Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu về Tín hiệu và các hệ thống điện tử.
Chơng Tín hiệu hệ thống điện tử 1.1 Kh¸i niƯm chung vỊ tÝn hiƯu TÝn hiƯu lµ biĨu hiƯn vËt lý cđa tin tøc Trong kü thuật điện tử , tin tức đợc biến đổi thành dao động điện từ điện từ Nh nói cách khác tín hiệu dao động điện- tõ cã chøa tin tøc VÝ dô mirco biÕn đổi tiếng nói thành dòng điện gần nh liên tục theo thời gian ,gọi tín hiệu âmm tần Tín hiệu điện từ sơ khai vừa nói ta gọi chung tín hiệu sơ cấp Khi nghiên cøu tÝn hiƯu ngêi ta thêng biĨu diƠn nã lµ hàm biến thời gian biến tần số Tuy nhiên biểu diễn tín hiệu ( điện áp dòng điện ) hàm biến thời gian thuận lợi thông dụng Nếu ta biểu diễn tín hiệu hàm s(t), t biến thời gian tín hiệu tuần hoàn không tuần hoàn s(t) = s( t + nT);n=0,1,2 (1.1.) Khi s(t) thoả mÃn điều kiện (1.1) thời điểm t s(t) tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T ( T nhận giá trị nhỏ nhất) Nếu không tìm đợc giá trị hữu hạn T thoả mÃn (1.1) tức T tiến tới vô ( T) s(t) tín hiệu không tuần hoàn u(t) Um t T Hình 1.1 Điện áp hình sin Trong tín hiệu tuần hoàn thông dụng tín hiệu có dạng hình sin (dao động điều hoà ) nh hình 1.1.Dao động đợc biểu diễn hàm điều hoà: u a) u c) u t u b) u (t) =Um sin(t + ) t d) t t Hình 1.2.Các dạng xung thông dụng (1.2) Um , tơng ứng biên độ, tần số góc pha ban đầu tín hiệu Với cách biểu diễn tín hiệu hàm thời gian , tín hiệu đợc chia thành dạng dạng liên tục ( hay tơng tự - analog) dạng rời rạc ( hay tÝn hiƯu xung -digital) Trong thùc tÕ thêng sư dụng dạng xung nh hình 1.2 : a)xung vuông ,b) xung ca, c) xung nhọn đầu, d)xung hình thang 1.2 Một số thông số đặc tÝnh cđa tÝn hiƯu 1.2.1 Phỉ cđa tÝn hiƯu Một tín hiệu liên tục nh rời rạc thờng gồm nhiều thành phần tần số Ví dụ nh tiếng nói ngời dao động phức tạp, gồm tần số âm thành phần hài có biên độ pha khác Tần số tiếng nói nằm khoảng 80 1200 Hz giọng nói định §Ĩ t×m hiĨu tÝn hiƯu, ngêi ta thêng biĨu diƠn phụ thuộc biên độ pha tín hiệu vào tần số đồ thị Đồ thị gọi tơng ứng phổ biên độ phổ pha tín hiệu a.Phổ tín hiệu tuần hoàn Nếu tín hiệu s(t) tuần hoàn với chu kỳ T thoả mÃn điều kiện: (1.1) s(t) dt phân tích thành tổng vô số dao động điều hoà (công cụ toán) chuỗi Fourrier dạng: s(t) A (a k cos k1t b k sin k1 t ) k 1 (1.2) Ao Ak cos ( k1 t k 1 k ) hay s(t ) C K e jk1t (1.2)’ k Trong ®ã: A b k AK T T T s( t ) d t; a k T T T s( t ) cos k1dt s( t ) sin k1dt a k b k ; k arc tg b k a k (1.3) ω 1 2π T - TÇn số góc sóng k = 1,2,3,4 AK,K -tơng ứng biên độ pha sóng hài bậc k Chuỗi (1.2) gọi chuỗi Fourrie.Nó có thĨ biĨu diƠn díi d¹ng phøc nh (1.2)’ Chó ý ,theo (1.3) : s(t) hàm chẵn bk , s(t) hàm lẻ th× ak sÏ b»ng Trong (1.2)’ th× C C k e j k gọi biên độ phức (Chữ C K có dấu chấm phía trên) sóng hài bậc k , đợc xác định theo biểu thức (1.3) hc (1.3)’: T jkω1 t Ck dt s( t )e T T 10 (1.3) Nh dao động tuần hoàn phân tích thành tổng vô số dao động điều hoà với tần số 1-là tần số bội k1 , gọi sóng hài bậc k với biên độ AK góc pha đầu K U(t) U0 a) b) T t t 71 10 1 1 21 41 51 Hình 1.3 Đồ thị biên độ Ak(k) cho ta phổ biên độ;đồ thị Argument A k -tức k (k) cho ta phỉ pha cđa tÝn hiƯu.Trong kü thuật ngời ta thờng quan tâm đến phổ biên độ Ví dụ xét phổ dÃy xung vuông tuần hoàn vô hạn hình 1.3.a.DÃy xung điện áp u(t) có chu kỳ lặp T=5 S ,độ rộng xung tX=1 S, độ h cao xung 25 Von.Ta tìm phổ tín hiệu theo công thức (1.3) (1.3) Tín hiệu nàycó dạng hàm toán học không chẵn không lẻ nên tiện dùng công thức (1.3) Tần số : 2 2 1,25664.10 rad / s 1 256 640 rad / s; f1 200 000 Hz T 2 5.10 C k T T u ( t )e U T j U T (e jk1 t dt k1 t jk1 t e jk1 X j e T t X U e j X k1 t X U T )e j e k1 t sin k1t X k t j X e k1 C«ng thøc chung cho phỉ đợc viết dạng tổng (1 2).Theo công thức vừa nhận đợc ta có phổ biên độ 2U sin( k1 Ck Tk1 tX ) t ;phæ pha lµ K k1 X Ta quan