Điều biến tương tự và điều biến số

Điều chế FMĐiều Sau khi nhận đề tài và qua thời gian tìm hiểu, nhóm của chúng em đã đúc kết được một số lý thuyết cũng như kiến thức trong việc điều chế FM. Thông qua bài báo cáo này, chúng em xin trình bày một số vấn đề cũng như khái niệm liên quan tới đề tài. Đầu tiên, để giới thiệu điều chế là gì: Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB base band). Mục đích của việc điều chế: Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten. Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế giúp chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp. Điều kiện điều chế: Tần số sóng mang cao tần fC ≥ (810) fmax, trong đó fmax là tần số cực đại tín hiệu điều chế BB. Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó. Biên độ sóng mang cao tần Vω > Vm (biên độ tín hiệu điều chế BB). Điều chế tần số (hay biến điệu tần số, tiếng Anh: Frequency modulation viết tắt là FM) được áp dụng trong kỹ thuật vô tuyến điện và kỹ thuật xử lý tín hiệu. Người ta có thể truyền thông tin trên một sóng mang cao tần bằng hai cách chính: Thay đổi tần số sóng mang theo tín hiệu cần truyền, trong khi biên độ của sóng mang cao tần không thay đổi, đó là kỹ thuật điều chế tần số. Điều chế biên độ của sóng mang theo tín hiệu cần truyền mà tần số sóng mang vẫn giữ nguyên. Ngoài ra còn nhiều phương pháp điều chế khác, như điều chế pha, điều chế mạch xung, điều chế biên mã, điều chế đơn biên... Về phạm vi băng sóng điều tần có những tiêu chuẩn khác nhau: Tiêu chuẩn OIRT (tổ chức quốc tế về truyền thanh và truyền hình chế FMĐiều chế FMĐiều chế FM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÁO CÁO ĐỒ ÁN Môn học: Điều biến tương tự điều biến số Đề tài: Điều chế FM GVHD: Prof Dr Lê Tiến Thường Nhóm 14: Nguyễn Minh Hùng - 1511355 Hà Huy Dũng - 1510551 Đinh Hoàng Minh - 1511962 - -1 Lời giới thiệu Sau nhận đề tài qua thời gian tìm hiểu, nhóm chúng em đúc kết số lý thuyết kiến thức việc điều chế FM Thông qua báo cáo này, chúng em xin trình bày số vấn đề khái niệm liên quan tới đề tài Đầu tiên, để giới thiệu điều chế gì: Điều chế trình biến đổi thơng số sóng mang cao tần (biên độ, tần số, pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band) Mục đích việc điều chế: - Đối với anten, xạ lượng tín hiệu cao tần có hiệu bước sóng (tương ứng tần số) bậc với kích thước vật lý anten Tín hiệu cao tần bị suy hao truyền không gian Mỗi dịch vụ vơ tuyến có băng tần (kênh) riêng biệt Q trình điều chế giúp chuyển phổ tín hiệu băng gốc lên băng tần thích hợp Điều kiện điều chế: - Tần số sóng mang cao tần fC (8-10) fmax, fmax tần số cực đại tín hiệu điều chế BB Thơng số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, tần số, pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà khơng phụ thuộc vào tần số Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (biên độ tín hiệu điều chế BB) Điều chế tần số (hay biến điệu tần số, tiếng Anh: Frequency modulation viết tắt "FM") áp dụng kỹ thuật vô tuyến điện kỹ thuật xử lý tín hiệu Người ta truyền thơng tin sóng mang cao tần hai cách chính: - Thay đổi tần số sóng mang theo tín hiệu cần truyền, biên độ sóng mang cao tần khơng thay đổi, kỹ thuật điều chế tần số Điều chế biên độ sóng mang theo tín hiệu cần truyền mà tần số sóng mang giữ ngun Ngồi nhiều phương pháp điều chế khác, điều chế pha, điều chế mạch xung, điều chế biên mã, điều chế đơn biên Về phạm