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.
Trang 1Tr ườ ng Đ i H c Công Ngh ạ ọ ệ
Trang 31. Cỏc khỏi ni m c b n ệ ơ ả
3
a. Hệ THốNG THIếT Bị THU PHáT
Máy phát Tx
Môi trường truyền
Máy thu Rx
Sơ đồ khối của hệ thống thiết bị thu phát
Nhiễu Nhiễu
Trang 4+ Máy phát: Tập hợp các linh kiện và mạch điện tử được
thiết kế để biến đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền
+ Môi trường truyền: Phương tiện để truyền thông tin,
có thể là dây dẫn (gọi là hữu tuyến như cáp đồng trục, cáp sợi quang) hoặc là khoảng không gian từ nơi phát
đến nơi thu (gọi là vô tuyến, như trong thông tin vi ba
số, thông tin vệ tinh)
+ Máy thu: Tập hợp các linh kiện và mạch điện tử được
thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý
và khôi phục lại tín hiệu ban đầu
+ Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen
lẫn vào tín hiệu hữu ích, làm sai dạng tín hiệu ban
đầu Nhiễu có thể xuất hiện trong cả 3 quá trỡnh phát, truyền dẫn và thu Do đó việc triệt nhiễu là một vấn
đề quan trọng cần được quan tâm trong hệ thống thiết
Trang 5b. máy phát
Điều chế Đổ i tần
Tổng hợp tần số
KĐCScao tần
Tín
hiệu
vào
Điều khiển
số Sơ đồ khối tổng quát của máy phát
Trang 6Máy thu thanh và máy thu hỡnh dân dụng thường được đổi tần 1 lần Máy thu thông tin chuyên dụng được đổi tần 2 lần nhằm tăng độ chọn lọc và loại bỏ nhiễu tần số ảnh.
Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tương tự hay số chưa điều chế được gọi là tín hiệu băng gốc (Base Band Signals) Tín hiệu băng gốc có thể được truyền trực tiếp trong môi trường truyền như
điện thoại nội bộ (Intercom), giữa các máy tính trong mạng LAN hoặc truyền gián tiếp bằng kỹ thuật điều chế.
+ Điều chế: là quá trình biến đổi một trong các thông số của sóng
mang cao tần hỡnh sine (biên độ, tần số hoặc pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc Có ba loại điều chế cơ bản: điều biên AM, điều tần FM,
điều pha PM và các biến thể của chúng (dạng tương tự) như SSB, DSB, (dạng số) như FSK, PSK, QPSK, MPSK
+ Đổ i tần: (Trộn tần-Mixer) là quá trình dịch chuyển phổ của tín
hiệu đã điều chế lên cao (ở máy phát) hoặc xuống thấp (ở máy thu)
mà không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) của nó để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu.
+ Tổ ng hợp tần s ố: (Frequency Synthesizer) là bộ tạo nhiều tần số
chuẩn có độ ổn định cao từ một hoặc vài tần số chuẩn của dao
động thạch anh.
+ Khuếch đại công s uất cao tần: Khuếch đại tín hiệu đã điều
chế ở tần số nào đó đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát.