tâm đến phổ biên độ : Theo công thức(1.3) : s( t ) C k e jk1t C k e j k e jk1t C k e j ( k1t k ) k k k1 t d X k BiĨu thøc nµy triĨn khai theo công thức Ơle với k=0, , ,± 3… ta , ± , ± ,± 3… ta ,± , ± , ta ta ta thấy phần hàm sin bị triệt tiêu,chỉ phần hàm cosin có biên độ gấp lần nên CK: A0=C0, A1=2C1, A2=2C2 ta Ak=2Ck 11 ( X jk 1 2U T jk1 t 2U T Thành phần C0 (ứng với k=0)phải đợc tính đa hàm dạng hàm sin x : lim x x tX t sin k1 X U t 2U t X 2U t X C0 X t Tk1 T T k 0 T k1 X Khi k0 biểu thức đợc tính : 2U 2U U t t 2 t X Ck sin( k1 X ) sin( k ) sin( k X ) 2 Tk1 T k T Tk T Theo sè liÖu cho trªn tX/T=1/5=0,2 2U sin k1 C 25.0,2 5; C k nên 7,958 sin(0,2 k) k Kết phổ biên độ bảng 1.1 Bảng 1.1 K Ck 5 4,677 3,784 2,223 1,169 -0,779 -1,081 Ak 9,354 7,568 4,443 2,238 -1,558 -2,162 IAkI 9,354 7,568 4,443 2,238 1,558 2,162 0,946 1,892 1,892 10 0,519 1,038 1,038 Hình 1.3b phổ biên độ tín hiệu tuần hoàn trên.Chúng gồm vạch phổ biên độ theo trục tung nên ngời ta gọi phổ vạch phổ tuyến tính.Từ ta thấy với sóng hài bậc cao biên độ giảm b.Phổ tín hiệu không tuần hoàn Khi tín hiệu s(t) không tuần hoàn ngời ta biểu diễn tích phân Fourrier nh sau: s(t)= 21 S ( j)e j t d (1.4) Trong hàm S (j) đợc xác định: S (j ) s(t) e j ω t dt (1.5) Ta xÐt ý nghÜa cđa hµm S (j): BiĨu thøc (1.4) cho ta thấy tín hiệu s(t) đợc trình bày nh tổng vô số dao động diều hoà (vì ejt =cost+j sin t) với biên độ phức vô bé : d A S ( j)d (1.6) Từ (1.6) ta đợc: dA S ( jω) 2π d ω 12 (1.7) Quan hÖ (1.7) cho thÊy S (j) mật độ biên độ phức s(t) h b) S() a) tX t 2 tx H×nh 1.4 a) xung vuông b) dạng phổ Đồ thị modun Argument S (j) cho ta tơng ứng phổ biên độ phổ pha tín hiệu Ví dụ,tìm phổ xung vuông hình 1.4a có thời gian tồn từ đến tX với độ cao h t t t j j t t sin x j t jt 2 j t e e e e S( j) he jt dt h h2 e 2 h x t j j x t sin x j t x e S X t x x X x x x x Trong S=h.tx diện tích xung sin Phổ biên độ hàm I S(j)I = S tx có dạng hình 1.4.b tx Nh phổ biên độ cho ta hình ảnh phân bố biên độ theo tần số ,tức sợ phân bố lợng tín hiệu theo tần số 1.2.2 Một số đặc tính tín hiệu a)Trị số trung bình tín hiệu Khi truyền tín hiệu đờng truyền thời gian tồn tín hiệu thời gian kênh thông tin bị chiếm dụng Nếu tín hiệu s(t) tồn khoảng thời gian từ t1 đến t2 trị số trung bình tín hiệu đợc tính theo công thøc: t s(t)Tb= s( t ).dt t t1 t (1.8) b)Năng lợng, công suất trị hiệu dụng tín hiệu Năng lợng Ws tín hiệu s(t) tồn khoảng thời gian từ t1 đến t2 đợc xác định nh sau : t2 WS = s ( t ).dt (1.9) t1 Công suất trung bình Ptb tính theo công thức : t Ptb = WS s2 (t ).dt t t1 t t t1 (1.10) 13 TrÞ sè hiƯu dơng Shd cđa tín hiệu xác định theo biểu thức Shd = t t1 t2 s (t ).dt (1.11) t1 c) Dải động tín hiệu Dải động tín hiệu đặc trng cho mức cờng độ tín hiệu tác động lên thiết bị Nó tỷ số trị số cực đại cực tiểu công st tÝn hiƯu tÝnh b»ng dexibel(dª-xi-ben - db): Ddb = 10 lg S (t ) max S (t ) = 20 lg S ( t ) max S ( t ) [db] (1.12) 1.3 C¸c hƯ thống điện tử thông dụng Ngày khó tìm thấy lĩnh vực hoạt động ngời mà tham gia trực tiếp gián tiếp thiết bị điện tử Một hệ thống điện tử nh đợc thiết kế để giải nhiều chức nh truyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực tính toán, đo ®¹c, ®iỊu khiĨn tù ®éng vv Cã thĨ dùa vào đặc điểm chung để phân chia hệ thống điện tử thành hai dạng : - Hệ thống hở, thông tin truyền theo chiều định - Hệ thống kín ngợc lại, thông tin truyền theo hai chiều chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt thông tin truyền theo chiều ngợc có vai trò định đa hệ thống kín đến trạng thái làm việc tối u Theo chức xử lý tín hiệu ta chia hệ thống điện tử thành ba loại nh sau : 1.3.1.Hệ thống thông tin quảng bá Đây hệ thống kinh điển, kể từ thủa sơ khai kỹ thuật điện tử giữ nguyên giá trị , đợc tiếp tục phát triển để phục vụ ngời trao đổi tin tức, số liệu, hình ảnh Ngày