xây dựng hệ thống truyền và xử lý tính hiệu với đặc tính năng lượng tối ưu

LỜI CẢM ƠN Lời cho em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn điện tử viễn thông thuộc khoa Điện –Điện tử Trường Đại học hàng hải Việt Nam giảng dạy kiến thức cần thiết cho em suốt trình học vừa qua Và đặc biệt, để hoàn thành đồ án tốt nghiệp em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Nguyễn Đình Thạch tận tình hướng dẫn,chỉ bảo để em làm tốt đề tài Tuy nhiên trình thực ,do hiểu biết thân hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót Em kính mong nhận lời góp ý, đánh giá nhận xét từ thầy cô bạn để em bổ sung, nâng cao kiến thức rút kinh nghiệm cho để làm hồn thiện Em xin cảm ơn ! Sinh viên thực Vũ Thị Liên LỜI CAM ĐOAN Trong suốt trình làm đồ án, hướng dẫn thầy giáo Nguyễn Đình Thạch ,em tìm kiếm tài liệu liên quan đến nội dung đề tài để hoàn thành viết Em xin cam đoan công trình nghiên cứu mình, khơng chép từ viết người khác Nếu có gian lận làm mình, em xin hồn toàn chịu trách nhiệm Sinh viên thực Vũ Thị Liên MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi LỜI NÓI ĐẦU vii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠNG BỐN CỰC (M4C) 1.1.1 Khái niệm mạng bốn cực 1.1.2 Các hệ phương trình tham số mạng cực 1.1.3 Các cách ghép nối mạng cực 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 1.3 ĐIỀU KIỆN TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT TÁC DỤNG CỰC ĐẠI TỪ NGUỒN TỚI PHỤ TẢI CHƯƠNG 2: PHỐI HỢP GIỮA CÁC MẠNG CỰC VÀ MẠNG CỰC 11 2.1 KẾT CẤU TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MẠCH PHỐI HỢP KHÔNG TỔN HAO 11 2.1.1 Mạng cực không tổn hao với ma trận tán xạ 11 2.1.2 Mạng cực không tổn hao với ma trận truyền sóng .13 2.2 XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ CỰC ĐẠI VÀ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT TÁC DỤNG CỰC ĐẠI CỦA CÁC MẠNG CỰC .15 2.3 PHỐI HỢP GIỮA CÁC MẠNG CỰC 18 2.3.1.Trường hợp phối hợp nguồn tín hiệu với đường truyền P n = phụ tải đặc trưng hệ số phản xạ t 18 2.3.2 Phối hợp mạng cực với phụ tải nguồn tín hiệu .20 2.4 PHỐI HỢP CÁC MẠNG CỰC VÀ CỰC 22 2.5 PHỐI HỢP GIỮA CÁC MẠNG CỰC 26 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP CÁC MẠNG CỰC VÀ TỐI ƯU ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 28 3.1 CÁC MA TRẬN ĐẶC TRƯNG CỦA MẠCH PHỐI HỢP ĐƠN GIẢN 28 3.2 XÁC ĐỊNH THAM SỐ VẬT LÝ CỦA MẠCH PHỐI HỢP PHẦN TỬ 30 3.2.1 Chọn mạch hình Г (a) 30 3.2.2 Chọn mạch hình Г (b) 31 3.3 XÁC ĐỊNH THAM SỐ VẬT LÝ CỦA MẠCH PHỐI HỢP PHẦN TỬ 33 3.3.1 Mạch phối hợp hình T .33 3.3.2 Mạch phối hợp hình П .35 3.4 TỐI ƯU HÓA ĐẶC TÍNH NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 42 KẾT LUẬN .44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 3.1 Phương pháp ghép nối mạng cực Các cách phối hợp đơn giản ma trận truyền đạt 29 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 1.2 1.3 Tên hình Sơ đồ mạng bốn cực Sơ đồ khối hệ thống truyền xử lý tín hiệu Sơ đồ tương đương hệ thống truyền xử lý tín Trang 