Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 11: Tổng quan về hệ thống thu phát vô tuyến cung cấp cho người đọc các kiến thức: Các khái niệm cơ bản, máy phát, máy thu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Tr ường Đ ại H ọc Công Ngh ệ Thông Tin KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG CHƯƠNG 11 Tổng quan THÁNG 9/2012 hệ thống thu phát vô tuyến Chương 11: Tổng quan hệ thống thu phát vô tuyến Các khái niệm cơ bản Máy phát Máy thu 1.Cỏckhỏinimcbn a HệTHố NGTHIếTBịTHUPHáT Tín hiệu vào: âm thanh, dư liệu, hinh ảnh Máy thu Tx Môitrườ ng trun NhiƠu NhiƠu NhiƠu M¸y ph¸t TÝn hiƯu Rx Sơđồ khối hệ thống thiết bị thu phát + Máy p hát: Tập hợp linh kiện mạch điện tử thiết kế để biến đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền + Môitrườ ng truy ền: Phương tiện để truyền thông tin, dây dẫn (gọi hu tuyến cáp đồng trục, cáp sợi quang) khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi v« tuyÕn, nh th«ng tin vi ba sè, th«ng tin vệ tinh) + Máy thu: Tập hợp linh kiện mạch điện tử thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý khôi phục lại tín hiệu ban đầu +Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen lẫn vào tín hiệu hu ích, làm sai dạng tín hiệu ban đầu Nhiễu xuất trỡnh phát, truyền dẫn thu Do việc triệt nhiễu vấn đề quan trọng cần quan tâm hệ thống thiết bị thu phát nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn b.máyphát Tín hiệu vào iều chế ổ itần KCS cao tần Tổng hợp tần số iều khiển số Sơđồ khối tổng quát máy phát Máy thu thông tin chuyên dụng đổi tần lần nhằm tăng độ chọn lọc loại bỏ nhiễu tần số ảnh Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tương tự hay số chưa điều chế gọi tín hiệu bng gốc (Base Band Signals) Tín hiệu bng gốc truyền trực tiếp môi trường truyền điện thoại nội (Intercom), gia máy tính mạng LAN truyền gián tiếp kỹ thuật điều chế +iềuc hế: trình biến đổi thông số sóng mang cao tần hỡnh sine (biên độ, tần sè hc pha) tØ lƯ víi tÝn hiƯu băng gèc Có ba loại điều chế bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM biến thể chúng (dạng tương tự) SSB, DSB, (dạng số) FSK, PSK, QPSK, MPSK +Đổ itần: (Trộn tần-Mixer) trình dịch chuyển phổ tín hiệu điều chế lên cao (ở máy phát) xuống thấp (ở máy thu) mà không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu +Tổ ng hợp tầns ố : (Frequency Synthesizer) tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ vài tần số chuẩn dao động thạch anh +Khuếc hđạic ông s uấtc ao tần: Khuếch đại tín hiệu điều chế tần số đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát c máythu KCT (LNA) ổi tần KTT 1 ổi tần KTT 2 Giải điều chế KCS AGC Tổng hợp tần số iều khiển số Sơđồ khối tổng quát máy thu + Ante nthu: phần tử biến đổi nng lượng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần ngõ vào máy thu, anten có tính thuận nghịch + Bộ khuếc hđạic ao tầntínhiệunhỏ: (RFAmp) thường khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier) Nó khuếch đại tín hiệu thu từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần + Bộ khuếc h đại trung tần: IF Amp (Intermediate Frequency Amplifier): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn để tng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết cho việc giải điều chế nhiều máy thu đại, nhằm tng chất lượng, việc đổi tần thực lần hỡnh vẽ + Giải điều c hế: (Demodulation) trỡnh khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đưa vào điều chế máy phát) từ tín hiệu trung tần +Mạc hđiệntử thông tinliê nq uanđếntầns ố c ao : Bộ tổng hợp tần số, Bộ điều khiển số, tải chọn lọc tần số không trở, phối hợp trở kháng, anten, mạch xử lý tín d.Phổ tầns ố Têndảitần Tần số cực thấp (ELF) TÇn sè Extremly Low (30 - 300) Hz Frequency TÇn sè tiÕng (VF) Voice Frequency TÇn sè rÊt thÊp (VLF) Very Low Frequency TÇn sè thÊp (LF) Low Frequency TÇn sè trung bình (MF) Medium Frequency Tần số cao (HF) High Frequency TÇn sè rÊt cao (VHF) Very High Frequency (300 - 3000) Hz (3 - 30)KHz (30 - 300)KHz (300 - 3000)KHz (3 - 30)MHz Bíc sãng 10 10 m 10 10 m 10 10 m 10 10 m 10 10 m 10 101 m (30 - 300)MHz 10 m TÇn sè cùc cao (UHF) Ultra High Frequency (300 - 3000)MHz 10 m Tần số siêu cao (SHF) Super High Frequency Tần số siêu cực cao (EHF) Extremly High Frequency (3 - 30)GHz 10 10 m 10 10 m (30 - 300)GHz Vïng ¸nh s¸ng Hång ngo¹i (IR) Infrared 0,7 10 m Vïng ánh sáng thấy The Visible Spectrum (Light) 0,4 0,8 m Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz chia làm nhiều dải nhỏ: L Band : (1 - 2) GHz S Band: (2 - 4) GHz C Band: (4 - 8) GHz X Band: (8 - 12) GHz Ku Band : (12 - 18) GHz K Band: (18 - 27) GHz Ka Band : (27 - 40) GHz Việc phân loại phổ tần số nhiều dải tần để nâng cao hiệu sử dụng máy thu 10 iii.ảmbảo hệs ố lọc hàic ao ối với nhng máy phát có công suất lớn, yêu cầu thành phần hài nhỏ Do đó, mạch ghép phải bảo đảm độ suy giảm đạt yêu cầu nhng tần số hài không mong muốn v.iềuc hỉnhmạc hg hép Trong dải tần rộng thay đổi độ ghép với tải để có tải tối ưu Nói chung đồng thời thoả mãn yêu cầu mà tuỳ trường hợp cụ thể để xét yêu cầu quan trọng, yêu cầu nµo nµo lµ thø u VÝ dơ: + Đèi víi tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng chính, không yêu cầu độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên cần dùng mạch cộng hưởng đơn + ối với tầng ra, yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hài cao nên dùng mạch cộng hưởng phức tạp 22 v.Tinhc hỉnhante n ối với tầng trước thỡ điện trở tải điện trở vào tầng sau Còn tầng cuối thỡ điện trở tải điện trở phiđơ Thực chất phiđơ trở rA , dung kháng rA-jXA , cảm kháng rA+ jXA Nhưng anten trở công suất anten míi lín nhÊt Mn vËy, ph¶i chØnh anten céng hư ởng tần số làm việc phận tinh chỉnh Nếu rA-jXA thìchỉnh Lc rA+jXA thỡ chnh Cc S ửdụngcuộ ncảm vàtụđểtinhchỉnhante n 23 vi Ghépbiếnáp(g héphỗ c ảm) Mạchghéptảirabằngbiếnáp C L r rf a S ơđồtươngtươngcủam ạch đượcquivềbêns ơcấp 24 vi Các bước thiếtkếmộ tmạc hg hépbiếnáp Khi thiết kế, biết trước điều kiện: PL, tần số góc chọn Q1 tùy theo tần số Tiến hành số bước tính toán sau: ( Biết PL, chọn ới đây: BA 0,9 0,95) C«ng suÊt ra PL < 1W 1W 10W 100W 1KW PL tùy theo công suất yêu cầu theo bảng d HiÖu suÊt 0,7 0,8 PL < 10W 0,75 0,85 PL < 100W 0,84 0,93 PL < 1KW 0,92 0,96 PL < 10KW 0,95 0,98 10KW 0,97 25 Xác định P PL BA Chän Vcm =(0,8 - 0,9) Vcc ĐiƯn trë céng hëng cã t¶i Rtd Vcm2 