Trang 7KĐTT 1
Đổi tần 2
KĐTT 2
Giải
điều chế
KĐCS
AGC
Tổng hợp tần số
Điều khiển số
Sơ đồ khối tổng quát của máy
thu
Trang 8+ Anten thu: là phần tử biến đổi năng lượng sóng điện từ
thành tín hiệu cao tần ở ngõ vào của máy thu, anten có tính thuận nghịch
là bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier)
Nó khuếch đại tín hiệu thu được từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần
Frequency Amplifier): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao,
hệ số khuếch đại lớn để tăng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết cho việc giải điều chế ở nhiều máy thu hiện
đại, nhằm tăng chất lượng, việc đổi tần được thực hiện 2 lần như hỡnh vẽ
lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đưa vào điều chế ở máy phát) từ tín hiệu trung tần
+ Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần s ố cao: Bộ
tổng hợp tần số, Bộ điều khiển số, tải chọn lọc tần số
Trang 9TÇn sè siªu cùc cao (EHF) Extremly High
Frequency
(30 - 300)GHz Vïng ¸nh s¸ng Hång ngo¹i (IR) Infrared
Vïng ¸nh s¸ng thÊy ®îc The Visible Spectrum
(Light)
m
6
7 10 10
m
5
6 10 10
m
4
5 10 10
m
3
4 10 10
m
2
3 10 10
m
1
2 10 10
m
1 10
m
1
10 1
m
2
1 10 10
m
3
2 10 10
m
10 7 , 0
m
8 , 0 4 , 0
Trang 10Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz được chia làm nhiều dải nhỏ:
Việc phân loại phổ tần số ra nhiều dải tần để nâng
cao hiệu quả sử dụng ở máy thu
Trang 11E. BĂng thông
nhỏ nhất của tín hiệu Đó là khoảng tần số mà phổ tín hiệu chiếm giữ hoặc là khoảng tần số tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu
mang cao tần, phổ của tín hiệu cao tần đã điều chế chiếm giữ một băng thông quanh tần số sóng mang
có độ rộng khác nhau Các kỹ thuật viễn thông hư ớng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số
Trang 12vThông tin một chiều (Simplex)
- Phát thanh quảng bá AM, FM
- Điện thoại vô tuyến di động hoặc cố định
- Điện thoại di động tế bào
- Thông tin của các trạm mặt đất thông qua vệ tinh
- Thông tin hàng không, thông tin vi ba số
- Thông tin số liệu giữa các máy vi tính
Trang 13S ơ đồ khối tổ ng quát của hệ thống thiết bị thu phát
Máy phát là một thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng
điện từ được biểu diễn dưới một hình thức điều chế thích hợp, chính xác để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức
Ngoài ra, các tần số hoạt động của máy phát được chọn phải có độ ổn định cao (công suất ra, tần số làm việc,
độ ổn định tần số, dải tần số điều chế), phự h p v i ợ ớcác kênh và vùng phủ sóng theo qui định của hiệp hội thông tin quốc tế (ITV)
Trang 14 Theo c«ng dông
b) Ph©n lo¹i
Ph¸t Th«ng tin
Ph¸t Chg trình
Ph¸t øng dông M¸y ph¸t
Ra
®a
Ph¸t hình
Đo kh c¸ch
Ph¸t thanh
Trang 15• Theo tÇn s è
Trang 16+ Máy phát điều xung (PM)
+ Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM
+ Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK
+ Máy phát khoá dịch tần FSK
•Theo công s uất
+ Máy phát công suất nhỏ Pra <100W
+ Máy phát công suất trung bỡnh 100W < Pra < 10KW
+ Máy phát công suất lớn 10KW < Pra < 1000KW
+ Máy phát công suất cực lớn Pra > 1000KW
Trong các máy phát công suất nhỏ và trung bình s ử
d ngụ : BJ T, FET, MOSFET công suất; công suất lớn và cực
Trang 17&làm nguội
Khối chủ sóng
Tiền KĐ Cao tần
Nguồn Cung cấp
S ơ đồ khối tổ ng quát của máy phát điều
biên AM
Trang 18+ Tiền khuếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu vào đến mức cần thiết để đưa vào tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT) Vì đối với máy phát AM thì biên
độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tầng này thường có tầng khuếch đại micro và khuếch đại
điện áp mức cao.
+ Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn để tiến hành điều chế tín hiệu cao tần
+ Khối chủ sóng (Dao động): có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ và tần số ổn định, có tầm biến
đổi tần số rộng Muốn vậy, ta có thể dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC).
+ Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT): có thể được dùng để nhân tần số hoặc khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích cho tần công suất làm việc Nó còn
có nhiệm vụ đệm, làm giảm ảnh hưởng của các tầng sau đến
độ ổn định tần số của khối chủ sóng Vì vậy, nó có thể có
Trang 19+ Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT): có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra của máy phát Công suất ra yêu cầu càng lớn thì
số tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT càng nhiều
+ Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng và anten để có công suất ra tối ưu
+ Anten để bức xạ năng lượng cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian
+ Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc đèn điện tử công suẩt
+ Ngoài ra, máy phát phải có thiết bị an toàn và thiết bị làm nguội
Trang 20T +mạch ra
TBị an toàn
&làm nguội
Khối chủ sóng (DĐ)
Nguồn Cung cấp
S ơ đồ khối tổ ng quát của máy phát điều tần FM
Tầng điện kháng: sử dụng các phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần thành điện kháng thay đổi (dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên) để thực hiện việc điều chế FM Phần tử điện kháng có thể là
Trang 21là lớn nhất
Đối với mạch công suất: việc phối hợp trở kháng giữa tầng ra của bộ khuếch đại công suất cao tần và anten nhằm đạt được công suất ra lớn nhất
iii.Đảm bảo băng thông (B)
Mạch lọc đầu ra phải đảm bảo sao cho ngoài biên biên độ không giảm quá 3dB Mặt khác dải thông tỉ lệ nghịch với
hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng ( ) Vì vậy
để đảm bảo dải thông và hệ số phẩm chất ta phải dùng nhiều bộ lọc ghép với nhau
Q f
B o
Trang 22Trong một dải tần rộng và thay đổi độ ghép với tải để
có tải tối ưu
Nói chung không thể đồng thời thoả mãn các yêu cầu trên mà tuỳ từng trường hợp cụ thể để xét yêu cầu nào là quan trọng, yêu cầu nào nào là thứ yếu Ví dụ:
+ Đối với tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng là chính, không yêu cầu độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên chỉ cần dùng mạch cộng hưởng
đơn
+ Đối với tầng ra, yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hài cao
Trang 23v.Tinh chỉnh anten
Đối với tầng trước thỡ điện trở tải chính là điện trở vào của tầng kế tiếp sau Còn đối với tầng cuối thỡ điện trở tải chính là điện trở của phiđơ Thực chất phiđơ có thể
là thuần trở rA , dung kháng rA-jXA , hoặc cảm kháng rA+ jXA Nhưng chỉ khi anten thuần trở thì công suất ra anten mới lớn nhất Muốn vậy, phải chỉnh anten cộng hưởng ở tần số làm việc bằng bộ phận tinh chỉnh Nếu là rA-jXA thì chỉnh Lc và nếu là rA+ jXA thỡ chỉnh Cc
S ử dụng cuộn cảm và tụ để tinh chỉnh anten
Trang 25vi. Các bước thiết kế một mạch ghép biến áp
Khi thiết kế, biết trước các điều kiện: PL , tần số góc và chọn Q1
tùy theo tần số Tiến hành một số bước tính toán như sau:
1 Biết PL, chọn tùy theo công suất yêu cầu theo bảng dư
ới đây:
) 95 , 0 9 , 0 ( BA
Trang 26BA L P
R td
o K
1 1
L
1 1
1 ' C C KS
C
1
K o
R Q
BA
td K
R R
K R
td
fa R r
4 Điện trở cộng hưởng khi có tải
5 Hệ số phẩm chất khi đã có tải: Q1 = (10 50)
L k M L
Trang 27từ trường Máy thu phải loại bỏ được các loại nhiễu không mong muốn, khuếch đại tín hiệu và sau đó giải điều chế nó để nhận được thông tin ban đầu
b) Đặc điểm máy thui.Độ nhạy
Biểu thị khả năng thu tín hiệu yếu của máy thu, được xác
định bằng sức điện động cảm ứng tối thiểu của tín hiệu tại anten để bảo đảm cho máy thu làm việc bỡnh thường Đo bằng microvolt Điều kiện làm việc:
- Đảm bảo công suất ra danh định.
- Đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N)
Muốn nâng cao độ nhạy thỡ hệ số khuếch đại của nó phải lớn
và mức tạp âm nội bộ của nó phải thấp (giảm tạp âm của tầng
đầu) Ở siêu cao tần (f>30MHz) độ nhạy của máy thu thường đư
ợc xác định bằng công suất chứ không phải bằng sức điện
động cảm ứng trên anten.
