1.1.1 Giới thiệu kỹ thuật vô tuyến điện (VTĐ) Vô tuyến điện là một ngành kĩ thuật có chức năng đảm bảo thông tin liên lạc mà không cần có sự hỗ trợ của hệ thống dây dẫn giữa hai địa điểm thu và phát. Nói cách khác, quá trình thu phát thông tin sẽ được thực hiện thông qua khoảng không gian.
CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN Giới thiệu kỹ thuật vô tuyến điện (VTĐ) Vô tuyến điện ngành kĩ thuật có chức đảm bảo thông tin liên lạc mà không cần có hỗ trợ hệ thống dây dẫn hai địa điểm thu phát Nói cách khác, trình thu/ phát thông tin thực thông qua khoảng không gian Nhờ có góp mặt vô tuyến điện mà nhu cầu thông tin liên lạc người đáp ứng cách nhanh chóng phạm vi toàn cầu, trái đất với vệ tinh nhân tạo tàu vũ trụ Ngày nay, vô tuyến điện xâm nhập vào hầu hết lĩnh vực hoạt động người Ta thấy dấu ấn từ ngành bưu viễn thông, truyền thông quảng bá, y tế, hàng không, hàng hải, quân sự, ngành nghiên cứu khoa học vũ trụ, Chủng loại thiết bị vô tuyến điện đa dạng: từ máy thu phát vô tuyến xách tay, đài phát truyền hình trạm liên lạc vệ tinh mặt đất, hệ thống điều khiển không lưu, hệ thống điện thoại di động , Lịch sử phát triển Cuối kỷ XIX nhà khoa học tìm bắt đầu nghiên cứu tính chất sóng vô hình có khả lan truyền khoảng cách xa mà bị yếu Đó sóng vô tuyến điện Vào năm 60 kỷ XIX nhà bác học Maxwell đề lí thuyết môi trường lan truyền sóng vô tuyến điện trường điện từ Đồng thời ông xác định qui luật lan truyền chúng Năm 1988 nhà vật lí người Đức Henric Hertz chứng minh định luật lan truyền, khúc xạ, phản xạ, sóng vô tuyến điện tương tự sóng ánh sáng Năm 1896 lần người ta phát minh máy thu/ phát liên lạc vô tuyến điện GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ Năm 1900 cự li liên lạc vô tuyến điện 45 km Năm 1901 người liên lạc vô tuyến điện thông qua đại tây dương Năm 1904 xuất đèn điện tử góp phần nâng cao cự li liên lạc chất lượng tín hiệu lên cách đáng kể Năm 1912 phát minh ống tia điện tử tạo tiền đề cho việc chế tạo hệ thống truyền hình, thiết bị rađa, máy sóng, Năm 1948, linh kiện bán dẫn đời Một cách mạng tác động tích cực đến công nghệ chế tạo thiết bị vô tuyến điện Kỹ thuật vi mạch làm thay đổi hoàn toàn mặt ngành công nghiệp điện tử vào năm cuối thập kỷ 60 đầu thập kỷ 70 Gần ba thập kỷ cuối kỷ 20 đánh dấu thống trị kỹ thuật vi xử lý Sự phát triển vũ bão kỹ thuật điện tử nói chung kỹ thuật vô tuyến điện nói riêng góp phần đáp ứng nhu cầu thông tin ngày cao người 1.1 NGUYÊN TẮC LIÊN LẠC BẰNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Các loại sơ đồ dùng kỹ thuật vô tuyến điện Để khảo sát thiết bị vô tuyến điện, người ta sử dụng loại sơ đồ sau: a Sơ đồ khối Sơ đồ khối (còn gọi sơ đồ chức năng) loại sơ đồ dùng để mô tả chức thành phần (khối) thiết bị vô tuyến điện, mối liên quan chúng tổng thể Có thể nói loại sơ đồ quan trọng nhất, nhờ ta nắm cách cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị Sơ đồ khối gồm hai dạng: dạng tổng quát dạng chi tiết GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ b Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý loại sơ đồ dùng để mô tả nguyên lý hoạt động mạch điện thông qua cấu tạo chúng từ linh kiện điện tử cụ thể Nó cho phép ta nắm đường tín hiệu, chế độ làm việc mạch điện, cách thức cấp nguồn nuôi, c Sơ đồ lắp ráp Sơ đồ lắp ráp loại sơ đồ dùng để mô tả vị trí lắp đặt khối linh kiện không gian thực tế Sơ đồ lắp ráp gồm hai dạng: dạng tổng quát dạng chi tiết d