bài giảng thiết bị thu phát vô tuyến điện

Tín hiệu dịch pha Tín hiệu sau trộn tần Ở một số hệ thống người ta còn đưa giữa bộ điều biến và bộ khuyếch đại một bộ lọc thông thấp LPF, với mục đích xác định rõ nhiễu để giúp cho việc

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

Ths Vũ Đức Hoàn

BÀI GIẢNG THIẾT BỊ THU PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN

DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HẢI PHÒNG – 2014

MỤC LỤC

NỘI DUNG Trang

PHẦN I: MÁY PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN 4

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT VTĐ 4

1.1 Chức năng nhiệm vụ của máy phát VTĐ 4

1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát VTĐ 5

1.3 Các kiến trúc và nguyên lý hoạt động của máy phát VTĐ 6

1.3.1 Direct Conversion Transmitter 6

1.3.2 Two-step Conversion Transmitter 8

CHƯƠNG II: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ ĐIỀU HƯỞNG ANTEN 9

2.1 Khái quát tầng khuếch đại cao tần tín hiệu lớn trong máy mát VTĐ 9

2.2 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại công suất cao tần 9

2.3 Tầng khuếch đại công suất 13

2.4 Bộ điều hưởng anten 14

CHƯƠNG III: ĐIỀU CHẾ VÀ TẠO TẦN SỐ PHÁT 15

3.1 Các phương pháp điều chế tín hiệu trong máy phát 15

3.1.1 Điều chế tương tự 15

3.1.2 Điều chế số 18

3.2 Tạo tần số phát trong máy phát vô tuyến điện 18

3.2.1 Các yêu cầu 18

3.2.2 Các phương pháp tạo tần số phát 18

PHẦN II: MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 21

CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 21

4.1 Khái quát thiết bị thu vô tuyến điện 21

4.1.1 Khái niệm 21

4.1.2 Phân loại máy thu vô tuyến điện 21

4.1.3 Các thông số kỹ thuật của máy thu vô tuyến điện 21

4.2 Các kiến trúc hệ thống máy thu vô tuyến điện 22

4.2.1 Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng.`` 22

4.2.2 Sơ đồ khối máy thu đổi tần 22

4.2.3 Một số hệ thống thu đổi tần thông dụng 23

CHƯƠNG V: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY THU ĐỔI TẦN 28

5.1 Đặc điểm và yêu cầu của mạch vào máy thu 28

5.2 Phân loại mạch vào máy thu 28

5.3 Các tham số của mạch vào 29

5.4 Tầng khuếch đại cao tần trong máy thu 30

5.4.1 Đặc điểm tầng KĐCT trong máy thu 30

5.4.2 Sơ đồ mạch và đặc tính tần số 31

5.5 Tầng đổi tần trong máy thu 31

5.5.1 Bộ tạo dao động nội 31

5.5.2 Mạch đổi tần (trộn tần) 31

5.6 Tầng khuếch đại trung tần trong máy thu 32

5.6.1 Đặc điểm tầng khuếch đại trung tần trong máy thu 32

5.6.2 Yêu cầu đối với mạch khuếch đại trung tần 32

5.7 Tầng tách sóng 33

5.7.1 Mạch tách sóng biên độ 33

5.7.2 Mạch tách sóng tín hiệu đơn biên 33

5.7.3 Tách sóng tần số 33

5.7.4 Tách sóng tín hiệu FSK 33

5.8.Khuếch đại âm tần 33

5.9 Các mạch điều chỉnh trong máy thu vô tuyến điện 33

5.9.1 Mạch tự động điều chỉnh, điều hưởng tần số 33

5.9.2 Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại 34

PHẦN III: KIẾN TRÚC MÁY THU PHÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR 35

CHƯƠNG VI: TỔNG QUAN VỀ SDR 35

6.1 Khái niệm về thiết bị vô tuyến có cấu trúc mềm - SDR 35

6.1.1 Định nghĩa về SDR 36

6.1.2 Đặc điểm của SDR 40

6.2 Cấu trúc của SDR 41

6.2.1 Sự khác nhau giữa SDR với thiết bị vô tuyến cũ 41

6.2.2 Một vài cấu trúc SDR 42

6.2.3 Cấu trúc chung của SDR 43

6.3 Các thành phần cơ bản của SDR 45

6.3.1 Khối cao tần tích hợp 45

6.3.2 Bộ chuyển đổi tương tự - số 46

6.3.3 Mạch xử lý tín hiệu số 46

CHƯƠNG VII: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA SDR 49

7.1 Yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật của SDR 49

7.1.1 Đặc điểm của máy phát 49

7.1.2 Đặc điểm của máy thu 50

7.1.3 Các dải tần số sử dụng 51

7.2 Các cấu trúc máy thu SDR 51

7.2.1 Cấu trúc chuyển đổi trực tiếp 51

7.2.2 Cấu trúc đổi tần nhiều lần 52

7.2.3 Cấu trúc trung tần thấp 53

7.3 Các cấu trúc máy phát SDR 53

7.3.1 Máy phát chuyển đổi trực tiếp 53

7.3.2 Máy phát đổi tần nhiều lần 54

7.3.3 Độ tuyến tính và hiệu suất của máy phát 54

PHẦN I: MÁY PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY PHÁT VTĐ 1.1 Chức năng nhiệm vụ của máy phát VTĐ

Máy phát phải phát đi với công suất đủ lớn và sử dụng phương thức điều chế chính xác để đảm bảo khoảng cách truyền, chất lượng tin chuyển tải tới máy thu sao cho it sai, lỗi nhất

1.1.2 Yêu cầu với máy phát VTĐ

- Đảm bảo cự ly thông tin ( điểm A->B)-> chuyển tải tin tức

- Đảm bảo dải tần công tác ( tần số phát )

- Không sinh hài, gây nhiễu ( nhiễu tần số lân cận )

1.1.3 Phân loại

Có nhiều cách phân loại máy phát VTĐ tuỳ theo mục đích sử dụng, mức công suất ra, hay theo phương thức điều chế, mỗi một phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng cho từng lĩnh vực sử dụng Do đó ta có thể căn cứ vào các yêu cầu để đưa ra phương pháp phân loại tối ưu nhất

a Phân loại theo nhóm công tác:

- Nhóm công tác liên tục: sóng cao tần luôn luôn được bức xạ ra anten

- Nhóm công tác mạch xung : sóng cao tần bức xạ ra anten theo dạng xung không liên tục (trong radar)

b Phân loại theo tần số phát:

Tuỳ theo tần số hoạt động của máy phát đang hoạt động mà ta phân loại ra các loại máy phát:

- Máy phát sóng dài (30KHz ÷300KHz)

- Máy phát sóng trung (300KHz÷3000KHz)

- Máy phát sóng ngắn (3MHz÷30MHz)

- Máy phát sóng cực ngắn (30MHz-300MHz)

c Theo phân loại theo công suất phát:

- Máy phát công suất cực lớn: Pra≥ 100 kW

- Máy phát công suất lớn: 10kW≤Pra<100kW

- Máy phát công suất vừa: 10W≤Pra<10kW

- Máy phát công suất nhỏ: Pra<10W

d Phân loại theo phương pháp điều chế

- Máy phát điều biên (AM- Amplitude Modulation)

- Máy phát đơn biên (SSB- Single Sideband Modulation)

- Máy phát điều tần (FM - Frequency modulation) và máy phát âm thanh nổi (FM stereo)

- Máy phát điều chế số: Khoá dịch biên (ASK), khoá dịch tần (FSK), khoá dịch pha (FSK)…

- Máy phát TLX

1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát VTĐ

Chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát VTĐ là các tham số về điện hoặc phi điện, dùng để so sánh đánh giá chất lượng tính năng hoạt động của các máy phát VTĐ