Trang 28ii Độ chọn lọc
là khả năng chèn ép các dạng nhiễu không phải là tín hiệu cần thu ie, độ chọn lọc là khả năng lựa chọn tín hiệu ra khỏi các loại nhiễu tồn tại ở đầu vào máy thu Độ chọn lọc
+ Ao: hệ số KĐ tại tần số f0 , Af: hệ số KĐ tại tần số f
Trang 29c) Máy thu khuếch đại trực tiếp
Lọc bằng thông
Kh đại Cao Tần
KĐCS
Âm tần
Thiết
bị cuối
S ơ đồ khối đơn giản của máy thu khuếch đại trực
tiếp
d) Máy thu đổ i tần
Trộn tần
Mạch
vào
Dđộn g nội
Thiết bị cuối
KĐCS
âm tần
Tách sóng
KĐTT KĐCT
Khối
đổi kênh
S ơ đồ khối tổ ng quát của máy thu đổ i tần
Trang 30So với máy thu khuếch đại trực tiếp thì máy thu đổi tần
có những ưu điểm sau đây:
+ Có khả năng lựa chọn kênh thu tuỳ ý bằng các thay đổi tần số dao động nội
+ Tần số tín hiệu được hạ thấp thành tần số trung tần
nên có thể dùng nhiều mạch khuếch đại trung tần để đạt
hệ số khuếch đại toàn máy cao, mà vẫn bảo đảm tính
ổn định cho máy thu Số tầng trung gian không bị hạn chế (8-10)
Trang 31e) Máy thu đổ i tần AM
Để giữ cho biên độ điện áp ra gần như không đổi dước tác dụng của hiện tượng pha đinh và 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.
Trộn tần
Mạch
vào
Dđộng nội
Thiết
bị cuối
KĐCS
âm tần
TSóng AM
KĐTT KĐCT
Khối
đổi kênh
AGC
S ơ đồ khối tổ ng quát của máy thu đổ i tần
AM
Trang 32f) Máy thu đổ i tần FM
Trộn tần
Mạch
vào
Daođộn g nội
Thiết
bị cuối
KĐCS
âm tần
Táchsón g FM
KĐ TT
KĐ CT
Khối
đổi kênh
Trang 33• truyền đạt tín hiệu từ anten vào máy thu
• là phần quan trọng quyết định chất lượng máy thu
• Bảo đảm hệ số truyền đạt lớn và đồng đều trong cả dải băng sóng
Ví dụ băng sóng MW: 550KHz-1600KHz, vo=20uv
550KHz 1600KHz vo=20μv
Hệ số truyền đạt đồng đều cả băng s óng MW
Trang 34• Độ chọn lọc tần số, tần số lân cận, tần số trung tần, tần số ảnh phải bảo đảm chỉ tiêu đề ra.
• Bảo đảm thu hết băng thông cho từng đài phát
Mạch vào bao gồm 3 thành phần:
+ Hệ thống cộng hưởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu
+ Mạch ghép với nguồn tín hiệu từ anten
+ Mạch ghép với tải của mạch vào (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên)
ii. Các yêu cầu của mạch vào máy thu1 Hệ s ố truyền đạt
Là tỉ số giữa điện áp ra của mạch vào điều chỉnh cộng hưởng ở một tần số nào đó và sức điện động cảm ứng trên anten (Ea)
A
o MV
E V A
Trang 352. Độ chọn lọc
f
o C
A
A S
3. Băng thông B
4. Dải tần làm việc
Gọi dải tần số làm việc của máy thu là: fomin-fomax Tần
đoạn làm việc được định nghĩa như sau:
min
max
o
o doan
f
f A
Dải tần nói trên có thể được chia thành nhiều băng tần bằng cách chia thành nhiều cuộn dây cho các băng tần, mỗi băng tần tương ứng với một cuộn dây khác nhau Tỉ
số giữa fbmax và fbmin ứng với mỗi băng gọi là hệ số trùm băng
min
max
b
b bang
f f A
Trang 36iii.Nhiễu trong hệ thống thông tin và trong máy thuNhiễu trong hệ thống thông tin xuất hiện trong kênh thông tin và trong cả thiết bị Nhiễu là thành phần không mong muốn, xuất hiện ngẫu nhiên gây nhiễu với tín hiệu hữu ích Ta không thể loại bỏ nhiễu hoàn toàn nhưng có thể giảm nhiễu bằng các biện pháp khác nhau, chẳng hạn giảm băng thông tín hiệu, tăng công suất máy phát hoặc
sử dụng các bộ khuếch đại nhiễu thấp
Có hai loại nhiễu là nhiễu bên trong: xuất hiện trong bản thân thiết bị và nhiễu bên ngoài: xuất hiện trên kênh truyền vNhiễu bên ngoài
Nếu môi trường truyền dẫn là không gian thỡ nó có nhiều loại nhiễu như nhiễu do thiết bị, từ khí quyển và
từ không gian
vNhiễu bên trong Nhiễu bên trong xuất hiện trong bản thân thiết bị, cả trong thành phần thụ động như điện trở, cáp và tích cực như diode, transistor, đèn điện tử Chúng gồm nhiễu