2P1 HƯ sè phÈm chÊt ®· cã tải: Q1=(10 50) RK Tính trở kháng đặc tính mạch sơcấp:1 Qo C ' C1 C KS Rtd Q1 Xác định L1,C:L1 CKS =CCE Transistor ; nÕu C1 10 CCE th×C' C1 RK Q 8.Hệs ố phẩm chấtriêngcủakhungcộ nghưở ngs ơcấp: o RK 1 TÝnh ®iƯn trë tỉn hao cđa cn sơcấp không có tải: r Qo r r fa 10 Tính hỗ cảmM: Q1 r RK r r fa Rtd BA Rtd r fa R L M2 L2 11 TÝnh gi¸ trị cuộn cảm bên thứ cấp : k L1 26 3.Máythu a) Địnhng hĩa: Máy thu thiết bị đầu cuối hệ thống thông tin vô tuyến điện Máy thu có nhiệm vụ tiếp nhận lặp lại tin tức chứa tín hiệu chuyển từ máy phát dạng sóng điện từ trường Máy thu phải loại bỏ loại nhiễu không mong muốn, khuếch đại tín hiệu sau giải điều chế để i.ộ nhạy thông ban đầu b ) nhận Đặc điểm m áytin thu Biểu thị khả nng thu tín hiệu yếu máy thu, xác định sức điện động cảm ứng tối thiểu tín hiệu anten để bảo đảm cho máy thu làm viƯc bình thêng Đo b»ng microvolt ĐiỊu kiƯn lµm viƯc: - ảm bảo công suất danh định - ảm bảo tỉ số tín hiệu nhiễu (S/N) Muốn nâng cao độ nhạy thỡ hệ số khuếch đại phải lớn mức tạp âm nội phải thấp (giảm tạp âm tầng đầu) siêu cao tần (f>30MHz) độ nhạy máy thu thường đư ợc xác định công suất sức điện 27 ii ộ c họnlọc khả nng chèn ép dạng nhiễu tín hiệu cần thu ie, độ chọn lọc khả nng lựa chọn tín hiệu khỏi loại nhiễu tồn đầu vào máy thu ộ chọn lọc ký hiƯu: Se A0 Af +Ao: hƯ sè KĐ t¹i tần số f0 , Af: hệ số K tần số f ộ chọn lọc thường tính đơn vị SdB 20 log S e Đặc tuyến chọn lọc lý tưởng máy thuedBcó dạng chữ nhật, nghĩa dải thông B biên độ tín hiệu không đổi iii.Chấtlượng lặplạitintứ c ược đánh giá độ méo cđa tÝn hiƯu (mÐo phi tun, mÐo tÇn sè, mÐo pha), chủ yếu xét độ méo tầng khuếch đại công suất âm tần tín hiệu loa không bị biến dạng so với tín hiệu đưa tới điều chế máy phát Ngoài ta phải xét đến tiêu khác máy thu công suất ra, dải tần số công tác, tính ổn định biên độ tần số 28 Các máy thu phân loại tương tự máy phát c )Máythukhuếc hđạitrực tiếp Từ ante n Lọc bng thông Kh ại Cao Tần Giải điều chế KCS Âm tần Thiết bị cuối S ơđồkhố iđơngiảncủam áythukhuếchđạitrực tiếp d)Máythuđổ itần Mạch vào KCT Trộn tần Khối đổi kênh Dđộn g nội KTT Tách sóng KCS âm tần S ơđồkhố itổ ngquátcủam áythuđổ itần Thiết bị cuối 29 So với máy thu khuếch đại trực tiếp thìmáy thu đổi tần có ưu điểm sau đây: +Có khả lựa chọn kênh thu tuỳ ý thay đổi tần số dao động nội +Tần số tín hiệu hạ thấp thành tần số trung tần nên dùng nhiều mạch khuếch đại trung tần để đạt hệ số khuếch đại toàn máy cao, mà bảo đảm tính ổn định cho máy thu Số tầng trung gian không bị hạn chế (8-10) +Do trung tần không đổi nên mạch cộng hưởng có kết cấu đơn giản, gọn, giá thành rẽ không bị hạn chế máy thu Nó thường mạch cộng hưởng đôi để tăng hệ số phẩm chất tăng dải thông +Do tần số trung tần không đổi nên sử dụng hệ thống cộng hưởng phức tạp (như lọc tập trung) để đạt đặc tuyến tần số lý tưởng 30 e )Máythuđổ itầnAM Để giữcho biên độ điện áp gần không đổi dước tác dụng tượng pha đinh nhiều nguyên nhân khác nhau, ta sử dụng mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại AGC Khi máy thu AM yêu cầu chất lượng cao, ta sử dụng mạch tự động điều chỉnh tần số AFC AGC Mạch vào KCT Khối đổi kênh Trộn tần KTT