1.2.1 Các chỉ tiêu về điện

a Công suất phát của máy phát VTĐ

Là công suất của máy phát đưa ra anten để bức xạ ra không gian Công suất này sẽ quyết định cự

ly thông tin của máy phát VTĐ và được gọi là công suất có ích Pt ( công suất đưa ra tải)

Trong máy phát ngoài công suất có ích Pt còn có các công suất tổn hao Pa

b Hiệu suất của máy phát VTĐ

0

t

P P

η=

Pt công suất có ích đưa ra anten

P0 Công suất tiêu tốn năng lượng toàn phần

Tùy theo từng loại máy phát, η của máy phát có thể đạt được từ vài % đến vài chục %

Với máy phát điện tử thế hệ cũ η= vài chục %

Với máy phát ngày nay có thể đạt tới 80-90%

Độ ổn định tần số chủ yếu phụ thuộc vào các tần số dao động chủ Ngày nay để nâng cao độ ổn định tần số của máy phát VTĐ người ta thường dùng các bộ dao động chuẩn bằng thạch anh

- Dải tần điều chế: Dài tần số thực hiện điều chế tin tức

- Độ sâu điều chế: Áp dụng cho các máy phát điều biên (tương tự)

- Đặc tuyến tần số điều chế: là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số điều chế theo tần số

- Méo phi tuyến -> Do tính chất phi tuyến của các phần tử KĐ tạo ra

- Méo tuyến tính (méo biên độ) do các phần tử tuyến tính trong máy gây nên, khả năng KĐ tín hiệu không đồng đều ở những tần số khác nhau

1.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật về kết cấu

Bao gồm các tham số:

- Trọng lượng, thể tích

- Khả năng chịu va đập chấn động cơ học

- Khả năng chịu đựng nhiệt độ và độ ẩm

- Tính thuận lợi cho việc thao tác sử dụng sửa chữa bảo quản

- Hệ số an toàn của thiết bị…

1.3 Các kiến trúc và nguyên lý hoạt động của máy phát VTĐ

Trong một hệ thống truyền thông, máy phát RF chịu trách nhiệm về các vấn đề như: điều biến, chuyển đổi, khuyếch đại và truyền tín hiệu trong không gian bằng cách sử dụng một ănten

Đầu vào phổ biến của máy phát là các tín hiệu tương tự ở dải cơ sở và đầu ra của nó là tần số cao và nguồn tín hiệu cao đã được điều biến

Đầu ra của nguồn, tính chất tuyến tính, năng lực, độ phức tạp của mạch và giá thành là một vài thông số quan trọng trong việc chọn các loại máy phát trong các ứng dụng vô tuyến Lựa chọn kiến trúc là đặc biệt quan trọng trong việc định hướng các hoạt động thích hợp của

hệ thống Có hai kiến trúc được sử dụng nhiều nhất trong các máy phát RF là:

A D

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc máy phát vô tuyến điện

1.3.1 Direct Conversion Transmitter

Trong máy phát kiến trúc Direct Conversion, cả sự điều biến và quá trình chuyển đổi các tín hiệu Baseband chỉ cần một bước (one step) với một máy điều biến Quadrature Modulator, vì vậy mà được gọi là Direct Conversion (hình 1.3)

Các tín hiệu Baseband đầu vào I và Q sẽ

được đưa vào bộ Quadrature Modulator cùng với

tín hiệu LO (đã được đưa qua bộ dịch pha 900

/00) Tín hiệu ở đầu ra của bộ Quadrature

Modulator được đưa qua bộ khuyếc đại nguồn

PA (Power Amplifier) rồi được gửi tới anten phát

thông qua mạch ghép nối và bộ song công (hoặc

chuyển mạch anten) để phát đi

create carrier

Hình 1.3

* Đầu vào của bộ Quadrature Modulator bao gồm:

- Các tín hiệu baseband I và Q, I và Q được tạo ra bằng cách cho thông tin cần phát đã được xử lý (lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa) cho qua bộ tách bit (còn gọi là bộ chuyển đổi nối tiếp/song song)

- Tín hiệu LO được tạo ra bởi bộ tự dao động (Local Oscilator), nó có tần số đóng vai trò tần

số sóng mang, nó sẽ được đưa vào đầu bộ trộn thông qua qua bộ dịch pha

Tín hiệu dịch pha

Tín hiệu sau trộn tần

Ở một số hệ thống người ta còn đưa giữa bộ điều

biến và bộ khuyếch đại một bộ lọc thông thấp

LPF, với mục đích xác định rõ nhiễu để giúp cho

việc thu của bên phía máy thu tốt hơn

- Chỉ sử dụng ở tần số không cao quá

- Rất khó để sử dụng ở tần số cao bởi vì khi đó rất khó kết hợp giữa các phần tử thụ động riêng lẽ trong hệ thống để cho độ chính xác cao Người ta chỉ còn cách là ở tần số cao thì thực hiện riêng rẽ các phần tử thụ động này Lý do phải sử dụng các phần tử thụ động là do yêu cầu của các bộ lọc có chất lượng cao hoạt động ở tần số cao

- Thường xảy ra hiện tượng LO Pulling: Tín hiệu ở đầu ra của bộ khuyếch đại PA thường được đưa tới Anten thông qua một bộ khếch đại truyền, ở đây không chỉ Transmitted Channel mà còn có cả các Adjacent Channels được khuyếch đại Các tín hiệu lân cận này sẽ quay trở lại kết hợp với bộ tự tạo dao động LO, kết quả là ở đầu vào của ănten sẽ bao gồm cả tần số không mong muốn

Trong kiến trúc này chỉ khác là cách đưa

tín hiệu LO vào bộ QuadratureModulator, ở đây

có hai bộ tạo tín hiệu LO1(ứng với tần số f1) và

LO2(ứng với tần số f2) chúng sẽ được trộn với

nhau thông qua một bộ trộn đặt ngoài và được

đưa vào bộ QuadratureModulator thông qua một

bộ lọc thông dải BPF, lúc đó tần số sóng mang ở

đầu ra bộ diều chế và bộ khuếch đại PA sẽ là

Kiến trúc máy phát theo kiểu two step conversion (hình 1.4) được sử dụng rất rộng rãi

ở khắp nơi Hoạt động của nó được chia làm hai bước

Bước 1: Các tín hiệu baseband I và Q được

đưa vào trong bộ Quadrature Modullator

cùng với tần số LO1 để được điều biến và

được chuyển đổi giống như ở Direct

Conversion Ở bước này ta sử dụng bộ tự

tạo dao động LO1 tạo ra tần số f1, tần số

này được gọi là IF (Intermediate

Frequency), để đưa vào bộ Quadrature

Modullator

Bước hai: Tín hiệu ở đầu ra của bộ Quadraturre Modulator được đưa vào một bộ trộn thông

qua bộ lọc thông dải BPF1, cùng với tần số f2 được tạo ra nhờ bộ tự dao động thứ hai LO2, Tín hiệu đã được chuyển đổi qua bộ trộn này được cho qua bộ lọc BPF2 một lần nữa và được gửi tới đầu vào của bộ khuyếch đại PA và gửi tới anten Tần số ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại PA có thể được chọn là (f1+ f2) hay (f1-f2)

* Đánh giá:

Yêu cầu cao về bộ lọc BPF2, bởi vì cả hai bên của dải tín hiệu có năng lượng như nhau

và đòi hỏi một trong chúng phải bị triệt tiêu

CHƯƠNG II: KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TẦN VÀ ĐIỀU HƯỞNG ANTEN 2.1 Khái quát tầng khuếch đại cao tần tín hiệu lớn trong máy mát VTĐ

* Khái niệm:

