Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 3: Điều chế cung cấp cho người đọc các kiến thức: Khái niệm, điều biên, điều chế đơn biên, điều tần - Điều pha. Hy vọng đây sẽ là một tài liệu hữu ích dành cho các bạn sinh viên các ngành Kỹ thuật viễn thông dùng làm tài liệu học tập và nghiên cứu
Tr ường Đ ại H ọc Công Ngh ệ Thông Tin KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG BÀI GI ẢNG NH ẬP MÔN ĐI ỆN T Ử THÁNG 9/2012 CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ Khái niệm Điều biên Điều chế đơn biên Điều tần Điều pha Khái niệm Điều chế trình thực chuyển phổ tín hiệu tin tức lên vùng có tần số cao để bức xạ truyền đi xa (nhờ biến đổi thơng số biên độ, tần số, góc pha, độ rộng xung…) - Tin tức gọi tín hiệu điều chế - Dao động cao tần gọi tải tin hay tải tần - Dao động cao tần mang tin tức gọi dao động cao tần điều chế Phân loại tín hiệu điều chế: - Điều biên - Điều chế góc: điều tần điều pha Điều biên Điều biên q trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức Giả thiết, dao động là điều hồ và tần số tin tức biến thiên từ ωSmin÷ ωSmax: us(t) = Us.cos(ωs.t) – tín hiệu tin tức ut (t)= Ut.cos(ωt .t) – tín hiệu tải tin với ωt >> ωS Tín hiệu điều biên: uđb (t)= [Ut + Us. cos(ωs.t)]. cosωt.t = Ut [1 +m cos(ωs.t)]. cosωt.t Với m= Us / Ut : Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện m ≤ 1. Khi m > 1 thì mạch có hiện tượng q điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng Suy ra: uđb (t)= Utcos(ω t t)+ m/2.Utcos(ω t +ω s)t+ m/2.Utcos(ω t ω s)t Sóng mang Dải băng tần thấp Dải băng tần cao Như vậy, ngồi thành phần tải tin, tín hiệu điều khiển còn có hai biên tần. Biên tần trên có tần số từ (ω1 + ωSmin) đến (ω1 + ωSmax) và biên tần dưới từ (ω1 ωSmin) đến ( ω1 ωSmax) Phổ tin tức Phổ tín hiệu điều biên Trên thực tế điều chế thường chọn m= 0.9 0.95 Đồ thị thời gian tin tức tín hiệu điều biên m 1 Quan hệ lượng điều biên Trong tín hiệu điều biên, biên tần chứa tin tức, tải tin không mang tin tức Năng lượng phân bố tín hiệu điều biên: Cơng suất của tải tin là cơng suất trung bình trong một chu kỳ tải tin: Cơng suất biên tần: Cơng suất tín hiệu điều biên cơng suất trung bình chu kỳ tín hiệu điều chế: Hệ số điều chế m lớn cơng suất tín hiệu điều biên lớn Khi m =1: Các tiêu tín hiệu điều biên Hệ số méo phi tuyến: a : biên độ dòng điện ứng với hài bậc cao tín hiệu điều chế : biên độ thành phần biên tần (thành phần sóng bản) Để giảm méo phi tuyến (K) buộc phải giảm độ sâu điều chế (m) b Hệ số méo tần số: Để đánh giá ta dựa vào đặc tuyến biên độ - tần số: Hệ số méo tần số xác định theo biểu thức: m0 : hệ số điều chế lớn m : h s iu ch ti tn s ang xột Đặ ctuyếnbiênđộ ưtầns ố Các mạch điều biên đợc xây dựng dựa vo hai nguyên tắc sau đây: - Dùng c ác p hầntử p hituy ến: cộng tải tin v i tín hiệu điều chế đặc tuyến phần tử phi tuyến - Dùng p hầntử ếntínhc ótham s ố điềukhiểnđợc : nhân tải tin v i tín hiệu điều chế nhờ phần tử tuyến tính Cỏcmchiubiờn: ®ã Các kiểu điều biên: điều biên cân bằng, điều biên vòng, điều biên đơn - Mạch điều biên cân có ưu điểm giảm méo phi tuyến - Mạch điều biên đơn dùng phần trở tích cực điốt tranzito i Mạch điều biên cân bằng: có ưu điểm giảm méo phi tuyến u1 = Utcosωtt + Uscosωst u2 = Utcosωtt Uscosωst i1 =a0 + a1. u1+ a2. u12+ a3. u13+ i2=a0 + a1. u2+ a2. u22+ a3. u23+ Dòng điện ra tải i = i1 i2 i= Acosωst + Bcos3ωst + C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt ωs)t] + + D[cos(2ωt +ωs)t +cos(2ωt ωs)t] Với: A= Us[2a1 + 3a3Ut2 + (a3/2) Us2] B= (a3/2) Us3 C= 2 a2UsUt D= 3/2 a3UsUt ii Mạch điều biên vòng: thực chất hai mạch điều chế cân chung tải Gọi : iI là dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng Đ1, Đ2 iII là dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng Đ3, Đ4 iđb = iI + iII = 2.C.