colector 32 Hình 2.1 Sơ đồ hoàn điệu cổng 33 Hình 2.2 Sơ đồ tách sóng không kết hợp 36 Hình 2.3 Biểu diễn sự phóng nạp của tụ khi giải điều chế 36 Hình 2.4 Sơ đồ tách sóng kết hợp 37 5 Hình 2.5 Sơ đồ khối hoàn điệu SSB-AM 38 Hình 3.1 Phổ của tín hiệu NTSC 40 Bảng 3.2 Các thông số kỹ thuật của các hệ 41 Hình 3.3 Sơ đồ khối máy phát hình điều biến ở mức công suất lớn 44 Hình 3.4Mạch tạo dao động tần hình 48 Hình 3.5 Mạch điện trộn tần 50 Hình 3.6 Mạch điện trộn tần số trung tần tiếng 51 Hình 3.7 Mạch điện bội tần 52 Hình 3.8 Mạch ghim dùng transistor 53 Hình 3.9 Mạch điện điều biên AM cân bằng dùng transistor và diode 55 Hình 3.10 Mạch điện tương đương của bộ lọc hài 58 Hình 3.11 sơ đồ khối máy phát thanh AM mức thấp. 60 Hình 3.12 sơ đồ máy phát AM mức cao. 61 Hình 3.13 Mạch điều biên cực E dùng một transistor 62 Hình 3.14 mạch điều chế AM công suất trung bình 64 Hình 3.15 Mạch điều chế AM DSB-TC 66 Hình 3.16 Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp. 68 Hình 4.1 Giao Menu của chương trình mô phỏng 70 Hình 4.2 Mô phỏng tín hiệu nhiễu gauss 71 Hình 4.3 Mô phỏng điều chế DSB-TC với tín hiệu tin tức là sóng sin 73 Hình 4.4 Mô phỏng điều chế DSB-SC tín hiệu sóng sin 74 Hình 4.5 Mô phỏng điều chế đơn biên USSB 74 Hình 4.6 mô phỏng điều chế và giải điều chế file .wav 76 6 LỜI MỞ ĐẦU        Ngày nay với sự phát triển công nghệ thông tin thì tín hiệu số ngày càng được sử dụng rộng rãi, và trong kỹ thuật thông tin vô tuyến. Âm thanh mà tai người cảm nhận được là những dao động cơ học có tần số từ 16Hz đến 20000Hz. Trong kỹ thuật truyền thanh để gửi âm thanh từ đầu phát đến đầu thu người ta phải biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện âm tần nhờ micro. Tín hiệu này có tần số rất nhỏ không thể bức xạ ra môi trường không gian. Do vậy để truyền các tín hiệu âm tần từ đầu phát đến đầu thu với một cự li xa trong không gian người ta phải gửi tín hiệu này vào một sóng mang cao tần. Phương thức gửi tín hiệu âm tần vào sóng mang cao tần gọi là phương pháp điều chế.Trong thực tế tồn tại nhiều phương pháp điều chế tín hiệu, như điều chế ASK, FSK, PSk, QAM, FM, AM mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng. Việc điều chế và tách sóng là khâu rất quan trọng trong quá trình truyền thông tin đối với cả thông tin số cũng như thông tin tương tự chính vì vậy trong nội dung đồ án em chọn đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật điều chế AM” nhằm tìm hiểu thêm về những vấn đề trong điều chế và giải điều chế tương tự đồng thời làm quen và ứng dụng phần mềm matlab để mô phỏng tín hiệu. Nội dung đồ án gồm 5 phần: Chương 1: Điều chế biên độ Chương 2: Giải điều chế biên độ Chương 3: Ứng dụng điều biên trong máy phát thanh phát hình Chương 4: Mô phỏng điều chế AM bằng Matlab Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong sự chỉ bảo, góp ý, phê bình của quý thầy cô và các bạn. 7 CHƯƠNG 1: ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 1.1 Sóng vô tuyến trong thông tin viễn thông - Tín hiệu tin tức Trong truyền thông, tin tức và dữ liệu là tất cả những gì cần trao đổi chúng có thể là tiếng nói hình ảnh, tập hợp các con số các ký hiệu,các đại lượng đo lường được đưa vào máy phát để phát đi hay