Điều tần và điều pha

V C C U s R 1 R 2 R 3 R 4 T 1 T 2 V c c V c c V c c A c c A c c Đ o åi t a àn Đ o åi T a àn 1uF 1k 1uH 1uF ĐIỀU TẦN & ĐIỀU PHA (FM: Frequency Modulation - PM: Pules Modulation) I. Quan hệ giữa điều tần và điều pha: ω = (3.1) dψ dt Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ với nhau, nên dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngược lại: Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế (tín hiệu âm tần). Tải tin là dao động điều hòa: V 0 (t) = V 0 cos(ω 0 t +ϕ 0 ) = V 0 cosϕ(t) (3.2) Từ 3.1 ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) 3.3tdttt t 0 ϕ+ω=ψ ∫ Thay (3.3) vào (3.2) ta nhận được biểu thức: [ ] )4.3()t(dt)t(cosV)t(V 00 ϕ+ω= Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm : V Ω (t)= V Ω cosΩt (3.5) Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của tải tin biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng được xác đònh theo các biểu thức sau: ω(t) = ω 0 + ∆ωcosΩt (3.6) ∆ω: lượng di tần cực đại. m f = k = (3.7) V Ω Ω Ω ∆ω Khi đó ta có chỉ số điều tần: k: hệ số tỷ lệ ϕ(t) = ϕ 0 + ∆ϕ cosΩt (3.8) ∆ϕ: lượng di pha cực đại. Khi đó ta có chỉ số điều pha: m p = kV Ω = ∆ϕ (3.9) Từ (3.6) ta có: ∆ω = kV Ω (3.10) Nên khi V Ω = const thì ∆ω= const nhưng khi Ω thay đổi thì m f cũng thay đổi. Từ (3-8) ta nhận thấy khi V Ω = const thì m p = const, nhưng độ di tần khi điều pha thì tăng tỷ lệ với tần số điều chế theo biểu thức: ( ) ( ) 11.3tsin. dt d ΩΩϕ∆= ϕ∆ =ω∆ Như vậy điều khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế, còn lượng di tần khi điều chế tần số chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế mà thôi. Thay (3.6) và (3.8) vào (3.3) ta nhận được tín hiệu đã điều tần và điều pha như sau: Ta nhận thấy nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch tích phân, rồi vào mạch điều chế pha thì ở đầu ra ta sẽ nhận được tín hiệu điều chế tần số. Ngược lại, nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch vi phân, rồi vào mạch điều chế tần số thì ở đầu ra ta nhận được tín hiệu điều chế pha (hình 3-1) Lọc thông thấp Tách sóng pha Chia n:1 Dao động thạch anh Chia n 2 Khuyếch đại VΩ f ra V FM (t) = V 0 cos(ω 0 t + Ω ωΔ sinΩt + ϕ 0 ) (3.12) V PM (t) = V 0 cos(ω 0 t + ∆ϕcosΩt + ϕ 0 ) (3.13) f TA Hình 3-1: Điều tần dùng hệ thống AFC-P Bộ dao động f 0 II. Phổ của dao động điều tần và điều pha: Công thức (3.12) và (3.13) có thể viết lại như sau với ϕ 0 = 0: V FM (t) = V 0 cos(ω 0 t + m f sinΩt) (3.14) V PM (t) = V 0 cos(ω 0 t + m p sinΩt) (3.15) Khi điều chế đơn âm, phổ của tín hiệu điều tần và điều pha chỉ chứa thành phần ω 0 và nhiều thành phần tần số biên (ω 0 ± nΩ) với n = 1, 2, 3 (được cho trong bảng 2-1). Biên độ của các thành phần tần số biên tỷ lệ với hàm số Bessel loại 1 bậc n như hình (3-2) m f J 0 Kích thước tần số J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J 6 J 7 J 8 J 9 J 10 J 11 J 12 0.25 0.5 1.0 1.5 2.0 2.4 3.0 4.0 5.0 5.5 6.0 7.0 8.0 8.65 0.98 0.94 0.77 0.51 0.22 0 -0.26 -0.40 -0.18 0 0.15 0.30 0.17 0 0.12 0.24 0.44 0.56 0.58 0.52 0.34 -0.07 -0.33 -0.34 -0.28 0 0.23 0.27 0.01 0.03 0.11 0.23 0.35 0.43 0.49 0.36 0.05 -0.12 -0.24 -0.30 -0.11 0.06 0.02 0.06 0.13 0.20 0.31 0.43 0.36 0.26 0.11 -0.17 -0.29 -0.24 0.01 0.03 0.06 0.13 0.28 0.39 0.40 0.36 0.16 -0.10 -0.23 0.01 0.04 0.13 0.26 0.32 0.36 0.35 0.19 0.03 0.01 0.05 0.13 0.19 0.25 0.34 0.34 0.26 0.02 0.05 0.09 0.13 0.23 