Bài giảng Điện tử thông tin Chương 4

Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy CHƯƠNG 4: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ AM, FM (10 tiết) PHẦN 1: LÝ THUYẾT (8 tiết) Định nghĩa: Điều chế trình biến đổi thông số sóng mang cao tần (biên độ, tần số, pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band) Mục đích việc điều chế:  Đối với anten, xạ lượng tín hiệu cao tần có hiệu bước sóng (tương ứng tần số) bậc với kích thước vật lý anten  Tín hiệu cao tần bị suy hao truyền không gian  Mỗi dịch vụ vô tuyến có băng tần (kênh) riêng biệt Quá trình điều chế giúp chuyển phổ tín hiệu băng gốc lên băng tần thích hợp Điều kiện điều chế :  Tần số sóng mang cao tần fC  (810) fmax, fmax tần số cực đại tín hiệu điều chế BB  Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, tần số, pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số  Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB) 4.1 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AM: Điều chế biên độ trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín hiệu băng gốc) m(t)=Vmcosmt t VAM(IAM) Vmax V1V1T Vmin t Sóng mang f0 Hình 4.1: Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế m(t) =Vm cosmt Trang 39 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.1.1 Phương trình điều chế hệ số điều chế: Tín hiệu sóng mang thường tín hiệu sin có tần số cao xC(t) = VC cosCt Tín hiệu AM có dạng: yAM(t) = [VC + m(t)].cosCt Xét trường hợp m(t) tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosmt yAM(t) = [VC + Vmcosmt].cosCt = VC[1 + Vm/VCcosmt].cosCt = VC[1 + m Acosmt].cosCt mA: hệ số điều chế (chỉ số điều chế) Để điều chế không méo m A  Trong trường hợp m(t) tổng tín hiệu sin đơn tần: m(t) = V1cos1t + V2cos2t + V3cos3t + …… m A  m12  m22  m32  với: mi  Vi VC i = 1, 2, 3, … Trong trường hợp tổng quát: m A  Vmax  Vmin Vmax  Vmin 4.1.2 Phổ tín hiệu AM: Ta có: yAM(t) = [VC + m(t)].cosCt = VC cosCt + m(t).cosCt F  YAM  VC [ (   C )   (   C )]  [ M (   C )  M (   C )] F đó: m(t )  M ( ) Xét trường hợp m(t) tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosmt Y AM  VC [ (   C )   (   C )]  V  m [ (   C   m )   (   C   m )   (   C   m )   (   C   m )] ðAC ðVm -c-m ðAC ðVm -c ðVm c -m -c+m ðVm c c+m Hình 4.2: Phổ tín hiệu AM với tín hiệu điều chế sin đơn tần Trang 40 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy m(t) yAM(t) t t a) b) YAM(f) M(f) USB LSB F c) Fmax d) f0 - FMax f0 f0 + FMax f Hình 4.3: Với tín hiệu điều chế phức hợp a/ Tín hiệu điều chế b/ Tín hiệu AM c/ Mật độ phổ biên tín hiệu điều chế d/ Mật độ phổ AM phía 4.1.3 Công suất tín hiệu AM: Tín hiệu AM sau điều chế cho qua điện trở Công suất rơi điện trở gọi công suất chuẩn: PAM _ St  PC _ St  Pm _ St đó: PC-St : công suất sóng mang; Pm-St : công suất tín hiệu điều chế Khi cho qua điện trở R: Nếu tín hiệu điện áp thì: PAM  PAM _ St R  PAM _ St  R Nếu tín hiệu dòng điện thì: PAM Hiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suất toàn tín hiệu AM 1 Pm Pm _ St   PAM PAM _ St Ví dụ: Tín hiệu AM áp điều chế tín hiệu sin đơn tần m(t) = Vmcosmt Biết Vmax = 50V; Vmin = 10V tính m A? Vm? P AM tải R = 50? Hiệu suất điều chế Giải: Trang 41 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 50  10  0,667 50  10 50  10 Vm  m AVC  0,667.