Bài 3 điều chế góc

TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHÊN KHOA ðIỆN TỬ - ViỄN THÔNG Bài 3: ðiều chế góc ðặng Lê Khoa Bộ môn Viễn thông – Mạng N i dung ðiều biến góc ðiều biến FM – Nguyên lý – Tần phổ tín hiệu Tách sóng FM – Kỳ tần – Vòng khóa pha (PLL) Mạch ñiện tử ñiều biến tách sóng FM Faculty of Electronics & Telecommunications [2] FM Basics VHF (30M-300M) quản bá chất lượng cao Wideband FM, (FM TV), narrow band FM (two-way radio) 1933 ñiều chế FM góc ñược ñề xuất Armstrong, thành công vào năm 1949 Số: Frequency Shift Key (FSK), Phase Shift Key (BPSK, QPSK, 8PSK,…) AM/FM: Sóng ngang/Sóng dọc Faculty of Electronics & Telecommunications [3] Angle Modulation vs AM Tóm tắt: tính chất ñiềi chế AM – ðiều chế biên ñộ tuyến tính Chỉ di chuyển sang băng tần mới, dạng phổ không thay đổi Không có tần số tạo – Phổ tần: S(f) ñược chuyển thành M(f) – Băng thông ≤ 2W Tính chất ñiều chế góc – Chúng không tuyến tính Dạng phổ tần thay đổi, tạo tần số – S(f) không chuyển thành M(f) – Băng thông thường lớn 2W Faculty of Electronics & Telecommunications [4] Angle Modulation Application Tại cần ñiều chế góc? – Giảm nhiễu tốt – Cải thiện chất lượng hệ thống Bất lợi – Hiệu băng thông thấp – Thực phức tạp Ứng dụng – Radio quảng bá FM – Tín hiệu âm TV – Bộ ñàm – ðiện thoại tế bào – Thông tin Vi ba vệ tinh Faculty of Electronics & Telecommunications [5] Instantaneous Frequency •ðiều chế góc có dạng - Frequency modulation (FM): thông tin ñược biểu diễn theo ñổi tần số tức thời sóng mang - Phase modulation (PM): ): thông tin ñược biểu diễn theo ñổi pha tức thời sóng mang s (t ) = Ac cos [θi (t )] , where Ac : carrier amplitude, θi (t ) : angle (phase) fi (t ) = dθi (t ) 2π dt s (t ) = Ac cos [ 2π f c t + φ (t ) ] where φ (t ) is a function of message signal m(t ) Faculty of Electronics & Telecommunications [6] Phase Modulation PM (phase modulation) signal s (t ) = Ac cos  2π f c t + k p m(t )  φ (t ) = k p m(t ), k p : phase sensitivity k p dm(t ) instantanous frequency fi (t ) = f c + 2π dt Faculty of Electronics & Telecommunications [7] Frequency Modulation FM (frequency modulation) signal s (t ) = Ac cos  2π f c t + 2π k f   m ( τ ) d τ ∫0  t k f : frequency sensitivity instantanous frequency f i (t ) = f c + k f m (t ) t angle θ i (t ) = 2π ∫ f i (τ ) dτ (Assume zero initial phase) = 2π f c t + 2π k f Faculty of Electronics & Telecommunications ∫ t m (τ ) dτ [8] FM Characteristics ðặc tín tín hiệu FM – ðiểm zero không thường xuyên – ðường bao số – Tín hiệu FM PM tương tự Faculty of Electronics & Telecommunications [9] Relations between FM and PM FM of m(t ) ⇔ PM of m(t) FM FM signal s(t) m(t) dt t ∫ m(τ )dτ PM FM signal s(t) dm(t ) PM of m(t ) ⇔ FM of dt m(t) PM PM signal s(t) Faculty of Electronics & Telecommunications m(t) d dt FM PM signal s(t) [10] FM Slope Demodulator Cơ bản: sử dụng tách ñộ dốc (slope circuit) khác biệt tần số, ñiều thực việc ñổi tần số sang ñiện (FVC) – Mạch ñộ dốc: ñiện ngõ tỉ lệ với tần số vào Ví dụ: lọc, vi phân s(t) S(f) x(t) d dt |H(f)| H(f)=j2 πf X(f) output voltage range X(f) freqency in s(t) voltage in x(t) 10 Hz 20 Hz j 20π j 40π ⋮ ⋮ Faculty of Electronics & Telecommunications f Input frequency range in S(f) [41] FM Slope Demodulator cont Sơ ñồ khối phương pháp trực tiếp (slope detector = slope circuit + envelope detector) s(t) slope circuit (FM AM) (FVC) s1(t) envelope detector so(t) (AM demodulator) t  s (t ) = Ac cos 2π f c t + 2π k f ∫ m(τ )dτ  , where fi (t ) = f c + k f m(t )   Let the slope circuit be simply differentiator: t  s1 (t ) = − Ac  2π f c + 2π k f m(t )  sin 2π f c t + 2π k f ∫ m(τ )dτ    so (t ) ≈ − Ac  2π f c + 2π k f m(t )  so(t) linear with m(t) Faculty of Electronics & Telecommunications [42] Slope Detector Magnitude frequency response of transformer BPF Faculty of Electronics & Telecommunications [43] Ratio Detector Foster-Seeley/phát dịch chuyển pha – Sử dụng hai chuyển từ tần số tức thời sang biên ñộ tức thời Biên ñộ thay ñổi ñược hiệu chỉnh ñể tạo ñiện DC ngõ có biên ñộ cực với tần số tín hiệu vào – Ví dụ Ratio detector Faculty of Electronics & Telecommunications [44] Zero Crossing Detector Faculty of Electronics & Telecommunications [45] FM Demodulator PLL Phase-locked loop (PLL) – Một mạch ñiều khiển hồi tiếp vòng, tạo tín hiệu có pha ( tần số) liên quan ñến tín hiệu tham chiếu Dò thay đổi tần số ( pha) ngõ vào Hoặc thay đổi tần số ( pha) theo ngõ vào – PLL sử dụng ñiều chế giải ñiều chế FM Cũng IC điều chế cân dùng cho gỉ điều chế AM FM Faculty of Electronics & Telecommunications [46] PLL FM Remember the following relations – Si=Acos(wct+φ1(t)), Sv=Avcos(wct+φc(t)) – Sp=0.5AAv[sin(2wct+φ1+φc)+sin(φ1-φc)] – So=0.5AAvsin(φ1-φc)=AAv(φ1-φc) m(t) + s(t) VCO + − s(t) freqency devided by N LP e(t) r(t) Loop Filter v(t) VCO Reference Carrier Faculty of Electronics & Telecommunications [47] Phase-Locked Loop Demodulator (a) Block diagram for a PLL FM demodulator; (b) PLL FM demodulator using the XRXR-2212 PLL Faculty of Electronics & Telecommunications [48] Nonlinear Effects in FM Systems Phi tuyến mạnh, , ñiều chế luật bình phương, nhân tần 2.Phi tuyến yếu, , không hoàn hảo mối quan hệ input-output phi tuyến v0 (t ) = a1vi (t ) + a2 vi (t ) + a3vi (t ) vi(t) Nonlinear Channel (device) v0(t) Một hệ thống FM nhạy ñối với phi tuyến pha Những loại nguồn : chuyển AM sang PM Faculty of Electronics & Telecommunications 52 [49] Electronic Amplifier A: low power B: high distortion C: need a filter but narrow band Faculty of Electronics & Telecommunications 52 [50] Superheterodyne Receiver Chức nhận vô tuyến – Giải ñiều chế lấy lại tín hiệu thông tin – Chỉnh tần số sóng mang – Filtering chọn ñài bỏ nhiễu/can nhiễu – Amplification chống lại suy hao công suất truyền Bộ thu Superheterodyne – Heterodyne: trộn hai tín hiệu ñể tạo tần số – Bộ thu superheterodyne: tín hiệu RF heterodyne có chỉnh nội, chuyển sang IF – Phát minh E Armstrong năm 1918 – AM: RF 0.535MHz-1.605 MHz, Midband 0.455MHz – FM: RF 