CHƯƠNG 4: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ AM, FM

Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 39CHƯƠNG 4: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ AM, FM(10 tiết)PHẦN 1: LÝ THUYẾT (8 tiết)Định nghĩa:Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ,hoặc tần số, hoặc pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB base band).Mục đích của việc điều chế: Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bướcsóng của nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten. Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế giúpchuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp.Điều kiện điều chế : Tần số sóng mang cao tần fC  (810) fmax, trong đó fmax tần số cực đại tín hiệuđiều chế BB. Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệvới biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số của nó. Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB)4.1 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AM:Điều chế biên độ là quá trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tintức (tín hiệu băng gốc).Hình 4.1: Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế m(t) =Vm cosmt0 t0 tVAM(IAM)VmaxV1V1TVminSóng mang f0m(t)=VmcosmtBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 404.1.1. Phương trình điều chế và hệ số điều chế:Tín hiệu sóng mang thường là tín hiệu sin có tần số caoxC(t) = VC cosCtTín hiệu AM có dạng:yAM(t) = VC + m(t).cosCtXét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) = VmcosmtyAM(t) = VC + Vmcosmt.cosCt = VC1 + VmVCcosmt.cosCt= VC1 + mAcosmt.cosCtmA: hệ số điều chế (chỉ số điều chế). Để điều chế không méo thì mA  1Trong trường hợp m(t) là tổng các tín hiệu sin đơn tần:m(t) = V1cos1t + V2cos2t + V3cos3t + ……...232221m  m  m  m Avới:i CiVVm  i = 1, 2, 3, …Trong trường hợp tổng quát:max minmax minV VV VmA 4.1.2. Phổ của tín hiệu AM:Ta có: yAM(t) = VC + m(t).cosCt = VC .cosCt + m(t).cosCt ( ) ( )12FYAM  VC (  C )   (  C )  M  C  M   Ctrong đó: m(t) F M ()Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosmt ( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( )C m C m C m C mmAM C C CVY V                                     Hình 4.2: Phổ của tín hiệu AM với tín hiệu điều chế sin đơn tầncm c c+mðVm2ðACðVm2cm c c+mðVm2ðACðVm2Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 414.1.3. Công suất của tín hiệu AM:Tín hiệu AM sau điều chế được cho qua điện trở 1. Công suất rơi trên điện trở khi đógọi là công suất chuẩn:PAM _ St PC _ St Pm _ St12 trong đó: PCSt : công suất của sóng mang; PmSt : công suất của tín hiệu điều chếKhi cho qua điện trở R:Nếu tín hiệu là điện áp thì:RPP AM StAM_Nếu tín hiệu là dòng điện thì: PAM  PAM _ St  RHiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suấtcủa toàn bộ tín hiệu AM.AM Stm StAMmPPPP_ _1212  Ví dụ: Tín hiệu AM áp được điều chế bởi một tín hiệu sin đơn tần m(t) = Vmcosmt.Biết Vmax = 50V; Vmin = 10V tính mA? Vm? PAM trên tải R = 50? Hiệu suất điều chế.Giải:a) tm(t)FFmaxM(f)c)LSB USBff0 FMax f0 f0 + FMaxYAM(f)d)yAM(t)b)tHình 4.3: Với tín hiệu điều chế phức hợpa Tín hiệu điều chế b Tín hiệu AMc Mật độ phổ 1 biên tín hiệu điều chế d Mật độ phổ AM một phíaBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 4218.18%5502 100111502 450 10012002202 2 450250 102) 20250 100,667.(0,66750 1050 10_ __ _2 2_2 2_         AM Stm StC St m StAMmm StCC Stm A CAPPWRP PPP V WWVPV m V Vm Nhận xét về điều chế biên độ AM: Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ. Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu. Hiệu quả sử dụng công suất cao tần ç rất nhỏ. Tính chống nhiễu kém.4.1.4. Mạch điều chế AM:a. Điều chế AM dùng diodeHình 4.4: Mạch điều chế AM đơn giản dùng diodeTín hiệu điều chế m(t) và sóng mang xC(t) cùng được đặt vào hai đầu diode, đo đó vD= m(t) + xC(t) tạo ra dòng iD :20 1 220 1 2260 D D ...... D DmVviD I e a a v a v a a v a vD       ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )21 2 220 1 220 1 2a a m t a m t a x t a m t x t a x ti a a m t x t a m t x tC C CD C C         Dòng iD gồm rất nhiều thành phần tần số. Tuy nhiên, khung cộng hưởng LC được thiếtkế để cộng hưởng ở tần số C nên sau khi qua khung cộng hưởng chỉ còn lại:iD  a1xC (t)  2a2m(t)xC (t)  a1  2a2m(t)xC (t) : Đây chính là tín hiệu AM.R1R2C Lm(t)=Vmcosmt DxC(t)=VCcosCtBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 43b. Điều chế AM dùng transistorTín hiệu tin tức m(t)được đưa vào mạch quabiến áp có tỷ số biến áp1:1 nhằm cách ly vớinguồn Vcc .Nguồn xung vuông vc(t)có tần số lớn hơn nhiềuso với m(t) đóng vai tròsóng mang. vc(t) làmcho transistor Q đóngngắt bão hòa.Mạch cộng hưởng RLCđóng vai trò một mạchlọc thông dảiĐiện trở Rc dùng đểphân cực cho transistorQ dẫn bão hòa.Khi Q dẫn bảo hòa:Vout(t) = 0;Khi Q ngắt:Vout(t) = Vcc + m(t)m(t)vc(t)vout(t)t t tVccTc1Hình 4.6: Dạng tín hiệu ra khi không có khung cộng hưởngVccm(t)vc(t)1 : 1RcRC