ta thấy nối mạng thông tin viễn thông, mạng internet toàn cầu để phục vụ trao đổi lợng thông tin khổng lồ lĩnh vực trị, đời sống văn hoá, kinh tế, nghiên cứu khoa học, quân Hình 1.5 sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quảng bá Nguồn tin tức (mệnh lệnh, ca, hình ảnh ) qua thiết bị biến đổi đợc biến đổi thành tín hiệu điện tần số thấp Ta gọi tín hiệu tín hiệu sơ cấp Muốn truyền đợc tín hiệu sơ cấp cần phải có đối tợng truyền Trong kỹ thuật vô tuyến điện đối tợng dao độngđiều hoà có có tần số cao làm nhiệm vụ tải tin nên gọi dao động tải tin sóng mang fo Muốn sóng mang tải đợc tín hiệu sơ cấp cần phải trộn tín hiệu sơ cấp vào tải tin Quá trình trộn, tức trình cho tín hiệu sơ cấp tác động vào tham số tải tin, bắt tham số phải biến thiên theo quy luật 14 Bộ biến đổi Điều chế Kh.đại phát Dao động sóng mang Máy phát Môi tr ờng truyền tin Nhiễu Nguồn tin Mạch vào Máy thu Kh.đại cao tần Nhận tin Tách sóng Kh.đại trung tần Trộn tần Dao động ngoại sai Biến tần Hình 1.5.Sơ đồ khối hệ thống thông tin quảng bá tín hiệu sơ cấp,gọi trình điều chế(modulation) Sản phẩm trình điều chế dao động cao tần biến điệu theo dạng tín hiệu sơ cấp,gọi tín hiệu đà đợc điều chế tín hiệu vô tuyến điện(tín hiệu VTĐ) Tín hiệu đợc khuếch đại cho đủ lớn để phát vào môi trờng truyền tin Môi trờng không gian thông tin vô tuyến điện, môi trờng đờng dây - thông tin hữu tuyến điện môi trờng truyền tin tín hiệu có dao động điện từ khác ta gọi chung nhiễu Tại máy thu tÝn hiƯu cÇn thu cã tÇn sè tÝn hiƯu hữu ích f th từ ăng ten đờng dây đa đến mạch vào để loại bớt nhiễu vào khuếch đại cao tần Khuếch đại cao tần khuếch đại khoảng dới chục lần đa vào trộn ®Ĩ trén víi dao ®éng néi bé tÇn sè fng ( gọi dao động ngoại sai), để lấy tÇn sè trung gian (trung tÇn ftt - thêng ftt = fng - fth ).Tần số trung tần tần số cố định nên tần số cần thu fth thay đổi tần số ngoại sai fng phải thay đổi theo Bộ trộn dao động ngoại sai lập thành biến tần hay đổi tần.Vì dải tần số trung tần cố định nên khuếch đại trung tần dễ dàng thực với hệ số khuếch đại lớn, độ chọn lọc (lọc nhiễu) cao.Nh phải diễn trình đồng thời hiệu chỉnh tần số mạch vào , mạch khuếch đại cao tần mạch dao động ngoại sai,goi tất đồng chỉnh Trên sơ đồ khối ngời ta biểu diễn đồng chỉnh đờng đứt nét Sau khuếch đại trung tần tín hiệu đợc tách sóng (giải điều chế demodulation), tức trình ngợc lại với trình điều chế để nhận đợc tín hiệu sơ cấp.Tín hiệu đợc khuếch đa đến nhận tin Toàn thiết bị nằm đờng truyền từ nguồn tin đến nơi nhận tin lập thành kênh thông tin.Kênh thông tin chiêù hai chiều,có thể hũ tuyến vô tuyến kết hợp vô-hữu tuyến Hệ hthống thông tin quảng bá xây dựng theo sơ đồ khối hình1.5 có đặc điểm sau: -Đặc điểm thứ : hệ thống hở,tín hiệu từ nơi nhận tin tác động trở lại nơi phát tin Chất lợng truyền tin có trung thực, xác hay không nơi phát nhận biết đợc Để nâng cao chất lợng truyền tin cần nâng cao chất lợng thiết bị thu thiết bị phát độc lập 15 - Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn máy phát trình tách sóng máy thu hai trình ngợc nhằm tạo tín hiệu vô tuyến tách tin tức từ tín hiệu vô tuyến -Đặc điểm thứ ba là: môi trờng truyền tin có nhiều loại nhiễu tác động (nhiễu công nghiệp, nhiễu thiên nhiên, nhiễu đài phát khác tạo nên ) nên việc khắc phục nhiễu giải pháp kỹ thuật khác để tăng chất lợng thông tin vấn đề quan trọng -Đặc điểm thứ t là: phải giải vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với loại kênh thông tin Đó vấn đề cần đợc lựa chọn tối u :vấn đề dạng điều chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách môi trờng truyền tin, chất lợng máy thu ,giá thành sản phẩm 1.3.2.Hệ thống đo lờng điện tử: Đại đa số đại lợng vật lý cần đo ngành kỹ thuật ( đo nhiƯt ®é, ®é Èm, tèc ®é chun ®éng vËt thĨ, tốc độ vòng quay, nồng độ hạt, nồng độ dung dịch,theo dõi