Tầng khuếch đại cao tần tín hiệu lớn là tầng khuếch đại công suất (KĐCS) cuối trong máy phát làm việc với tần số cao ( tần số phát của máy) có biên độ tín hiệu vào lớn và là tầng phối ghép với hệ thống anten phát

2.2 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại công suất cao tần

Trong máy phát phần quan trọng nhất là tầng khuếch đại công suất cao tần và điều hưởng anten Trong đó tầng khuếch đại công cao tần sẽ quyết định công suất ra tới anten Tùy thuộc vào khoảng cách – yêu cấu cự ly thông tin mà công suất của tầng khuếch đại công suất sẽ quyết định rất lớn đến chất lượng thông tin và khoảng cách truyền tin của chúng Do vậy tầng khuếch đại công suất cần phải quan tâm đánh giá đến các chỉ tiêu kỹ thuật:

- Công suất ra

- Hệ số khuếch đại

- Độ tuyến tính của bộ khuếch đại

- Tính ổn định

- Mức điện áp (công suất nguồn cung cấp)

- Công suất tiêu tán

- Độ méo, hiệu suất

- Chế độ công tác của tầng KĐCS

+ Hệ số khuếch đại công suất KP: là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào:

r P v

P K P

  (2.2) Như vậy nếu công suất đầu

vào là Pv=10mW (tương đương: 10dBm), công suất đầu ra là Pr=1W (tương đương: 103mW, 30dBm) Khi đó hệ số khuếch đại được xác định: KP[dB]=20dB

η= (2.3)

Ngoài các tham số chính trên, trong bộ khuếch đại công suất thì tham số trở kháng vào và ra của bộ khuếch đại Yêu cầu trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín hiệu nhỏ - nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng lớn

Các bộ KĐCS thường sử dụng các phần tử khuếch đại bán dẫn như: transistor, FET…Các chế độ công tác của bộ khuếch đại bao gồm các chế độ: A, B, AB, C…Ở mỗi chế

độ công tác khác nhau thì bộ khuếch đại công suất có các đặc điểm và tính chất khác nhau

a) Chế độ A:

Bộ khuếch đại làm việc trong chế độ A khi phần tử khuếch đại được định thiên với điểm làm việc nằm tronng vùng tuyến tính Tín hiệu ra được khuếch đại đầy đủ cả chu kỳ tín hiệu tương đương với tín hiệu vào Trong tất cả các chế độ khuếch đại thì chế độ A là tuyến tính nhất Song do sử dụng các phần tử khuếch đại là bán dẫn nên đặc tuyến ra của chúng không hoàn toàn tuyến tính

Một điều luôn nhớ rằng khuếch đại tuyến tính đòi hỏi yêu cầu với các tín hiệu điều chế như AM , hoặc điều chế biên độ suy giảm sóng mang SSB, hoặc các phương thức điều chế cầu phương: QAM, QPSK, OFDM Các tín hiệu CW, FM hoặc PM có biên độ không đổi do

đó không yêu cầu bộ khuếch đại là tuyến tính

Nhưng trong chế độ A tồn tại các dòng tĩnh lớn (từ nguồn cung cấp 1 chiều) Nên khi

có tín hiệu vào hình sin thì dòng tĩnh ở đầu ra luôn luôn lớn hơn biên độ của tín hiệu của dòng điện ra Do đó hiệu suất η của bộ khuếch đại chế độ A rất thấp (<50%):

Hình 2.1 Tín hiệu ra trên bộ khếch đại chế độ A

Chế độ A thường được dùng cho tầng khuếch đại công suất đơn yêu cầu độ trung thực tín hiệu cao, công suất ra nhỏ (Pra < 1W)

b) Chế độ B:

Chế độ khuếch đại B của bộ khuếch đại do phần tử khuếch đại được định thiên tạo điểm làm việc tại chế độ B Chế độ B với góc cắt 0

2θ =180 , do đó phần tử khuếch đại chỉ thực hiện khuếch đại một nửa chu kỳ tín hiệu Bộ khuếch đại chế độ B có hiệu suất cao hơn chế độ

A Hiệu suất lý tưởng đạt được vào khoảng π / 4 (78,5%)

Hình 2.2 Tín hiệu ra trên bộ khếch đại chế độ B

Chế độ khuếch đại B được dùng phổ biến trong các mạch khuếch đại công suất đẩy kéo (Push – Pull Amplifier) hình 2.3.a trong cấu hình này mỗi một bóng bán dẫn

sẽ thực hiện khuếch đại từng nửa chu kỳ tín hiệu (nửa chu kỳ âm, nửa chu kỳ dương) Tín hiệu đầu ra được thực hiện tổng hợp lại tín hiệu (dạng đầy đủ) thông qua biến áp ghép đầu ra có điểm trung tính Bộ lọc thiết lập ở đầu ra trên cuộn thứ cấp của biến áp T2 có chức năng sửa dạng tín hiệu sao cho giống với tín hiệu đầu vào bộ khuếch đại

Do đó góc cắt 2θ nằm trong khoảng từ 1800 đến 3600 Và hiệu suất cao hơn chế

độ A nhưng thấp hơn chế độ B (50%< <η 78, 5%)

Hình 2.4 Tín hiệu ra trên bộ khếch đại chế độ AB

Trong thực tế, chế độ công tác AB trong các phần tử khuếch đại, đặc biệt là khuếch đại công suất thường hay sử dụng trong chế độ công tác AB là lai của hai chế

độ A và B Mặc dù về độ tuyến tính không hoàn toàn tốt hơn chế độ A hay về mặt công suất cũng không hơn hẳn B Nhưng lý do được chọn chính bởi quá trình định thiên cho các phần tử khuếch đại làm việc trong chế độ A hoặc B đều có thể rất dễ dàng rơi vào trạng thái bão hòa do nhiều yếu tố khác nhau dễ dẫn tới điểm làm việc bị lệch thiên lớn méo lớn khi tác động của nhiệt Do đó để an toàn người ta định thiên cho các phần tử khuếch đại làm việc trong chế độ AB Đặc biệt với khuếch đại công suất tín hiệu vào lớn do đó chế độ công tác AB dễ dàng thiết lập và thiết kế

Đối với mạch khuếch đại công suất sử dụng phần tử khuếch đại loại BJT trong chế độ công tác AB với trở kháng vào nhỏ do đó trong thiết kế mạch khuếch đại công suất đặc biệt là đối với mạch KĐCS lớn thường sử dụng phần tử khuếch đại loại FET vừa cho công suất lớn và đặc biệt trở kháng vào lớn Hệ số khuếch đại đối mạch khuếch đại làm việc trong chế độ AB có thể đạt tới 3dB cao hơn trong chế độ B Song trong chế độ AB vấn đề xử lý méo cũng là một bài toán cần phải được xem xét tính toán trong quá trình thiết kế

d) Chế độ C:

Trong chế độ C góc cắt 2θ <1800, với dòng Ic =0 và thời gian khóa của phần tử

khuếch đại (transistor) lớn hơn thời gian mở Độ tuyến tính của bộ khuếch đại trong chế

độ C là thấp nhất so với các chế độ khuếch đại khác Hiệu suất có thể đạt tới 85 % cao hơn rất nhiều so với chế độ A và B Chế độ C thường được sử dụng trong khuếch đại tín hiệu xung

Hình 2.5 Tín hiệu ra trên bộ khếch đại chế độ C Hình 2.6.Các chế độ công tác

2.3 Tầng khuếch đại công suất

+ Tiền khuếch đại công suất:

Tiền khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu cho công suất đủ lớn để đưa đến kích thích cho tầng khuếch đại công suất cao tần làm việc Tầng tiền khuếch đại công suất không yêu cầu hệ số khuếch đại lớn mà cần yêu cầu cao về tính trung thực của tín hiệu, dễ dàng phối hợp trở kháng và có khả năng tự điều chỉnh hệ số khuếch đại để đảm bảo mức công suất ra ổn định