0.32 0.34 0.02 0.03 0.06 0.13 0.22 0.28 0.01 0.01 0.02 0.06 0.13 0.10 0.01 0.02 0.06 0.10 0.01 0.03 0.05 0.01 0.02 J 1 J 2 J 0 Hình 3-2:Giá trò hệ số Bessel đối với J 0 , J 1 , J 2 phụ thuộc mf mf 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Bảng hàm Bessel V FM = V 0 J 0 (m)cosω 0 t + ΣJ n (m) cos(ω 0 + nΩ)t + (-1) n . cos(ω 0 - nΩ)t (3.16) Từ đồ thò hình 3.2 ta có nhận xét: - Biên độ hàm Bessel thay đổi trong khoảng: (-1) ÷ (+1). - Có một số m f = 2,4; 5,5; 8,6; 75… có J 0 = 0. Như vậy ta không được chọn m f có các giá trò này vì nó sẽ làm mất thành phần tải tin ω 0 . - Với một số m nhất đònh thì J 1,2 = 0. - n càng cao thì J n càng giảm và m càng lớn thì J n cũng càng giảm. Về lý thuết n = ∞, nhưng thực tế ta chỉ chú ý đến các thành phần tần số có J n (m f ) > 0,01J 0 (m f ) . Phổ của các hàm Bessel bậc lẻ ngược pha nhau, còn phổ của các hàm bessel bậc chẵn cùng chiều với nhau: J (2n + 1) (m) = -J -(2n + 1) (m) (3.17) J 2n(m) = J -2n (m) • Khi chỉ tính đến các thành phần có J n (m f ) ≥ 0,01 thì bề rộng dải tần của tín hiệu điều tần chiếm là: • Khi m f > 1 ta có biểu thức gần đúng D FM ≈ 2m f Ω max = 2∆ω (3.19) ω J 2 J 3 J 1 J 0 J 1 J 2 J 3 J n (m) 0 Hình 3-3: Phổ của hàm Bessel D FM = 2(m f + f m +1)Ω max (3.18) Như vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc tần số điều chế Ω. Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần của nó được xác đònh gần đúng : D PM ≈ 2m p Ω max = 2Ω max .∆ϕ (3.20) Vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha phụ thuộc tần số điều chế . • Khi m f ≤1thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ dải tần. Do đó: D FM ≈ 2Ω max (3.21) Trong trường hợp độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều biên, ta gọi là điều tần dải hẹp. Ngược lại khi m f , p >1ta gọi là điều tần dải rộng. - Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số. Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức sau: ( ) ( ) 22.3coscos 1 00       +Ω∆+= ∑ = m i iiiFM tmVV ϕω Trong đó: ϕ i góc pha đầu; vì hiệu pha khác nhau của các thành phần phổ của tín hiệu điều chế có tính chất quyết đònh đối với dạng tín hiệu tổng quát của nó. ω 0 + Σµ i Ω i (3.23) m i = 1 Khai triển (3.22) theo chuỗi Bessel ta có h điều tần với tất cả thành phần tần số tổng hợp: Với µ i : là số nguyên hữu tỷ: -∞ ≤ µ ≤ ∞ Khi tần số điều chế thay đổi (Ω biến thiên) thì bề rộng phổ của tín hiệu điều tần không thay đổi nhưng số vạch phổ thay đổi theo Ω. Ngược lại, khi tần số điều chế thay đổi thì bề rộng phổ của tín hiệu điều pha thay đổi, nhưng số vạch phổ không thay đổi. Hình 3-4 minh họa sự khác nhau về bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần và điều pha. f f f mf = 5 mf = 1 Ω = 1kHz Ω = 5kHz Ω = 5kHz ∆ω ∆ω ∆ω ∆ω (a) (b) Hình 3-4: Bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần (a); và của tín hiệu điều pha (b) III. Mạch điều tần và điều pha: Về nguyên tắc có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp cà mạch điều tần trực tiếp, cũng như mạch điều pha gián tiếp và mạch điều pha trực tiếp. Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha (hình 3-1a) và ngược lại điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần (hình 3-1b). Như vậy ta chỉ cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và mạch điều pha trực tiếp, rồi dựa vào sơ đồ khối trên hình 3-1 suy ra được điều tần gián tiếp và điều pha gián tiếp. Ω min Ω max Ω Hình 3-5: Phổ của tín hiệu điều chế âm tần (V Ω ) 0 Hình 3-6:Mạch nâng cao tần(a) ở máy phát và mạch giảm tần cao (b) ở máy thu. V Ω V Ω KAT Điều tần R R C C a) b) Xét phổ âm thanh của người, ta thấy thực tế ở tần số cao biên độ âm bò giảm nhỏ. Do đó ở tần số cao độ di tần nhỏ vì ∆ω = kV Ω nghóa là tín hiệu điều tần bò méo. Để khắc phục ở phía máy phát trước khi đưa tín hiệu điều chế V Ω vào bộ điều tần, ta phải đưa qua bộ khuếch đại nâng tần số cao (emphasis) để trong dải tần số điều chế ta có ∆ω ≈ const. Ngược lại trong máy thu ở tần đầu của bộ khuếch đại âm tần ta phải cho tín hiệu đã điều chế qua bộ suy giảm tần số (deemphasis) để nhận được tín hiệu trung thực ở loa. (hình 3-6) 1. Mạch điều tần trực tiếp: Khi điều tần trực tiếp, tần số dao động riêng của mạch tạo dao động được điều khiển theo tín hiệu điều chế. Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tạo dao động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bởi dòng điện hoặc áp (VCO: Voltage controlled oscillator và CCO: Circuit controlled oscillator) hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp – tần số. Các mạch tạo dao động biến đổi theo điện áp đặt vào có thể là mạch tạo dao động xung hoặc các mạch tạo dao động điều hòa LC. Các mạch tạo dao động LC cho khả năng biến đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng diode biến dung (varicap) và transistor điện kháng. a) Điều tần dùng trasistor điện kháng: Phần tử điện kháng: dung tính hoặc cảm tính có trò số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nó được mắc song song với hệ dao động của bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phần tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của một transistor. Có 4 cách mắc mạch phần tử điện kháng như biểu diễn trong bảng 3.1 Với mạch phân áp RC ta tính được: Cj 1 S Cj 1 R Cj 1 R Cj 1 SU U SU U I U Z BE ω ω + −= ω + ω =≈= S: hỗ dẫn Z ≈ = jX L = jωL tđ (3.24) jωCR S Trong đó: L td = SC S Nếu chọn các linh kiện sao cho R Cj 1 << ω thì trở kháng Z có thể xác đònh theo biểu thức: Cách mắc Sơ đồ nguyên lý Đồ thò vector Trò số điện kháng Tham số tương đương I V V C V R R C I V Maïch phaân aùp RC S RCj Z ω = S RC L = tñ I L R V I V V R Maïch phaân aùp RL LS jR Z ω −= R LS C = tñ I V V C V R R I C V Maïch phaân aùp RC RCS j Z ω − = RCSC = tñ I R L V V L [...]... của đặt tuyến CV = f(VD) để giảm méo phi tuyến Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng Varicap đạt khoảng 1% - Dùng Varicap để điều tần thì kích thước bộ điều tần nhỏ và có thể điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz Tuy nhiên độ tạp tán của bán dẫn lớn hơn nên kém ổn đònh Ta có sơ đồ điều tần dùng Varicap đẩy kéo (3-12) Hình 3-12: Điều tần dùng Varicap đẩy kéo C→∞ C→∞ C2 C1 C→∞ R R2 R1 RE LKK... tâm của tín hiệu điều tần: Mạch nhân tần bậc n Mạch trộn tần Mạch nhân tần bậc n Mạch trộn tần Bộ điều tần gián tiếp nf0 ± n2∆f f0 ± n∆f nf0 ± n∆f f0 ± ∆f f0 nf0 ± n2∆f Mạch nhân tần bậc n-1 Dao động thạch anh Hình 3-20: sơ đồ khối dùng mạch nhân tần để nâng cao độ di tần Trong máy phát điều tần, nếu tần số trung tâm không ổn đònh thì nó trực tiếp làm méo và làm sai lệch tín hiệu điều chế vì tín hiệu... thay đổi pha có thể đạt tới ± 7% Trong thực tế, các mạch điều pha thường được dùng kết hợp với mạch tích phân để thực hiện điều tần gián tiếp Mạch điều tần gián tiếp so với mạch điều tần trực tiếp