nhịp tim ) ngày thờng thiết bị đo điện tử Sơ đồ khối rút gọn thiết bị đo điện tử có dạng nh hình 1.6 Bộ biến đổi đầu vào(các cảm nhận-còn Đại lợng Bộ biến Gia công Thiết bị gọi senser hay cần đođổi đầu vào tín hiệu hiển thị datchic) có nguồn tin nhiệm vụ biến Hình 1.6 Sơ đồ khèi hƯ thèng ®o lêng ®iƯn tư ®ỉi tham sè đại lợng vật lý cần đo dạng tín hiệu điện Tín hiệu mang thông tin đại lợng vật lý đợc gia công xử lý để kích thích cho thiết bị thị Trong thiết bị đo ngày ta thấy lên đặc điểm sau : Thø nhÊt: Sù can thiƯp bÊt kú cđa thiết bị đo vào đối tợng cần đo làm cho đối tợng cần đo không đứng cô lập với thông số thực cần biết nữa, nghĩa đà có sai lệch thông tin tự nhiên thiết bị đo làm biến đổi thông số đối tợng Thứ hai: Mọi cố gắng tăng độ xác phép đo thờng làm tăng tính phức tạp, giá thành thiết bị; đồng thời có nguyên nhân sai số cần đợc quan tâm Bộ biến đổi đầu vào ( sensor hay datchic ) khâu định độ nhạy, độ xác phép đo Thứ ba: Thiết bị đo xây dựng theo nguyên tắc tơng tự (analog) số (digital) tuỳ theo yêu cầu mức xác Các thiết bị đo lờng số có độ xác cao cho phép nối ghép trực tiếp thiết bị đo với hệ thống xử lý số liệu lu giữ thông tin Với loại nguyên tắc nêu áp dụng hai phơng pháp: đo trực tiếp ( trực tiếp biến đổi đại lợng cần đo để khôi phục giá trị đo từ thông số đầu vào ) gián tiếp cách so sánh với mẫu chuẩn máy đo Thứ t: Trong thực tế thờng phải đo lúc nhiều thông số trình, cần có nhiều cảm biến đầu vào tơng ứng làm việc chung với kênh xử lý, gia công thông tin thu đợc từ khối thị nhờ điều khiển để phân chia kênh điều chỉnh tốc độ đo Ngày nhiều máy đo ngời ta sử dụng vi xử lý trung tâm với chơng trình đà đợc cài đặt sẵn để tự động thực phép đo 1.3.3.Hệ thống tự động điều chỉnh tự động ổn định Đây hệ thống kín đợc sử dụng rộng rÃi hệ tự động điều chỉnh vài thông số trình làm việc có đờng tín hiệu 16 ngợc phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh Ví dụ xét sơ đồ khối hệ tự động khống chế nhiệt độ nh hình 1.7 Nhiệt độ đối tợng cần theo dõi ( ví dụ nh lò nung ) đợc biến đổi thành tín hiệu điện Ux thông qua biến đổi đợc so sánh với giá trị chuẩn U ch (ứng t0x Ux t0x Đối tợng cần khống chế Bộ biến đổi Uchuẩn Bộ so sánh Tạo tín hiệu chuẩn U = Ux - Uchuẩn Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ tự động khống chê đối tợng đo Cơ cấu chấp hành Khuếch đại sai lệch Hiển thị kết với mức nhiệt độ định) Tại so sánh , hai tín hiệu U x Uch đợc so sánh mức nhiệt độ định) Tại so sánh , hai tín hiệu U x Uch đợc so sánh với ®Ĩ cho kÕt qu¶: -NÕu ®é sai lƯch b»ng đối tợng trạng thái chuẩn nên không cần điều chỉnh, nghĩa nhánh phản hồi không hoạt động ( nhiệt độ đo nhiệt độ chuẩn) -Nếu độ sai lệch khác0và có giá trị dơng tøc lµ U = Ux - Uch > ( tức t0x >t ch , nhiệt độ đo lớn nhiệt độ chuẩn) sai lệch U đợc khuếch đại tác động vào cấu chấp hành điều chỉnh t0x theo hớng giảm để đạt đợc U = - Nếu độ sai lệch có giá trị ©m, tøc lµ U = Ux - Uch < trình diễn ngợc lại Qua ví dụ ta thấy hệ thống điện tử tự động điều chỉnh có đặc điểm sau: Thứ nhất:luôn xảy trình thông tin hai chiều với tham gia nhiều vòng phản hồi để liên tục theo dõi đối tợng nhằm ổn định vài thông số vùng hạn định Thứ hai: Mức độ xác trình phụ thuộc vào biến đổi, so sánh, độ xác nguồn tín hiệu chuẩn nh cấu chấp hành Nh hệ thống phản hồi định chất lợng hệ thống Thứ ba: Việc điều chỉnh diễn liên tục ( analog) gián đoạn theo thời gian (digital) để đạt đợc giá trị trung bình mong muốn Phơng pháp digital tỏ có nhiều u điểm phơng pháp analog 1.4.Các dạng tín hiệu điều chế Nh phần đà nêu, hệ thống thông tin quảng bá cần có trình điều chế Không hệ thông tin vô tuyến điện cần có điều chế mà hệ máy đo lờng, hệ tự ®éng ®iỊu chØnh cịng cÇn ®iỊu chÕ tÝn hiƯu.