Giáo trình điện tử thông tin phần 1

1 Chơng Các khái niệm hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN 1.1 Các thnh phần hệ thống điện tử thông tin 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống Điện tử THÔNG TIN Trong điện tử thông tin, thông tin đợc truyền từ nơi ny đến nơi khác thiết bị điện tử thông qua môi trờng truyền Sơ đồ khối hệ thống đợc biểu diễn nh hình 1.1: Tín hiệu vo: âm thanh, liệu, hình ảnh Máy phát Tx Môi trờng truyền Máy thu Rx Nhiễu Nhiễu Nhiễu Tín hiệu Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử thông tin + Máy phát: Tập hợp linh kiện v mạch điện tử đợc thiết kế để biến đổi tin tức thnh tín hiệu phù hợp với môi trờng truyền + Môi trờng truyền: Phơng tiện để truyền thông tin, l dây dẫn (gọi l hữu tuyến nh cáp đồng trục, cáp sợi quang) l khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi l vô tuyến, nh thông tin vi ba số, thông tin vệ tinh) + Máy thu: Tập hợp linh kiện v mạch điện tử đợc thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trờng truyền, xử lý v khôi phục lại tín hiệu ban đầu + Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen lẫn vo tín hiệu hữu ích, lm sai dạng tín hiệu ban đầu Nhiễu xuất trình phát, truyền dẫn v thu Do việc triệt nhiễu l vấn đề quan trọng cần đợc quan tâm hệ thống điện tử thông tin nhằm nâng cao chất lợng tín hiệu truyền dẫn 1.1.2 Sơ đồ khối máy phát Máy thu v máy thu hình dân dụng thờng đợc đổi tần lần Máy thu thông tin chuyên dụng đợc đổi tần lần nhằm tăng độ chọn lọc v loại bỏ nhiễu tần số ảnh Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tơng tự hay số cha điều chế đợc gọi l tín hiệu băng gốc (Base Band Signals) Tín hiệu băng gốc đợc truyền trực tiếp môi trờng truyền nh điện thoại nội (Intercom), máy tính mạng LAN truyền gián tiếp kỹ thuật điều chế + Điều chế: l trình biến đổi thông số sóng mang cao tần hình sine (biên độ, tần số pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc Có ba loại điều chế tơng tự bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM v biến thể nh SSB, DSB, SAM Có ba loại điều chế số bản: ASK, FSK, PSK v biến thể nh CPFSK, QPSK, M-PSK, M-QAM Tín hiệu vo Điều chế Đổi tần KĐCS cao tần Tổng hợp tần số Điều khiển số Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát máy phát + Đổi tần: (Trộn tần-Mixer) l trình dịch chuyển phổ tín hiệu điều chế lên cao (ở máy phát) xuống thấp (ở máy thu) m không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu + Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) l tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ vi tần số chuẩn dao động thạch anh + Khuếch đại công suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu điều chế tần số no đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát + Anten phát: l phần tử biến đổi lợng điện cao tần thnh sóng điện từ xạ vo không gian 1.1.3 Sơ đồ khối máy thu KĐCT (LNA) Đổi tần KĐTT Đổi tần KĐTT Giải điều chế KĐCS AGC Tổng hợp tần số Điều khiển số Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát máy thu + Anten thu: l phần tử biến đổi lợng sóng điện từ thnh tín hiệu cao tần ngõ vo máy thu, anten có tính thuận nghịch + Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) thờng l khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier) Nó khuếch đại tín hiệu thu đợc từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần + Bộ khuếch đại trung tần: IF Amp (Intermediate Frequency Amplifier): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn để tăng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết cho việc giải điều chế nhiều máy thu đại, nhằm tăng chất lợng, việc đổi tần đợc thực lần nh hình vẽ + Giải điều chế: (Demodulation) l trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đa vo điều chế máy phát) từ tín hiệu trung tần + Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao: Bộ tổng hợp tần số, Bộ điều khiển số, tải chọn lọc tần số không trở, phối hợp trở kháng, anten, mạch xử lý tín hiệu Ngy nay, công nghệ đại chuẩn hoá vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu nhỏ máy thu v máy phát 1.2 Phổ tần số Việc phân loại phổ tần số nhiều dải tần để nâng cao hiệu sử dụng máy thu: Tên dải tần Tần số cực thấp (ELF) Tần số Bớc sóng (30 - 300) Hz 10 ữ 10 m (300 - 3000) Hz 10 ữ 10 m (3 - 30)KHz 10 ữ 10 m (30 - 300)KHz 10 ữ 10 m (300 - 3000)KHz 10 ữ 10 m (3 - 30)MHz 10 ữ 10 m (30 - 300)MHz 10 ữ m (300 - 3000)MHz ữ 10 m (3 - 30)GHz 10 ữ 10 m (30 - 300)GHz 10 ữ 10 m Extremly Low Frequency Tần số tiếng (VF) Voice Frequency Tần số thấp (VLF) Very Low Frequency Tần số thấp (LF) Low Frequency Tần số trung bình (MF) Medium Frequency Tần số cao (HF) High Frequency Tần số cao (VHF) Very High Frequency Tần số cực cao (UHF) Ultra High Frequency Tần số siêu cao (SHF) Super High Frequency Tần số siêu cực cao (EHF) Extremly High Frequency Vùng ánh sáng Hồng ngoại (IR) 0,7 ữ 10 m Infrared Vùng ánh sáng thấy đợc The Visible Spectrum (Light) 0,4 ữ 0,8m Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz đợc chia lm nhiều dải nhỏ: L Band : (1 - 2) GHz S Band : (2 - 4) GHz C Band : (4 - 8) GHz X Band : (8 - 12) GHz Ku Band : (12 - 18) GHz K Band : (18 - 27) GHz Ka Band : (27 - 40) GHz 1.3 Băng thông Băng thông l hiệu tần số lớn v tần số nhỏ tín hiệu Đó l khoảng tần số m phổ tín hiệu chiếm giữ l khoảng tần số tín hiệu đợc truyền từ máy phát đến máy thu Khi tín hiệu ban đầu đợc điều chế lên sóng mang cao tần, phổ tín hiệu cao tần điều chế chiếm giữ băng thông quanh tần số sóng mang Tuỳ theo kiểu điều chế m băng thông cao tần có độ rộng khác Các kỹ thuật viễn thông hớng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số 1.4 Các ứng dụng kỹ thuật thông tin điện tử 1.4.1 Thông tin chiều (Simplex) - Phát quảng bá AM, FM - Truyền hình quảng bá - Truyền hình cáp - Nhắn tin - Đo xa, điều khiển xa 1.4.2 Thông tin hai chiều (Duplex) - Điện thoại công cộng - Điện thoại vô tuyến di động cố định - Điện thoại di động tế bo - Truyền hình tơng tác - Thông tin trạm mặt đất thông qua vệ tinh - Thông tin hng không, thông tin vi ba số - Thông tin số liệu máy vi tính 1.5 Một số khái niệm cao tần 1.5.1 Bán dẫn công suất cao tần Để có đợc công suất lớn tần số cao, BJT công suất cao tần đợc chế tạo công nghệ đặc biệt, nhiều tiếp giáp Emitter nhằm tăng chu vi dẫn dòng điện cao tần, giảm điện trở cực Base v điện dung kí sinh C B Base Điện trở cân Emitter E Hình 1.4 Cấu trúc BJT công suất cao tần Số tiếp giáp Emitter vi chục, vi trăm Cbc rbb B rbe = Rip B Cbe E Hình 1.5 Mạch tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tần rbb =rb l điện trở thân cực base (phụ thuộc vo bề dy base) Bản chất BJT l luôn tồn điện dung mối nối ( C b e , C b c , C ce ) ảnh hởng , , đến hệ số khuếch đại tần số cao, lm giới hạn tần số hoạt động BJT Thông thờng, kiểu khuếch đại cao tần mắc E chung cho công suất lớn Tuy nhiên tần số cao, hồi tiếp âm điện áp qua C b c tăng, lm giảm hệ số khuếch đại Tụ , ny tác động nh tụ Miller tơng đơng có giá trị lớn ngõ vo: CinMiller = Cb c (1 + AV ) , AV l hệ số khuếch đại điện áp mạch