( )  20V mA  VC2  50  10    /  450W   Vm2 20 Pm _ St    200W 2 PC _ St  Pm _ St 450  100 PAM    11W R 50 Pm _ St 100    18.18% PAM _ St 550 PC _ St  Nhận xét điều chế biên độ AM: - Dễ thực máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ - Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích - Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí tăng nhiễu - Hiệu sử dụng công suất cao tần ç nhỏ - Tính chống nhiễu 4.1.4 Mạch điều chế AM: a Điều chế AM dùng diode R1 m(t)=Vmcosmt D R2 xC(t)=VCcosCt C L Hình 4.4: Mạch điều chế AM đơn giản dùng diode Tín hiệu điều chế m(t) sóng mang xC(t) đặt vào hai đầu diode, đo vD = m(t) + xC(t) tạo dòng iD : iD  I 0e  vD 26 mV  a  a1v D  a v D2   a  a1v D  a v D2 iD  a0  a1[m(t)  xC (t)]  a2 [m(t )  xC (t)]2  a0  a1m(t )  a2 m2 (t )  a1 xC (t )  2a2 m(t ) xC (t)  a2 xC2 (t ) Dòng iD gồm nhiều thành phần tần số Tuy nhiên, khung cộng hưởng LC thiết kế để cộng hưởng tần số C nên sau qua khung cộng hưởng lại: i D  a1 xC (t )  a m(t ) xC (t )  [ a1  2a m(t )]xC (t ) : Đây tín hiệu AM Trang 42 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Điều chế AM dùng transistor b Tín hiệu tin tức m(t) đưa vào mạch qua biến áp có tỷ số biến áp 1:1 nhằm cách ly với nguồn Vcc Nguồn xung vuông vc(t) có tần số lớn nhiều so với m(t) đóng vai trò sóng mang vc(t) làm cho transistor Q đóng ngắt bão hòa Mạch cộng hưởng RLC đóng vai trò mạch lọc thông dải Điện trở Rc dùng để phân cực cho transistor Q dẫn bão hòa Vcc 1:1 m(t) m(t) Rc vout(t) R Q C L vc(t) Hình 4.5: Mạch điều chế AM dùng transistor m(t) Khi Q dẫn bảo hòa: Vout(t) = 0; Khi Q ngắt: Vout(t) = Vcc + m(t) t Tc vc(t) t vout(t) Vcc t Hình 4.6: Dạng tín hiệu khung cộng hưởng Trang 43 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Khi mạch cộng hưởng RLC thì: v out (t )  [Vcc  m(t )]v c (t ) vc(t) tín hiệu tuần hoàn nên khai triển thành chuỗi Fourier sau:  sin  c t sin 3 c t sin 5 c t 2  v c (t )          sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t   3 5   Do đó: 2 1  v out (t )  [Vcc  m(t )]  sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t   3 5 2   Mạch cộng hưởng RLC thiết kế để cộng hưởng tần số c nên: v out (t )  [Vcc  m(t )] sin  c t : Đây tín hiệu AM  4.1.5 Mạch giải điều chế AM a Tách sóng hình bao vAM(t) D Nạp m’(t) C Xả R Hình 4.7: Mạch tách sóng hình bao Nguyên lý hoạt động mạch sau: Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp diode D Làm cho D tắt dẫn Khi D dẫn: tụ nạp giá trị vAM(t) Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R Kết giá trị điện áp ngõ m’(t) bám theo đường bao tín hiệu AM Đây tín hiệu cần giải điều chế Kết tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời = RC Nếu nhỏ tụ xả nhanh làm cho đường bao bị nhấp nhô Nếu lớn tụ xả chậm không theo kịp suy giảm tín hiệu AM ngõ vào (xem hình ) Cả hai trường hợp làm cho tín hiệu giải điều chế bị méo dạng Trang 44 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Hình 4.8: Tách sóng hình bao Trang 45 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Hình 4.9: Tách sóng hình bao hai trường hợp có điều chế Hình 4.10: Méo tín hiệu tách sóng hình bao Điều kiện tách sóng hình bao không méo tín hiệu điều chế sin đơn tần có tần số fm: mA  Xc R  Xc đó: Xc  1  : dung kháng tụ C  m C 2f m C fm: tần số tín hiệu điều chế mA = hệ số điều chế Trang 46 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy b Tách sóng kết hợp Tín hiệu AM có dạng