ë ë ta xét sơ lợc dạng tín hiệu điều chế.Dùng tín hiệu sơ cấp (ký hiệu u(t) ) để điều chế sóng mang u 0(t)=U0m cos(0t+0) dao động điều hoà tần số cao.Sóng mang có ba tham số biên độ U 0m,tần số 0=2f0 góc pha đầu , nên có ba cách điều chế điều chế biên độ, điều chế tần số điều chế pha, cho tơng ứng ba tín hiệu tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần tín hiệu điều pha 1.4.1 Tín hiệu điều biên AM(Amplitude Modulation) Để có đợc tín hiệu điều chế biên độ(gọi tắt tín hiệu điều biên) ta cho tín hiệu sơ cấp u(t) tác động lên biên độ sóng mang u 0(t), bắt biên độ sóng mang biến thiên theo quy luật hàm sơ cấp u(t) 17 a.Điều biên đơn âm Đầu tiên xé trờng hợp đơn giản ta với tín hiệu sơ cấp u (t) dao động hình sin đơn âm (là tần số âm thanh) xét với chu kỳ tồn nh đồ thị hình 1.8a u(t)=Umcos (t+)= Umcos (2Ft+) (1.13) Dao động sóng mang ( h×nh 1.8b) : u0(t) = U0m cos (ot + 0 ) = Uom cos(2f0 + 0 ) (1.14) Theo định nghĩa tín hiệu điều biên có biểu thức: u®b (t) [U m hu (t )] cos(0 t 0 ) U m [1 hU m cos(t )] cos(0 t ) U 0m U m [1 m cos(t )] cos(0 t 0 ) (1.15) Trong biểu thức h số, biểu mức độ thâm nhập tín hiệu sơ cấp vào sóng mang(phụ thuộc vào mạch điều biên); s(t) t h.U m a) m gọi độ sâu U 0m u0(t) số điều biên t b) uđb(t) §êng bao cđa tÝn hiƯu t c) H×nh 1.8 §å thị mô tả nguyên lý điều biên Để tách sóng không bị méo o m Biểu thức (1.15) cho phép ta biểu diễn tín hiệu điều biên nh đồ thị hình 1.8 c Từ đồ thị ta thấy biên độ tín hiệu điều biên biến đổi theo quy luật tín hiệu sơ cấp tin tức chứa đờng bao tín hiệu điều biên Biểu thức (1.15) biến đổi dạng: uđb(t) u m cos(0 t 0 ) mU m cos[(0 )t 0 ] mU 0m cos[(0 )t 0 ] (1.16) BiÓu thøc (1.16) cho ta thÊy tín hiệu điều biên có ba thành phần:thành phần thứ sóng mang tần số góc 0, biên độ U0m ,thành phần thứ hai có tần số góc 18 (0 + ) biên độ mU 0m gọi thành phần biên trên,thành phần thứ ba udt U m cos( t h U m cos t dt 0 ) U m cos o t h U m sin t (1.18) U m cos 0 t m dt sin t 0 Trong ®ã mđt = hU m độ sâu số điều tần,thờng mđt>>1 Hình 1.11b biểu diễn đồ thị dao động điều tần tín hiệu điều chế đơn âm (h1.11a).Tín hiệu điều tần hình 1.10.b có tần số(hay chu kỳ ) biến thiên theo giá trị tức thời tín hiệu hình 1.10.a Biểu thức tín hiệu điều pha có dạng :uđf = U0mcos[0t + h.u(t) + o ] (1.19) Nếu u(t) đơn âm nh (1.13) u (t) a) t uđt(t) b) t Hình 1.11.a) Tín hiệu đơn âm b) Tín hiệu điều tần đơn âm uđf(t) = U0mcos [0t + h u(t) + 0]= U0mcos [0t + m ®f cost + 0] (1.20) Trong mđf = hUm gọi độ sâu số điều pha Ta biết tần số pha có quan hệ chặt chẽ với nên điều pha làm cho tần số biến thiên ngợc lại điều tần làm cho pha biến thiên Nh vậy, tín hiệu điều tần điều pha tin tức nằm biến thiên tần số pha tín hiệu đà đợc điều chế Cuối cần nhấn mạnh thêm đặc điểm quan trọng tín hiệu điều chế : tín hiệu điều biên công suất phụ thuộc vào độ sâu điều chế, tín hiệu điều tần độ sâu điều chế không định công suất Nghĩa tín hiệu điều tần có điều chế cực đại điều chế công suất nh nhau.Tuy nhiên có phân bố lại lợng thành phần tần số trình điều chế 1.5.phân loại sóng vô tuyến điện theo tần số đặc điểm trình truyền sóng 1.5.1.Phân loại sóng vô tuyến điện Tín hiệu vô tuyến đợc phân loại nh 1.2 Bảng phân loại sóng vô tuyến điện Bảng 1.2 Số Dải Sóng Bớc sóng Tần sè LÜnh vùc TT Tªn chung Tªn riªng Sãng dài (LW) Sóng siêu dài Sóng dài (10010)K m 10km 1km f 30 Khz 30 300Khz ứng dụng Thông tin , phát , vô tuyến ®Þnh vÞ 21 Sãng trung (MW) Sãng trung 1km100m Sãng ng¾n (SW ) Sãng ng¾n 100m 10m Sãng cùc ng¾n (SCN) 300khz3 Mhz 30 Mhz Thông tin liên lạc,phát Phát FM, thông tin liên lạc , Ra đa, truyền hình ,VT định vị 30 300Mhz Sóng met 10 1m Sóng đêximet Sãng centimet Sãng milimet 1m 1dm 300Mhz3 Ghz 30 Ghz NhiỊu miỊn øng dơng 10 1cm 30300 10 Ghz 1mm Sóng vô tuyến điện dao động điện từ đợc truyền không gian với tốc độ ánh sáng (C = 3.108m/s) Sóng vô tuyến đợc xạ từ đài phát sóng cao tần Ngời ta thờng phân loại sóng