nhận được ở máy thu. Tín hiệu chính là tin tức đã được xử lý để có thể truyền đi trên hệ thống thông tin. Ví dụ : Tín hiệu âm tần có giải tần từ 20Hz đến 20KHz và không có khả năng bức xạ thành sóng điện từ để truyền trong không gian với khoảng cách xa. -Tín hiệu sóng mang Là tín hiệu cao tần có tần số trên 30 KHz tín hiệu cao tần có tính chất bức xạ thành sóng điện từ. Thí dụ trên một dây dẫn có tín hiệu cao tần chạy qua, thì dây dẫn có một sóng gây can nhiễu ra xung quanh, đó chính là sóng điện từ do dòng điện cao tần số bức xạ ra không gian. -Băng thông kênh truyền (Bandwidth) Bởi vì một tín hiệu bất kỳ có thể được xem như là một sự kết hợp của một chuỗi các sóng hình sin, nên ta có thể xem rằng, sự truyền tải một tín hiệu bất kỳ tương đương với việc truyền tải các sóng hình sin thành phần. Vì tần số của chúng là khác nhau, chúng có thể đến nơi với độ suy giảm là khác nhau, một trong số chúng có thể không còn nhận ra được. Nếu ta định nghĩa một ngưỡng còn “nghe” được f1, thì tất cả các tín hiệu hình sin có tần số nhỏ hơn f 1 được xem như bị mất. Tương tự các tín hiệu có tần số lớn hơn f 2 cũng được xem là bị mất. Những tín hiện có thể nhận ra được ở bên nghe là các tín hiệu có tần số nằm giữa f 1 và f 2 . Khoảng tần số này được gọi là độ rộng băng thông. Nói một các khác, với một tín hiệu phức tạp bất kỳ, tín hiệu này sẽ truyền tải được nếu như tần số của các sóng hình sin thành phần của nó có tần số nằm trong khoảng băng thông của kênh truyền. Chúng ta cũng nhận thấy rằng, băng thông càng lớn thì càng có nhiều tín hiệu được truyền đến nơi. Chính vì thế chúng ta thường quan tâm đến các kênh truyền có băng thông rộng.Ví dụ: độ rộng băng thông của kênh truyền điện thoại là 3100Hz vì các tín hiệu âm thanh có thể nghe được nằm ở khoảng tần số từ 300 Hz đến 3400 Hz. 8 Tên gọi băng tần Viết tắt Băng tần ITU Tần số và bước sóng trong không khí Ứng dụng Tần số cực kỳ thấp ELF 1 3–30 Hz 100,000 km – 10,000 km Thông tin dưới nước Tần số siêu thấp SLF 2 30–300 Hz 10,000 km – 1000 km Thông tin dưới nước Tần số cực thấp ULF 3 300–3000 Hz 1000 km – 100 km Thông tin dưới nước, thông tin trong hầm mỏ Tần số rất thấp VLF 4 3–30 kHz 100 km – 10 km Dẫn đường, tín hiệu thời gian, thông tin dưới nước, thiết bị hiển thị nhịp tim không dây, địa vật lý Tần số thấp LF 5 30–300 kHz 10 km – 1 km Dẫn đường, tín hiệu thời gian, quảng bá (sóng dài) AM (Châu Âu và một phần Châu Á), RFID, vô tuyến nghiệp dư Tần số trung bình MF 6 300– 3000 kHz 1 km – 100 m Quảng bá (sóng trung) AM, vô tuyến nghiệp dư, cảnh báo tuyết lở Tần số cao HF 7 3–30 MHz 100 m – 10 m Quảng bá sóng ngắn, vô tuyến nghiệp dư, thông tin ngoài đường chân trời, RFID, radar ngoài đường chân trời, thông tin vô tuyến thiết lập liên kết tự động (ALE) / (NVIS), điện thoại vô tuyến di động và hàng hải 9 Tần số rất cao VHF 8 30–300 MHz 10 m – 1 m Vô tuyến FM, thông tin quảng bá, thông tin giữa máy bay-máy bay và máy bay-mặt đất. Thông tin di động mặt đất và hàng hải, vô tuyến nghiệp dư và vô tuyến thời tiết Tần số cực cao UHF 9 300– 3000 MHz 1 m – 100 mm Quảng bá truyền hình, lò vi sóng, thông tin/thiết bị vi ba, thiên văn vô tuyến, điện thoại di động, WLAN, Bluetooth, ZigBee, GPS và vô tuyến hai