Từ đó, tạo tụ tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tần nh hình 1.6, có giá trị Cin = CinMiller + Cb e , C B E CMiller Cbe Cin Hình 1.6 Tụ tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tần Do đó, trở kháng vo BJT (ZiQ), Av, hệ số khuếch đại dòng Ai, hệ số khuếch đại công suất Ap, giảm tần số tăng BJT thể quán tính, đáp ứng vo - không tức thời Giữa dòng Ic v Ib có dịch pha, biên độ dòng Ic giảm Mắc B chung l giải pháp tối u khuếch đại công suất cao tần, hệ số khuếch đại công suất nhỏ so với sơ đồ mắc E chung nhng phạm vi tần số hoạt động cao hơn, băng thông v rộng JFET v MOSFET có cấu trúc bán dẫn khác BJT, chúng có trở kháng vo lớn, điện dung tiếp giáp Cgs nhỏ, hoạt động tốt tần số cao với công suất lớn ổn định BJT JFET v MOSFET công suất cao tần đợc dùng nhiều hệ thống thông tin đại nh trạm gốc BTS điện thoại di động tế bo, phát thanh, truyền hình, vi ba, SSPA ( Solid State Power Amp), thông tin vệ tinh 1.5.2 Truyền công suất lớn PRL X = - XS XS X RS RL E = 1V RS = ZS X = X S = VRL E 2,2 a) RL/RS b) Hình 1.7 a/ Nguồn cung cấp công suất cho tải ZL b/ Sự phụ thuộc công suất tải PRL theo RL PRL = VRL I = I RL Công suất tải: E PRL = ( RS + RL ) + ( X S + X ) PRL = RL E R L ( RS + RL ) + ( X S + X ) XS, X l phần kháng nội trở nguồn v tải Khi XS =-X công suất tải l PRL = E R L ( RS + R L ) Khảo sát biến thiên PRL theo RL cách lấy đạo hm, cho zero PRL' = E [( RS + RL ) RL ] =0 ( RS + R L ) Suy RS=RL Khi công suất tải l cực đại: PRL max = E2 E2 = R L RS Đồ thị biến thiên PRL theo RL cho hình 1.7b Vậy trở kháng nguồn trở kháng tải RS + jXS = RL - jX hay RS = RL v XS =-X Ta nói có truyền công suất lớn tải Nếu yêu cầu truyền công suất lớn dải tần số giá trị thích hợp cho phối hợp trở kháng không phản xạ l ZL = ZS hay RS + jXS = RL + jX Tuy nhiên hiệu suất nhỏ so với tần số Vấn đề ny liên qua đến lựa chọn truyền tín hiệu dây truyền sóng 1.5.3 Mạch điều hởng song song v nối tiếp (Parallel and Serial Tuned Circuit) Mạch điều hởng song song: Cho mạch L, C song song, r - điện trở tổn hao cuộn dây Trở kháng tơng đơng mạch điều hởng: Z eq = (r + jX L )( jX C ) r + j( X L X C ) XL=L : Cảm kháng cuộn dây Xc = : dung kháng tụ điện C Zeq C L Req(0) r Hình 1.8 Mạch điều hởng song song 20 30 Hình 1.9 Đáp tuyến Zeq() Thông thờng r [...].. .11 L = L1+L2 2 Ghép một phần điện dung mạch cộng hởng: 2 1 0 C1 = Ze = r C= 1 0C r 2 2 C = P 2 Re q( 0 ) C1 C2 a Ze C1 C 2 C ;P = : hệ số ghép C1 + C 2 C1 Req L C1 b 0 Ze Re q( 0 ) Hình 1. 11 Ghép một phần điện dung Các biến thể cách ghép mạch điều hởng: C2 a L2 L3 c L Ze1 C1 L1 Ze2 b C L2 a c Ze1 d L1 Ze2 b a) d b) Hình 1. 12 a/ Ghép một phần điện dung ngỏ vo, điện cảm... phát theo công dụng Ra đa 18 2 .1. 2 Theo tần số + Phát thanh: + 3KHz ữ 30KHz (10 0Km ữ 10 Km): đi phát sóng cực di VLW + 30KHz ữ 300KHz (10 Km ữ 1Km): đi phát sóng di LW + 300KHz ữ 3000KHz (1Km ữ 10 0m): đi phát sóng trung MW + 3MHz ữ 30MHz (10 0m ữ 10 m): đi phát sóng ngắn SW + Phát hình v phát thanh FM + 30MHz ữ 300MHz (10 m ữ 1m): đi phát sóng mét (VHF) + 300MHz ữ 3000MHz (1m ữ 0,1m): đi phát sóng dm (UHF)... tần FM Tầng điện kháng: sử dụng các phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần thnh điện kháng thay đổi (dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên) để thực hiện việc điều chế FM Phần tử điện kháng có thể l Transistor điện kháng, đèn điện kháng hoặc Varicap (điện dung biến đổi theo điện áp đặt vo Varicap) 2.2.5 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát Fm chất