vô tuyến theo bớc sóng (hoặc tần số ) sóng mang Bớc sóng khoảng cách mà sóng đợc mét kho¶ng thêi gian b»ng mét chu kú cđa dao ®éng Bíc sãng thêng tÝnh b»ng mÐt, centimet, milimet Tần số sóng đợc tính Hz, Khz = 103 Hz, Mhz = 106 Hz, Ghz =109 Hz , Thz = 1012 Hz Độ dài bớc sóng tần số liên hệ với theo công thức: [m] = 300 000 000 300 f [ hz] f [ Mhz] (1.21) Sóng vô tuyến nằm dải tần số khác có đặc điểm khác đợc ứng dụng với mục đích khác 1.5.2.Cấu tạo môi trờng truyền sóng Môi trờng truyền sóng không gian bao quanh trái đất, tức bầu khí trái đất Lớp khí có độ cao tính từ mặt đất khoảng 2000 3000km, chứa hỗn hợp khí chủ yếu Nitơ, hyđrô, ôxy nớc Khí đợc chia thành nhiều tầng, tầng ảnh hởng đến trình truyền sóng khác nhau.Các tầng theo thứ tự là: Tầng đối lu: Là tầng khí thấp có chứa đủ thành phần khí nêu Tầng có độ cao từ 10 18km Tầng bình lu: Tầng bình lu nằm tầng đối lu, thành phần chủ yếu nớc hầu nh không ảnh hởng đến trình truyền sóng vô tuyến điện Tầng điện ly: Tầng điện ly nằm tầng bình lu đóng vai trò định việc truyền sóng vô tuyến điện, đặc biệt với sóng trung sóng ngắn Do tác dụng tia mặt trời, tia vũ trụ, chất khí bị ion hoá làm xuất hạt điện tích dơng âm Tuỳ theo mật độ hạt mang điện mà ngời ta chia tầng điện ly lµm nhiỊu líp: Líp D lµ líp thÊp có độ cao khoảng 90km, lớp xuất ban ngày cờng độ tia mặt trời mạnh Líp E ë ®é cao 130km Líp F độ cao 130km 22 Vào ban ngày mùa hè cờng độ tia mặt trời mạnh nên lớp F lại chia thành hai lớp F1 F2 Lớp F1 độ cao khoảng 200 km, F2 - 400 km Tõ líp D ®Õn líp F mật độ hạt mang điện tăng dần Các tầng khí nằm tầng điện ly có mật độ loÃng nên hầu nh không ảnh hởng đến trình truyền sóng vô tuyến điện 1.5.3.Các phơng pháp truyền sóng Hình 1.12 mô tả sơ lợc phơng pháp truyền sóng -Đờng sóng đất, sóng lan truyền sát bề mặt trái đất -Đờng truyền trực tiếp, sóng truyền thẳng theo đờng chim bay từ trạm phát đến trạm thu -Đờng truyền qua tầng điện ly, sóng truyền nhờ tợng phản xạ nhiều lần theo đờng khác tầng điện ly mặt đất -Đờng đờng truyền qua vệ tinh viễn thông +Sóng dài bị mặt đất hấp thụ có khả uốn cong theo hình dáng bề mặt trái đất, ngời ta thờng dùng sóng đất để truyền sóng dài.Đặc biệt vùng hàn đới, ôn đới việc truyền sóng đất ổn định nên dùng cho mục đích thông tin, ph¸t Sãng cã thĨ trun xa tíi 3000km Tuy nhiên nhợc điểm cách truyền sóng công suất phải lớn, ăng ten thu- phát phải cao Sa tel lite llit te a S e 4 3 Comm Tower Satellite dish Comm Tower Mặt trái đất Hình1.12.Các dạng đ ờng truyÒn sãng Satellite dish Comm Tower + Sãng trung cã thể truyền theo hai cách: Hoặc sóng đất sóng điện ly ( gọi sóng trời ) Ban ngày sóng trung đợc truyền sóng đất, bớc sóng dài khoảng cách truyền xa ( truyền đạt tơí 3000km) Ban ngày không truyền theo sóng điện ly tồn lớp D có khả hấp thụ sóng trung mạnh, bớc sóng dài hấp thụ sóng tăng Ban đêm lớp D nên sóng trung truyền sóng đất sóng trời Sóng điện ly có cự ly truyền lớn nên đêm sóng trung có khả truyền xa + Sóng ngắn đợc truyền chủ yếu sóng điện ly Nếu chọn bớc sóng thích hợp sóng phản xạ từ tầng điện ly, phần bị tầng điện ly hấp thụ không đáng kể nên sóng phản xạ nhiều lần tầng điện ly bề mặt trái đất Do vậy, ta thực đợc thông tin hai điểm trái đất ta chän bíc sãng thÝch hỵp Bíc sãng thÝch hỵp bớc sóng nhỏ bớc sóng giới hạn gh ( < gh) NÕu chän bíc sãng lín h¬n bớc sóng giới hạn phản xạ từ tầng điện ly, chọn lớn nhiều sóng không phản xạ từ tầng điện ly Bớc sóng giới hạn gh phụ thuộc vào mật độ hạt mang điện tầng điện ly, ®ã bíc sãng giíi h¹n sÏ biÕn ®ỉi theo mïa, ngày đêm Thờng ban ngày truyền sóng có bớc sóng nằm khoảng 1025 m, ban đêm 35 50 m tốt 23 Do sóng điện ly từ điểm phát đến điểm thu phản xạ theo nhiều đờng khác nên pha sóng đến điểm thu khác Nếu sóng ngợc pha chúng triệt tiêu làm cho biên độ giảm, chúng đồng pha biên độ tăng Do biên