TSóng AM KCS âm tần Thiết bị cuối Dđộng nội S ơđồkhố itổ ngquátcủam áythuđổ itần AM 31 f)Máythuđổ itầnFM Mạch vào K CT Khối đổi kênh Trộn tần K TT Daođộn g nội AFC Táchsón g FM KCS âm tần Thiết bị cuối S ơđồkhố itổ ngquátcủam áythuđổ itần FM Về giống sơ đ khối máy thu AM, trung tần ftt=10,7 GHz tách sóng tách sóng tần số Để tránh tượng điều biên ký sinh gây méo tín hiệu sau tách sóng, ta đặt hạn chế biên độ trước tách sóng tần số sử dụng tách sóng tỉ số có mạch hạn biên Đối với máy thu đổi tần FM, độ ổn 32 định tần số yêu cầu cao nên bắt buộc phải có mạch g )Mạc hvào c ủamáythu i.ặc điểmc Mạch vào mạch điện nối liền anten với đầu vào máy thu Nó có đặc điểm sau: truyền đạt tín hiệu từ anten vào máy thu phần quan trọng định chất lượng máy thu Bảo đảm hệ số truyền đạt lớn đồng c¶ d¶i băng sãng VÝ dơ băng sãng MW: 550KHz-1600KHz, vo=20uv vo=20v 550KHz 1600KHz Hệs ố truyềnđạtđồngđềucảbăngs óng MW 33 Độ chọn lọc tần số, tần số lân cận, tần số trung tần, tần số ảnh phải bảo đảm tiêu đề Bảo đảm thu hết băng thông cho đài phát Mạch vào bao gồm thành phần: + Hệ thống cộng hưởng (đơn kép) điều chỉnh đến tần số cần thu +Mạch ghÐp víi ngn tÝn hiƯu tõ anten + M¹ch ghÐp với tải mạch vào (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên) ii Các yêuc ầuc ủamạc hvào máythu 1Hệs ố truyềnđạt Là tỉ số gia điện áp mạch vào điều chỉnh cộng hưởng tần số sức điện động cảm ứng anten (Ea) Vo AMV EA AMV lớn hệ số khuếch đại chung toàn máy 34 lớn 2.Độ c họnlọc S C 3.Bng thông B Ao Af 4.Dảitầnlàmviệc Gọi dải tần số làm việc máy thu là: fomin-fomax Tần đoạn làm việc định nghĩa nh sau: Adoan f o max f o D¶i tần nói chia thành nhiều băng tần cách chia thành nhiều cuộn dây cho băng tần, băng tần tương ứng với cuộn dây khác Tỉ số fbmax fbmin ứng với băng gọi hệ số trùm băng f Abang b max f b 35 iii.NhiƠu tro ng hƯ thè ng thông tinvàtro ng máythu Nhiễu hệ thống thông tin xuất kênh thông tin thiết bị Nhiễu thành phần không mong muốn, xuất ngẫu nhiên gây nhiễu với tín hiệu hu ích Ta loại bỏ nhiễu hoàn toàn giảm nhiễu biện pháp khác nhau, chẳng hạn giảm bng thông tín hiệu, tng công suất máy phát sử dụng khuếch đại nhiễu thấp Có hai loại nhiễu nhiễu bên trong: xuất thân thiết bị nhiễu bên ngoài: xuất vNhiễubênng o ài kênh truyền Nếu môi trường truyền dẫn không gian thỡ có nhiều loại nhiễu nhiễu thiết bị, từ khí từ không gian vNhiễubêntro ng Nhiễu bên xuất thân thiết bị, thành phần thụ động điện trở, cáp tích cực diode, transistor, đèn điện tử Chúng gồm nhiễu nhiệt, nhiễu bắn, nhiễu thành phần, nhiễu nhấp nháy 36 (1/f) nhiễu thêi gian chun ®ỉi .. .Chương 11: Tổng quan hệ thống thu phát vô tuyến Các khái niệm cơ bản Máy phát Máy thu 1. Các khái niệm cơ bản a HệTHố NGTHIếTBịTHUPHáT Tín hiệu vào: âm thanh, dư liệu, hinh ảnh Máy thu Tx... (Duplex) - Điện thoại công cộng - Điện thoại vô tuyến di động cố định - Điện thoại di động tế bào - Thông tin trạm mặt đất thông qua vệ tinh - Thông tin hàng không, thông tin vi ba số - Thông... 3.Máythu a) Địnhng hĩa: Máy thu thiết bị đầu cuối hệ thống thông tin vô tuyến điện Máy thu có nhiệm vụ tiếp nhận lặp lại tin tức chứa tín hiệu chuyển từ máy phát dạng sóng điện từ trường Máy thu