chiều như vô tuyến di động mặt đất, FRS và GMRS, vô tuyến nghiệp dư Tần số siêu cao SHF 10 3–30 GHz 100 mm – 10 mm thiên văn vô tuyến, thông tin/thiết bị vi ba, WLAN, radar, vệ tinh thông tin, truyền hình vệ tinh, DBS, vô tuyến nghiệp dư Tần số cực kỳ cao EHF 11 30–300 GHz 10 mm – 1 mm thiên văn vô tuyến, thông tin vi ba cao tần, viễn thám, vô tuyến nghiệp dư, vũ khí định hướng chùm năng lượng trực tiếp, máy quét sóng milimet Terahertz hay Tần số cực cực cao THz or THF 12 300– 3,000 GHz 1 mm – 100µm Ứng dụng tiềm năng trong y học, thay thế cho tia-X, thông tin/tính toán terahertz, viễn thám, vô tuyến nghiệp dư… < 3 Hz > 100,000 km Tạp âm điện từ tự nhiêu và do con người tạo ra Bảng 1.1 Phần bố băng tần và ứng dụng Vô tuyến AM sóng dài = 148.5 – 283.5 KHz (LF) 10 Vô tuyến AM sóng trung = 530 KHz – 1710 KHz (MF) Vô tuyến AM sóng ngắn = 3 MHz – 30 MHz (HF) -Nhiễu trong thông tin vô tuyến + Nhiễu trắng (White noise) Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phân bố công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn khoảng băng thông. Tín hiệu này có tên là nhiễu trắng vì nó có tính chất tương tự với ánh sáng trắng. Hình 1.1: Một tín hiện nhiễu trắng. +Nguồn sinh ra nhiễu trắng: -Nhiễu sinh ra do chuyển động nhiệt của các điện tử trong linh kiện bán dẫn. -Những âm thanh như tiếng gió tiếng nước của là nguồn nhiễu trắng -Các vấn đề như thời tiết con người. +Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference) -Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát, và sóng mang. Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, Trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số. + Nhiễu xuyên âm (Intersymbol Inteference) Dải thông tuyệt đối của các xung nhiều mức đỉnh phẳng là vô hạn. Nếu các xung này được lọc không đúng khi chúng truyền qua một hệ thống thông tin thì chúng sẽ [...]... đổi của dòng collector trong vùng 0- a xuất hiện bởi điều chế quá mức khi tín hiệu lớn 33 CHƯƠNG 2: GIẢI ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 2.1 Khái niệm tách sóng điều biên Giải điều chế thực chất là quá trình tách tín hiệu bản tin đã được điều chế Quá trình giải điều chế tùy thuộc vào kiểu điều chế Đối với DSB -AM và SSB -AM, phương pháp giải điều chế là giải điều chế kết hợp (coherent) yêu cầu cần phải có một tín hiệu... chế này gồm điều chế hai biên (DSB-SC), điều chế biên độ truyền thống (DSB-TC), điều chế đơn biên (SSB -AM) và điều chế biên độ triệt một phần dải biên (VSB -AM) Sự phụ thuộc giữa tín hiệu điều chế và biên độ của sóng mang đã được điều chế có thể rất đơn giản, ví dụ như trong trường hợp DSB -AM, hoặc phức tạp hơn nhiều như trong SSB -AM hay VSB -AM Các hệ thống điều chế biên độ thường được đặc trưng bởi một... quá trình điều chế tín hiệu Điều chế biên độ hay còn gọi là điều biên (AM) được thực hiện bằng cách thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, trong đó tần số và pha của sóng mang thì giữ nguyên Sóng mang Uc=Uccos(wct) Us=u0*cos(wst) Tin tức Hình 1.4 Sơ đồ khối điều chế biên độ Điều chế AM Tín hiệu điều biên 13 Phương pháp điều chế này gồm điều chế hai biên... hiệu điều chế; I(ωc ± ωs) là biên độ các thành phần biên tần Để đặc trưng cho méo phi tuyến I0 A trong mạch điều khiển, người ta dùng đặc tuyến điều chế tĩnh (hình 1.9) B 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 UΩ C Hình 1.9: đặc tuyến điều chế tĩnh Agiá trị cực đại B-tải tin chưa điều chế Dạng tổng quát của đặc tuyến điều chế. .. lọc được Để giảm méo phi tuyến, cần hạn chế phạm vi làm việc của bộ điều chế trong đoạn đường thẳng của đặc tuyến điều chế tĩnh Lúc đó buộc phải giảm độ sâu điều chế 1.2. 