vAM(t)=[Vc+m(t)]cosct Trong tín hiệu điều chế tần số thấp m(t) = Vmcosmt giải điều chế cách nhân với tín hiệu sóng mang VLO(t) = V0cos(ct+ o) lọc thông thấp sau: vAM(t) m’(t) v(t) LPF X vLO(t) = V0cos(ct + 0) Hình 4.11: Sơ đồ khối tách sóng kết hợp v(t )  v AM (t ).v LO (t )  Vc  m(t )cos  c t.V0 cos( c t   ) V (t )  V0 [Vc  m(t )] cos  cos(2 c t   ) Qua LPF thành phần tần số thấp ngõ m ' (t )  V0 [Vc  m(t )] VV V cos  cos   c cos  m(t ) 2 Tín hiệu giải điều chế m’(t) tỷ lệ với m(t) 4.2 ĐIỀU CHẾ DSB, SSB 4.2.1 Điều chế DSB: Tín hiệu điều chế hai biên triệt sóng mang DSB (Double Side Band) thực mạch điều chế cân sau: T1 m(t) T2 vo(t) A/2 vc(t) Hình 4.12: Mạch điều chế cân Trang 47 t  A Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Đây đổi tần cân kép gồm cặp D1-2 D3-4 luân phiên tắt dẫn sóng mang vc(t) Sóng mang sin hay chữ nhật với biên độ lớn tín hiệu điều chế (Vc >Vm; c > m) - + - + D1-2 tắt , D3-4 dẫn D1-2 dẫn , D3-4 tắt Hình 4.13 v c (t )  4 1   sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t     Mạch đổi tần cân (điều chế cân bằng) thực nhân hai tín hiệu : v o (t )  m(t ).v c (t )  m(t ) 4 1   sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t     Sau qua mạch lọc thông dải có tần số trung tâm c lại: v DSB (t )  m(t ) sin  c t : Đây tín hiệu DSB cần điều chế  Ví dụ: Giả sử tín hiệu điều chế có dạng sin đơn tần có biên độ 2V, tần số fm = 5KHz Sóng mang tần số fc = 45KHz Ta có: m(t )  A sin 2f mt  sin 2 (5 KHz )t 2 vo (t )  sin 2 (5 KHz )t sin 2 (45 KHz )t    sin 2 (5 KHz )t sin 2 (135KHz )t  3 1 vo (t )  cos 2 (40 KHz )t  cos 2 (50 KHz )t  cos 2 (130 KHz )t  cos 2 (140 KHz )t 3 Phổ tín hiệu trước cho qua mạch lọc thông dải: f(KHz) fm fc-fm fc+fm 3fc-fm 3fm+fm 40 50 130 Hình 4.14 Trang 48 140 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Dạng tín hiệu ra: Tc = vo(t) Tm = fc fm t(µs) Hình 4.15 Dạng phổ tín hiệu DSB sau qua mạch lọc thông dải: V0 v0(t) t 40 50 f(KHz) Hình 4.15 4.2.2 Điều chế SSB: Điều chế đơn biên (SSB - single side band): trình điều chế tạo biên tần (biên biên dưới) tín hiệu AM Việc thực phức tạp băng thông cao tần giảm nửa, tiết kiệm băng tần giảm nhiễu Công suất phát thấp nhiều so với AM khoảng cách thông tin không truyền công suất sóng mang lớn vô ích có biên Hiệu sử dụng công suất cao Tỷ số S/N máy thu SSB lớn AM nhiễu giảm Phương pháp lọc (pp1): Để có tín hiệu SSB cần triệt sóng mang phụ cuả tín hiệu AM, lại hai biên DSB (Double -sideband), sau lọc lấy biên nhờ BPF m(t)  vDSB VLO(t) = cosct Hình 4.16 Trang 49 BPF vSSB Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Phương pháp xoay pha 900 (pp2): Điều chế cân m(t) = Vmcosmt v1 vc = Vccosct Xoay pha 900 Xoay pha 900 Điều chế cân SBB out put + v2 Hình 4.17: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha 900 Ngõ điều chế cân có tín hiệu: v1  Vm cos  m t.Vc cos  c t  V mV c [cos( c   m )t  cos( c   m )t ] Bộ xoay pha 900 biến đổi cos thành sin ngõ điều chế cân là: v  Vm sin  m t.Vc sin  c t  VmVc [cos( c   m )t  cos( c   m )t ] Ngõ cộng lại tín hiệu biên SSB: vSSB = v1 + v2 = VcVmcos(c - m)t Phương pháp xoay pha sóng mang 90 hai lần (pp3): ĐCCB 0 -m v1 x LPF1 ĐCCB sinct sin0t m(t)=Vmcosmt v3 x Xoay pha 900 Xoay pha 900 vSSB + cos0t cosct 0 - m x v2 LPF2 ĐCCB v4 x ĐCCB Trang 50 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Hình 4.18: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha sóng mang 900 hai lần Tín hiệu ngõ điều chế cân 1: Vm sin(0   m )t  sin(0   m )t  V Qua lọc LPF1 lại thành phần: m sin(   m )t v1  m(t ) sin  t  V m cos  m t sin  t  Tín hiệu ngõ điều chế cân 2: Vm cos(   m )t  cos(0   m )t  V Qua lọc LPF2 lại thành phần: m cos(   m )t v  m(t ) cos  t  Vm cos  m t cos  t  Tín hiệu ngõ điều chế cân 3: v3  Vm V sin(   m )t sin  c t  m cos( c     m )t  cos( c     m )t  Tín hiệu ngõ điều chế cân 4: v4  Vm V cos(   m )t cos  c t  m cos( c     m )t  cos( c     m )t  Qua cộng: v SSB (t )  v3  v4  Vm cos( c     m )t Trang 51 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.2.3 Ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) Ghép kênh theo tần số FDM truyền đồng thời nhiều kênh sóng mang khác Được sử dụng truyền hình cáp, truyền hình quảng bá, thông tin vi ba thoại v.v… FDM sử dụng kỹ thuật điều chế SSB truyền đồng thời nhiều tín hiệu băng hẹp kênh truyền dẫn băng rộng Các kênh băng hẹp phân kênh theo tần số không chồng lấn nhờ sóng mang khác nhau: K1 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân BPF LSB 64k 64k OSC fc = 64 KHz K2 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân + BPF USB 64k + K3 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân BPF LSB 72k OSC fc = 72 KHz + 72k K4 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân BPF USB 72k Hình 4.19: Sơ đồ khối thiết bị ghép kênh FDM kênh Trang 52 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy BPF LSB Bal Mod BPF    x 12 kênh thoại B = 48 KHZ O,33,4 108 KHZ Bal Mod BPF BPF LSB    x 12 BPF x +    60 kênh thoại B = 240 KHZ 612 KHZ 104 KHZ Bal Mod BPF LSB BPF LSB x 64 KHZ sub carrier nhóm 12 kênh cấp 1-FDM    x    + x 600 kênh thoại B = 2520 KHZ 3396 KHZ 564 KHZ    x    420 KHZ nhóm cấp = 60 kênh = siêu nhóm FDM cấp    x + (U 600) 3148 KHZ    x 1116 KHZ 10 siêu nhóm = nhóm chủ FDM cấp Hình 4.20: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh FDM 600 kênh thoại Trang 53 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.3 ĐIỀU CHẾ GÓC FM VÀ PM: Điều chế góc dạng điều chế quan trọng dùng thông tin, tính chống nhiễu tốt điều chế biên độ AM Tín hiệu sóng mang cao tần chưa bị điều chế đơn hài, xác định bởi: xc(t) = Vccos(ct + φ0) = Vccosφ(t) đó: φ (t) = ct +  : pha tức thời dao động cao tần, xác định trạng thái tín hiệu thời điểm t c : tần số sóng mang; φ0: pha ban đầu Giữa tần số pha có quan hệ: d (t ) d (t )  (t )   f (t )  dt 2 dt  (t )    (t )dt  2  f (t )dt  (t ) : tần số tức thời - tần số thời điểm t Nếu tín hiệu điều chế tần thấp m(t) làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc Trong điều chế góc, biên độ sóng mang coi không đổi Có hai trường hợp: Nếu m(t) làm thay đổi tần số c ta có điều chế tần số FM (Frequency Modulation) d (t )  FM (t )    c  k f m(t )   (t )   c t  k f  m(t ) dt dt đó, tín hiệu điều chế FM có dạng: y FM (t )  Vc cos  c t  k f  m(t )dt   Nếu m(t) làm thay đổi pha ban đầu φ0 ta có điều chế pha PM (Phase Modulation)   k p m(t )   (t )   c t  k p m(t ) đó, tín hiệu điều chế PM có dạng: y PM (t )  Vc cos c t  k p m(t ) d (t ) dm(t ) tần số tức thời tín hiệu PM:  PM (t )   c  k p dt dt Ta nhận thấy điều tần điều pha có mối quan hệ tương quan Để có tín hiệu điều tần FM tín hiệu tin tức cho qua mạch tích phân sau qua mạch điều pha PM Ngược lại, Để có tín hiệu điều pha PM tín hiệu tin