vi băng sóng điều tần có tiêu chuẩn khác nhau: Tiêu chuẩn OIRT (tổ chức quốc tế truyền truyền hình) có dải sóng từ 65,8 MHz đến 73 MHz Tiêu chuẩn CCIR (hội đồng tư vấn quốc tế vô tuyến điện) có giải tần 87,5 MHz đến 104 MHz Người ta biết phương pháp điều tần từ lâu, ý, cho khơng có ưu điểm bật so với điều biên Khoảng năm 1940 dùng rộng rãi kỹ thuật điều tần, phát thấy ưu điểm chống can nhiễu Hiện kỹ thuật sử dụng rộng rãi phát thanh, hệ thống vô tuyến hai chiều (hữu tuyến), hệ thống ghi băng từ hệ thống truyền dẫn video Trong hệ thống vô tuyến, điều tần với băng thông đủ cung cấp lợi việc triệt tạp âm tự nhiên Ma-níp dịch tần (FM số) sử dụng rộng rãi modem liệu fax Mục lục I Lý thuyết Điều chế góc FM PM Điều chế tần số FM Băng thơng tín hiệu điều tần FM .7 Cơng suất tín hiệu điều tần FM .7 Một số phương pháp điều chế giải điều chế FM Một số ứng dụng điều chế FM 11 II Mơ tín hiệu fm Matlab .13 III Thực kit C5515 eDZSp USB Stick IV Sơ lược KIT C5515 V Kết luận I Lý thuyết Điều chế góc FM PM - Điều chế góc dạng điều chế quan trọng dùng thông tin, tính chống nhiễu tốt điều chế biên độ AM - Tín hiệu sóng mang cao tần chưa bị điều chế đơn hài, xác định bởi: xc(t) = Vccos(ωct + φ0) = Vccosφ(t) đó: φ (t) = ωct + θ0 : pha tức thời dao động cao tần, xác định trạng thái tín hiệu thời điểm t ωc : tần số sóng mang; φ0: pha ban đầu Giữa tần số pha có quan hệ: tần số tức thời - tần số thời điểm t - Nếu tín hiệu điều chế tần thấp m(t) làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc Trong điều chế góc, biên độ sóng mang coi khơng đổi Có hai trường hợp: o Nếu m(t) làm thay đổi tần số c ta có điều chế tần số FM (Frequency Modulation): Do đó, tín hiệu điều chế FM có dạng: o Nếu m(t) làm thay đổi pha ban đầu φ0 ta có điều chế pha PM (Phase Modulation): - Ta nhận thấy điều tần điều pha có mối quan hệ tương quan Để có tín hiệu điều tần FM tín hiệu tin tức cho qua mạch tích phân sau qua mạch điều pha PM Ngược lại, Để có tín hiệu điều pha PM tín hiệu tin tức cho qua mạch vi phân sau qua mạch điều tần FM - Điều chế tần số FM Để đơn giản phân tích, cho m(t) = V cosω t pha ban đầu sóng mang θ = Tín hiệu FM có dạng sau: m m - Phổ tín hiệu điều tần: - Hàm Bessel loại I: Băng thơng tín hiệu điều tần FM Về lý thuyết độ rộng băng thơng cao tần tín hiệu FM vơ lớn, nhiên thực tế quy định giới hạn băng thông FM đến thành phần phổ biên Jn (mf ) ≥ 0.01J o(mf ) Băng thơng tính theo công thức: BFM ≈ 2(∆f + fm ) với: fm - tần số tín hiêu điều chế tần thấp băng gốc Băng thông 3dB mạch cao tần phải lớn băng thơng tính theo cơng thức để khơng méo - - - Cơng suất tín hiệu điều tần FM Tổng cơng suất cao tần tín hiệu điều tần khơng đổi, cơng suất sóng mang khơng có điều chế Gọi V c biên độ độ sóng mang FM khơng điều chế tải R, ta có cơng suất sóng mang: - - Cơng suất FM có điều chế: - FM dải hẹp (NBFM) dùng thông tin loại FM với độ di tần (5÷15)KHz FM dải rộng có tính chống nhiễu cao dùng phát FM Stereo, tiếng TV, vi - ba, truyền hình vệ tinh Độ di tần cực đại FM dùng phát tiếng TV ±75 KHz - Một số phương pháp điều chế & giải điều chế FM Mạch chế tần số FM dùng Varicap: - Mạch điều chế tần số FM dùng PLL: - Mạch giải điều chế tần số FM dùng PLL: 10 - Phát FM Stereo Người ta mong muốn truyền tín hiệu điễn tả âm hai kênh trái phải riêng biệt mà giữ FM mono truyền thống Từ nhu cầu trên, tín hiệu L + R truyền thống người ta truyền thêm tín hiệu L – R phương pháp ghép kênh FDM Mạch tạo tín hiệu FM Stereo: Mạch giải mã: 11 Tần số 19kHz gọi tần số pilot dùng để khơi phục lại sóng mang 38kHz phục vụ cho giải điều chế cân - Một số ứng dụng điều chế FM Băng từ: o FM sử dụng trung tần hệ thống VCR tương tự, bao gồm VHS, để ghi lại độ chói (đen trắng) tín hiệu video Thông thường, thành phần chrome ghi lại tín hiệu AM thơng thường, cách sử dụng tín hiệu FM tần số cao thiên áp o FM phương pháp khả thi cho việc ghi lại thành phần độ chói (đen trắng) video vào băng từ truy xuất video từ băng từ mà không bị méo cực, tín hiệu video có thành phần dải tần lớn - từ vài Hz tới vài MHz, rộng cho cân làm việc tạp âm −60 dB FM giữ băng mức bão hòa, đóng vai trò hình thức giảm tạp âm, giới hạn đơn giản ẩn biến phát lại đầu ra, tác dụng bắt FM loại bỏ chuyển pre-echo Một tone hoa tiêu liên tục thêm vào tín hiệu – thực V2000 nhiều định dạng băng cao khác – điều khiển jitter khí hỗ trợ hiệu chỉnh gốc thời gian o Các hệ thống FM đặc biệt chúng có tỉ số tần số sóng mang tần số điều chế cực đại nhỏ 2; ngược lại với điều này, phát audio FM có tỉ số khoảng 10.000 o Hãy xem xét ví dụ sóng mang MHz điều chế với 3,5 MHz; cách phân tích Bessel dải biên 9,5 2,5 MHz, dải biên thứ hai 13 MHz −1 MHz Kết dải biên có pha đảo ngược +1 MHz; với 12 - - - giải điều chế, kết đầu không mong muốn 6−1 = MHz Hệ thống phải thiết kế để chấp nhận mức Âm thanh: FM sử dụng tần số âm để tổng hợp âm Kỹ thuật gọi tổng hợp FM, phổ biến rộng rãi tổng hợp số đời đầu trở thành đặc tính tiêu chuẩn cho nhiều hệ card âm máy tính cá nhân Vô tuyến: o FM băng rộng (WFM) cần băng thơng tín hiệu rộng so với điều biên tín hiệu điều chế tương đương, điều làm cho tín hiệu kháng tạp âm nhiễu tốt Điều tần chống lại tượng fading biên độ tín hiệu đơn giản Do FM chọn tiêu chuẩn điều chế cho tần số cao, truyền dẫn vơ tuyến trung thực cao: thuật ngữ "Vô tuyến FM" (trong nhiều năm qua BBC lại gọi "Vơ tuyến VHF", quảng bá FM thương mại sử dụng phần băng VHF - băng tần quảng bá FM) o Máy thu FM sử dụng tách sóng đặc biệt cho tín hiệu FM đưa tượng gọi hiệu ứng bắt, cộng hưởng thu tốt hai đài phát song tần số Tuy nhiên, trôi tần hay thiếu độ chọn lọc làm đài tín hiệu bị vượt đài tín hiệu khác kênh lân cận Trôi tần thường xảy máy bay cũ không đắt tiền, độ chọn lọc khơng thích hợp làm ảnh hưởng tới cộng hưởng o Một tín hiệu FM sử dụng để mang tín hiệu stereo: xem stereo FM Tuy nhiên, điều thực cách ghép tách kênh trước sau q trình FM Phần lại viết bỏ qua trình ghép tách kênh stereo sử dụng "stereo FM", tập trung vào trình điều chế giải điều chế FM, chúng giống hệt trình stereo mono o Một khuếch đại chuyển mạch tần số vơ tuyến hiệu suất cao sử dụng để phát tín hiệu FM (và tín hiệu biên độ khơng đổi khác) Đối với cường độ tín hiệu định (đo anten máy thu), khuếch đại chuyển mạch sử dụng nguồn cơng suất thấp có giá thành thấp so với khuếch đại tuyến tính Điều mang lại cho FM lợi khác so với biểu đồ điều chế khác sử dụng khuếch đại tuyến tính AM QAM o FM thường sử dụng tần số vô tuyến VHF cho phát quảng bá chất lượng cao (xem quảng bá FM) Âm TV thường phát sóng FM Một băng tần hẹp sử dụng cho thông tin thoại thương mại vô tuyến nghiệp dư Trong dịch vụ quảng bá, âm trung thực quan trọng, FM băng rộng thường sử dụng dịch vụ Trong vô tuyến hai chiều, FM băng hẹp (NBFM) sử dụng để tiết kiệm băng thông cho trạm vô tuyến di động mặt đất, di động hàng hải nhiều dịch vụ vơ tuyến khác Hỗn hợp: Ma-níp dịch tần điều chế tần số sử dụng số tần số rời rạc Truyền dẫn mã Morse thực cách này, hầu hết modem đường dây điện thoại đời đầu.