Lvout(t)Qm(t)Hình 4.5: Mạch điều chế AM dùng transistorBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 44Khi không có mạch cộng hưởng RLC thì:vout (t)  Vcc  m(t)vc (t)vc(t) là một tín hiệu tuần hoàn nên được khai triển thành chuỗi Fourier như sau:sin 5 ...25sin 3232 sin12...5 5sin3 3sin12 sin12( )            t t tt t tv tc c cc c cc   Do đó:     sin 5  ...25sin 3232 sin12vout (t) Vcc m(t) ct ct ctMạch cộng hưởng RLC được thiết kế để cộng hưởng ở tần số c nên:v t V m t tout cc c( )   ( ) 2 sin : Đây chính là tín hiệu AM.4.1.5. Mạch giải điều chế AMa. Tách sóng hình baoHình 4.7: Mạch tách sóng hình baoNguyên lý hoạt động của mạch như sau:Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp trên diode D. Làm cho D tắt hoặc dẫn.Khi D dẫn: tụ được nạp bằng giá trị của vAM(t).Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R.Kết quả là giá trị điện áp ở ngõ ra m’(t) bám theo đường bao của tín hiệu AM. Đâychính là tín hiệu cần giải điều chế.Kết quả tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời hằng ơ = RC. Nếu ơ quá nhỏ tụ xảnhanh làm cho đường bao bị nhấp nhô. Nếu ơ quá lớn tụ xả chậm không theo kịp sựsuy giảm của tín hiệu AM ngõ vào (xem hình ). Cả hai trường hợp sẽ làm cho tín hiệugiải điều chế bị méo dạng.DC RvAM(t) m’(t)Nạp XảBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 45Hình 4.8: Tách sóng hình baoBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 46Hình 4.9: Tách sóng hình bao trong hai trường hợp có và không có điều chếHình 4.10: Méo tín hiệu tách sóng hình baoĐiều kiện tách sóng hình bao không méo đối với tín hiệu điều chế sin đơn tần có tần sốfm:ccAR XXmtrong đó:C f CXm mc 21 1  : dung kháng của tụ Cfm: tần số tín hiệu điều chếmA = hệ số điều chếBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 47b. Tách sóng kết hợpTín hiệu AM có dạng vAM(t)=Vc+m(t)cosct. Trong đó tín hiệu điều chế tần số thấpm(t) = Vmcosmt có thể được giải điều chế bằng cách nhân với tín hiệu sóng mangVLO(t) = V0cos(ct+o) và lọc thông thấp như sau:Hình 4.11: Sơ đồ khối tách sóng kết hợp cos cos(2 )2 ( )( )( ) ( ). ( ) ( ) cos . cos( )0 000 0        tV V m tV tv t v t v t V m t t V tccAM LO c c cQua LPF còn thành phần tần số thấp ở ngõ ra( )2coscos2cos2 ( )m (t)  V0 Vc  m t 0  V0Vc 0  V0 0 m tTín hiệu giải điều chế m’(t) tỷ lệ với m(t).4.2 ĐIỀU CHẾ DSB, SSB4.2.1. Điều chế DSB:Tín hiệu điều chế hai biên triệt sóng mang DSB (Double Side Band) được thực hiệnbằng mạch điều chế cân bằng như sau:Hình 4.12: Mạch điều chế cân bằngT1m(t)13 42vc(t)T2vo(t)A20 tA2vAM(t) v(t) m’(t)vLO(t) = V0cos(ct + 0)X LPFBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 48Đây là bộ đổi tần cân bằng kép gồm cặp D12 và D34 luân phiên tắt dẫn bằng sóngmang vc(t). Sóng mang này có thể sin hay chữ nhật với biên độ lớn hơn tín hiệu điềuchế (Vc >Vm; c > m)Hình 4.13   sin 5  ...15sin 313vc (t) 4 sinct ct ctMạch đổi tần cân bằng (điều chế cân bằng) thực hiện nhân hai tín hiệu :    sin 5  ...15sin 313vo (t) m(t).vc (t) m(t) 4 sin ct ct ctSau khi qua mạch lọc thông dải có tần số trung tâm tại c còn lại:v t m t tDSB c( )  4 ( )sin : Đây là tín hiệu DSB cần điều chếVí dụ: Giả sử tín hiệu điều chế có dạng sin đơn tần có biên độ 2V, tần số fm = 5KHz.Sóng mang tần số fc = 45KHz.Ta có:v t KHz t KHz t KHz t KHz tv t KHz t KHz t KHz t KHz tm t A f t KHz to omcos2 (140 )13cos2 (130 )13( ) cos2 (40 ) cos2 (50 )sin 2 (5 ) .sin 2 (135 ) ...23( ) 2sin 2 (5 ) sin 2 (45 )( ) sin 2 2.sin 2 (5 )              Phổ của tín hiệu ra trước khi cho qua mạch lọc thông dải:Hình 4.14+ +D12 dẫn , D34 tắt D12 tắt , D34 dẫn2fm5fcfm fc+fm40 503fcfm 3fm+fm130 140f(KHz)Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 49Dạng tín hiệu ra:Hình 4.15Dạng phổ và tín hiệu DSB sau khi qua mạch lọc thông dải:Hình 4.154.2.2. Điều chế SSB:Điều chế đơn biên (SSB single side band): quá trình điều chế tạo một biên tần (biêntrên hoặc biên dưới) của tín hiệu AM.Việc thực hiện phức tạp hơn nhưng băng thông cao tần giảm một nửa, tiết kiệm băngtần giảm nhiễu.Công suất phát thấp hơn nhiều so với AM ở cùng một khoảng cách thông tin vì khôngtruyền công suất sóng mang lớn vô ích và chỉ có một biên. Hiệu quả sử dụng công suấtcao. Tỷ số SN máy thu SSB lớn hơn AM do nhiễu giảm.Phương pháp lọc (pp1): Để có tín hiệu SSB cần triệt sóng mang phụ cuả tín hiệuAM, còn lại hai biên DSB (Double sideband), sau đó lọc lấy một biên nhờ BPF.Hình 4.16vo(t) Tc =fc1Tm =1fmt(µs)V040 50 f(KHz)v0(t)t BPFm(t) vDSB vSSBVLO(t) = cosctBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 50Phương pháp xoay pha 900 (pp2):Hình 4.17: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha 900Ngõ ra bộ điều chế cân bằng 1 có tín hiệu:cos( ) cos( ) 2cos . cos1 t tV Vv V t V tc m c mm c m m c c       Bộ xoay pha 900 biến đổi cos thành sin do đó ngõ ra bộ điều chế cân bằng 2 là:cos( ) cos( ) 2sin . sin2 t tV Vv V t V tc m c mm c m m c c       Ngõ ra bộ cộng còn lại tín hiệu biên