Lý thuyết Hệ thống thông tin Chương 1

1 Chơng Các khái niệm hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN (thiết bị thu phát) 1.1 Các thành phần hệ thống thiết bị thu phát 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thu phát Trong hệ thống thu phát, thông tin đợc truyền từ nơi đến nơi khác thiết bị điện tử thông qua môi trờng truyền Sơ đồ khối hệ thống đợc biểu diễn nh hình 1.1: Tín hiệu vào: âm thanh, liệu, hình ảnh Máy Máy phát phát Tx Tx Môi tr Môi tr ờng êng trun trun M¸y M¸ythu thu Rx Rx NhiƠu NhiƠu Nhiễu Nhiễu Nhiễu Nhiễu Tín hiệu Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thu phát + Máy phát: Tập hợp linh kiện mạch điện tử đợc thiết kế để biến đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp với môi trờng truyền + Môi trờng truyền: Phơng tiện để truyền thông tin, dây dẫn (gọi hữu tuyến nh cáp đồng trục, cáp sợi quang) khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi vô tuyến, nh th«ng tin vi ba sè, th«ng tin vƯ tinh) + Máy thu: Tập hợp linh kiện mạch ®iƯn tư ®ỵc thiÕt kÕ ®Ĩ nhËn tÝn hiƯu tõ môi trờng truyền, xử lý 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 xuất trình phát, truyền dẫn thu Do việc triệt nhiễu vấn đề quan trọng cần đợc quan tâm hệ thống thiết bị thu phát nhằm nâng cao chất lợng tín hiệu truyền dẫn 1.1.2 Sơ đồ khối máy phát Máy thu máy thu hình dân dụng thờng đợc đổi tần lần Máy thu thông tin chuyên dụng đợc đổi tần lần nhằm tăng độ chọn lọc loại bỏ nhiễu tần số ảnh Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tơng tự hay số cha điều chế đợc gọi tín hiệu băng gốc (Base Band Signals) Tín hiệu băng gốc đợc truyền trực tiếp môi trờng truyền nh điện thoại nội (Intercom), máy tính mạng LAN truyền gián tiếp kỹ thuật điều chế + Điều chế: trình biến đổi thông số sóng mang cao tần hình sine (biên độ, tần số pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc Có ba loại điều chế bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM biến thể chúng (dạng tơng tự) nh SSB, DSB, (d¹ng sè) nh FSK, PSK, QPSK, MPSK TÝn hiệu vào Điều Điều chế chế Đổi Đổitần tần KĐCS KĐCS cao caotần tần Tổng Tổng hợp hợptần tần số số Điều Điều khiển khiểnsố số Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát máy phát + Đổi tần: (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 + Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ vài tần số chuẩn dao động thạch anh + Khuếch đại công suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu điều chế tần số đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát + Anten phát: phần tử biến đổi lợng điện cao tần thành sóng điện từ xạ vào không gian 1.1.3 Sơ đồ Đổi khối máy thu KĐCT KĐTT KĐCT Đổi KĐTT (LNA) (LNA) tần tần 11 11 Đổi Đổi tần tần 22 KĐTT KĐTT 22 Giải Giải điều điều chế chế KĐCS KĐCS AGC AGC Tổng Tổng hợp hợptần tần số số Điều Điều khiển khiển số số Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát máy thu + Anten thu: phần tử biến đổi lợng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần ngõ vào máy thu, anten có tính thuận nghịch + Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) thờng khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier) Nó khuếch đại tín hiệu thu đợc từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần + Bộ khuếch đại trung tần: IF Amp (Intermediate 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 nhiều máy thu đại, nhằm tăng chất lợng, việc đổi tần đợc thực lần nh hình vẽ + Giải điều chế: (Demodulation) trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đa vào điều chế máy phát) từ tín hiệu trung tần + Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao: 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 hiệu Ngày nay, công nghệ đại chuẩn hoá vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu nhỏ máy thu máy phát 1.2 Phổ tần số Việc phân loại phổ tần số nhiều dải tần để nâng cao hiệu sử dụng máy thu: Tên dải tần Tần số cực thấp (ELF) Extremly Low Frequency TÇn sè tiÕng (VF) Voice Frequency TÇn sè rÊt thÊp (VLF) Very Low Frequency TÇn sè thÊp (LF) Low Frequency Tần số trung bình (MF) Medium Frequency Tần số cao (HF) High Frequency TÇn sè rÊt cao (VHF) TÇn sè (30 - 300) Hz Bíc sãng (300 - 3000) Hz 10 10 m (3 - 30)KHz 10 10 m (30 - 300)KHz 10 10 m (300 - 3000)KHz 10 10 m (3 - 30)MHz 10 10 m (30 - 300)MHz 