1.4 1.5 hiệu sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu đơn giản Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu gồm nguồn tín hiệu, 2.1 2.2 phụ tải mạng cực phối hợp Mơ hình mạng cực Kết cấu tương đương M4C không tổn hao với ma 11 13 2.3 2.4 trận tán xạ Mạng cực với ma trận truyền sóng [t] Kết cấu tương đương mạng cực không tổn hao 13 15 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 với ma trận truyền sóng [t] Hệ thống thu tín hiệu M4C [t] mắc với M2C nguồn M2C tải Phối hợp nguồn tín hiệu với phụ tải Mạng cực phụ tải Mạng cực nguồn phụ tải Hệ thống mạng cực phụ tải Mạch phối hợp mạng cực với mạng cực nguồn 16 17 18 19 20 22 23 2.12 2.13 3.1 3.2 phụ tải Mạng cực phối hợp Phối hợp mạgn bốn cực Mạch phối hợp phần tử Mạch phối hợp phần tử ( hình T ) 26 27 37 38 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật đặc biệt kỹ thuật điện tử , tin học, điều khiển… tạo điều kiện thuận lợi để nâng cao tiêu kỹ thuật thiết bị điện tử nói chung hay hệ thống truyền xử lý tín hiệu nói riêng Những thành tựu đạt lĩnh vực công nghệ điện tử cho phép giảm kích thước ,trọng lượng, cơng suất tiêu hao thiết bị điện tử mà thuận tiện cho việc sửa chữa, khai thác, thay Chính việc nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp phù hợp, tiện ích việc phân tích tổng hợp, thiết kế hệ thống truyền xử lý tín hiệu đòi hỏi cơng suất truyền đạt hệ số tối ưu vừa lý tưởng, vừa phương hướng nghiên cứu đề tài Đề tài “ xây dựng hệ thống truyền xử lý tính hiệu với đặc tính lượng tối ưu” giải toán phân tích tổng hợp mạch dựa mơ hình tổng quát mạng nhiều cực, coi hệ thống truyền xử lý tín hiệu ghép nối liên thơng mạng cực mạng cực đặc tính mạng cực mạng cực đặc trưng tham số kỹ thuật tham số sóng Việc sử dụng mơ vừa có ý nghĩa tổng quát lại vừa phú hợp với phát triển lĩnh vực công nghệ điện tử Nội dung đồ án gồm chương: Chương : Tổng quan hệ thống truyền xử lý tín hiệu Chương : Phối hợp mạng cực mạng cực Chương3: Tổng hợp mạng cực tối ưu hóa đặc tính lượng hệ thống truyền xử lý tín hiệu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠNG BỐN CỰC (M4C) 1.1.1 Khái niệm mạng bốn cực Mạng bốn cực gọi mạng cửa, hệ thống mạch gồm bốn đầu tương ứng với cửa ( phối ghép với nguồn tín hiệu phụ tải), miêu tả hình 1.1 Nếu dòng cửa vào I 1, I1’ dòng cửa I 2, I2’ Khi có điều kiện: I1 = I1’ I2 = I2’ I1 U1 I2 U2 M4C I1’ I2’ Hình 1.1 Sơ đồ mạng bốn cực Nếu bên mạng cực chứa phần tử tuyến tính M4C gọi M4C tuyến tính, mạng cực có chứa phần tử phi tuyến gọi M4C phi tuyến Mạng cực tương hỗ chứa phần tử tương hỗ Nếu ta thay đổi đầu vào đầu mạng cực mà trình truyền tín hiệu từ nguồn sang phụ tải mạng cực khơng thay đổi M4C gọi M4C đối xứng * Vai trò mạng cực : - Phân tích tổng hợp mạch dạng hệ thống - Tổng hợp mạch điện phức tạp từ việc ghép nối mạng cực đơn giản với 1.1.2 Các hệ phương trình tham số mạng cực Trong hệ truyền tín hiệu, người ta cần quan tâm đến giá trị điện áp dòng điện cặp cực mạng cực Khi ta có hệ phương trình: (1.1) Hệ phương trình (1.1) gọi hệ phương trình truyền dạng tham số Y mạng cực, viết dạng ma trận: [I] = [Y].