[8] Radioteletype sử dụng FSK Điều chế FM sử dụng ứng dụng đo xa, radar, khảo sát địa chấn mơ hình động kinh EEG trẻ sơ sinh 13 II - - Mơ tín hiệu FM matlab Các thơng số cho mơ tín hiệu: Tấn số lấy mẫu Tín hiệu điều chế có tần số (tone modulation) Sóng mang có tần số Chỉ số điều chế Tín hiệu FM: Ta mơ với tín hiệu FM với số điều chế Mã nguồn MATLAB cho mô phỏng: clear clc % simulation parameters fs = 1000; delt = 1/fs; t = 0:delt:1-delt; % message signal (tone modulation) fm = 10; m = cos(2*pi*fm*t); % carier wave signal fc = 150; mf = 5; xc = cos(2*pi*fc*t + mf*sin(2*pi*fm*t)); % spectrum xc_fft = abs(fft(xc)/length(t)); xc_spectrum = xc_fft(1:length(t)/2); f = fs*(0:length(t)/2-1)/length(t); % caculate bessel function n = (0-fc)/fm:1:(f(length(f))-fc)/fm; J = zeros(1, length(n)); fg = n*fm; for i = 1:length(n) J(i) = besselj(n(i), mf); end % plotting signal subplot(2, 1, 1); plot(t, m); title('Modulating Signal') xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); subplot(2, 1, 2); 14 plot(t, xc); title('FM signal'); xlabel('Time'); ylabel('Amplitude'); % compare bessel function with spectrum (using fft function) figure; subplot(2, 1, 1); plot(f, xc_spectrum); title('Spectrum (FFT)'); xlabel('Frequency'); ylabel('Amplitude'); subplot(2, 1, 2); stem(fc+fg, abs(J)); title('Spectrum (Bessel)'); xlabel('Frequency'); ylabel('Amplitude'); Kết mơ phỏng: - Với - Các tín hiệu - Phổ tần số 15 - Với Các tín hệu 16 - Phổ tần số hàm Bessel 17 - III Qua việc sử dụng công cụ Matlab việc mô phổ tần số hàm điều chế fm Chúng em thấy khác hàm Bessel khơng lớn hay nói cách khác xấp xỉ Qua thể độ xác tương đối việc mơ Thực kit C5515 eDZSp USB Stick 18 IV - Sơ lược KIT C5515 Giới thiệu Digital Signal Processor (DSP) – Bộ xử lý tín hiệu số vi xử lý lập trình cho mục đích chun dụng Được thiết kế để điều khiển theo thời gian thực, luồng truyền liên tục khối lượng lớn liệu số, nhằm cải tiến chất lượng hay sửa đổi DSP dùng rộng rãi để xử lý dòng liệu liên tục âm thanh, video đồ họa Cụ thể lập trình KIT TMS320C5515 TI (Texas Instrument) DSP Sơ đồ khối - TMS320C5515 chia làm khối: Khối (DSP System): hệ thống xử lý DSP Khối (Switched Central Resource): liệu trung tâm chuyển mạch Khối (Peripherals): thiết bị ngoại vi 19 Thành phần - Bộ KIT TMS320C5515 gồm phận: Bộ xử lý tín hiệu số TMS320C5515 hãng Texas Instrument Bộ mã hóa giải mã âm TLV320AIC3204 hãng Texas Instrument Đầu nối Micro SD Bộ xử lý C5515 giao diện USB 2.0 Bộ nhớ NOR flash 32 Mb Màn hình OLED chuẩn I2C LED dùng để điều khiển nút ấn để điều khiển Giao diện Bluetooth Đầu nối mở rộng Nguồn cung cấp thơng qua giao diện USB Tương thích với Code Composer Studio v4 Texas Instruments Cáp mở rộng USB 20 Tính KIT C5515 TMS320C5515 có số tính bật sau: - Hiệu suất cao, cơng suất tiêu thụ thấp Sử dụng phép tốn số học dấu chấm tĩnh Một/hai lệnh thực chu kỳ Giao tiếp với ngoại vi: 21 o o o o o o o o o 8/16 bit nhớ ngồi tích hợp: nhớ bất đồng bộ, SARAM, Flash (NOR, NAND), - SARAM di dộng với độ rộng 16 bit Bốn điều khiển DMA, gồm có kênh (tổng cộng có 16 kênh) Hỗ trợ chuẩn truyền thông giao tiếp bất đồng (UART) Ba timer dùng chung 32 bit (GP timer), timer cấu Watchdog and/or GP Hỗ trợ giao chuẩn I2C theo