88M-108MHz, Midband 10.7MHz Faculty of Electronics & Telecommunications [51] Advantage of superheterodyne receiver Một khối tín hiệu ( mạch ñiện) thực hiện: chọn lọc, chất lượng tín hiệu, khuếch ñại công suất Bộ nhận superheterodyne gồm nhiều khối khác Khối RF : chọn lọc Khối IF: lọc cho chất lượng tín hiệu cao, khuếch ñại, sử dụng mạch ñiện hoạt ñộng tần số cố ñịnh IF, không băng lớn Faculty of Electronics & Telecommunications [52] FM Broadcasting Tần số trạm phát sóng FM thường ñược nhân với 100 kHz tạo dãi tần từ 87,5 ñến 108,5 MHz fm=15KHz, ∆f=75KHz, β=5, B=2(fm+∆f)=180kHz Pre-emphasis and de-emphasis – Nhiễu ngẫu nhiên có phân phối phổ có hình “tam giác” hệ thống FM, ảnh hưởng nhiễu xảy lớn tần số cao tín hiệu dải gốc ðiều ñiều chỉnh ñể dạt ñến giới hạn ñịnh cách tăng cường tần số cao trước truyền giảm chúng lượng tương ứng thu Faculty of Electronics & Telecommunications [53] FM Stereo Multiplexing Fc=19KHz (a) Multiplexer in transmitter of FM stereo (b) Demultiplexer in receiver of FM stereo Backward compatible For non-stereo receiver Faculty of Electronics & Telecommunications [54] TV FM broadcasting fm=15KHz, ∆f=25KHz, β=5/3, B=2(fm+∆f)=80kHz Center fc+4.5MHz Faculty of Electronics & Telecommunications [55] [...]... Pf=abs(fftshift(fft(sf))); % spectrum of FM signal % plot the spectrums figure(2) subplot (31 1), plot(w,Pm,'b'), axis([ -30 00 30 00 min(Pm) max(Pm)]), grid, title('message spectrum M(f)'), subplot (31 2), plot(w,Pf,'r'), axis([ -30 00 30 00 min(Pf) max(Pf)]), grid, ylabel('FM S(f)') subplot (31 3), plot(w,Pp,'m'), axis([ -30 00 30 00 min(Pp) max(Pp)]), grid, ylabel('PM S(f)') Faculty of Electronics & Telecommunications... Faculty of Electronics & Telecommunications [12] FM/PM Example (Frequency) message spectrum M(f) 10 8 6 4 2 30 00 −2000 −1000 0 1000 2000 30 00 −2000 −1000 0 1000 2000 30 00 −2000 −1000 0 1000 2000 30 00 50 FM S(f) 40 30 20 10 30 00 PM S(f) 40 30 20 10 30 00 Faculty of Electronics & Telecommunications [ 13] Matlab fc=1000; Ac=1; % carrier frequency (Hz) and magnitude fm=250; Am=0.1; % message frequency (Hz)... sp=Ac*cos(2*pi*fc*t+2*pi*k*mt); % Frequency modulation dmt=Am*sin(2*pi*fm*t); % integration sf=Ac*cos(2*pi*fc*t+2*pi*k*dmt); % PM % Plot the signal subplot (31 1), plot(t,mt,'b'), grid, title('message m(t)') subplot (31 2), plot(t,sf,'r'), grid, ylabel('FM s(t)') subplot (31 3), plot(t,sp,'m'), grid, ylabel('PM s(t)') Faculty of Electronics & Telecommunications [14] Matlab % spectrum w=((0:length(t)-1)/length(t)-0.5)*10000;... Chỉ ra mức ñộ thay ñổi của tín hiệu ñã ñiều chế (tần số tức thời) thay ñổi xung quanh tín hiệu chưa ñiều chế ( tần số thông tin) max | ka m(t ) | , 1 A max | k f m(t ) | FM (frequency): β = fm AM (envelope): Băng thông t a (t ) = ∫ m(α )dα −∞   k 2f 2 k 2f 3 ϕ (t ) = Re(ϕ (t )) = Acos wc t − k f a(t ) sin wc t − a (t ) cos wc t + a (t ) sin wc t  2! 3!   