độ tín hiệu thu đợc lúc tăng lúc giảm cách ngẫu nhiên Hiện tợng ngời ta gọi tợng pha đinh Hiện tợng pha đinh nhợc điểm sóng điện ly + Sóng cực ngắn không phản xạ từ tầng điện ly mà không uốn cong theo bề mặt trái đất nên truyền thẳng Nghĩa điểm thu điểm phát (đỉnh ăng ten ) phải nhìn thấy Vì mặt trái đất cong nên thực tế thông tin thực đợc cự ly 50 60 Km Muốn truyền đợc xa phải chuyển tiếp trung gian qua trạm mặt đất vệ tinh địa tĩnh 1.6 Sơ lợc lọc tần số : Khi phân tích loại tín hiệu ta thấy có loại phổ gồm hữu hạn thành phần tần số (ví dụ tín hiệu điều biên AM) có loại phổ vô số thành phần tần số nhng lợng chủ yếu tập trung dải tần số hạn hẹp (ví dụ tín hiệu điều tần FM) Một công việc quan trọng trình xử lý tín hiệu máy điện tử lọc lấy tần số hữu ích, loại bỏ tần số có hại Chức đợc thực mạch lọc điện hay đơn giản gọi mạch lọc 1.6.1 Khung cộng hởng đơn a.Khung cộng hởng nối tiếp Một mạch lọc đơn giản khung cộng hởng đơn gồm điện cảm L, điện dung C điện trở R nh hình 1.13a.Vì mạch lọc phức tạp thờng đợc xây dựng từ mạch đơn giản nên ta xét trình vật lý diễn Trong hầu hết trờng hợp điện trở R thờng không mắc vào mạch mà điện trở tổn hao mạch bao gồm điện trở tổn hao cuộn cảm L, chất điện môi tụ C dây nối Đầu tiên ta xét khung cộng hởng LC lý tởng không tổn hao (R=0 ) hình 1.13b Giả sử trớc đóng khoá K lợng đợc nạp cho tụ C (ở dạng điện trờng ) điện áp UCmax , tức lợng điện trờng tích tơ C lµ WE = C U 2max 2 L R C L C + E _ H×nh 1.13 a)Khung céng h ëng cã tæn hao b)Khung céng h ëng lý t ëng Khi kho¸ K bËt vỊ vị trí tụ C bắt đầu phóng điện sang điện cảm L, điện cảm L nạp điện dới dạng từ trờng dòng điện iL tăng dần Dòng đạt giá trị cực đại Ilmaxđúng vào lúc tụ C vừa phóng hết, nghĩa toàn lợng tụ C đợc chuyển sang điện cảm L Năng lợng từ trờng điện cảm lúc cực đại có giá trị : WL = L I max Tiếp tới điện cảm phóng điện dòng i L giảm dần tụ C có điện áp Ucmax nhng có dấu ngợc với dấu khởi đầu Quá trình phóng nạp qua lại 24 tụ điện điện cảm diễn theo quy trình xác định,đặc trng phơng trình vi phân sau : d2 u c u c d2 u c (1.22) hay r u c 0 dt LC dt (1.22) phơng trình dao động điều hoà Nghiệm có dạng : uC (t) = U Cmcos 2fr t (1.23) Tơng tự ta tìm đợc quy luật biến thiên dòng điện: iL(t) = Ilmsin2fr t (1.24) UCm, ILm biên độ điện áp uc(t) dòng điện uC(t) iC(t)=iL(t) Đồ thị biểu diễn độ biến uc ic thiên điện áp (1.23) dòng t điện (1.24) hình 1.14 iC(t) Hình 1.14.Điện áp dòng diện hình sin Tần số fr (1.23)và (1.24) tần số cộng hởng khung dao động LC Nghịch đảo fr chu kỳ T dao động, thời gian từ lúc bắt đầu phóng lúc nạp lại giá trị ban đầu điện dung điện cảm Nh chu kỳ T tần số f r (r=2fr) có quan hệ đơn trị với L C Trị số đợc xác định từ trị số modun trở kháng điện dung điện cảm, tức : r L r C nªn r= LC [rad/s] ; fr = [1/s=hz] LC Sự biến thiên trở kháng XL= Lvà XC = C (1.25) có dạng nh ë h×nh 1.15 XP k = XL - XC thành phần phản kháng khung cộng hởng Khi tần số nhỏ tần số cộng hởng r mạch mang tính dung kháng, lớn tần số cộng hởng mạch mang tính cảm kháng Với khung cộng hởng thông số r, fr, T đặc trng thông số quan trọng sau đây: - Trở kháng sóng tỷ số điện áp C dòng điện qua L,tìm từ trị số lợng XL cực đại đợc nạp L C : Xpk r XC Hình1.15.Trở kháng L C 25 2 WM=L I L m WE=C U C m 2 L C (1.26) Trờng hợp vừa xét trờng hợp mạch điện tổn hao (r = 0), dao động kéo dài vô tận Trong mạch thực có điện trở tổn hao r , dao động tắt dần tắt nhanh trị số r lớn Đối với khung cộng hởng cã ®iƯn trë tỉn hao r 0,ngêi ta ®a kh¸i niƯm hƯ sèphÈm chÊt Q: Q= ρ r (1.27) Có thể chứng minh lúc dòng điện mạch biến thiên theo quy luật hình sin tắt dÇn : iL(t) = ILm Q T t sin2fr t (1.28) e Quan hƯ (1.28) cã ®å thị thời gian hình 1.16 Tỷ số QT τ k π (1.28) gäi lµ h»ng sè thêi gian khung cộng hởng k đợc xác định khoảng thời gian mà biên độ dòng điện giảm e lần