dưới SSB: vSSB = v1 + v2 = VcVmcos(c m)tPhương pháp xoay pha sóng mang 900 hai lần (pp3):+m(t) = Vmcosmtvc = Vccosctv1v2SBBout putXoaypha 900 Xoaypha 900Điều chếcân bằng1Điều chếcân bằng2xXoay pha900cos0txLPF1LPF2xcosctxv1+ĐCCB 1sin0t sinct0 m ĐCCB 3vSSBĐCCB 2 ĐCCB 40 mm(t)=VmcosmtXoay pha900v2v3v4Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 51Hình 4.18: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha sóng mang 900 hai lầnTín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 1:v m t t Vm mt t Vm sin( m )t sin( m )t21  ( )sin 0  cos sin 0  0    0 Qua bộ lọc LPF1 còn lại thành phần: Vm sin( m )t2 0 Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 2:v m t t Vm mt t Vm cos( m )t cos( m )t22  ( )cos0  cos cos0  0    0 Qua bộ lọc LPF2 còn lại thành phần: Vm cos( m )t2 0  Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 3:v Vm m t ct Vm cos( c m )t cos( c m )t4sin( ) sin3  2 0     0      0  Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 4:v Vm m t ct Vm cos( c m )t cos( c m )t4cos( ) cos4  2 0       0    0  Qua bộ cộng:tVv t v vc mmSSB cos( )2( )  3  4    0  Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 524.2.3. Ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)Ghép kênh theo tần số FDM là truyền đồng thời nhiều kênh trên các sóng mang khácnhau. Được sử dụng trong truyền hình cáp, truyền hình quảng bá, thông tin vi ba thoạiv.v…FDM sử dụng kỹ thuật điều chế SSB truyền đồng thời nhiều tín hiệu băng hẹp trên mộtkênh truyền dẫn băng rộng. Các kênh băng hẹp được phân kênh theo tần số khôngchồng lấn nhau nhờ các sóng mang khác nhau:Hình 4.19: Sơ đồ khối của thiết bị ghép kênh FDM 4 kênhBPF0.3 – 3.4 KHzĐiều chếcân bằngBPFLSB+BPF0.3 – 3.4 KHzĐiều chếcân bằngBPFUSBOSCfc= 64 KHz0.3k 3.4k0.3k 3.4k64k64k64kK1K2BPF0.3 – 3.4 KHzĐiều chếcân bằngBPFLSB+BPF0.3 – 3.4 KHzĐiều chếcân bằngBPFUSBOSCfc= 72 KHz0.3k 3.4k0.3k 3.4k72k72k72kK3K4+Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 53Hình 4.20: Sơ đồ khối của một hệ thống ghép kênh FDM 600 kênh thoạiBal ModBPFLSB BPFO,33,4x BPF x +BPF x x x x + x x x+1 212108 KHZBal ModBPFLSB104 KHZBal ModBPFLSB64 KHZsub carrier1 nhóm 12 kênh cấp 1FDM1 2 312 kênh thoạiB = 48 KHZBPFLSB612 KHZ564 KHZ420 KHZ5 nhóm cấp 1 = 60 kênh = 1 siêunhóm FDM cấp 260 kênh thoạiB = 240 KHZ3396 KHZ3148 KHZ1116 KHZ600 kênh thoạiB = 2520 KHZ(U 600)10 siêu nhóm = 1 nhóm chủFDM cấp 3Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 544.3 ĐIỀU CHẾ GÓC FM VÀ PM:Điều chế góc là một dạng điều chế quan trọng dùng trong thông tin, vì tính chốngnhiễu của nó tốt hơn điều chế biên độ AM.Tín hiệu sóng mang cao tần khi chưa bị điều chế là đơn hài, xác định bởi:xc(t) = Vccos(ct + φ0) = Vccosφ(t)trong đó: φ (t) = ct + 0 : pha tức thời của dao động cao tần, xác định trạng thái củatín hiệu tại thời điểm t. c : tần số sóng mang; φ0: pha ban đầuGiữa tần số và pha có quan hệ:     t t dt f t dtdtd tf tdtd tt( ) ( ) 2 ( )( )12( ) ( ) ( )  (t) : tần số tức thời tần số tại thời điểm tNếu tín hiệu điều chế tần thấp m(t) làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc. Trongđiều chế góc, biên độ sóng mang coi như không đổi. Có hai trường hợp:Nếu m(t) làm thay đổi tần số c ta có điều chế tần số FM (Frequency Modulation)FM (t)  ddt(t)  c  k f m(t)  (t)  ct  k f m(t)dtdo đó, tín hiệu điều chế FM có dạng: yFM (t)  Vc cosct  k f m(t)dtNếu m(t) làm thay đổi pha ban đầu φ0 ta có điều chế pha PM (Phase Modulation)0  k pm(t)  (t)  ct  k pm(t)do đó, tín hiệu điều chế PM có dạng: yPM (t)  Vc cosct  k pm(t)tần số tức thời của tín hiệu PM:dtdm tkdtd ttPM c p( ) ( ) ( )     Ta nhận thấy giữa điều tần và điều pha có mối quan hệ tương quan. Để có tín hiệu điềutần FM thì tín hiệu tin tức cho qua mạch tích phân rồi sau đó đi qua mạch điều phaPM. Ngược lại, Để có tín hiệu điều pha PM thì tín hiệu tin tức cho qua mạch vi phânrồi sau đó đi qua mạch điều tần FM4.3.1 Điều chế tần số FM:Để đơn giản phân tích, cho m(t) = Vmcosmt và pha ban đầu sóng mang 0 = 0. Tínhiệu. FM có dạng như sau:y t V t k V mt Vc  ct m f mtmf mFM c c   ( ) cos  sin  cos  sin         với:m mf mfk Vm   : chỉ số điều chế  k fVm : độ di tầnPhổ của tín hiệu điều tần:Xét FM dải hẹp (NBFM : mf < 0.25)Nếu độ di tần nhỏ (mf < 0.25), ta có:      y t V  t m t t V  t m t ty t V t m t V m t t m t tFM c c f m c c c f m cFM c c f m c f m c f m c          ( ) (1)cos ( sin )sin cos sin sin( ) cos sin cos( sin ) cos sin( sin ) sin      Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 55                   ( ) ( ) ( ) ( )2( ) ( ) ( )m c m c m c m cfFM c c cFV mY                      Phổ tín hiệu FM dải hẹp gồm sóng mang và hai biên tương tự AM.Xét FM dải rộng (WBFM: wideband FM mf > 0.25)yFM (t)  Vc cosct  m f sin mtyFM(t) có thể khai triễn theo các hệ số của hàm Bessel như sau:        1( ) 0 ( )cos ( ) cos( ) ( 1) cos( )nc mnyFM t Vc J m f ct J n m f c nm t  n tBiên độ của chúng tỷ lệ với hàm Bessel loại một