Để đảm bảo yêu cầu này, tầng tiền khuếch đại công suất thường làm việc trong chế độ

A (để đảm bảo tính trung thực của tín hiệu khi khuếch đại)

+ Khuếch đại công suất:

Yêu cầu đặt ra đối với tầng khuếch đại công suất là tạo ra ở tải một công suất cần thiết của tín hiệu Công suất ấy do tầng khuếch đại tạo ra phải đảm bảo yêu cầu là tiêu thụ ít công suất từ nguồn nôi và đảm bảo sai lệch phi tuyến, sai lệch tần số trong phạm vi cho phép Ngoài

ra, cần phải đảm bảo cho hiệu suất cao và làm việc hiệu quả ở tần số cao Chính vì thế thông thường người ta hay sử dụng các tầng khuếch đại đẩy kéo để làm tầng KĐCS

Tầng khuếch đại đẩy kéo có ưu điểm là công suất cao, hiệu suất lớn và giảm méo phi tuyến Tầng khuếch đại đẩy kéo gồm hai phần tử mắc chung với tải Với tầng khuếch đại đẩy kéo song song: các phần tử tích cực được mắc ở bên nhánh trái của cầu, nhánh phải của cầu là điện trở tải và có điểm giữa nối với nguồn cung cấp mắc trong nhánh chéo của cầu Ngược lại, trong sơ đồ khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp, nguồn cung cấp có điểm giữa nối với tải, tải nằm trong nhánh chéo của cầu Với sơ đồ khuếch đại công suất đẩy kéo song song thường dùng mạch ghép biến áp với tải tiêu thụ

Hình 2.7 Sơ đồ khối nguyên lý tầng khuếch đại công suất đẩy kéo nối tiếp

+ Phương pháp tự động điều chỉnh công suất:

Để đảm bảo mức công suất đưa ra anten phát ổn định thì trong tầng khuếch đại công suất người ta ghép thêm mạch tự động điều chỉnh công suất (APC – Automatic Power

Control) Ta có thể minh họa hoạt động của mạch theo sơ đồ khối sau:

Hình 2.8 Sơ đồ khối nguyên lý mạch tự động điều chỉnh công suất – APC

Hoạt động của hệ thống: để có thể điều chỉnh công suất ra người ta thường điều chỉnh

hệ số khuếch đại của tầng tiền khuếch đại công suất Bộ cảm biến dòng anten sẽ cảm biến tín

hiệu đưa ra anten thành tín hiệu một chiều về khối so sánh thực hiện so sánh với ngưỡng công suất chuẩn yêu cầu (tùy thuộc vào công suất phát) Tín hiệu sai lệch sẽ đưa ra thành tín hiệu điều khiển hệ số khuếch đại của tầng tiền khuếch đại công suất Nhờ đó mà công suất đưa ra anten luôn được duy trì ổn định

2.4 Bộ điều hưởng anten

Một trong những yếu tố quyết định tới chất lượng của máy phát đó là việc phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại công suất và anten Nếu máy phát sử dụng một tần số thì chỉ cần một anten vì khi đó anten làm việc ở chế độ cộng hưởng (dòng bức xạ của anten là lớn nhất) Song nếu máy phát sử dụng nhiều tần số hoặc phát trên một đoạn tần số thì theo nguyên tắc máy phát phải sử dụng nhiều anten để phát; do đó gây lãng phí, tốn kém, cồng kềnh

Vấn đề đặt ra là với máy phát sử dụng nhiều tần số hoặc trên một dải tần số nào đó mà chỉ sử dụng một anten duy nhất thì chúng ta cần phải có biện pháp mở rộng dải tần làm việc

Để làm được việc đó thì việc giải quyết bài toán liên quan đến việc phối hợp trở kháng giữa anten và tầng khuếch đại công suất sẽ là một giải pháp cho vấn đề này

Hình 2.9 Sơ đồ khối nguyên lý điều hưởng

Nguyên lý hoạt động:

- Khi thay đổi tần số phát, mạch cảm biến công suất ra sẽ cảm biến công suất đưa vào anten Sau đó thông tin từ bộ cảm biến công suất sẽ được đưa tới bộ điều khiển, tại đây sẽ thực hiện so sánh và phân tích và đưa ra tín hiệu điều khiển tới mạch phối hợp trở kháng

- Để công suất ra đạt yêu cầu thì mạch phối hợp trở kháng nhận tín hiệu điều khiển sẽ thực hiện đóng mở các tụ điện, cuộn cảm Quá trình cảm biến công suất và điều khiển được thực hiện đồng thời thông qua mạch điều khiển Các kết quả sẽ được nhớ trong bộ nhớ và được so sánh với nhau thông qua CPU Bộ điều khiển sẽ tiến hành điều khiển cho tới khi kết quả công suất đạt giá trị theo yêu cầu Việc kiểm tra công suất có đạt yêu cầu hay không thông qua thiết bị chỉ báo anten Khi công suất ra đạt yêu cầu thì quá trình đều khiển kết thúc

CHƯƠNG III: ĐIỀU CHẾ VÀ TẠO TẦN SỐ PHÁT 3.1 Các phương pháp điều chế tín hiệu trong máy phát

Trong đó ta có các thông số:A - Biên độ

α t = 0t+ - Góc pha

0

ω - Tần số

ϕ - Góc pha đầu (Pha)

Quy luật biến thiên của một thông số bất kỳ k theo tín hiệu âm tần s( )t , sau khi đã được chọn của tín hiệu cao tần c( )t có dạng thức như sau (Chú ý: Mỗi thông số là 1 hệ số không thay đổi theo thời gian, nhưng khi được chọn làm thông số điều chế nó sẽ là 1 hàm của

thời gian hay gọi là tín hiệu phụ thuộc):

Trong điều chế tín hiệu tương tự được phân ra làm các loại:

- Điều biên (điều chế biên độ): là quá trình làm cho biên độ của sóng mang biến thiên theo tin tức

- Điều tần (điều chế tần số): là quá trình làm cho tần số của sóng mang cao tần biến thiên theo tin tức

- Điều pha: là quá trình làm cho góc pha của sóng mang cao tần biến đổi theo tin tức

b) Điều chế biên độ:

- Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin (sóng mang) biến đổi theo tin tức Giả

sử pha ban đầu của tin tức và tải tin đều bằng 0

Tin tức có dạng tín hiệu mô tả dạng toán học là: u s =U c s os(ω s t)

Sóng mang hay tải tin có dạng: u c=U ccos(ω c t)

Khi đó tín hiệu điều biên có dạng: u AM =(U c+U c s os( )ω s t )cos( )ω c t hay

= gọi là hệ số điều chế

- Từ biểu thức này ta thấy phổ của tín hiệu điều biên bao gồm: thành phần phổ của biên tần trên, thành phần phổ của biên tần dưới và thành phần phổ của sóng mang

Phổ AM (tham khảo trong tài liệu Lý thuyết truyền tin – TS Lê Quốc Vượng)

- Hệ số điều chế m phải thỏa mãn điều kiện: m<1 hoặc m=1 Nếu hệ số điều chế không thỏa mãn điều kiện này thì sẽ xảy ra hiện tượng quá điều chế, lúc này tín hiệu sẽ bị méo

nghiêm trọng

Hình 3.2 Tín hiệu điều biên – AM với các hệ số điều chế khác nhau

* Quan hệ năng lượng trong điều biên:

- Công suất tải tin là công suất trung bình trong một chu kỳ tín hiệu, được xác định bởi công thức: 1 2