thì lượng di tần nhỏ hơn vì ∆ϕ nhỏ, nhưng có độ ổn đònh tần số trung tâm cao, vì có thể dùng thạch anh trong tầng dao động Để độ di tần lớn ta phải mắc thêm một số tầng Naha như hình 3-34 2 Ổn đònh tần số trung... hiệu điều pha Amstrong Từ đồ thò ta thấy rằng tổng các dao động đã điều biên VΣ = VAM1 + VAM2 là một dao động điều chế về pha và biên độ Điều biên ở đây là điều biên ký sinh Mạch có nhược điểm là độ di pha nhỏ Để hạn chế mức điều biên ký sinh, chọn ∆ϕ nhỏ Để có điều biên ký sinh nhỏ hơn 1% thì ∆ϕ ≤ 0,35 Mặc khác sau bộ điều pha ta có thể đặt bộ hạn chế biên độ để loại bỏ điều biên ký sinh Do gây ra điều. .. và méo phi tuyến γ = 1% Để tần số trung gian ω0 khá cao thì ω01 và ω02 phải rất cao, do đó ta cần có hệ thống AFC để tự động điều chỉnh tần ω01 và ω02 đảm bảo yêu cầu về độ ổn đònh đã cho 2 Các mạch điều pha: Dao động thạch anh ĐB 1 ĐB 2 Di pha 900 Tổng Hình 3-16: Điều chế pha theo Amstrong VΩ a) Điều chế pha theo Amstrong: Tín hiệu tải tin được tạo ra từ bộ dao động thạch anh (để có độ ổn đònh tần. .. hai tần số khác nhau: f 01 và f02 và đầu ra bộ đổi tần ta có tần số trung gian: f0 = f01 – f02 Điện áp điều chế âm tần VΩ được đưa đồng pha tới hai bộ điều chế, nhưng do Varicap 2 (V2) mắc ngược pha với Varicap 1 (V1) nên khi f01tăng thì f02 giảm và ngược lại như hình 3-14 Độ lợi của hai bộ điều tần có thể viết như sau: + a1, a2, b1, số phụ thuộc độ dốc và dạng của đặc tuyến điều chế + Vpc1, Vpc2: điện... di pha 60 0), có thể làm cho đặt tuyến ϕ = f(VΩ) tuyến tính hơn, do đó đạt được lượng di pha tương đối lớn ∆ϕ = Π và méo phi tuyến nhỏ γ ≤ 1% Trên hình 3-19 Các tụ ghép C để ngăn điện áp một chiều và cho điện áp cao tần đi qua; Các tụ thoát C’ để ngăn điện áp một chiều và điện áp cao tần, chỉ cho điện áp âm tần V Ω đi qua Do đó C’ >> C Một dạng điều chế pha khác: Hình 3-19: Điều pha bằng mạch di pha. .. lên tần số dao động f 0 Từ khi Varicap ra đời người ta chủ yếu sử dụng nó làm phần tử điều tần vì điện dung của nó thay đổi theo điện áp phân cực và trực tiếp làm thay đổi tần số dao động Ở phạm vi tần số cao khi C V thay đổi làm f0 thay đổi rất nhiều tạo nên độ di tần lớn và đặc tuyến của Varicap tuyến tính, tính chống nhiễu cao, không tiêu thụ năng lượng nên nó dùng để điều tần rất tốt c) Điều tần. .. kháng điều phụ thuộc vào hổ dẫn S Rõ ràng, khi điện áp điều chế đặt vào base của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số L tđ hoặc Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo VΩ Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối ∆f/ft khoảng 2% Hình3-7: Sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC CB1 ÷ CB4: Tụ điện ngắn mạch cao tần. .. làm cho tần số dao động thay đổi theo biểu thức:  Khi VΩ tăng thì VĐ tăng và IĐ giảm nên R = VĐ/IĐ tăng làm f0 tăng lên  Khi VΩ giảm thì VĐ giảm và IĐ tăng nên R = VĐ/IĐ giảm làm f0 giảm xuống Mạch điều tần bằng diode Tunel khá đơn giản và tuyến tính hơn dùng diode thường song độ di tần khá hẹp (∆ω nhỏ) Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng, bằng diode và diode Tunel có độ di tần hẹp . hiệu điều tần (a); và của tín hiệu điều pha (b) III. Mạch điều tần và điều pha: Về nguyên tắc có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp cà mạch điều tần. như mạch điều pha gián tiếp và mạch điều pha trực tiếp. Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha (hình 3-1a) và ngược lại điều pha gián