bậc n  ...3( 3)( )2( 2)( )1( 1)( )12( )( )6 24 22 2nmnmnmnmJ m f f fnfn fBảng các hệ số của hàm Bessel tương ứng với một số chỉ số điều chế mfPhổ FM điều chế đơn âm fm với các giá trị mf khác nhau:Hình 4.21.120.98mf = .25.12fcfcfcmf = 2 mf = 2.4mf J0 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10 J11 J12 J13 J140.000.250.51.01.52.02.42.53.04.05.06.07.08.09.010.01.000.980.940.770.510.2200.050.260.400.180.150.300.170.090.25_0.120.240.440.560.580.520.500.340.070.330.280.000.230.250.05_ _0.030.110.230.350.430.450.490.360.050.240.300.110.140.25_ _ _0.020.060.130.200.220.310.430.360.110.170.290.180.06_ _ _ _0.010.030.060.070.130.280.390.360.160.100.180.06_ _ _ _ _ _0.03 0.010.010.060.030.120.060.030.210.120.060.020.290.210.130.060.020.130.060.020.220.310.22 0.320.330.320.230.130.050.020.010.010.050.130.250.340.340.200.010.020.020.040.130.260.360.350.190.060.23_ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 56Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 57Băng thông của tín hiệu điều tần FMVề lý thuyết độ rộng băng thông cao tần tín hiệu FM vô cùng lớn, tuy nhiên thực tếquy định giới hạn băng thông FM đến thành phần phổ biên Jn (mf )  0.01J o(mf )Băng thông này tính theo công thức:BFM  2(f  fm )với: fm tần số tín hiêu điều chế tần thấp băng gốcBăng thông 3dB của mạch cao tần phải lớn hơn băng thông tính theo công thức trên đểkhông méo.Công suất của tín hiệu điều tần FMTổng công suất cao tần tín hiệu điều tần không đổi, bằng công suất sóng mang khikhông có điều chế. Gọi Vc là biên độ độ sóng mang FM không điều chế trên tải R, tacó công suất sóng mang: C f c PTotalRVP m  2( )2Công suất FM khi có điều chế:PFM (mf )  PC (mf  0)Jo2(mf )  2J12(mf )  2J22(mf ) ... 2Jn2(mf )FM dải hẹp (NBFM) dùng trong thông tin loại FM với độ di tần (515)KHz.FM dải rộng có tính chống nhiễu cao dùng trong phát thanh FM Stereo, tiếng TV, viba, truyền hình vệ tinh. Độ di tần cực đại FM dùng trong phát thanh và tiếng TV là75 KHz.4.3.2 Điều chế pha PMBiểu thức của tín hiệu điều pha: yPM (t)  Vc cosct  k pm(t)Xét trường hợp tín hiệu điều chế là sin đơn tần: m(t) = VmcosωmtyPM (t)  Vc cosct  k pVm cosmt Vc cosct  m p cosmttrong đó: mp = kpVm hệ số điều chếBiểu thức này giống biểu thức của tín hiệu điều tần FM nên quá trình phân tích phổ,băng thông và công suất giống nhau. Với một hệ số điều chế cho trước thì tương quangiữa biên độ, phổ và công suất của PM và FM là hoàn toàn như nhau. Sự khác biệt vềphổ của PM và FM có thể phân biệt khi tăng hoặc giảm tần số tín hiệu điều chế fm :PM: mp = kpVm – không phụ thuộc vào fmFM:m m mf mf fk V fm  – tỷ lệ nghịch với fmDo PM có mp không phụ thuộc vào fm nên băng thông của tín hiệu PM nhỏ hơn củaFM, do đó nhiễu ít hơn và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SN lớn hơn trong cùng điều kiện.Tuy nhiên, FM vẫn được sử dụng rộng rãi trong phát thanh quảng bá do quá trình lịchsử tồn tại và máy thu FM đơn giản, rẻ hơn máy thu PM.Điều chế pha số PSK – dạng đặc biệt của điều chế pha PM được ứng dụng rộng rãitrong thông tin số.Bài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 584.3.3 Mạch chế tần số FM dùng VaricapHình 4.22: Mạch chế tần số FM dùng Varicap và mạch dao động dạng ClappTần số dao động của mạch:( )1( )LC t t trong đó:1 2 ( )( )( )1( )1 1 1( )01 2 3 3V m tCC tC C C C t C C tC tDCvv v   (do C1 , C2 >> C3 + Cv)với C0 là điện dung của varicap khi điện áp phân cực ngược bằng 0Khi không có tín hiệu điều chế (m(t) = 0):( )11 23 0000DC vV vV L C CCC C   Đây chính là tần số trung tâm của tín hiệu điều chế tấn số FM.R5R1C2+VCCCBReLRFCC3C1CBR2v0VRCBCvm(t)CB+VCCR3R4VDCBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 594.3.4 Mạch điều chế tần số FM dùng PLLHình 4.23: Sơ đồ mạch điều chế FM dùng Phase Locked LoopTín hiệu điều chế m(t) được so với điện áp VDC bởi bộ so pha → tín hiệu ngõ ra bộ sopha:vd  m(t).VDCNếu m(t) có tần số nằm trong dải thông của bộ lọc thông thấp LPF thì:v0  kAvd  kAVDCm(t)Điện áp v0 sẽ làm thay đổi tần số ngõ ra của VCO một lượng là:f  f0  f N  k0v0  k0kAVDCm(t)  m f m(t) f0  fN  m f m(t)  fFMĐây chính là tần số điều chế FM với tần số sóng mang là tần số dao động tự nhiên fNcủa PLL.Để có tín hiệu điều chế FM thì độ di tần phải nhỏ hơn dải khóa của PLL: kV m tk k V m t k k kf BDCA DC AL  ( )0 ( ) 0PhaseDetectorLPF AmpVCOfNkvdkAv0k0f0= fFMm(t)VDCBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 604.3.5 Mạch giải điều chế tần số FM dùng PLLHình 4.24: Sơ đồ mạch giải điều chế FM dùng Phase Locked LoopPLL giải điều chế được cài đặt tần số dao động tự nhiên bằng với tần số trung tâm củatín hiệu FM ngõ vào.Sự sai lệch giữa tần số tín hiệu FM ngõ vào fFM và tần số dao động tự nhiên của VCOfN tạo ra điện áp ở ngõ ra:( )0 0 00 m tm kkf fkfvFM N fĐây chính là tín hiệu giải điều chế. Để tín hiệu giải điều chế không méo thì dải khóacủa PLL phải lớn hơn độ di tần của tín hiệu FM ở ngõ vào.4.3.6 Phát thanh FM StereoNhu cầu