lợng cao fIF= 10 MHz Tiền KĐ âm tần FRF= 10 0MHz TĐKháng... tần số góc v chọn Q1 tùy theo tần số Ta sẽ tiến hnh một số bớc tính toán nh sau: 1 Biết PL, chọn ( BA = 0,7 ữ 0,98) tùy theo công suất yêu cầu theo bảng dới đây: Công suất ra Hiệu suất PL < 1W 0,7 ữ 0,8 1W PL < 10 W 0,75 ữ 0,85 10 W PL < 10 0W 0,84 ữ 0,93 10 0W PL < 1KW 0,92 ữ 0,96 1KW PL < 10 KW 0,95 ữ 0,98 PL 10 KW 0,97 28 P1 = 2 Xác định PL BA Vcm = (0,8 - 0,9) Vcc 3 Chọn Rtd = 4 Điện trở cộng hởng... r + r fa = r = 2 RK Q1 v r + rfa = 10 Tính hỗ cảm : M= 1 r fa RL 11 Tính giá trị cuộn cảm bên thứ cấp : L2 = suy ra M2 k 2 L1 2 R td 29 Chơng 3 Máy thu 3 .1 Định nghĩa v đặc điểm của máy thu 3 .1. 1 Định nghĩa Máy thu l thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến điện Máy thu có nhiệm vụ tiếp nhận v lặp lại tin tức chứa trong tín hiệu chuyển đi từ máy phát dới dạng sóng điện từ trờng Máy thu... hởng khi có tải Vcm2 2P1 5 Chọn hệ số phẩm chất của khung cộng hởng sơ cấp khi đã có tải: Q1 = (10 ữ50) = 6 Tính trở kháng đặc tính của mạch sơ cấp RK Rtd = Qo Q1 7 Xác định L1, C: L1 = v C ' = C + CCE = 1 Với CCE l điện dung lớp tiếp giáp CE của BJT nếu C10 CCE thì C' C Vậy: C = 1 8 Hệ số phẩm chất riêng của khung cộng hởng sơ cấp: Qo = RK trong đó: RK = Rtd 1 BA 9 Tính điện trở tổn hao của... gh ( M ) 2 = = RL RL (2 .1) M = k L1 L2 (2.2) Với: RL l điện trở tải +M : Hỗ cảm + L1, L2 : Trị số điện cảm của cuộn sơ cấp v thứ cấp +k : Hệ số ghép phụ thuộc kết cấu của cuộn dây: - Nếu Sóng ngắn : k = 0, 01 ữ 0 ,1 (ghép rất lỏng) Sóng trung : k = 0,5 ữ 0,9 (cuộn dây có lõi từ tính, ghép rất chặt) * Điện trở cộng hởng riêng của mạch sơ cấp: RK = L1 2 với = = rC r L1 C (2.3) * Điện trở cộng hởng của... một phần điện cảm ngỏ vo v ra Mạch điều hởng điện tử: thay thế tụ C trong mạch điều hởng song bởi varicap CV +VT R C1 L CV V a) b) c) Hình 1. 13 a/ Kí hiệu Varicap b/ Đặc tuyến Varicap c/ Mạch điều hởng điện tử Mạch điều hởng song song v các biến thể dùng lm mạch tiền chọn lọc ngỏ vo máy thu, tải chọn lọc cao tần, bộ chọn lọc trung tần, dao động, phối hợp trở kháng v.v Mạch điều hởng nối tiếp: 12 Zeq... vẫn có giá trị điện cảm lớn Biến áp lõi xuyến từ có thể đấu nối cho phép phối hợp trở kháng dải rộng ở cao tần Dấu chấm chỉ pha của vòng dây, tỷ số vòng dây biến áp 1: 1 cũng l tỷ số phối hợp trở kháng Zi a/ Nguồn đối xứng, tải bất đối xứng 1: 1 ~ ZL = RL ~ ZL = RL 1: 1 b/ Nguồn bất đối xứng, tải đối xứng Hình 1. 17 Biến áp Balun kết nối đối xứng hay bất đối xứng tải với nguồn cao tần 15 Zi Zi ZL = Zi/4... = Trong đó : PL P1 PL : l công suất hữu ích trên tải P1 : Công suất trên cuộn sơ cấp (2.5) 27 BA 1 2 I K r fa r fa + r r PL r 2 = = = = 1 P1 1 2 r + r fa r + r fa I K (r + r fa ) 2 (2.6) Từ biểu thức (2.6) ta nhận thấy để hiệu suất biến áp cao ( BA = 0,9 ữ 0,95) thì r fa = (10 20)r M muốn r fa lớn thì từ (2 .1) ta thấy RL phải nhỏ v biến áp phải ghép chặt để có hỗ cảm M lớn Thờng điện trở tải cho ... Hz 10 ữ 10 m (300 - 3000) Hz 10 ữ 10 m (3 - 30)KHz 10 ữ 10 m (30 - 300)KHz 10 ữ 10 m (300 - 3000)KHz 10 ữ 10 m (3 - 30)MHz 10 ữ 10 m (30 - 300)MHz 10 ữ m (300 - 3000)MHz ữ 10 m (3 - 30)GHz 10 ... = L1+L2 Ghép phần điện dung mạch cộng hởng: C1 = Ze = r C= 0C r 2 C = P Re q( ) C1 C2 a Ze C1 C C ;P = : hệ số ghép C1 + C C1 Req L C1 b Ze Re q( ) Hình 1. 11 Ghép phần điện. .. hởng: C2 a L2 L3 c L Ze1 C1 L1 Ze2 b C L2 a c Ze1 d L1 Ze2 b a) d b) Hình 1. 12 a/ Ghép phần điện dung ngỏ vo, điện cảm ngỏ b/ Ghép phần điện cảm ngỏ vo v Mạch điều hởng điện tử: thay tụ C mạch điều