tức cho qua mạch vi phân sau qua mạch điều tần FM 4.3.1 Điều chế tần số FM: Để đơn giản phân tích, cho m(t) = Vmcosmt pha ban đầu sóng mang 0 = Tín hiệu FM có dạng sau: k f Vm   y FM (t )  Vc cos  c t  sin  m t   Vc cos c t  m f sin  m t  m   k f Vm  với: m f  : số điều chế  m m   k f V m : độ di tần Phổ tín hiệu điều tần: Xét FM dải hẹp (NBFM : mf < 0.25) Nếu độ di tần nhỏ (mf < 0.25), ta có: y FM (t )  Vc cos c t  m f sin  m t   Vc cos(m f sin  m t ) cos  c t  sin( m f sin  m t ) sin  c t y FM (t )  Vc (1) cos  c t  ( m f sin  m t ) sin  c t   Vc cos  c t  m f sin  m t sin  c t  Trang 54 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy F  YFM ( )  Vc   (   c )   (   c )   m f   (   m   c )   (   m   c )   (   m  c )   (  m   c )  Phổ tín hiệu FM dải hẹp gồm sóng mang hai biên tương tự AM Xét FM dải rộng (WBFM: wideband FM mf > 0.25) y FM (t )  Vc cos c t  m f sin  m t  yFM(t) khai triễn theo hệ số hàm Bessel sau:    y FM (t )  Vc  J (m f ) cos  c t   J n (m f ) cos( c  n m )t  (1) n cos( c  n m )t  n 1     Biên độ chúng tỷ lệ với hàm Bessel loại bậc n  ( m f ) n  (m f / ) (m f / ) (m f / )        n! 1!(n  1)! 2!(n  2)! 3!(n  3)!  J n (m f )  Bảng hệ số hàm Bessel tương ứng với số số điều chế mf mf J0 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 0.00 1.00 _ _ _ _ _ _ _ 0.25 0.98 0.12 _ _ _ _ _ _ _ _ 0.5 0.94 0.24 0.03 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J10 J11 J12 J13 J14 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J9 1.0 0.77 0.44 0.11 0.02 1.5 0.51 0.56 0.23 0.06 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.0 0.22 0.58 0.35 0.13 0.03 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.4 0.52 0.43 0.20 0.06 0.02 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.5 -0.05 0.50 0.45 0.22 0.07 0.02 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ 3.0 -0.26 0.34 0.49 0.31 0.13 0.04 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ 4.0 -0.40 -0.07 0.36 0.43 0.28 0.13 0.05 0.02 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0.05 0.36 0.39 0.26 0.13 0.05 0.02 _ 6.0 0.15 -0.28 -0.24 0.11 0.36 0.36 0.25 0.13 0.06 0.02 7.0 0.30 0.00 -0.30 -0.17 0.16 0.35 0.34 0.23 0.13 0.06 0.02 8.0 0.17 0.23 -0.11 -0.29 -0.10 0.19 0.34 0.32 0.22 0.13 0.06 0.03 _ 9.0 -0.09 0.25 0.14 -0.18 -0.18 -0.06 0.20 0.33 0.31 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 _ 10.0 -0.25 0.05 0.25 0.06 0.06 -0.23 -0.01 0.22 0.32 0.29 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 5.0 -0.18 -0.33 Phổ FM điều chế đơn âm fm với giá trị mf khác nhau: 0.98 mf = 25 mf = 2.4 mf = 12 12 fc fc fc Hình 4.21 Trang 55 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Trang 56 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Băng thông tín hiệu điều tần FM Về lý thuyết độ rộng băng thông cao tần tín hiệu FM vô lớn, nhiên thực tế quy định giới hạn băng thông FM đến thành phần phổ biên J n (m f )  0.01J o(m f ) Băng thông tính theo công thức: BFM  2(f  f m ) với: fm - tần số tín hiêu điều chế tần thấp băng gốc Băng thông 3dB mạch cao tần phải lớn băng thông tính theo công thức để không méo Công suất tín hiệu điều tần FM Tổng công suất cao tần tín hiệu điều tần không đổi, công suất sóng mang điều chế Gọi Vc biên độ độ sóng mang FM không điều chế tải R, ta có công suất sóng mang: PC (m f )  Vc2  PTotal 2R Công suất FM có điều chế: PFM ( m f )  PC ( m f  0)[ J o2 ( m f )  J12 (m f )  J 22 ( m f )   J n2 ( m f )] FM dải hẹp (NBFM) dùng thông tin loại FM với độ di tần (515)KHz FM dải rộng có tính chống nhiễu cao dùng phát FM Stereo, tiếng TV, vi ba, truyền hình vệ tinh Độ di tần cực đại FM dùng phát tiếng TV 75 KHz 4.3.2 Điều chế pha PM Biểu thức tín hiệu điều pha: y PM (t )  Vc cos c t  k p m(t ) Xét trường hợp tín hiệu điều chế sin đơn tần: m(t) = Vmcosωmt y PM (t )  Vc cos c t  k pV m cos  m t   Vc cos c t  m p cos  m t  đó: mp = kpVm - hệ số điều chế Biểu thức giống biểu thức tín hiệu điều tần FM nên trình phân tích phổ, băng thông công suất giống Với hệ số điều chế cho trước tương quan biên độ, phổ công suất PM FM hoàn toàn Sự khác biệt phổ PM FM phân biệt tăng giảm tần số tín hiệu điều chế fm : PM: mp = kpVm – không phụ thuộc vào fm k V  f FM: m f  f m  – tỷ lệ nghịch với fm  m m fm Do PM có mp không phụ thuộc vào fm nên băng thông tín hiệu PM nhỏ FM, nhiễu tỷ số tín hiệu nhiễu S/N lớn điều kiện Tuy nhiên, FM sử dụng rộng rãi phát quảng bá trình lịch sử tồn máy thu FM đơn giản, rẻ máy thu PM Điều chế pha số PSK – dạng đặc biệt điều chế pha PM ứng dụng rộng rãi thông tin số Trang 57 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.3.3 Mạch chế tần số FM dùng Varicap +VCC CB +VCC RFC CB R1 C1 R3 L CB VR CB v0 R2 C2 Re C3 R5 VDC m(t) Cv R4 Hình 4.22: Mạch chế tần số FM dùng Varicap mạch dao động dạng Clapp Tần số dao động mạch:  (t )  C (t )  đó: LC (t ) 1 1    C1 C C  C v (t ) C  C v (t ) C v (t )  C0 (do C1 , C2 >> C3 + Cv)  2[V DC  m(t )] với C0 điện dung varicap điện áp phân cực ngược Khi tín hiệu điều chế (m(t) = 0): CV  C v  C0  2VDC Đây tần số trung tâm tín hiệu điều chế số FM Trang 58  0  L(C  C v ) Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.3.4 Mạch điều chế tần số FM dùng PLL k m(t) kA Phase VDC LPF Detector vd Amp v0 k0 f0 = fFM VCO fN Hình 4.23: Sơ đồ mạch điều chế FM dùng Phase Locked Loop Tín hiệu điều chế m(t) so với điện áp VDC so pha → tín hiệu ngõ so pha: v d  m(t ).VDC Nếu m(t) có tần số nằm dải thông lọc thông thấp LPF thì: v  k A vd  k AVDC m(t ) Điện áp v0 làm thay đổi tần số ngõ VCO lượng là: f  f  f N  k v0  k k AV DC m(t )  m f m(t )  f  f N  m f m(t )  f FM Đây tần số điều chế FM với tần số sóng mang tần số dao động tự nhiên fN PLL Để có tín hiệu điều chế FM độ di tần phải nhỏ dải khóa PLL: f  B L k k AVDC m(t )  k k A k  VDC m(t )  k Trang 59 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.3.5 Mạch giải điều chế tần số FM dùng PLL k fFM = fN + mf m(t) kA Phase vd LPF Detector v0 Amp k0 VCO fN Hình 4.24: Sơ đồ mạch giải điều chế FM dùng Phase Locked Loop PLL giải điều chế cài đặt tần số dao động tự nhiên với tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vào Sự sai lệch tần số tín hiệu FM ngõ vào fFM tần số dao động tự nhiên VCO fN tạo điện áp ngõ ra: v0  f  fN mf f  FM  m( t ) k0 k0 k0 Đây tín hiệu giải điều chế Để tín hiệu giải điều chế không méo dải khóa PLL phải lớn độ di tần tín hiệu FM ngõ vào 4.3.6 Phát FM Stereo Nhu cầu phát FM đến năm 1945 nâng cao Người ta mong muốn truyền tín hiệu điễn tả âm hai kênh trái phải riêng biệt mà giữ FM mono truyền thống Từ nhu cầu trên, tín hiệu L + R truyền thống người ta truyền thêm tín hiệu L – R phương pháp ghép kênh FDM 19k 50 L + 15k L+R 50 15k 23k Delay Điều chế FM + R - 53k 38k Điều chế cân L-R 38k 50 