phát thanh FM đến năm 1945 được nâng cao. Người ta mong muốn truyềnđược tín hiệu điễn tả âm thanh của hai kênh trái và phải riêng biệt mà vẫn giữ FMmono truyền thống. Từ nhu cầu trên, ngoài tín hiệu L + R truyền thống người ta truyềnthêm tín hiệu L – R bằng phương pháp ghép kênh FDM.Hình 4.25: Sơ đồ khối mạch tạo tín hiệu FM StereoPhaseDetectorLPF AmpVCOfNkvdkAv0k0fFM = fN + mf . m(t)Điều chếFM+DelayĐiều chếcân bằng+x 2 OSC 19 kHzLR50 15k50 15kL + RL R38k50 15k 23k 38k 53k19kBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 61Hình 4.26: Sơ đồ khối mạch giải mã tín hiệu FM StereoTần số 19kHz gọi là tần số pilot được dùng để khôi phục lại sóng mang 38kHz phụcvụ cho giải điều chế cân bằng.Giải điềuchế FM+LPF0 – 15kGiải điềuchế cânbằngx 2L+ RL R50 15k50 15k2RBPF23k – 53k38k23k 38k 53kCộnghưởng 19k2LBài giảng điện tử thông tinBiên soạn Ths Nguyễn Hoàng HuyTrang 62PHẦN 2: BÀI TẬP (2 tiết)1. Cho tần số sóng mang AM là 1MHz, biên độ 100V trên tải 50. Tín hiệu điều chế:m(t)  V1 cos 2f1t  V2 cos 2f2t ; f1 = 1kHz, f2 = 5kHza. Hệ số điều chế tương ứng: mA1 = 0.2, mA2 = 0.3b. Vẽ phổ tín hiệu AM. Tính công suất tín hiệu?2. Xác định tần số tín hiệu điều chế lớn nhất có thể khi sử dụng mạch tách sóng hìnhbao có R = 10k, C = 1000pF và m = 0.5.3. Cho VCO có độ nhạy k0 = 3kHzV, được điều chế bởi tín hiệu m(t) =2sin(2ω.4kHz)t (V). tần số sóng mang trung tâm f0 = 1MHz.a. Tìm độ di tần f? Hệ số điều chế mf.b. Viết biểu thức tín hiệu FM biết biên độ sóng mang là 10V?4. Cho tín hiệu FM: vFM = 1000cos2ω107t + 0.5cos2ω104t (V) trên tải anten 50.a. Tính công suất FM? mf? f?b. Tính độ nhạy điều chế kf nếu Vm = 200mV? Vẽ phổ FM5. In a AM system, what is meant by the following terms: modulating signal, carrier,and modulated wave?6. For an envelope with Vmax = 40V, Vmin = 10V, determine:a. Unmodulated carrier amplitudeb. Peak change in amplitude of the modulated wavec. Coefficient of modulation7. For a modulation coefficient m = 0.2 and a carrier power Pc = 1000W, determine:a. Sideband powerb. Total transmitted power8. For a AM–DSB wave with an unmodulated carrier voltage of 25V and a loadresistance of 50Ω, determine:a. Power of unmodulated carrierb. Power of unmodulated carrier and the upper and lower side frequencies for amodulation coefficient m = 0.6.9. Determine the maximum modulating signal frequency for a peak detector with thefollowing paramaters: C = 1000pF, R = 10kΩ, and m = 0.5. Repeat the problem for m= 0.707.10. For a FM modulator with modulator with modulation index m = 2, modulatingsignal vm(t) = Vmsin(2π2000t), and an unmodulated carrier vc(t) = 8sin(2π800kHzt):a. Determine the number of sets of significant sidebands.b. Draw the frequency spectrum showing the relative amplitudes of the sidefrequencies.c. Determine the bandwidthd. Determine the bandwidth it the amplitude of the modulating signal increasesby a factor of 2.5.

Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy CHƯƠNG 4: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ AM, FM (10 tiết) PHẦN 1: LÝ THUYẾT (8 tiết) Định nghĩa: Điều chế trình biến đổi thơng số sóng mang cao tần (biên độ, tần số, pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band) Mục đích việc điều chế:  Đối với anten, xạ lượng tín hiệu cao tần có hiệu bước sóng (tương ứng tần số) bậc với kích thước vật lý anten  Tín hiệu cao tần bị suy hao truyền không gian  Mỗi dịch vụ vơ tuyến có băng tần (kênh) riêng biệt Q trình điều chế giúp chuyển phổ tín hiệu băng gốc lên băng tần thích hợp Điều kiện điều chế :  Tần số sóng mang cao tần fC  (810) fmax, fmax tần số cực đại tín hiệu điều chế BB  Thơng số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, tần số, pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ thuộc vào tần số  Biên độ sóng mang cao tần V > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB) 4.1 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AM: Điều chế biên độ trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín hiệu băng gốc) m(t)=Vmcosmt t VAM(IAM) Vmax V1V1T Vmin t Sóng mang f0 Hình 4.1: Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế m(t) =Vm cosmt Trang 39 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy 4.1.1 Phương trình điều chế hệ số điều chế: Tín hiệu sóng mang thường tín hiệu sin có tần số cao xC(t) = VC cosCt Tín hiệu AM có dạng: yAM(t) = [VC + m(t)].cosCt Xét trường hợp m(t) tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosmt yAM(t) = [VC + Vmcosmt].cosCt = VC[1 + Vm/VCcosmt].cosCt = VC[1 + m Acosmt].cosCt mA: hệ số điều chế (chỉ số điều chế) Để điều chế không méo m A  Trong trường hợp m(t) tổng tín hiệu sin đơn tần: m(t) = V1cos1t + V2cos2t + V3cos3t + …… m A  m12  m22  m32  với: mi  Vi VC i = 1, 2, 3, … Trong trường hợp tổng quát: m A  Vmax  Vmin Vmax  Vmin 4.1.2 Phổ tín hiệu AM: Ta có: yAM(t) = [VC + m(t)].cosCt = VC cosCt + m(t).cosCt F  YAM  VC [ (   C )   (   C )]  [ M (   C )  M (   C )] F đó: m(t )  M ( ) Xét trường hợp m(t) tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosmt Y AM  VC [ (   C )   (   C )]  V  m [ (   C   m )   (   C   m )   (   C   m )   (   C   m )] ðAC ðVm -c-m ðAC ðVm -c ðVm c -m -c+m ðVm c c+m Hình 4.2: Phổ tín hiệu AM với tín hiệu điều chế sin đơn tần Trang 40 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy m(t) yAM(t) t t a) b) YAM(f) M(f) USB LSB F c) Fmax d) f0 - FMax f0 f0 + FMax f Hình 4.3: Với tín hiệu điều chế phức hợp a/ Tín hiệu điều chế b/ Tín hiệu AM c/ Mật độ phổ biên tín hiệu điều chế d/ Mật độ phổ AM phía 4.1.3 Cơng suất tín hiệu AM: Tín hiệu AM sau điều chế cho qua điện trở Cơng suất rơi điện trở gọi công suất chuẩn: PAM _ St  PC _ St  Pm _ St đó: PC-St : cơng suất sóng mang; Pm-St : cơng suất tín hiệu điều chế Khi cho qua điện trở R: Nếu tín hiệu điện áp thì: PAM  PAM _ St R  PAM _ St  R Nếu tín hiệu dịng điện thì: PAM Hiệu suất điều chế: Bằng cơng suất có ích (cơng suất mang tin tức) chia cho cơng suất tồn tín hiệu AM 1 Pm Pm _ St   PAM PAM _ St Ví dụ: Tín hiệu AM áp điều chế tín hiệu sin đơn tần m(t) = Vmcosmt Biết Vmax = 50V; Vmin = 10V tính m A? Vm? P AM tải R = 50? Hiệu suất điều chế Giải: Trang 41 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 50  10  0,667 50  10 50  10 Vm  m AVC  0,667.( )  20V mA  VC2  50  10    /  450W   Vm2 20 Pm _ St    200W 2 PC _ St  Pm _ St 450  100 PAM    11W R 50 Pm _ St 100    18.18% PAM _ St 550 PC _ St  Nhận xét điều chế biên độ AM: - Dễ thực máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ - Cơng suất sóng mang khơng tải tin lớn, vơ ích - Băng thơng lớn gấp đơi cần thiết nên phí tăng nhiễu - Hiệu s dng cụng sut cao tn ỗ rt nh - Tính chống nhiễu 4.1.4 Mạch điều chế AM: a Điều chế AM dùng diode R1 m(t)=Vmcosmt D R2 xC(t)=VCcosCt C L Hình 4.4: Mạch điều chế AM đơn giản dùng diode Tín hiệu điều chế m(t) sóng mang xC(t) đặt vào hai đầu diode, đo vD = m(t) + xC(t) tạo dòng iD : iD  I 0e  vD 26 mV  a  a1v D  a v D2   a  a1v D  a v D2 iD  a0  a1[m(t)  xC (t)]  a2 [m(t )  xC (t)]2  a0  a1m(t )  a2 m2 (t )  a1 xC (t )  2a2 m(t ) xC (t)  a2 xC2 (t ) Dòng iD gồm nhiều thành phần tần số Tuy nhiên, khung cộng hưởng LC thiết kế để cộng hưởng tần số C nên sau qua khung cộng hưởng lại: i D  a1 xC (t )  a m(t ) xC (t )  [ a1  2a m(t )]xC (t ) : Đây tín hiệu AM Trang 42 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Điều chế AM dùng transistor b Tín hiệu tin tức m(t) đưa vào mạch qua biến áp có tỷ số biến áp 1:1 nhằm cách ly với nguồn Vcc Nguồn xung vuông vc(t) có tần số lớn nhiều so với m(t) đóng vai trị sóng mang vc(t) làm cho transistor Q đóng ngắt bão hịa Mạch cộng hưởng RLC đóng vai trị mạch lọc thông dải Điện trở Rc dùng để phân cực cho transistor Q dẫn bão hòa Vcc 1:1 m(t) m(t) Rc vout(t) R Q C L vc(t) Hình 4.5: Mạch điều chế AM dùng transistor m(t) Khi Q dẫn bảo hòa: Vout(t) = 0; Khi Q ngắt: Vout(t) = Vcc + m(t) t Tc vc(t) t vout(t) Vcc t Hình 4.6: Dạng tín hiệu khơng có khung cộng hưởng Trang 43 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Khi khơng có mạch cộng hưởng RLC thì: v out (t )  [Vcc  m(t )]v c (t ) vc(t) tín hiệu tuần hồn nên khai triển thành chuỗi Fourier sau:  sin  c t sin 3 c t sin 5 c t 2  v c (t )          sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t   3 5   Do đó: 2 1  v out (t )  [Vcc  m(t )]  sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t   3 5 2   Mạch cộng hưởng RLC thiết kế để cộng hưởng tần số c nên: v out (t )  [Vcc  m(t )] sin  c t : Đây tín hiệu AM  4.1.5 Mạch giải điều chế AM a Tách sóng hình bao vAM(t) D Nạp m’(t) C Xả R Hình 4.7: Mạch tách sóng hình bao Ngun lý hoạt động mạch sau: Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp diode D Làm cho D tắt dẫn Khi D dẫn: tụ nạp giá trị vAM(t) Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R Kết giá trị điện áp ngõ m’(t) bám theo đường bao tín hiệu AM Đây tín hiệu cần giải điều chế Kết tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời = RC Nếu nhỏ tụ xả nhanh làm cho đường bao bị nhấp nhô Nếu lớn tụ xả chậm không theo kịp suy giảm tín hiệu AM ngõ vào (xem hình ) Cả hai trường hợp làm cho tín hiệu giải điều chế bị méo dạng Trang 44 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Hình 4.8: Tách sóng hình bao Trang 45 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Hình 4.9: Tách sóng hình bao hai trường hợp có khơng có điều chế Hình 4.10: Méo tín hiệu tách sóng hình bao Điều kiện tách sóng hình bao khơng méo tín hiệu điều chế sin đơn tần có tần số fm: mA  Xc R  Xc đó: Xc  1  : dung kháng tụ C  m C 2f m C fm: tần số tín hiệu điều chế mA = hệ số điều chế Trang 46 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy b Tách sóng kết hợp Tín hiệu AM có dạng vAM(t)=[Vc+m(t)]cosct Trong tín hiệu điều chế tần số thấp m(t) = Vmcosmt giải điều chế cách nhân với tín hiệu sóng mang VLO(t) = V0cos(ct+ o) lọc thơng thấp sau: vAM(t) m’(t) v(t) LPF