Sơ đồ đấu dây Sơ đồ đấu dây loại sơ đồ dùng để mô tả cách đấu nối khối thiết bị thông qua hệ thống dây dẫn jack cắm, lược cắm Trong khuôn khổ chương trình học đề cập đến hai loại sơ đồ: sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý Một số khái niệm • Thông tin tin tức (âm thanh, hình ảnh, điện, ) mà đầu thu cần nhận đầu phát cần chuyển • Tín hiệu thông tin mã hoá với mục đích làm cho việc chuyển phát thuận lợi • Nhiễu sóng điện từ mà đầu thu không mong muốn tiếp nhận, tia lửa điện có nguồn gốc từ sấm sét, từ động … • Tầng mạch điện đảm nhận chức hoàn chỉnh Ví dụ : tầng khuếch đại, tầng trộn tần …Trong tài liệu người ta dùng thuật ngữ tương đương khác mạch ( vd : mạch tách sóng … ) • Tần viết tắt tần số Ví dụ : âm tần, cao tần … • Khối tập hợp số tầng có liên quan mật thiết với Nguyên tắc liên lạc vô tuyến điện thông qua sơ đồ khối a Sơ đồ khối tổng quát GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ Thông tin cần chuyển đưa tới máy phát vô tuyến Tại biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng, xử lý cuối đưa anten phát Anten phát phận có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành sóng điện từ tương ứng (bức xạ sóng điện từ) để truyền qua khoảng không gian đến đầu thu Tại đầu thu, sóng điện từ anten thu tiếp nhận biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng Sau đưa tới máy thu vô tuyến để xử lý cuối biến đổi thành thông tin ban đầu Hình 1.1 mô tả trình liên lạc Thông tin Máy phát vô tuyến Thông tin Máy thu vô tuyến Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát b Sơ đồ khối chi tiết : Thông tin fct F F fct⊕F Máy phát VTĐ F F Thông tin Máy thu VTĐ Hình 1.2 Sơ đồ khối chi tiết ĐẦU PHÁT: ( bao gồm máy phát anten phát ) Bộ tạo dao động cao tần (sóng mang ) GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ Tầng khuếch đại cao tần Tầng khuếch đại công suất Bộ biến đổi tín hiệu đầu vào Tầng khuếch đại tín hiệu điện Mạch điều chế ĐẦU THU: ( bao gồm máy thu anten thu ) Mạch vào Tầng khuếch đại cao tần Khối trung tần Mạch tách sóng Tầng khuếch đại tín hiệu điện Bộ biến đổi tín hiệu đầu Thông tin đưa đến biến đổi tín hiệu đầu vào để biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng (tuỳ thuộc vào dạng thông tin ban đầu mà biến đổi tín hiệu đầu vào micro, camera, maníp, ) Để nâng cao mức tín hiệu vào theo yêu cầu người ta sử dụng tầng khuếch đại tín hiệu điện Về mặt nguyên tắc, tín hiệu điện (kí hiệu: F) sau khuếch đại đưa thẳng tới anten phát để xạ không gian Tuy nhiên, ta gặp phải hai khó khăn khắc phục : Yêu cầu phải có hệ thống anten cồng kềnh mà thực tế chế tạo (kích thước anten cần tỉ lệ với bước sóng sóng điện từ - lên tới từ hàng chục đến hàng trăm km) Máy thu phân biệt tín hiệu cần thu nhiễu tín hiệu đầu máy phát khác biệt cần thiết Để giải mâu thuẫn này, người ta dùng tạo dao động cao tần (tầng chủ sóng) nhằm tạo nên dao động điện từ có tần số f ct >> F có nhiệm vụ chuyên chở tín hiệu xa Do vậy, dao động có tên sóng mang Vì bước sóng fct nhỏ nên ta dễ dàng chế tạo hệ thống anten phù hợp Giá trị tần GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ số sóng mang máy phát khác khác nên máy thu dễ dàng chọn lọc tín hiệu cần thu Tín hiệu điện (mang thông tin) điều chế sóng mang (không mang thông tin) Phụ thuộc vào phương pháp điều chế mà ba tham số sóng mang: biên dộ, tần số pha thay đổi theo qui luật phù hợp với qui luật biến đổi tín hiệu điện Khi đó, ta thu tín hiệu