** Các chỉ tiêu cơ bản của điều biên:

- Hệ số méo phi tuyền: để giảm hệ số méo phi tuyến ta phải hạn chế phạm vi làm việc của của bộ điều chế trong đoạn tuyến tính Khi đó phải giảm hệ số điều chế m

- Hệ số méo tần số: để dánh giá hệ số này người ta căn cứ vào đặc tuyến biên độ tần số:

M – Hệ số điều chế tại tần số đang xét

*** Các phương pháp điều chế đơn biên:

+ Đặc điểm của điều chế đơn biên:

So với điều biên thì điều chế đơn biên có một số đặc điểm sau:

- Độ rộng dải tần giảm một nửa

- Công suất phát xạ yêu cầu thấp hơn so với cùng một cự ly thông tin

- Tạp âm phía thu giảm, so dải tần của tín hiệu hẹp hơn

+ Điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc:

- Từ phổ của tín hiệu điều biên ta thấy, để có tín hiệu đơn biên chỉ cần lọc đi một biên tần Nhưng trong thực tế không làm được như vậy Khi sóng mang có tần số cao thì việc lọc

và loại bỏ một biên tần sẽ rất khó do lúc này hai biên rất gần nhau, nên hệ số của bộ lọc yêu cầu phải nhỏ trong khi đó việc thiết kế bộ lọc có hệ số lọc nhỏ cực kỳ khó khăn

Vì vậy trong phương pháp lọc để hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc, người ta tiến hành điều chế 2 lần với tần số sóng mang phụ thấp hơn nhiều so với tần số tải tin yêu cầu Sơ đồ khối thực hiện như hình vẽ:

c

Hình 3.3 Sơ đồ khối nguyên lý điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc.

- Nguyên lý hoạt động: Trước tiên, dùng tin tức để điều chế một tải tin trung gian có tần số f1c khá thấp so với tải tần yêu cầu, sao cho hệ số lọc tăng lên để có thể lọc bỏ một biên tần dễ dàng Trên đầu ra của bộ lọc No1 sẽ nhận được một tín hiệu có dải phổ bằng dải phổ của tín hiệu vào ∆ =f s f smax− f smin nhưng dịch đi một lượng bằng f1c trên thang tần số

- Tín hiệu ra từ bộ lọc No1 lại tiếp tục đưa vào bộ điều chế cân bằng 2, trên đầu ra của

bộ lọc điều chế này tín hiệu có phổ gồm hai biên tần cách nhau một khoảng ∆ =f 2f1−2f smin

sao cho việc lọc lấy một dải biên tần được thực hiện một cách dễ dàng bởi bộ lọc 2 Kết quả ra

ta được tín hiệu điều chế đơn biên theo yêu cầu

+ Điều chế đơn biên bằng phương pháp quay pha:

Cả hai tín hiệu us và uc đều được đưa tới bộ dịch pha 900 rồi được đưa tới bộ điều chế cân bằng Nếu đầu ra của cả hai bộ điều chế cân bằng dùng mạch tổng thì ta có tín hiệu đơn biên tần dưới và ngược lại

+ Điều chế đơn biên bằng phương pháp kết hợp (lọc và quay pha):

Tín hiệu tin tức qua bộ lọc dải được đưa vào bộ điều biên cân bằng 1 để điều chế với tín hiệu tải tin u1c Tín hiệu u1c bị dịch pha 900 nên tín hiệu đầu ra của 2 bộ ĐCCB 1 lệch pha nhau 900 Sau đó qua hai bộ lọc thu (Lọc 1, Lọc 2) thu được tín hiệu biên tần trên lệch pha nhau 900 Các tín hiệu này lại tiếp tục qua bộ ĐCCB 2 với tín hiệu sóng mang u2c Tín hiệu u2c

cũng được quay pha đi 900 Kết quả thu được tại đầu ra là 2 biên tần trên lệch pha nhau 1800, hai biên tần dưới đồng pha nhau Qua mạch hiệu ta thu được tín hiệu đơn biên với tải tần yêu cầu

Lọc dải

Lọc 1

Mạch trừ Dịch pha 900

ĐCCB 1

ĐCCB 1 Lọc 2

Dịch pha 900ĐCCB 2

ĐCCB 2

u 1c u 2c

Hình 3.4 Sơ đồ khối nguyên lý mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc và quay pha

Hình 3.5 Mạch điều chế cân bằng: a) dùng diode, b) dùng transistor

d) Điều tần và điều pha:

Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số, pha tức thời của tải tin biên thiên theo dạng tín hiệu điều chế

3.1.2 Điều chế số

a) Khóa dịch biên độ (ASK)

b) Khóa dịch tần (FSK)

c) Khóa dịch pha

Chú ý: Ôn tập và tham khảo các phương pháp điều chế trong: “Lý thuyết truyền tin”

3.2 Tạo tần số phát trong máy phát vô tuyến điện

3.2.1 Các yêu cầu

Bộ tạo tần số phát trong máy phát vô tuyến điện thực hiện chức năng chính tạo tín hiệu sóng mang cao tần có khả năng bức xạ ra không gian phù hợp với phương pháp điều chế tín hiệu được sử dụng trong khối điều chế

Bộ tạo tần số phát có thể thực phát một tần số, nhiều tần số, hoặc đoạn tần số liên tục tùy theo yêu cầu tín hiệu cao tần tạo ra có thể trong dải sóng dài, sóng trung hoặc sóng ngắn phụ thuộc vào từng loại máy phát

Yêu cầu đối bộ tạo tần tần số phát là:

- Phải ổn định, tham số này sẽ quyết định tới độ ổn định về tần số của máy phát

- Tần số tạo ra phải chính xác, có biên độ thích hợp và độ tuyến tính cao khi cần thay đổi tần số phát

3.2.2 Các phương pháp tạo tần số phát

a) Phương pháp cổ điển:

- Sử dụng khung dao động LC tạo thành các mạch dao động kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AGC), trong trường hợp yêu cầu mạch dao động có tần số ổn định cao mà dùng các

biện pháp ổn định thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải… mà vẫn không đảm bảo được ổn định tần số thì có thể sử dụng thạch anh để ổn định tần số

- Đặc điểm các mạch sử dụng phương pháp này thường kém ổn định, mạch cồng kềnh không có khả năng tích hợp Dải tần công tác hạn chế Không phù hợp với các loại máy phát hiện nay

b) Bộ tổng hợp tần số sử dụng PLL trong máy phát VTĐ

- Trong thực tế, người ta thường sử dụng bộ tổng hợp tần số ứng dụng mạch vòng khoá pha PLL (Phase Locked Loop) để tạo ra tần số phát, vì với cách tạo tần số phát bằng phương pháp này sẽ tạo ra được nhiều tần số phát khác nhau, độ ổn định cũng khá cao, đặc biệt là thuận tiện trong quá trình điều khiển và lựa chọn tần số phát cho máy phát

Hình 3.1 Sơ đồ khối của PLL

- PLL hoạt động theo nguyên tắc “vòng điều khiển”, cả hai đại lượng vào và ra đều là tần số, chúng được so sánh với nhau về pha Vòng điều khiển sẽ phát hiện và hiệu chỉnh sai số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra (Ud1=0) Tần số tín hiệu so sánh bằng tần số ra hoặc tỉ lệ với nhau theo hệ số chia

+ Các thành phần cơ bản của PLL

Một bộ PLL bao gồm các khối cơ bản:

- Bộ dao động có tần số điều khiển được (VCO/CCO)

- Bộ tách sóng pha

- Bộ lọc thông thấp

+ Bộ tách sóng pha có nhiệm vụ tạo ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần) của hai tín hiệu vào Các tín hiệu vào có thể là tín hiệu hình sin hoặc dãy xung hình chữ nhật Có hai loại tách sóng pha tuyến tính và tách sóng pha phi tuyến