X vLO(t) = V0cos(ct + 0) Hình 4.11: Sơ đồ khối tách sóng kết hợp v(t )  v AM (t ).v LO (t )  Vc  m(t )cos  c t.V0 cos( c t   ) V (t )  V0 [Vc  m(t )] cos  cos(2 c t   ) Qua LPF thành phần tần số thấp ngõ m ' (t )  V0 [Vc  m(t )] VV V cos  cos   c cos  m(t ) 2 Tín hiệu giải điều chế m’(t) tỷ lệ với m(t) 4.2 ĐIỀU CHẾ DSB, SSB 4.2.1 Điều chế DSB: Tín hiệu điều chế hai biên triệt sóng mang DSB (Double Side Band) thực mạch điều chế cân sau: T1 m(t) T2 vo(t) A/2 vc(t) Hình 4.12: Mạch điều chế cân Trang 47 t  A Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Đây đổi tần cân kép gồm cặp D1-2 D3-4 luân phiên tắt dẫn sóng mang vc(t) Sóng mang sin hay chữ nhật với biên độ lớn tín hiệu điều chế (Vc >Vm; c > m) - + - + D1-2 tắt , D3-4 dẫn D1-2 dẫn , D3-4 tắt Hình 4.13 v c (t )  4 1   sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t     Mạch đổi tần cân (điều chế cân bằng) thực nhân hai tín hiệu : v o (t )  m(t ).v c (t )  m(t ) 4 1   sin  c t  sin 3 c t  sin 5 c t     Sau qua mạch lọc thơng dải có tần số trung tâm c lại: v DSB (t )  m(t ) sin  c t : Đây tín hiệu DSB cần điều chế  Ví dụ: Giả sử tín hiệu điều chế có dạng sin đơn tần có biên độ 2V, tần số fm = 5KHz Sóng mang tần số fc = 45KHz Ta có: m(t )  A sin 2f mt  sin 2 (5 KHz )t 2 vo (t )  sin 2 (5 KHz )t sin 2 (45 KHz )t    sin 2 (5 KHz )t sin 2 (135KHz )t  3 1 vo (t )  cos 2 (40 KHz )t  cos 2 (50 KHz )t  cos 2 (130 KHz )t  cos 2 (140 KHz )t 3 Phổ tín hiệu trước cho qua mạch lọc thông dải: f(KHz) fm fc-fm fc+fm 3fc-fm 3fm+fm 40 50 130 Hình 4.14 Trang 48 140 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Dạng tín hiệu ra: Tc = vo(t) Tm = fc fm t(µs) Hình 4.15 Dạng phổ tín hiệu DSB sau qua mạch lọc thông dải: V0 v0(t) t 40 50 f(KHz) Hình 4.15 4.2.2 Điều chế SSB: Điều chế đơn biên (SSB - single side band): trình điều chế tạo biên tần (biên biên dưới) tín hiệu AM Việc thực phức tạp băng thông cao tần giảm nửa, tiết kiệm băng tần giảm nhiễu Công suất phát thấp nhiều so với AM khoảng cách thông tin khơng truyền cơng suất sóng mang lớn vơ ích có biên Hiệu sử dụng cơng suất cao Tỷ số S/N máy thu SSB lớn AM nhiễu giảm Phương pháp lọc (pp1): Để có tín hiệu SSB cần triệt sóng mang phụ cuả tín hiệu AM, lại hai biên DSB (Double -sideband), sau lọc lấy biên nhờ BPF m(t)  vDSB VLO(t) = cosct Hình 4.16 Trang 49 BPF vSSB Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Phương pháp xoay pha 900 (pp2): Điều chế cân m(t) = Vmcosmt v1 vc = Vccosct Xoay pha 900 Xoay pha 900 Điều chế cân SBB out put + v2 Hình 4.17: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha 900 Ngõ điều chế cân có tín hiệu: v1  Vm cos  m t.Vc cos  c t  V mV c [cos( c   m )t  cos( c   m )t ] Bộ xoay pha 900 biến đổi cos thành sin ngõ điều chế cân là: v  Vm sin  m t.Vc sin  c t  VmVc [cos( c   m )t  cos( c   m )t ] Ngõ cộng lại tín hiệu biên SSB: vSSB = v1 + v2 = VcVmcos(c - m)t Phương pháp xoay pha sóng mang 90 hai lần (pp3): ĐCCB 0 -m v1 x LPF1 ĐCCB sinct sin0t m(t)=Vmcosmt v3 x Xoay pha 900 Xoay pha 900 vSSB + cos0t cosct 0 - m x v2 LPF2 ĐCCB v4 x ĐCCB Trang 50 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Hình 4.18: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha sóng mang 900 hai lần Tín hiệu ngõ điều chế cân 1: Vm sin(0   m )t  sin(0   m )t  V Qua lọc LPF1 lại thành phần: m sin(   m )t v1  m(t ) sin  t  V m cos  m t sin  t  Tín hiệu ngõ điều chế cân 2: Vm cos(   m )t  cos(0   m )t  V Qua lọc LPF2 lại thành phần: m cos(   m )t v  m(t ) cos  t  Vm cos  m t cos  t  Tín hiệu ngõ điều chế cân 3: v3  Vm V sin(   m )t sin  c t  m cos( c     m )t  cos( c     m )t  Tín hiệu ngõ điều chế cân 4: v4  Vm V cos(   m )t cos  c t  m cos( c     m )t  cos( c     m )t  Qua cộng: v SSB (t )  v3  v4  Vm cos( c     m )t Trang 51 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.2.3 Ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) Ghép kênh theo tần số FDM truyền đồng thời nhiều kênh sóng mang khác Được sử dụng truyền hình cáp, truyền hình quảng bá, thơng tin vi ba thoại v.v… FDM sử dụng kỹ thuật điều chế SSB truyền đồng thời nhiều tín hiệu băng hẹp kênh truyền dẫn băng rộng Các kênh băng hẹp phân kênh theo tần số không chồng lấn nhờ sóng mang khác nhau: K1 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân BPF LSB 64k 64k OSC fc = 64 KHz K2 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân + BPF USB 64k + K3 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân BPF LSB 72k OSC fc = 72 KHz + 72k K4 BPF 0.3 – 3.4 KHz 0.3k 3.4k Điều chế cân BPF USB 72k Hình 4.19: Sơ đồ khối thiết bị ghép kênh FDM kênh Trang 52 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy BPF LSB Bal Mod BPF    x 12 kênh thoại B = 48 KHZ O,33,4 108 KHZ Bal Mod BPF BPF LSB    x 12 BPF x +    60 kênh thoại B = 240 KHZ 612 KHZ 104 KHZ Bal Mod BPF LSB BPF LSB x 64 KHZ sub carrier nhóm 12 kênh cấp 1-FDM    x    + x 600 kênh thoại B = 2520 KHZ 3396 KHZ 564 KHZ    x    420 