[U] (1.2) : [I] = [I1 I2]T ; [U] = [ U1 U2]T vecto ma trận cột dòng điện điện áp cặp cực mạng cực ( T biểu thị ma trận chuyển vị ) Nhân vế phương trình (1.2) với ma trận nghịch đảo [Y] -1 sau biến đổi ta nhận : [U] = [Z].[I] (1.3) Hay viết dạng: (1.4) Hệ phương trình (1.4) gọi hệ phương trình truyền dạng tham số Z mạng cực, ma trận [Z] gọi ma trận tham số Z M4C Từ hệ phương trình dạng tham số Y Z, nhận hệ phương trình truyền mạng cực - Hệ phương trình đặc tính truyền đạt: Dưới dạng ma trận : =A (1.5) Dưới dạng hệ phương trình: (1.6) - Hệ phương trình đặc tính truyền đạt ngược: Dưới dạng ma trận : =B (1.7) Dưới dạng hệ phương trình: (1.8) - Hệ phương trình đặc tính hỗn hợp Dạng ma trận: =H (1.9) Dạng hệ phương trình: (1.10) - Hệ phương trình đặc tính hỗn hợp ngược =G (1.11) Dạng hệ phương trình: (1.12) Các hệ số hệ phương trình truyền mạng cực gọi tham số riêng mạng cực Các tham số riêng mạng cực phụ thuộc vào cấu trúc mạng cực, giá trị tương đối phần tử mạng cực tần số nguồn tác động mà không phụ thuộc vào độ lớn nguồn tác động phụ tải mắc đầu vào đấu M4C Vì chúng gọi tham số riêng hay bên mạng cực 1.1.3 Các cách ghép nối mạng cực * Ghép nối tiếp-nối tiếp Các bốn cực gọi ghép nối tiếp- nối tiếp với cửa có dòng điện chung, điện áp tổng điện áp thành phần Hệ phương trình đặc trưng cho cách nối hệ phương trình trở kháng với tham số Z [Z] = [Z1]+[Z2] * Ghép song song-song song Các bốn cực gọi mắc theo kiểu song song-song song cửa có điện áp chung, dòng điện tổng dòng điện thành phần Hệ phương trình đặc trưng cho cách mắc hệ phương trình dẫn nạp tham số Y (3.5) * So sánh phần tử a12 -jB2 sin (ε – φ) = Z1 Hay -jm2 = Z1 - Nếu m2 < Z1 < Suy Z1 mang tính điện cảm, nghĩa : -jm2 = jω0L1 Giá trị điện cảm L1 xác định biểu thức: (3.7) - Nếu m2 > Z1 >0 Suy Z1 mang tính điện dung nghĩa là: Giá trị điện dung C1 xác định biểu thức: (3.8) ) 3.2.2 Chọn mạch hình Г (b) * So sánh phần tử a11 a11 = B1 cos (η+φ) =  cos (η+φ) =  φ = arccos - (3.9) Dễ dàng thấ y chọn mạch phối hợp hình Г (b) bảng 4.1 B1 >1 Khi điều kiện thỏa mãn góc pha φ phải chọn theo (3.9) * so sánh phần tử a21 a21 = jB3 sin (φ+η) = Y2 hay jm1 = Y2 - Nếu m1 > Y2 >  Y2 mang tính điện dung, nghĩa là: 29 jm1 = jω0C2 Giá trị điện dung C2 xác định biểu thức : (3.10) Với f0 tần số trung tâm tín hiệu - Nếu m1 < Y2 Z1 >0  Z1 mang tính điện dung, nghĩa : Giá trị điện dung C1 xác đinh biểu thức (3.13) 3.3 XÁC ĐỊNH THAM SỐ VẬT LÝ CỦA MẠCH PHỐI HỢP PHẦN TỬ 3.3.1 Mạch phối hợp hình T Khi chọn mạch phối hợp hình T tham số pha φ biểu thức (3.1) chọn tùy ý Cho φ giá trị tùy ý φ = φ1 (0 ≤ φ ≤ 360o) Đối chiếu ma trận truyền đạt [A] mạch phối hợp (3.1) ma trận truyền đạt [Ac] ta có: * a21 = jB3sin(η+φ) = Y2 Hay jm1= Y2 - Nếu m2 > Y2 >0  Y2 mang tính điện dung, nghĩa : jm1 = jω0C2 Giá trị điện dung C2 xác đinh biểu thức: (3.14) Với f0 tần số trung tâm tín hiệu - Nếu m1 < Y2 <  Y2 mang