Tách sóng pha tuyến tính: thường là mạch nhân tương tự, tín hiệu ra của nó tỷ lệ với

biên độ tín hiệu vào

Tách sóng pha phi tuyến: được thực hiện bởi các mạch số, do đó tín hiệu vào thường là

các dãy xung chữ nhật nên tín hiệu ra không phụ thuộc và biên độ tín hiệu vào Các mạch số có thể là mạch AND OR NOT

+ Bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ: nén tần số cao cho qua tần số thấp, đảm bảo cho PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu khi tần số biến đổi (có tốc độ đáp ứng cao) Dải thông của bộ lọc phải đủ lớn để đảm bảo dải bắt cần thiết của PLL (vì dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thông của bộ lọc)

Trong thực tế hay sử dụng các mạch lọc thông thấp loại lọc tích cực hoặc thụ động Nếu dùng lọc thụ động thì đơn giản, độ tin cậy cao và ổn định Nếu dùng lọc tích cực có thể tăng hệ số khuếch đại của hệ thống và có thể dùng hệ số khuếch đại này để điều chỉnh dải bắt của PLL theo ý muốn + Bộ tạo dao động có tần số điều khiển được:

VCO thực chất là bộ tạo tần số điều khiển bằng điện áp Do vậy VCO phải đảm bảo những yêu cầu chung: điện áp điều khiển và tần số dãy xung ra phải tuyến tính, độ ổn định tần số cao đồng thời dải biến đổi tần số theo điện áp rộng dễ điều chỉnh thuận lợi cho việc tổng hợp thành vi mạch

+ Nếu Wv và Wr1 lệch nhau quá nhiều làm cho thành phần (Wv – Wr1) và thành phần (Wv +

Wr1) sẽ nằm ngoài khu vực thông của bộ lọc Khi đó không có tín hiệu điều khiển mạch VCO Khi Wv

và Wr1 tiến lại gần nhau thì lúc này mạch VCO sẽ nhận được tín hiệu điều khiển, khi đó PLL sẽ hoạt động và ta nói PLL làm việc trong dải bắt

+ Dải giữ của PLL là giải tần số mà PLL có thể giữ được chế độ đồng bộ khi thay đổi tín hiệu vào Dải giữ chỉ phụ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển Ud1 và khả năng biến đổi tần số của mạch VCO

+ Tổng hợp tần số:

Thực hiện tạo ra một mạng tần số rời rạc từ tần số chuẩn có độ ổn định cao PLL thực hiện được chế độ giữ pha nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt của các tần số được tạo ra cũng giống như các tần số chuẩn Các phép biến đổi của PLL:

Phép nhân tần số với hệ số nhân N: fr=N.fch

Hình 3.2 Thực hiện tổng hợp tần số dùng PLL

Tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn: tần số chuẩn đưa vào

bộ chia với hệ số chia M, sau đó đưa vào bộ tách sóng pha Tần số ra đưa về hồi tiếp qua bộ chia với hệ số chia N (f0/N) Khi đồng bộ ta được: fch.N=f0.M

Hay ta có: f0=fr=(N/M).fch

Khi thay đổi các hệ số chia N, M được thực hiện chính xác và tự động thông qua điều khiển từ

CPU.`

PHẦN II: MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN ĐIỆN 4.1 Khái quát thiết bị thu vô tuyến điện

4.1.1 Khái niệm

Máy thu vô tuyến điện là một phần trong hệ thống thu phát vô tuyến điện Nhiệm vụ chính của máy thu là chọn lọc tín hiệu, tách tín hiệu tin tức ra khỏi dao động cao tần đã được điều chế Sau đó tín hiệu tin tức được khuếch đại tới mức công suất đủ lớn thực hiện các giải mã cần thiết

và được đưa tới các đầu ra phù hợp

4.1.2 Phân loại máy thu vô tuyến điện

Việc phân loại máy thu có thể dựa theo các chức năng, công suất, chế độ hoạt động, dải tần số làm việc hoặc có thể là dựa vào kiến trúc loại máy thu đó…:

+ Phân loại theo công suất thu:

- Máy thu công suất nhỏ: P < 10W

- Máy thu công suất vừa: 10W ≤ P < 1KW

- Máy thu công suất lớn: P ≥ 1KW

+ Phân loại theo dải tần công tác:

- Máy thu sóng trung: dải tần từ 300Khz÷3MHz

- Máy thu sóng ngắn: 3MHz ÷ 30MHz

- Máy thu sóng cực ngắn: 30MHz ÷ 300MH

+ Phân loại theo phương pháp điều chế:

- Điều chế tương tự: Bao gồm các loại điều chế: Điều chế biên độ(AM ) (đơn biên, đa biên…); điều chế tần số( FM ) , điều chế pha (PM)

- Điều chế số: Với các phương pháp điều chế: ASK (khóa dịch biên độ), FSK (khóa dịch tần số), PSK (khóa dịch pha), BPSK, AFSK….`

+ Phân loại theo kiến trúc máy thu:

- Máy thu heterodyne

- Máy thu image-reject

- Máy thu homodyne

- Máy thu subsampling

4.1.3 Các thông số kỹ thuật của máy thu vô tuyến điện

+ Hệ số khuếch đại (K RX ) của máy thu: là khả năng khuếch đại đối với tín hiệu nhỏ nhất ở

đầu vào máy thu Hệ số khuếch đại quyết định độ nhạy máy thu

+ Độ nhạy của máy thu: là khả năng máy thu có thể tiếp nhận được tín hiệu nhỏ nhất ở đầu

vào mà vẫn xử lý và đưa ra tín hiệu bình thường, không méo với công suất đầu ra danh định

Độ nhạy máy thu được đánh giá qua tỉ số tín hiệu tạp âm S/N (Sign/Noise) thông thường giá trị này vào khoảng 20dB

+ Độ chọn lọc của máy thu: là khả năng thu nhận các tín hiệu mong muốn và làm suy

giảm các tín hiệu khác Người ta định nghĩa độ chọn lọc của máy thu theo tỉ số giữa hệ số khuếch đại đối với tín hiệu và hệ số khuếch đại của nhiễu

Độ chọn lọc của máy thu với kênh lân cận là khả năng máy thu làm suy giảm tín hiệu có tần số lân cận với tấn số thu (±10KHz)

+ Dải tần hoạt động của máy thu: đây là một thông số quan trọng, tham số này nói lên khả

năng thu được dải tần số hay băng tần làm việc của máy thu và độ rộng băng tần thu được Một đặc điểm khác biệt của máy thu vô tuyến điện là dải tần làm việc rộng hơn so với máy phát

+ Chế độ làm việc của máy thu: thể hiện khả năng làm việc và khả năng tách các tín hiệu

tin tức với các loại tín hiệu điều chế khác nhau (máy thu đơn biên, đa biên, máy thu tương tự, máy thu kỹ thuật số)

+ Độ ổn định tần số và độ chính xác tần số: là khả năng máy thu hoạt động ổn định và

chính xác tại tần số thu, tránh hiện tượng trôi tần số sẽ có ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và hiệu suất của máy Chúng được xác định qua tỉ số: Δf/f trong đó Δf là độ sai lệch tần số, f là tần

số thu

+ Độ méo: để đảm bảo máy thu hoạt động với hiệu suất cao và chất lượng tín hiệu tốt (độ

nhạy, độ chọn lọc tần số) thì ảnh hưởng của méo càng thấp càng tốt

Ngoài ra còn một số thông số phụ thuộc vào mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của máy thu như:

- Nguồn cung cấp cho thiết bị

- Công suất tiêu thụ nguồn

- Công suất đầu ra (vd: tai nghe, loa…)