cao tần (ký hiệu fct ⊕F ) Quá trình điều chế thực nhờ mạch điều chế Quá trình xảy tầng khuếch đại dao động cao tần, tầng khuếch đại công suất (phương pháp điều chế biên độ) tầng tạo dao động cao tần (phương pháp điều chế tần số pha) Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ nâng cao công suất tín hiệu cao tần lên mức đủ lớn theo yêu cầu thiết kế máy phát vô tuyến điện Cuối anten phát xạ không gian sóng điện từ tương ứng với tín hiệu cao tần Ở đầu thu, anten thu thu nhận sóng điện từ biến đổi thành tín hiệu cao tần tương ứng Để lọc kênh sóng cần thiết, người ta sử dụng mạch vào Tầng khuếch đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu cao tần vừa thu tới mức đủ lớn theo yêu cầu Ngoài ra, có nhiệm vụ chọn lọc tín hiệu cần thu Khối trung tần phận chủ yếu giúp máy thu có độ nhạy lớn độ chọn lọc cao Từ đầu khối trung tần, tín hiệu đưa tới mạch tách sóng Đây nơi tín hiệu điện tách khỏi sóng mang Sau tín hiệu điện khuếch đại tầng khuếch đại tín hiệu điện đến mức đủ lớn theo yêu cầu Cuối nhờ phận biến đổi tín hiệu đầu (loa, tai nghe, đèn hình, ) tín hiệu điện biến đổi thành thông tin ban đầu Để làm việc được, phận máy phát máy thu vô tuyến điện nhận lượng điện chiều từ nguồn Các nguồn hệ thống pin, acquy mạch điện có khả biến đổi lượng điện xoay chiều lưới điện thành lượng điện chiều 1.2 ỨNG DỤNG SỐ PHỨC VÀO VIỆC KHẢO SÁT MẠCH VÔ TUYẾN Sự ứng dụng số phức vào việc khảo sát mạch vô tuyến làm cho việc tính toán đơn giản nhiều Các dạng biểu diễn khác số phức a Dạng đại số • Z = a + jb (1.1) GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ Trong đó: j đơn vị ảo ( j2 = -1) Độ lớn (module) số phức: • Z = Z = a2 + b2 (1.2) Pha (Argument) số phức tgϕ = b / a hay ϕ = arctg (b / a) (1.3) b Dạng vector Số phức biểu diễn vecto mặt phẳng phức: Trục ảo a = Zcos ϕ jb b = Zsin ϕ ϕ (1.4a) (1.4b) Trục thực a Hình 1.3 Biển diễn dạng vectơ số phức c Dạng lượng giác Từ kết trên, ta biểu diễn số phức theo dạng sau: • Z = Z ( cos ϕ + j sin ϕ ) (1.5) d Dạng hàm mũ Theo công thức Euler: e jϕ = cos ϕ + j sin ϕ Suy ra: • Z = Ze jϕ (1.6) Các phép tính a Các phép cộng, trừ • Giả sử có hai số phức biểu diễn dạng đại số sau: Z = a1 + jb1 ; • Z = a + jb2 Khi đó: GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ • • (1.7) Z ± Z = (a1 ± a ) + j (b1 ± b2 ) • Liên hiệp phức số phức Z = a + jb định nghĩa số phức có dạng: • (1.8) Z = a − jb Suy ra: • • • • Z + Z = 2a ; Z − Z = −2 jb (1.9) b Các phép nhân, chia • • Cho hai số phức biểu diễn dạng hàm mũ sau: Z = Z 1e jϕ ; Z = Z e jϕ Khi phép nhân, chia hai số phức xác định theo công thức sau: Nhân hai số phức: • • (1.10) Z Z = Z Z e j (ϕ1 +ϕ ) Chia hai số phức: • • (1.11) Z / Z = Z / Z e j (ϕ1 −ϕ ) Nhân/ chia số phức với đơn vị ảo: Biểu diễn đơn vị ảo dạng hàm mũ ta được: • • j = e jπ / ⇒ Z j = Ze j (ϕ +π / ) Z / j = Ze j (ϕ −π / ) Nhận xét: Việc nhân/ chia số phức với đơn vị ảo tương đương với việc quay vector số phức góc ±π /2 Hàm phức với biến số thực • Khảo sát hàm số: Z = U + jV = Ze jφ Trong thành phần Z, U, V, φ hàm hay nhiều biến số thực Trong ứng dụng vào kỹ thuật vô tuyến, ta xét đến trường hợp riêng hàm có biến số thực thời gian (ký hiệu: t) φ = ωt + ϕ = φ (t ) Trong đó: ω , ϕ số Khi dạng hàm phức tương ứng viết lại sau: • Z = Ze j (ωt +ϕ ) = Z [cos(ωt + ϕ ) + j sin(ωt + ϕ )] U = Z cos(ωt + ϕ ) = U (t ) GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ V = Z sin(ωt + ϕ ) = V (t ) • Thành phần