1Điều chế biên độ truyền sóng mang (Double Side Ban Transmitted Carrier) - Biến điệu DSB-TC là phương pháp điều chế biên độ trong đó tín hiệu sau điều chế vẫn còn tồn tại thành phần sóng mang Điều chế DSB-TC, công suất thành phần sóng... 3 Tín hiệu điều chế AM (theo phép cộng) có dạng: uAM(t) = [U0 + s(t)]cos(2πfct + θ) uAM(t) = [U0 + Us.cos2πFst].cos(2πfct + θ) = U0 [1+Us/U0.cos2πFst].cos(2πfct + θ) Đặt m = Us/U0 là độ sâu điều chế uAM(t) = U0[1 + m.cos2πFst].cos(2πfct + θ) uAM(t) = [U0 + m.U0cos2πfst].cos(2πfct + θ) Hệ số điều chế m= (1.1) Us Uc Hình 1.5 dạng tín hiệu miền thời gian với hệ số điều chế m=1 Khi hệ số điều chế m>1 lúc... nhỏ 1.5.3Mạch điều biên dùng transistor Về nguyên lý điều biên bằng Transistor cũng gồm các loại: Trong trường hợp Transistor lưỡng cực, FET, đèn điện tử để điều biên, 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, điều biên lưới Các loại mạch điều biên có tên gọi tương ứng với cực mà điện áp điều chế được đặt vào... sóng mang và hệ số điều chế: khi điều chế cực đại tức là m=1 thì theo (1.1) biên độ VAmmax=Uc(1+m) Do đó PAmmax= @ 5 8C 5 G 1 0 =4Pc Công suất trung bình trong một chu kỳ điều chế khi m=1 : PAM= Pc [1 + m2/2] =3/2Pc Hệ số lợi công suất k= IJ IKL IM /D5 /I9 2 8 D5 / 3 C5 8C5 Khi hệ sâu điều chế bằng 1 thì k=1/3 nghĩa là công suất hữu ích chỉ bằng 1/3 công suất phát đi 1.2.2 Điều chế DSB-SC (Double SideBand-... gì và bị lọc bỏ tại máy thu Phổ của tín hiệu điều chế AM được minh họa trong hình (1.7) Hinh 1.7 Hình dạng phổ của tín hiệu điều biên 16 Hình 1.8 mô phỏng phổ của tín hiệu sau điều chế BWAM=2*f0 (f0 tần số của tin tức cần điều chế) Trong điều chế đơn biên tín hiệu gồm 2 biên tần như hình 1.7 sẽ được lọc để chỉ truyền đi dải trên hoặc dưới với độ rộng BW=f0, điều này có ý nghĩa giúp giảm sự lãng phí băng... với điều chế đơn biên Tín hiệu VSB được biểu diễn bằng biểu thức: sVSB(t) = uAM(t)*h(t) - uAM(t) là tín hiệu điều biên AM, - h(t) là đáp ứng xung của mạch lọc biên rớt, - Dấu * ở đây chỉ phép tích chập Phổ tín hiệu VSB xác định bằng biểu thức: SVSB(f) = SAM(f) H(f) - SAM(f) - phổ biên độ - tần số của tín hiệu AM, - H(f) là hàm truyền của mạch lọc biên rớt 30 1.5 Các mạch điều chế cụ thể 1.5.1 Mạch điều . chính vì vậy trong nội dung đồ án em chọn đề tài Tìm hiểu kỹ thuật điều chế AM nhằm tìm hiểu thêm về những vấn đề trong điều chế và giải điều chế tương tự đồng thời làm quen và ứng dụng phần. Hình 1.4 Sơ đồ khối điều chế biên độ 13 Phương pháp điều chế này gồm điều chế hai biên (DSB-SC), điều chế biên độ truyền thống (DSB-TC), điều chế đơn biên (SSB -AM) và điều chế biên độ triệt. pháp điều chế đơn biên 26 1.4 Điều chế biên độ dải biên dớt (Vestigial SideBand – VSB) 29 1.5 Các mạch điều chế cụ thể 30 1.5.1 Mạch điều chế AM dùng diode 30 1.5.2Mạch điều chế vòng 30