- Đặc điểm về kết cấu, tính cơ học, nhiệt độ và môi trường làm việc

4.2 Các kiến trúc hệ thống máy thu vô tuyến điện

4.2.1 Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng.``

Máy thu khuếch đại thẳng là loại máy thu có nhiều nhược điểm như độ nhạy, độ chọn lọc

và khả năng ổn định tần số kém, dải thông hẹp Do đó loại máy thu có kiến trúc này ngày nay không được sử dụng (hình 4.1)

sóng

KĐ âm tần anten

Hình 4.1 Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng

4.2.2 Sơ đồ khối máy thu đổi tần

Hình 4.2 Sơ đồ khối cơ bản của máy thu đổi tần

Máy thu đổi tần đã khắc phục được những nhược điểm của máy thu khuếch đại thẳng với đặc điểm là khuếch đại tín hiệu ở tần số trung gian sử dụng các bộ khuếch đại chọn lọc (tải là các khung cộng hưởng) nên dễ đạt được hệ số khuếch đại lớn kể cả ở những băng tần sóng ngắn

Ưu điểm của máy thu đổi tần:`

- Độ nhạy máy thu cao

- Hệ số khuếch đại đồng đều trên cả băng sóng

Ở một số máy thu vô tuyến điện có chất lượng cao (độ nhạy, độ chọn lọc, hiệu suất cao), đặc biệt là các máy thu chuyên dụng người ta thường thực hiện đổi tần từ 2 đến 3 lần

4.2.3 Một số hệ thống thu đổi tần thông dụng

đại và đưa vào bộ lọc tần trung thì cuối cùng ta sẽ đưa tín hiệu được về dải tần cơ sở

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu Hecterodyne

- Bộ trộn được xem như mạch nhân analog mà tín hiệu RF được trộn hay nhân với tín hiệu được tạo ra với bộ dao động nội tại (Local Ocilator), ở đây thành phần dao động nội tại điều chỉnh thêm vào thì rất quan trọng với việc ứng dụng của bộ thu heterodyne ví dụ như trong các

thiết bị radio,Tv, vệ tinh và các thiết bị thông tin khác

Dải băng đối xứng phía trên và dưới của dao động nội tại sẽ đổi tần cùng tạo ra tần số IF giống nhau

Phần ảnh được coi như là nhiễu của hệ thống và đo bằng tỉ số SNR và bộ lọc ảnh nhiễu IR (Image reject) lúc này cần được thêm vào.`

- Hệ thống máy thu này là có phát sinh hiện tượng tần số ảnh, để khắc phục lỗi này người

ta thường loại bỏ tần số ảnh bằng việc thêm vào một bộ lọc tại đằng trước của bộ trộn tần

Tín hiệu RF đầu vào được trộn với tín

hiệu dao động nội tại vuông góc ở đầu ra có

tên là sin( ω LO t) và cos(ω LO t) sau đó được đưa

qua bộ lọc thông thấp, tín hiệu tại nút x thì

được thay đổi 900 bởi mạng RC-CR, sau đó sẽ

được cộng với tín hiệu tại nude b, nó có thể

coi là tổng của nút a và b nhằm loại bỏ ảnh và

chỉ giữ lại tín hiệu mong muốn Trong thực

đề liên quan đến mất tương xứng bao gồm lỗi I/Q và sự không chính xác của các tham số R và C

sẽ dẫn đến biến đổi các thông số không tốt cho hệ thống

Mô hình Harley và Weaver đã loại bỏ sự cần thiết phải có bộ lọc để loại ảnh nhưng chúng cũng để lại sự mất tương xứng giữa các pha

Hình 4.4 Kiến trúc máy thu theo mô hình Wearver

4.2.3.3 Hệ thống thu homodyne

Sự phát triển không ngừng của các mạng di động và các dạng thức giao tiếp không dây thì

xu hướng đang tiến tới việc sẽ thu tín hiệu một cách trực tiếp.Việc thu cũng như biến đổi trực tiếp này được đưa ra khái niệm hệ thống homodyne hay là chuyển đổi zero-IF (tần thấp mức 0) `

* Nguyên lý:

- Tín hiệu đầu tiên được khuyếch đại và

loại nhiễu, sau đó sẽ được chuyển đổi trực

tiếp tới dải thông cơ sở hay thậm chí là sẽ

chuyển thẳng tới tín hiệu hiện thời.Khi tần số

của RF và LO là ngang bằng thì nó sẽ tiến

hành công việc được xem như là sự dò

pha.Trong một vài trường hợp, việc thu tín

hiệu sẽ được thực hiện chỉ khi mà dao động

nội bộ được đồng bộ về pha với tần số sóng

mang chuyển tới, sự thu này được gọi là

homodyne

- Zero IF (tần thấp mức 0)

• Giả định rằng IF trong heterodyne được giảm đến 0, thì dao động nội tại sẽ chuyển điểm trung tâm của kênh thu tới 0hz ,và phần của kênh mà được chuyển tới phía âm của trục tần số sẽ trở thành ảnh đối với một phần của kênh tương tự ở phía trục tần số dương

• Để có thể đạt được hiệu quả thu thông tin lớn nhất, chúng ta cần phải

lấy cả hai phần của tín hiệu Điều này sẽ được thực hiện bởi phương thức sau

còn được gọi là đổi tần vuông góc Nguyên lý của phương pháp này là tín

hiệu sẽ được chia làm hai kênh và sẽ được đổi tần thấp bởi một dao động nội bộ, và có pha quay một góc 90 độ với kênh còn lại tương ứng, vector của tín hiệu kết quả được biểu diễn như sau:

- Việc chọn kênh chỉ yêu cầu một bộ lọc thông thấp

- Tần số ảnh được loại bỏ không cần có các mô hình loại ảnh hay bộ lọc

- Không cần bộ trộn, bộ khuyếch đại ở tần số trung gian do không có giai đoạn này

- Hệ thống đơn giản

Nhược điểm:

- Nhược điểm chính của hệ thống này là sẽ có một khoảng rỗi gây ra bởi sự rò rỉ của tín hiệu dao động nội tại đối với sóng vô tuyến RF của bộ trộn, tín hiệu sẽ liên tiếp được phản chiếu

từ các thành phần trong phần phía trước của bộ thu và sẽ trở lại bộ trộn, những khoảng rỗi này tới tín hiệu cần thu

- Một nhược điểm khác của bộ homodyne là gây ra sự mất tương xứng về pha và hướng vuông góc của các tín hiệu trong nó, hay là lỗi I/Q

Giả định rằng sự mất tương xứng về

biên độ là epxilon là về pha là θ thì ta có thể

tính được sự mất tương xứng này trong biểu

θ = thì lỗi được đưa ra là: 1,5.10-3

4.2.3.4 Hệ thống thu mẫu băng con

Hướng phát triển trong thời gian tới là đưa bộ chuyển đổi A/D tới gần như khả năng thu của một anten đối với sóng vô tuyến, tức là lấy mẫu trực tiếp và số hoá tín hiệu RF, tức là việc lấy mẫu (sampling )-giữ mẫu (holding) thực hiện số hoá bởi bộ chuyển đổi A/D có phạm vi hoạt động lớn sẽ là hướng chính của hệ thống thu này

* Lược đồ của bộ thu subsampling trực tiếp:

Hình 4.5 Hệ thống thu mẫu băng con

- Trong đó phạm vi hoạt động của ADC được điều chỉnh bởi bộ AGC (Automatic gain control) qua việc cung cấp tương ứng tín hiệu vào Bộ trộn và bộ tổng hợp (Decimator/Accummulator) hoạt động như bộ lọc thông thấp số, ở đây thay thế cho bộ lọc tương

tự thường có ở trước các bộ thu thông thường

- Ở hệ thống này thường yêu cầu về bộ chuyển đổi A/D có phạm vi hoạt động cao, nhưng

do hạn chế về công nghệ trong việc chế tạo các bộ chuyển đổi A/D hiện nay chỉ khoảng vài trăm Mhz và có chi phí rất cao, do vậy thông thường thì hệ thống subsampling thường có quá trình đổi tần của tín hiệu sóng radio tần số cao xuống mức thấp hơn để phù hợp với khả năng xử lý của bộ A/D