10 1 m 10 10 m Very High Frequency TÇn sè cùc cao (UHF) (300 - 3000)MHz 10  m Ultra High Frequency TÇn sè siªu cao (SHF) (3 - 30)GHz 10  10  m (30 - 300)GHz 10  10 m Super High Frequency Tần số siêu cùc cao (EHF) Extremly High Frequency Vïng ¸nh s¸ng Hång ngoại 0,7 10 m (IR) Infrared Vùng ánh sáng thấy đợc The Visible 0,4 0,8m Spectrum (Light) Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz đợc 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 1.3 Băng thông Băng thông hiệu tần số lớn tần số nhỏ tín hiệu Đó khoảng tần số mà phổ tín hiệu chiếm giữ khoảng tần số tín hiệu đợc truyền từ máy phát đến máy thu Khi tín hiệu ban đầu đợc điều chế lên sóng mang cao tần, phổ tín hiệu cao tần điều chế chiếm giữ băng thông quanh tần số sóng mang Tuỳ theo kiểu điều chế mà băng thông cao tần có độ rộng khác Các kỹ thuật viễn thông hớng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số 1.4 Các ứng dụng kỹ thuật thông tin điện tử 1.4.1 Thông tin chiều (Simplex) - Phát quảng bá AM, FM - Truyền hình quảng bá - Truyền hình cáp - Nhắn tin - Đo xa, điều khiển xa - Định vị toàn cầu GPS 1.4.2 Thông tin hai chiều (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, th«ng tin vi ba sè - Th«ng tin sè liƯu máy vi tính 1.5 Một số khái niệm cao tần 1.5.1 Bán dẫn công suất cao tần Để có đợc công suất lớn tần số cao, BJT công suất cao tần đợc chế tạo công nghệ đặc biệt, nhiều tiếp giáp Emitter nhằm tăng chu vi dẫn dòng điện cao tần, giảm điện trở cực Base C điện dung kí sinh B Base Điện trở cân dòng Emitter E Hình 1.4 Cấu trúc BJT công suất cao tần Số tiếp giáp Emitter vài chục, vài trăm Cbc rb rbe = Rip B Cbe E Hình 1.5 Mạch tơng đơng ngõ vào BJT công suất cao tần Bản chất BJT luôn tồn điện dung mối nối ( C b, e , C b ,c , C ce ) ¶nh hëng đến hệ số khuếch đại tần số cao, làm giới hạn tần số hoạt động BJT Thông thờng, kiểu khuếch đại cao tần mắc E chung cho công suất lớn Tuy nhiên tần số cao, hồi tiếp âm điện áp qua C b c , tăng, làm giảm hệ số khuếch đại Tụ tác động nh tụ Miller tơng đơng có giá trị lớn ngâ vµo: C Miller C b c (1  AV ) AV hệ số , khuếch đại điện áp mạch Từ đó, tạo tụ tơng đơng ngõ C vào BJT công suất cao tần nh hình 1.6, có giá trị Cin C Miller  Cb e , B E CMiller Cb’e Cin H×nh 1.6 Tụ tơng đơng ngõ vào BJT công suất Do đó, trở kháng vào BJT (Z iQ), Av, hệ số khuếch đại dòng Ai, hệ số khuếch đại công suất Ap, giảm tần số tăng BJT thể quán tính, đáp ứng vào - không tức thời Giữa dòng Ic Ib có dịch pha, biên độ dòng Ic giảm Mắc B chung giải pháp tối u khuếch đại công suất cao tần, hệ số khuếch đại công suất nhỏ so với sơ đồ mắc E chung nhng phạm vi tần số hoạt động cao hơn, băng thông rộng JFET MOSFET có cÊu tróc b¸n dÉn kh¸c BJT, chóng cã trë kh¸ng vào lớn, điện dung tiếp giáp Cgs nhỏ, hoạt động tốt tần số cao với công suất lớn ổn định BJT JFET MOSFET công suất cao tần đợc dùng nhiều hệ thống thông tin đại nh trạm gốc BTS điện thoại di động tế bào, phát thanh, truyền hình, vi ba, SSPA ( Solid State Power Amp), th«ng tin vƯ tinh 1.5.2 Trun c«ng st lín nhÊt P RL ZS XS XL = XS X RS RL V RL 1 XL = XS = 1 E a) E = 1V RS = 2, b)2 H×nh 1.7 a/ Nguån cung cấp công suất cho tải Z RL/RS theo RL b/ Sự phụ thuộc công suất tải PRL PRL VRL I I RL Công suất tải: E PRL   ( RS  R L )  ( X S  X ) PRL    RL  E R L ( RS  R L )  ( X S X ) XS, X phần kháng nội trở nguồn tải Khi XS =-X công suất tải PRL E R L ( RS RL ) Khảo sát biến thiên PRL theo RL cách lấy đạo hàm, cho b»ng zero ' RL P E [( R S  R L )  R L ]  0 ( RS  RL ) Suy RS=RL Khi công suất tải cực đại: PRL max  E2 E2  RL RS §å thị biến thiên PRL theo RL cho hình 1.7b Vậy trở kháng nguồn trở kháng tải RS + jXS = RL - jX hay RS = RL vµ XS =-X Ta nãi cã sù trun c«ng st lín tải Nếu yêu cầu truyền công suất lớn dải tần số giá trị thích hợp cho phối hợp trở kháng không phản xạ lµ ZL = ZS hay RS + jXS = RL + jX 10 Tuy nhiên hiệu suất nhỏ so với tần số Vấn đề liên qua đến lựa chọn truyền tín hiệu dây truyền sóng 1.5.3 Mạch điều hởng song song nối tiếp (Parallel and Serial Tuned Circuit) Mạch điều hởng song song: Cho mạch L, C song song, r - điện trở tổn hao cuộn dây Trở kháng tơng đơng mạch điều hởng: Z eq (r jX L )( jX C ) r  j( X L X C ) XL=L : Cảm kháng cuộn dây Xc : dung kháng tụ điện C Zeq C L Req(0) r Hình 1.8 Mạch điều hởng song song Thông thờng r