15k x2 OSC - 19 kHz Hình 4.25: Sơ đồ khối mạch tạo tín hiệu FM Stereo Trang 60 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 50 LPF – 15k 15k + L+ R 2L Giải điều chế FM 23k 38k BPF 23k – 53k Cộng hưởng 19k 53k Giải điều chế cân 38k - L-R 2R 50 15k x2 Hình 4.26: Sơ đồ khối mạch giải mã tín hiệu FM Stereo Tần số 19kHz gọi tần số pilot dùng để khôi phục lại sóng mang 38kHz phục vụ cho giải điều chế cân Trang 61 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy PHẦN 2: BÀI TẬP (2 tiết) Cho tần số sóng mang AM 1MHz, biên độ 100V tải 50 Tín hiệu điều chế: m (t )  V1 cos 2f1t  V2 cos 2f t ; f1 = 1kHz, f2 = 5kHz a Hệ số điều chế tương ứng: mA1 = 0.2, m A2 = 0.3 b Vẽ phổ tín hiệu AM Tính công suất tín hiệu? Xác định tần số tín hiệu điều chế lớn sử dụng mạch tách sóng hình bao có R = 10k, C = 1000pF m = 0.5 Cho VCO có độ nhạy k0 = 3kHz/V, điều chế tín hiệu m(t) = 2sin(2ω.4kHz)t (V) tần số sóng mang trung tâm f0 = 1MHz a Tìm độ di tần f? Hệ số điều chế m f b Viết biểu thức tín hiệu FM biết biên độ sóng mang 10V? Cho tín hiệu FM: vFM = 1000cos[2ω107t + 0.5cos2ω104t] (V) tải anten 50 a Tính công suất FM? mf? f? b Tính độ nhạy điều chế kf Vm = 200mV? Vẽ phổ FM In a AM system, what is meant by the following terms: modulating signal, carrier, and modulated wave? For an envelope with Vmax = 40V, Vmin = 10V, determine: a Unmodulated carrier amplitude b Peak change in amplitude of the modulated wave c Coefficient of modulation For a modulation coefficient m = 0.2 and a carrier power Pc = 1000W, determine: a Sideband power b Total transmitted power For a AM–DSB wave with an unmodulated carrier voltage of 25V and a load resistance of 50Ω, determine: a Power of unmodulated carrier b Power of unmodulated carrier and the upper and lower side frequencies for a modulation coefficient m = 0.6 Determine the maximum modulating signal frequency for a peak detector with the following paramaters: C = 1000pF, R = 10kΩ, and m = 0.5 Repeat the problem for m = 0.707 10 For a FM modulator with modulator with modulation index m = 2, modulating signal vm(t) = Vmsin(2π2000t), and an unmodulated carrier vc(t) = 8sin(2π800kHzt): a Determine the number of sets of significant sidebands b Draw the frequency spectrum showing the relative amplitudes of the side frequencies c Determine the bandwidth d Determine the bandwidth it the amplitude of the modulating signal increases by a factor of 2.5 Trang 62 [...]... 3.4k Điều chế cân bằng BPF LSB 72k OSC fc = 72 KHz + 72k K4 BPF 0.3 – 3 .4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân bằng BPF USB 72k Hình 4. 19: Sơ đồ khối của thiết bị ghép kênh FDM 4 kênh Trang 52 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy BPF LSB Bal Mod 1 BPF    x 12 kênh thoại B = 48 KHZ O,33 ,4 108 KHZ Bal Mod 2 BPF BPF LSB    x 12 BPF 1 x +    60 kênh thoại B = 240 KHZ 612 KHZ 1 04 KHZ... sin  c t  m cos( c   0   m )t  cos( c   0   m )t  2 4 Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 4: v4  Vm V cos( 0   m )t cos  c t  m cos( c   0   m )t  cos( c   0   m )t  2 4 Qua bộ cộng: v SSB (t )  v3  v4  Vm cos( c   0   m )t 2 Trang 51 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4. 2.3 Ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing).. .Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Dạng tín hiệu ra: Tc = 1 vo(t) Tm = fc 1 fm t(µs) Hình 4. 