* Nguyên lý:

- Tín hiệu RF đầu tiên được đưa qua

bộ lọc thông dải sau đó được khuyếch đại

lên sau đó lại được qua bộ trộn analog để

đưa xuống dải tần thấp hơn, dải tần này

lại tiếp tục đi qua bộ lọc thông dải sau đó

sẽ được qua quá trình lấy mẫu tạo để tạo

ra một dải băng tần, và việc lấy mẫu cũng

như giữ mẫu sẽ thực hiện bởi mạch điện

của bộ ADC mà chỉ cần lấy một băng con

trong dải băng tần được tạo ra có thông tin

tốt nhất

- Tần số lấy mẫu phải tối thiểu phải gấp hai lần của tín hiệu tương tự f s ≥2f maxđể tránh sự mất thông tin.Tuy nhiên trong việc lấy mẫu thông dải thì tần số lấy mẫu phải gấp tối thiểu hai lần

độ rộng của dải thông của thông tin để tránh được nhiễu danh định f s ≥2B để việc lấy mẫu của tín hiệu thông dải không bị trùng phổ thì mối liên hệ giữa tần số lấy mẫu fs và tần số sóng mang

fc thì có mối quan hệ sau: 4 và 2 , n>>1

- Sự tương xứng về pha và hướng vuông góc trong số là gần như hoàn hảo

- Kỹ thuật này đưa chúng ta rất nhiều thuận lợi trong việc xử lý số tín hiệu một cách linh hoạt chắc chắn cũng như việc chọn kênh

• Nhược điểm

- Nhiễu danh định (aliasing noise)

- Ảnh hưởng của nhiễu trong quá trình lấy mẫu liên tục ( subsampling clock )

CHƯƠNG V: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY THU ĐỔI TẦN

Để hiểu được cấu trúc, chức năng và hoạt động của máy thu đổi tần, ta cần tìm hiểu sâu

và hiểu được các nhiệm vụ các tính năng và đặc điểm của từng khối chức năng của loại máy thu này Trong chương này ta se làm sáng tỏ từng khối chức năng thực hiện trong máy thu đổi tần Một loại máy thu sử dụng rất rộng rãi trong thực tế ngày nay

5.1 Đặc điểm và yêu cầu của mạch vào máy thu

- Mạch vào của máy thu là khối đầu tiên trong máy thu, thực hiện kết nối giữa anten và tầng khuếch đại cao tần (KĐCT) Với cấu trúc gồm hệ thống các khung cộng hưởng để cộng hưởng với tần số hoặc dải tần số tín hiệu cần thu và thực hiện phối hợp trở kháng với anten Tín hiệu vào của tầng này có biên độ rất nhỏ, tần số cao Như vậy, nhiệm vụ của mạch vào là

chuyển tín hiệu cao tần nhận được từ anten thu đến tầng KĐCT và đảm bảo một phần độ chọn lọc của máy thu

- Tùy loại mạch vào của máy thu, mà nó có thể chọn lọc được tần số cần thu hay chọn lọc dải tần số thu hoặc chọn lọc kênh cùng tần số lân cận

Yêu cầu của mạch vào máy thu:

+ Các linh kiện trong mạch phải có hệ số phẩm chất cao, không sinh tạp âm, các tần số cộng hưởng phải ổn định

+ Ở tần số cao có thể lợi dụng các thành phần ký sinh trong mạch (tụ ký sinh) tham gia vào thành phần của khung cộng hưởng

5.2 Phân loại mạch vào máy thu

5.2.1 Phân loại theo dải tần làm việc

Dựa vào dải tần làm việc của mạch vào mà người ta chia ra làm 2 loại mạch vào máy thu:

+ Mạch vào dải rộng:

Loại mạch vào này có khả năng thu nhận tất cả các tín hiệu trong dải tần (đoạn tần số) công tác Có độ rộng dải thông lớn, đặc tính biên độ tần số vào nhỏ Tỷ số S/N cho ra nhỏ, độ chọn lọc kém Nhưng kết cấu mạch nhỏ dễ tích hợp và phù hợp với các loại máy thu có tự động điều khiển

5.2.2 Phân loại theo cấu trúc:

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý một số mạch vào máy thu.

- Mạch vào LC (hình 5.1a):

Mạch vào dùng khung cộng hưởng LC, tần số cộng hưởng f0 được hiệu chỉnh qua trị số của tụ biến đổi: 0 1

2

f

LC π

= Đặc điểm của mạch là đặc tính biên độ tần số nhọn, dải tần hẹp, độ chọn lọc cao song dải tần điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị điều chỉnh C

- Mạch vào RLC (hình 5.1b):

Mạch vào kết hợp giữa cơ cấu LC và điện trở R làm tăng dải tần công tác, song giảm độ chọn lọc Đặc tính biên độ tần số của mạch giảm, điện trở R tham gia trong giải pháp mở rộng dải tần công tác của mạch

- Mạch vào dùng diode biến dung kết hợp khung LC (hình 5.1c):

Mạch là sự kết hợp của diode biến dung (loại diode có điện dung (dung kháng) phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu của diode) và khung LC Mạch vào dạng này có kích thước nhỏ, dải tần công tác lớn Để tăng dải điều chỉnh công tác người ta có thể mắc thêm các mắt lọc LC kết hợp thông qua điều khiển đóng ngắt các mắt LC thông qua điều khiển các rơ le Mặt khác khi

sử dụng loại diode biến dung, giá trị dung kháng có thể điều khiển thông qua điện áp, nên mạch có thể điều khiển có nhớ thông qua bộ xử lý CPU và chíp nhớ Chính vì thế mạch thường hay được sử dụng trong các máy thu dải rộng, tự động điều chỉnh tần số thu

- Mạch vào dùng RC

Đối với loại mạch vào sử dụng RC thường có kích thước khá nhỏ gọn, dải tần công tác khá rộng, song độ chọn lọc, độ ổn định rất kém

- Mạch vào dùng tinh thể thạch anh:

Để tăng độ chọn lọc, ổn định tần số người ta có thể sử dụng tinh thể thạch anh để xây dựng mạch vào có tần số cộng hưởng chính xác Đối loại mạch vào này thường ít sử dụng, nếu có

sử dụng chỉ cho loại máy chuyên dụng thu một tần số, nhỏ gọn và chất lượng cao

5.3 Các tham số của mạch vào

* Hệ số truyền đạt:

Hệ số truyền đạt K là thông số quan trọng của mạch vào, r0

a

U K E

= với Ea – Suất điện động cảm ứng trên anten; Ur0 – Điện áp ra của mạch vào tại tần số cộng hưởng Nếu anten và mạch vào ghép biến áp (hình 5.2) thì hệ số truyền đạt được xác định:

Cg

CkKĐCT

fmin f0 fmax

K K

2

K 2

Hình 5.2 Mạch vào ghép biến áp, đặc tính biên độ tần số.

δ = Do đó đặc tuyến cộng hưởng ở mạch vào luôn yêu cầu

độ nhọn lớn nên δ càng lớn càng tốt Độ chọn lọc δ phụ thuộc vào hệ số phẩm chất Q của các linh kiện trong mạch vào Do đó để tăng độ chọn lọc thì các linh kiện của khung cộng hưởng cũng như các linh kiện của mạch vào đòi hỏi phải có phẩm chất cao, phù hợp với dải tần công tác