[cos(ωt+ωS)t+ cos(ωt− ωS)t] Điều chế vòng cho méo phi tuyến nhỏ khử hài bậc lẻ ωS biên tần 2ωt Điều biên đơn Khái niệm: là q trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần Ta biết, phổ của tín hiệu điều biên gồm tải tần và hai biên tần, trong đó biên tần mang tin tức. Vì hai dải biên tần mang tin tức như nhau nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thơng tin về tin tức; còn tải tần chỉ dùng để tách sóng, có thể nén tồn bộ hoặc một phần trước khi truyền đi. Điều biên đơn tốn có ưu điểm sau: - Độ rộng tải tần giảm một nửa - Công suất xạ yêu cầu thấp với cự ly thông tin - Tạp âm đầu thu giảm giải tần tín hiệu hẹp - Biểu thức: uđb = m/2Ut(cos(ωt +ωs)t m=Us/Ut : hệ số nén tải tin, m có thể nhận các giá trị từ 0 ÷ ∞ Các phương pháp điều chế đơn biên: Phương pháp lọc Phương pháp quay pha Phương pháp kết hợp lọc và quay pha Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên phương pháp lọc Phổ tín hiệu vào Phổ tín hiệu điều chế cân Phổ tín hiệu đầu lọc Phổ tín hiệu đầu lọc Phổ tín hiệu khối theo sơ đồ phương pháp lọc đơn biên Sơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha Sơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp kết hợp lọc quay pha Phổ tín hiệu theo phương pháp kết hợp lọc quay pha Điều tần và điều pha Điều tần điều pha ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số pha tức thời tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế Quan hệ tần số góc pha dao động: Tín hiệu điều hòa có dạng: ut(t) = Utcos(ωtt + ϕ0) = Utcosψ(t) Giả thiết tín hiệu điều chế đơn âm: us(t) =Uscosωst Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế ω(t)= ωt + Kđt. Uscosωst =ωt + Δωm. Uscosωst φ(t)= φ0 + Kđp.Uscosωst=φ0 + Δφm. Uscosωst Δωm: lượng di tần cực đại; Δφm: lượng di pha cực đại Khi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên ϕ(t) = ϕ0 uđt(t) = Utcos(ωtt +Δωm/ωs.sinωst +ϕ0) uđp(t) = Utcos(ωtt +Δωm.cosωst +ϕ0) Lượng di pha đạt điều pha Δφ = Δφm cosωtt Lượng di tần tương ứng Δω = Δφm .ωs. sinωst Mạch điều tần Nguyên tắc thực điều tần tạo dao động làm biến đổi trị số điện kháng tạo dao động theo điện áp đặt vào Phương pháp phổ biến dùng điốt biến dung (varicap) tranzito điện kháng a) Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung: k hệ số tỷ lệ φk hiệu điện tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic φk ≈ 0,7 V γ hệ số phụ thuộc vật liệu Tần số dao động mạch Điện áp đặt lên điốt: uD=ut−uS−E0=Ut.cosωtt−US.cosωSt−E0 Để điốt phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện: uD= uDmin=| Ut Us E0 | ≤ ungcphep Nguyên lý hoạt động: có điện áp tin tức us tác động vào tác động điện áp ngược lên điốt biến dung D từ giá trị điện dung điốt thay đổi làm cho tần số cộng hưởng mạch thay đổi Đặc điểm:- Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng RD đến phẩm chất hệ tạo dao động nghĩa đến độ ổn định tần số mạch - Phải hạn chế khu vực làm việc đoạn tuyến tính đặc tuyến CD = f(uD) điốt biến dung để giảm méo phi tuyến Lượng di tần tương đối điều tần dùng điốt biến dung đạt khoảng 1% - Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích b. Mạch điều tần dùng tranzito điện kháng: Phần tử điện kháng phân áp RC Trong T1 tranzito điện kháng, T2 tranzito dao động Tranzito điện kháng mắc phần (trên L1) với hệ dao động Cũng mắc hai tranzito điện kháng thành mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần Mạch điều pha theo Amstrong uđb1=Ut1(1+mcosωst)cosωtt=Ut1 cosωtt + mUt1/2[cos(ωt +ωs)t+cos(ωt ωs)t] uđb2=Ut2(1 mcosωst)sinωtt=Ut2 sinωtt mUt/2[sin(ωt +ωs)t+sin(ωt ωs)t] Điện áp uđp = uđb1 + uđb2 dao động điều chế pha biên độ Điều biên điều biên ký sinh Mạch có nhược điểm lượng di pha nhỏ Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn Δϕ nhỏ Để có điều biên ký sinh nhỏ 1% Δϕ < 0,35 ... độ rộng xung…) - Tin tức gọi tín hiệu điều chế - Dao động cao tần gọi tải tin hay tải tần - Dao động cao tần mang tin tức gọi dao động cao tần điều chế Phân loại tín hiệu điều chế: - Điều biên - Điều chế. .. hiệu điều chế nhờ phần tử tuyến tính Các mạch điều biên: ®ã Các kiểu điều biên: điều biên cân bằng, điều biên vòng, điều biên đơn - Mạch điều biên cân có ưu điểm giảm méo phi tuyến - Mạch điều. ..CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾ Khái niệm Điều biên Điều chế đơn biên Điều tần Điều pha Khái niệm Điều chế trình thực chuyển phổ tín hiệu tin tức lên vùng