15 Dạng phổ và tín hiệu DSB sau khi qua mạch lọc thông dải: V0 v0(t) t 40 50 f(KHz) Hình 4. 15 4. 2.2 Điều chế SSB: Điều chế đơn biên (SSB - single side band): quá trình điều chế tạo một biên tần (biên trên hoặc biên dưới) của tín hiệu AM Việc thực hiện phức tạp hơn nhưng băng thông. .. x 64 KHZ sub carrier 1 nhóm 12 kênh cấp 1-FDM    2 x    + x 600 kênh thoại B = 2520 KHZ 3396 KHZ 5 64 KHZ 3    x    42 0 KHZ 5 nhóm cấp 1 = 60 kênh = 1 siêu nhóm FDM cấp 2    x + (U 600) 3 148 KHZ    x 1116 KHZ 10 siêu nhóm = 1 nhóm chủ FDM cấp 3 Hình 4. 20: Sơ đồ khối của một hệ thống ghép kênh FDM 600 kênh thoại Trang 53 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4. 3... 0. 34 0.32 0.22 0.13 0.06 0.03 _ 9.0 -0.09 0.25 0. 14 -0.18 -0.18 -0.06 0.20 0.33 0.31 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 _ 10.0 -0.25 0.05 0.25 0.06 0.06 -0.23 -0.01 0.22 0.32 0.29 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 5.0 -0.18 -0.33 Phổ FM điều chế đơn âm fm với các giá trị mf khác nhau: 0.98 mf = 25 mf = 2 .4 mf = 2 12 12 fc fc fc Hình 4. 21 Trang 55 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Trang 56 Bài giảng. .. _ _ _ _ 2 .4 0 0.52 0 .43 0.20 0.06 0.02 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.5 -0.05 0.50 0 .45 0.22 0.07 0.02 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ 3.0 -0.26 0. 34 0 .49 0.31 0.13 0. 04 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ 4. 0 -0 .40 -0.07 0.36 0 .43 0.28 0.13 0.05 0.02 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0.05 0.36 0.39 0.26 0.13 0.05 0.02 _ 6.0 0.15 -0.28 -0. 24 0.11 0.36 0.36 0.25 0.13 0.06 0.02 7.0 0.30 0.00 -0.30 -0.17 0.16 0.35 0. 34 0.23 0.13... bá, thông tin vi ba thoại v.v… FDM sử dụng kỹ thuật điều chế SSB truyền đồng thời nhiều tín hiệu băng hẹp trên một kênh truyền dẫn băng rộng Các kênh băng hẹp được phân kênh theo tần số không chồng lấn nhau nhờ các sóng mang khác nhau: K1 BPF 0.3 – 3 .4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân bằng BPF LSB 64k 64k OSC fc = 64 KHz K2 BPF 0.3 – 3 .4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân bằng + BPF USB 64k + K3 BPF 0.3 – 3 .4 KHz... rẻ hơn máy thu PM Điều chế pha số PSK – dạng đặc biệt của điều chế pha PM được ứng dụng rộng rãi trong thông tin số Trang 57 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4. 3.3 Mạch chế tần số FM dùng Varicap +VCC CB +VCC RFC CB R1 C1 R3 L CB VR CB v0 R2 C2 Re C3 R5 VDC m(t) Cv R4 Hình 4. 22: Mạch chế tần số FM dùng Varicap và mạch dao động dạng Clapp Tần số dao động của mạch:  (t )  C... với C0 là điện dung của varicap khi điện áp phân cực ngược bằng 0 Khi không có tín hiệu điều chế (m(t) = 0): CV  C v 0  C0 1  2VDC Đây chính là tần số trung tâm của tín hiệu điều chế tấn số FM Trang 58  0  1 L(C 3  C v 0 ) Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4. 3 .4 Mạch điều chế tần số FM dùng PLL k m(t) kA Phase VDC LPF Detector vd Amp v0 k0 f0 = fFM VCO fN Hình 4. 23: Sơ... cách thông tin vì không truyền công suất sóng mang lớn vô ích và chỉ có một biên Hiệu quả sử dụng công suất cao Tỷ số S/N máy thu SSB lớn hơn AM do nhiễu giảm Phương pháp lọc (pp1): Để có tín hiệu SSB cần triệt sóng mang phụ cuả tín hiệu AM, còn lại hai biên DSB (Double -sideband), sau đó lọc lấy một biên nhờ BPF m(t)  vDSB VLO(t) = cosct Hình 4. 16 Trang 49 BPF vSSB Bài giảng điện tử thông tin Biên