phương thức Master – Slave (Chủ – tớ) Hỗ trợ việc truyền liệu theo chuẩn I2S Hỗ trợ USB 2.0 cho phép việc trao đổi liệu với tốc độ cao Hỗ trợ LCD với giao diện bất đồng ADC 10 bit với ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR) Ứng dụng - V KIT TMS320C5515 thực số ứng dụng thông dụng: Thiết bị audio không dây (tai nghe, microphones, speakerphones) Giảm tiếng vang tai nghe Thiết bị y tế di động Ứng dụng tiếng nói Điều khiển cơng nghiệp Kết luận Thơng qua việc tìm hiểu đề tài giao phó chúng em xin rút số kết luận sau: - - - Việc làm được: o Tìm hiểu lý thuyết o Mơ tín hiệu điều chế fm Matlab o Tìm hiểu ứng dụng thực thực tiễn điều chế fm o Tìm hiểu kit C5515 Việc chưa làm cần bổ sung, hay yếu kém: o Code chưa tối ưu o Vẫn chưa thể tìm hiểu sâu vào vấn đề, nắm vấn đề mức độ tương đối o Các thao tác với kit C5515 chưa thành thục gặp khó khăn việc viết code để chạy kit Khắc phục vấn đề: o Cần ngồi lại bàn bạc, họp nhóm nhiều để trao đổi kinh nghiệm với bạn khác o Đọc thêm tài liệu ghi chép lại vấn đề chưa rõ o Mượn kit nghiên cứu, thử nghiệm tối ưu code, đảm bảo hoạt động với hiệu suất cao 22 Phần quan trọng điều chế fm phổ tần số việc so sánh với hàm Bessel Về phần chúng em hồn thành phần mơ Matlab thấy kết phổ xấp xỉ Ngoài đề tài điều chế fm đề tài dẫn tới ứng dụng hữu ích thực tiễn Và nghiên cứu thêm để phát triển sau theo nhiều hướng khác ( đồ án, luận văn,…) Nó cung cấp phần kiến thức quan trọng sau làm việc giúp chúng em củng cố thêm kiến thức ngồi ghế nhà trường Tài liệu tham khảo 23 R Ziemer, W.H Tranter, “Principles of Communications”; HUT Finland; and A.B Carlson’s “Communication Systems” "FM Systems Of Exceptional Bandwidth" Proc IEEE vol 112, no 9, p 1664, September 1965 Der, Lawrence, Ph.D., Frequency Modulation (FM) Tutorial, http://www.scribd.com/Silicon-Labs-Fm-Tutorial/d/6217907, Silicon Laboratories, Inc “Điều chế tần số” – Wikipedia - https://vi.wikipedia.org/wiki/điều_chế_tần_số David B Rutledge (1999) The Electronics of Radio Cambridge University Press FM Spectrum - https://www.cs.sfu.ca/~tamaras/freqMod/FM_Spectrum.html FM broadcasting – Wikipedia - https://en.wikipedia.org/wiki/FM_broadcasting Bài giảng điện tử thơng tin – Th.S Nguyễn Hồng Huy Tìm hiểu cấu trúc Kit TMS320C5515 https://univtechnews.wordpress.com/2017/03/29/tim-hieu-cau-truc-kit-tms320c5515/ 24 Lời cảm ơn Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy nhà trường môn viễn thông khoa điện – điện tử tạo điều kiện để chúng em tiếp cận với đề tài Và mở rộng kiến thức tìm hiểu thêm nhiều ứng dụng phương pháp điều chế FM, phương thức ứng dụng đời sống Chúng em cố gắng vận dụng thật tốt kiến thức từ giảng lớp kiến thức tìm hiểu thêm để hoàn thành thật tốt đề tài môn học Cũng cố gắng mang kiến thức tiếp thu qua việc hoàn thành đề tài nói riêng hồn tất mơn học nói chung để mang đời sau sử dụng cách hữu ích 25 ... matlab Các thơng số cho mơ tín hiệu: Tấn số lấy mẫu Tín hiệu điều chế có tần số (tone modulation) Sóng mang có tần số Chỉ số điều chế Tín hiệu FM: Ta mơ với tín hiệu FM với số điều chế Mã nguồn... tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (biên độ tín hiệu điều chế BB) Điều chế tần số (hay biến điệu tần số, tiếng Anh: Frequency... PM Điều chế tần số FM Băng thơng tín hiệu điều tần FM .7 Cơng suất tín hiệu điều tần FM .7 Một số phương pháp điều chế giải điều chế FM Một số ứng dụng điều chế FM 11 II