so với giá trị cực đại ( dòng giảm đến trị số 0,37ILm ) Thực tế r tần số dao động ’r kh¸c víi r: 'r 2r r r2 r r r r LC r L 2L 2L 2 C Tuy nhiªn thờng lấy gần r r Nếu trị số r lớn khung không phát sinh dao động tắt dần mà dao động tắt ngấm Trờng hợp ứng víi r r , tøc 2L lµ Q 0,5 Thêng sư dơng khung dao ®éng cã hƯ sè phÈm chÊt Q n»m kho¶ng: 10 20 < Q < 200 300 Đôi ngời ta sử dụng khái niệm hệ số tổn hao d=1/Q để đánh giá chất lợng khung cộng hởng Chế độ xét chế độ dao động tự mạch RLC nèi tiÕp Trong thùc tÕ thêng sư dơng chÕ độ dao động cỡng bức: khung dao động đợc nuôi nguồn suất điện động hình sin, có tần số xÊp xØ tÇn sè céng hëng r cđa khung dao động (hình 1.17) Nếu nguồn mắc nối tiếp với L C khung cộng hởng gọi nối tiếp Lúc biên độ dòng điện là: I m Khi = r th× Im(r) = 26 U ng m Z U ng m r = U ng m r L C (1.29) ; biên độ điện áp điện cảm điện dung lµ: UmL(r) = Im(r).r L = Ungm.Q; UmC(r) = Im ωr C = Ung m.Q C iL(t) ung(t) t L r Hình 1.16 dòng điện iL(t) tắt dần Hình 1.17Khung cộng hởng nối tiếp Nh = r, biên độ điện áp L C gấp Q lần biên độ điện áp đặt vào mạch, ta nói mạch trạng thái cộng hởng Dòng điện mạch tần số có biên độ phụ thuộc vào tần số nh sau: I m I m r r r L c 2 2 Q r2 2 ω ω r ω ω r 1 Q ω2 2 (1.30) Khi sư dơng khung céng hëng để lọc tín hiệu ta thờng xét tần số lân cận tần số cộng hởng nghĩa + L 2r; - r = - ®é lƯch tần số tuyệt đối Lúc (1.30) có dạng : Im ω Im ωR 2ω Q ωr 2 (1.30) Quan hệ (1.30) cho ta đặc tính biên độ tần số hay đặc tính chọn lọc khung céng hëng (h×nh 1.18) TÝnh chÊt chän läc, tøc khả làm yếu tín hiệu có tần số lệch khỏi tần số cộng hởng, đợc đặc trng dải thông hệ số chữ nhật Dải thông 20,7 dải tần số ứng với mức giảm =0,707 lần đặc tính chọn lọc so với giá trị cực đại ( Hình 1.18) : 0,7= 1- -1 0,707 r Hình 1.18.Đặc tính chọn lọc khung cộng h ởng Theo định nghĩa tõ (1.30) ta cã: 27 2 0,7 Q R 2 0,707 Tõ ®ã ta cã: 0,7= r Q (1.31) Khi hƯ sè phÈm chÊt Q thay ®ỉi giải thông thay đổi tỷ lệ nghịch với Q Tơng tự ngời ta xác định dải 0,1 tức dải tần số ứng với mức giảm 10 lần, ký hiệu 0,1 Hệ số chữ nhật KCN = ,1 ,7 đánh giá mức độ giống hình chữ nhật đặc tính chọn lọc Lý tởng KCN = 1, khung cộng hởng KCN > KCN tiến tới độ chọn lọc cao Ngoài đặc tính biên độ tần số đà xét ta quan tâm đến đặc tính pha tần số; Đó góc lệch pha dòng điện so với điện áp nguồn tần số ®ang xÐt: z()= arc tg ωC arctgQ ω ω r ω r r ω ωL (1.32) Khi tần số xét lân cận tần số cộng hởng () arc tg(2Q ) ωr (1.33) z b Khung céng hëng song song Khi nguồn, điện cảm, điện dung mắc song song ta có khung cộng hởng song song Xét mạch thông dụng hình 1.19.ở chế độ dao động cỡng với nguồn dòng i(t) điện áp khung cộng hởng đợc đặc trng tổng trở Z(j) cđa m¹ch víi: r L Z 2 r C 1 Q2( ) r (1.34) H×nh 1.19.Khung céng h ëng song song Khi = r, = mạch trạng thái cộng hởngZ= Q., tøc lµ cịnggièng nh khung céng hëng nèi tiÕp cộng hởng tổng trở trở Nhng khác vớikhung céng hëng nèi tiÕp, ë ®ã céng hëng tỉng trë cã trÞ sè b»ng r nhá , ë khung céng hëng song song, trë kh¸ng céng hëng rÊt lín, r =0 Điện áp khung cộng hởng : I ng mZ ; điện áp cộng hởng I ngm(r) Z(r) Tơng tự nh khung cộng hởng nối tiếp, đặc tính biên độ tần số là: I ngm z I ngm R z R 28 2 1 Q r 2 (1.35) ... tín hiệu sơ cấp,gọi tín hiệu đà đợc điều chế tín hiệu vô tuyến điện (tín hiệu VTĐ) Tín hiệu đợc khuếch đại cho đủ lớn để phát vào môi trờng truyền tin Môi trờng không gian thông tin vô tuyến điện, ... quát hệ thống thông tin quảng bá Nguồn tin tức (mệnh lệnh, ca, hình ảnh ) qua thiết bị biến đổi đợc biến đổi thành tín hiệu điện tần số thấp Ta gọi tín hiệu tín hiệu sơ cấp Muốn truyền đợc tín hiệu. .. tÇn sè 1.2.2 Mét sè đặc tính tín hiệu a)Trị số trung bình tín hiệu Khi truyền tín hiệu đờng truyền thời gian tồn tín hiệu thời gian kênh thông tin bị chiếm dụng Nếu tín hiệu s(t) tồn khoảng thời