tính điện cảm, nghĩa Giá trị điện cảm L2 xác định biểu thức: (3.15) * a11 = B1 cos (η+φ) = + Z1Y2 Thay Y2 = jm1 vào (4.39) ta có : B1 cos(η+φ) = + Z1 jm1  Z1 jm1 = B1 cos (η+φ) – 31 (3.16) - Nếu m3 > Z1 <  Z1 mang tính điện dung Giá trị điện dung C1 xác đinh biểu thức (3.17) - Nếu m3 < Z1 >  Z1 mang tính điện cảm Giá trị điện cảm L1 xác đinh biểu thức (3.18) * a22 = 1+ Z3Y2 = B4 cos (ε – φ) = m4 Thay Y2 = jm1 vào (4.42) ta có: + Z3 jm1 = m4  Z3 jm1 = m4 – (3.19) - Nếu > Z3 >  Z3 mang tính điện cảm Giá trị điện cảm L3 xác định biểu thức: (3.20) - Nếu < Z3 < Suy Z3 mang tính điện dung Giá trị điện dung C3 xác đinh biểu thức: (3.21) 3.3.2 Mạch phối hợp hình П Khi chọn mạch phối hợp hình П tham số pha φ biểu thức (3.1) chọn tùy ý Cho φ giá trị tùy ý φ = φ1 ( ≤ φ ≤ 360o ) Đối chiếu ma trận truyền đạt [A] mạch phối hợp (4.1) ma trận truyền đạt [Ac] ta có: * a12 = -jB2 sin ( ε – φ) = Z2 Z2 = -jm2 - Nếu m2 < Z2 > Z3 mang tính điện dung Giá trị điện cảm L xác định biểu thức : (3.22) 32 - Nếu m2 > Z2 0 Y1 > Y1 mang tính điện dung Giá trị điện dung C xác định biểu thức : (3.26) * a11 = 1+ Z1Y3 = B1 cos (η+φ) = m3  Z1Y3 = m3 –  Thay vào (4.54) ta có : (3.27) - Nếu m1 > Y3 > Y3 mang tính điện dung : jm1 = jω0C3 Giá trị C3 xác định biểu thức : (3.28) Với f0 tần số trung tâm tín hiệu - Nếu m1 < Y3 Suy phương trình vơ nghiệm Vậy mạch phối hợp hai phần tử dùng để phối hợp nguồn tín hiệu với tải trường hợp * Khi chọn mạch phối hợp phần tử ( hình T ) Z1 Z3 34 Y2 Hình 3.2 mạch phối hợp phần tử ( hình T ) Ta có ma trận truyền đạt mạch phối hợp phần tử hình T :  Z Y2  A    c  Y2 Z  Z Y2 Z  Z    Z Y2  Vậy Y2 = j0,1261 sin ( φ – 8,580) * Chọn φ = 300 Y2 = j0,1261 sin ( 21,420) = j 0,04605 Suy Y2 mang tính dung  Suy Z1 mang tính cảm : Suy Z3 mang tình cảm: Kết cấu mạch phối hợp : L1 L3 C2 * Chọn φ = 2000 35 Y2 = j 0,1261 sin ( 191,420) = -j0,02496 Suy Y2 mang tính cảm:  Z1 mang tính điện dung:  Z3 mang tính điện dung: Kết cấu mạch phối hợp: C1 C3 L2 Ví dụ Xác định tham số vật lý mạch phối hợp đầu vào đầu M4C Transistor , tần số f0 = 100MHz Ta có ma trận truyền đạt mạch phối hợp đầu vào : Nếu chọn mạch phối hợp phần tử (hình T - bảng 3.1) Ma trận truyền đạt mạch phối hợp có dạng :  Z Y2  Y2  A    c Z  Z 1Y2 Z  Z    Z Y2  Theo phương pháp cấu trúc tương đương ta có : Y2 = -j1,181 sin (14,330 + φ) * Chọn φ = 200 Ta có : Y2 = -j1,181 sin 34,330 = -j0,666 < Y2 mang tính điện cảm Giá trị L2 tính biểu thức : + Z1Y2 = 1,181 cos 34,330 ⇒ – Z1.j0,666 = 0,975⇒ Z1 = -j0,038 0 ⇒ Z3 mang tính điện dung: Ta có kết cấu mạch phối hợp đầu vào : C1 C3 C1 = 4,24.10-8 F C3 = 7,57.10-9 F L2 L2 = 2,4.10-9 H Với ma trận truyền đạt mạch phối hợp đầu Transistor: Ta chọn mạch phối hợp phần tử, theo phương pháp cấu trúc tương đương ta có: Y2 = - j1,2 [sin (31,90 – ψ) - 0,2sin(540 + ψ)] Chọn ψ = 600 : Y2 = - j1,2 [sin (-28,10) - 0,2sin(1140)] = j.0,784 >0 ⇒ Y2 mang tính điện dung: Giá trị điện dung C2 tính : 1+Z1Y2 = 2,55 [ cos(-38,60) + 0,2cos (-68,60)] = 2,179 ⇒