Faculty of Electronics & Telecommunications... m(t )  Faculty of Electronics & Telecommunications [30 ] FM Modulator and Demodulator ðiều chế FM – Direct FM – Indirect FM Giải ñiều chế FM – Direct: sử dụng bộ phân biệt tần số (frequency-voltage converter) – Tách sóng tỉ lệ – Bộ dò ñiểm Zero – Indirect: sử dụng PLL Bộ nhận superheterodyne ( kỳ tần) Faculty of Electronics & Telecommunications [31 ] FM Direct Modulator Direct FM – Tần số sóng mang... Electronics & Telecommunications [33 ] Indirect FM ðầu tiên, tạo ra NBFM, sau ñó nhân NBFM với ∆f Tốt cho các yêu cầu về ổn ñịnh tần số sóng mang Trong FM thương mại, tất cả thiết bị dùng Indirect FM Thực hiện bộ Indiret FM: Armstrong FM Sơ ñồ khối Indiret FM m(t) NBFM v(t) f1 Crystal Controlled Oscillator Faculty of Electronics & Telecommunications nf i s(t) frequency multiplier [34 ] Indirect FM cont ðầu tiên,... nf i s(t) frequency multiplier [35 ] Indirect FM cont Sau ñó, ñưa vào bộ nhân tần số với hệ số β – Tần số tức thời ñược nhân bởi n – Như vậy, tần số sóng mang ∆f, và β – Băng thông bao nhiêu? v(t) Nonlinear Device vo(t) Bandpass Filter (nf 1 ) Bandpass filter |V(f)| fi right = n fi s(t) |S(f)| left f −f1 f1 B1 Faculty of Electronics & Telecommunications f −fc fc =nf1 [36 ] ... Electronics & Telecommunications [22] A phasor comparison of narrowband FM and AM waves for sinusoidal modulation (a (a) Narrowband FM wave (b (b) AM wave Faculty of Electronics & Telecommunications [ 23] Wide Band FM Wideband FM signal m(t ) = Am cos(2π f mt ) s (t ) = Ac cos [ 2π f c t + β sin(2π f mt ) ] Fourier series representation s (t ) = Ac ∞ ∑J n =−∞ Ac S( f ) = 2 n ( β ) cos [ 2π ( f c + nf... (VCO)) – VCO: tần số ngõ ra thay ñổi tuyến tín với ñiện thế ngõ vào – A simple VCO: thực hiện bởi “variable capacitor” – Máy phát FM dùng tụ và Microphone Faculty of Electronics & Telecommunications [32 ] FM Direct Modulator cont Phương pháp ñơn giản, giá thấp, thiếu sự ổn ñịnh và chính xác, ứng dụng ở năng lượng thấp, không ổn ñịnh tại tần số sóng mang Capacitance changes with 1 1 f i (t ) = = 2π LC... Example Faculty of Electronics & Telecommunications [25] Bessel Function of First Kind 1 J n ( β ) = (−1)n J − n ( β ) 2 If β is small, then J 0 ( β ) ≈ 1, J1 ( β ) ≈ β , 2 J n ( β ) ≈ 0 for all n > 2 ∞ 3 ∑J n =−∞ 2 n (β ) = 1 Faculty of Electronics & Telecommunications [26] Spectrum of WBFM Spectrum when m(t) is single-tone s (t ) = Ac cos [ 2π f c t + β sin(2π f mt )] = Ac A S( f ) = c 2 ∞ ∑J n =−∞ ... 10 30 00 −2000 −1000 1000 2000 30 00 −2000 −1000 1000 2000 30 00 −2000 −1000 1000 2000 30 00 50 FM S(f) 40 30 20 10 30 00 PM S(f) 40 30 20 10 30 00 Faculty of Electronics & Telecommunications [ 13] ... max | nk f m(t ) | W [37 ] A simple electronic implementation of frequency multiplier 30 MHz output X3 (x5) C1:100pF, L1:2.7µH D:1N914 L2:.22µH, L3:1.8µH, L4 :33 0µH C2:120pF, C3:10pF Faculty of Electronics... spectrums figure(2) subplot (31 1), plot(w,Pm,'b'), axis([ -30 00 30 00 min(Pm) max(Pm)]), grid, title('message spectrum M(f)'), subplot (31 2), plot(w,Pf,'r'), axis([ -30 00 30 00 min(Pf) max(Pf)]), grid,