thực U(t) độ lớn thành phần ảo V(t) hàm phức Z (t ) hai • hàm điều hoà biến thời gian t Biểu diễn vector Z (t ) mặt phẳng phức ta có: • • Khi t=0: Z = Ze jϕ = Z • • Khi t≠ 0: Z = Ze jϕ e jωt = Z e jωt Z ω • • ωt Z0 ϕ Hình 1.4 Biểu diễn hàm phức a Nhận xét • Độ lớn hàm phức không thay đổi theo thời gian: Z = const • Ở thời điểm t bất kì, hàm phức vectơ nhận nhờ quay vectơ ban • đầu Z góc ωt • • Điểm mút vectơ Z (t ) t thay đổi vẽ lên mặt phẳng phức đường tròn có bán kính Z • • Khi quay vectơ Z góc 2π (tức vòng) ta nhận vector • Z ban đầu Điều có nghĩa chu kì hàm tuần hoàn là: T = 2π/ω ( ω tần số góc hàm tuần hoàn) Tần số: f = 1/T = ω/2π • Hàm số Z (t ) nói gọi hàm thời gian hay vectơ thời gian b Một số phép tính • Phép lấy đạo hàm GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ 10 _ • • • • d Z d Z e jωt = = jω Z e jωt = jω Z = ωZe j (ωt +ϕ +π / 2) dt dt (1.12) • Nhận xét: Đạo hàm bậc vectơ phức Z (t ) vector phức có • • module lớn gấp ω lần module Z (t ) pha nhanh pha Z (t ) góc π/2 • Phép lấy tích phân • • ∫ Z dt = ∫ Z e jωt dt = • jωt Z0 e + C jω Giả sử số tích phân C = 0: • • jωt Z Z dt = Z0 e = = Ze j (ωt +ϕ −π / ) ∫ jω jω ω • (1.13) • Nhận xét: Tích phân vô định lớp vectơ phức Z (t ) vectơ phức có • • module nhỏ gấp ω lần module Z (t ) pha chậm pha Z (t ) góc π/2 Rõ ràng việc tính đạo hàm tích phân hàm phức đơn giản nhân chia hàm phức với jω • dZ dt • Z • ∫ Z dt Hình 1.5 Biểu diễn đạo hàm tích phân mặt phẳng phức GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ 11 _ Thay hàm điều hoà hàm phức Trong kĩ thuật vô tuyên điện giá trị tức thời dòng điện xoay chiều biểu diễn hàm điều hoà có dạng: i = I cos (ωt + ϕ) (1.14) Trong đó: I biên độ, ω tần số góc, ϕ góc pha ban đầu, (ωt + ϕ) pha dòng điện i Các giá trị I, ω, ϕ không đổi dòng điện xác định Vì i dòng điều hoà theo biến thời gian t: i = i(t)dạng sau: Ta viết lại hàm phức theo I = I [cos (ωt + ϕ) + j sin (ωt + ϕ) ] • (1.15) So sánh hai biểu thức (1.14) (1.15) ta thấy thành phần thực hàm phức có dạng giống hàm điều hoà Nếu thay hàm điều hoà hàm phức việc tính toán đơn giản nhiều Tư tưởng phương pháp thay là: công việc tính toán khảo sát, hàm điều hoà thay hàm phức tương ứng, sau ta lấy thành phần thực kết làm kết cuối Người ta chứng minh phép phép tính tuyến tính, phép tính phi tuyến không dùng kết nhận phần thực phụ thuộc vào phần ảo.Ví dụ: Hàm điều hoà: i = I cos(ωt + ϕ ) Đạo hàm bậc nhất: di d [ I cos(ωt + ϕ )] = = −ωI sin(ωt + ϕ ) dt dt (1.16) • Thay hàm phức: I = Ie j (ωt +ϕ ) GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ 12 _ • dI = jωIe j (ωt +ϕ ) dt Lấy phần thực kết ta được: • dI Re( ) = ωI cos(ωt + ϕ + π / 2) = −ωI sin(ωt + ϕ ) dt (1.17 ) So sánh hai biểu thức (1.15) ( 1.17) ta thấy phép hàm điều hoà hàm phức GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM ... i(t)dạng sau: Ta viết lại hàm phức theo I = I [cos (ωt + ϕ) + j sin (ωt + ϕ) ] • (1. 15) So sánh hai biểu thức (1. 14) (1. 15) ta thấy thành phần thực hàm phức có dạng giống hàm điều hoà Nếu thay hàm... thực kết ta được: • dI Re( ) = ωI cos(ωt + ϕ + π / 2) = −ωI sin(ωt + ϕ ) dt (1. 17 ) So sánh hai biểu thức (1. 15) ( 1. 17) ta thấy phép hàm điều hoà hàm phức GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT... Tp HCM CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT VTĐ _ • • (1. 7) Z ± Z = (a1 ± a ) + j (b1 ± b2 ) • Liên hiệp phức số phức Z = a + jb định nghĩa số phức có dạng: • (1. 8)