KHZ nhóm cấp = 60 kênh = siêu nhóm FDM cấp    x + (U 600) 3148 KHZ    x 1116 KHZ 10 siêu nhóm = nhóm chủ FDM cấp Hình 4.20: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh FDM 600 kênh thoại Trang 53 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy 4.3 ĐIỀU CHẾ GÓC FM VÀ PM: Điều chế góc dạng điều chế quan trọng dùng thơng tin, tính chống nhiễu tốt điều chế biên độ AM Tín hiệu sóng mang cao tần chưa bị điều chế đơn hài, xác định bởi: xc(t) = Vccos(ct + φ0) = Vccosφ(t) đó: φ (t) = ct +  : pha tức thời dao động cao tần, xác định trạng thái tín hiệu thời điểm t c : tần số sóng mang; φ0: pha ban đầu Giữa tần số pha có quan hệ: d (t ) d (t )  (t )   f (t )  dt 2 dt  (t )    (t )dt  2  f (t )dt  (t ) : tần số tức thời - tần số thời điểm t Nếu tín hiệu điều chế tần thấp m(t) làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc Trong điều chế góc, biên độ sóng mang coi khơng đổi Có hai trường hợp: Nếu m(t) làm thay đổi tần số c ta có điều chế tần số FM (Frequency Modulation) d (t )  FM (t )    c  k f m(t )   (t )   c t  k f  m(t ) dt dt đó, tín hiệu điều chế FM có dạng: y FM (t )  Vc cos  c t  k f  m(t )dt   Nếu m(t) làm thay đổi pha ban đầu φ0 ta có điều chế pha PM (Phase Modulation)   k p m(t )   (t )   c t  k p m(t ) đó, tín hiệu điều chế PM có dạng: y PM (t )  Vc cos c t  k p m(t ) d (t ) dm(t ) tần số tức thời tín hiệu PM:  PM (t )   c  k p dt dt Ta nhận thấy điều tần điều pha có mối quan hệ tương quan Để có tín hiệu điều tần FM tín hiệu tin tức cho qua mạch tích phân sau qua mạch điều pha PM Ngược lại, Để có tín hiệu điều pha PM tín hiệu tin tức cho qua mạch vi phân sau qua mạch điều tần FM 4.3.1 Điều chế tần số FM: Để đơn giản phân tích, cho m(t) = Vmcosmt pha ban đầu sóng mang 0 = Tín hiệu FM có dạng sau: k f Vm   y FM (t )  Vc cos  c t  sin  m t   Vc cos c t  m f sin  m t  m   k f Vm  với: m f  : số điều chế  m m   k f V m : độ di tần Phổ tín hiệu điều tần: Xét FM dải hẹp (NBFM : mf < 0.25) Nếu độ di tần nhỏ (mf < 0.25), ta có: y FM (t )  Vc cos c t  m f sin  m t   Vc cos(m f sin  m t ) cos  c t  sin( m f sin  m t ) sin  c t y FM (t )  Vc (1) cos  c t  ( m f sin  m t ) sin  c t   Vc cos  c t  m f sin  m t sin  c t  Trang 54 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy F  YFM ( )  Vc   (   c )   (   c )   m f   (   m   c )   (   m   c )   (   m  c )   (  m   c )  Phổ tín hiệu FM dải hẹp gồm sóng mang hai biên tương tự AM Xét FM dải rộng (WBFM: wideband FM mf > 0.25) y FM (t )  Vc cos c t  m f sin  m t  yFM(t) khai triễn theo hệ số hàm Bessel sau:    y FM (t )  Vc  J (m f ) cos  c t   J n (m f ) cos( c  n m )t  (1) n cos( c  n m )t  n 1     Biên độ chúng tỷ lệ với hàm Bessel loại bậc n  ( m f ) n  (m f / ) (m f / ) (m f / )        n! 1!(n  1)! 2!(n  2)! 3!(n  3)!  J n (m f )  Bảng hệ số hàm Bessel tương ứng với số số điều chế mf mf J0 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 0.00 1.00 _ _ _ _ _ _ _ 0.25 0.98 0.12 _ _ _ _ _ _ _ _ 0.5 0.94 0.24 0.03 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J10 J11 J12 J13 J14 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J9 1.0 0.77 0.44 0.11 0.02 1.5 0.51 0.56 0.23 0.06 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.0 0.22 0.58 0.35 0.13 0.03 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.4 0.52 0.43 0.20 0.06 0.02 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2.5 -0.05 0.50 0.45 0.22 0.07 0.02 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ 3.0 -0.26 0.34 0.49 0.31 0.13 0.04 0.01 _ _ _ _ _ _ _ _ 4.0 -0.40 -0.07 0.36 0.43 0.28 0.13 0.05 0.02 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0.05 0.36 0.39 0.26 0.13 0.05 0.02 _ 6.0 0.15 -0.28 -0.24 0.11 0.36 0.36 0.25 0.13 0.06 0.02 7.0 0.30 0.00 -0.30 -0.17 0.16 0.35 0.34 0.23 0.13 0.06 0.02 8.0 0.17 0.23 -0.11 -0.29 -0.10 0.19 0.34 0.32 0.22 0.13 0.06 0.03 _ 9.0 -0.09 0.25 0.14 -0.18 -0.18 -0.06 0.20 0.33 0.31 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 _ 10.0 -0.25 0.05 0.25 0.06 0.06 -0.23 -0.01 0.22 0.32 0.29 0.21 0.12 0.06 0.03 0.01 5.0 -0.18 -0.33 Phổ FM điều chế đơn âm fm với giá trị mf khác nhau: 0.98 mf = 25 mf = 2.4 mf = 12 12 fc fc fc Hình 4.21 Trang 55 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy Trang 56 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy Băng thơng tín hiệu điều tần FM Về lý thuyết độ rộng băng thơng cao tần tín hiệu FM vơ lớn, nhiên thực tế quy định giới hạn băng thông FM đến thành phần phổ biên J n (m f )  0.01J o(m f ) Băng thông tính theo cơng thức: BFM  2(f  f m ) với: fm - tần số tín hiêu điều chế tần thấp băng gốc Băng thông 3dB mạch cao tần phải lớn băng thơng tính theo cơng thức để khơng méo Cơng suất tín hiệu điều tần FM Tổng cơng suất cao tần tín hiệu điều tần khơng đổi, cơng suất sóng mang khơng có điều chế Gọi Vc biên độ độ sóng mang FM khơng điều chế tải R, ta có cơng suất sóng mang: PC (m f )  Vc2  PTotal 2R Cơng suất FM có điều chế: PFM ( m f )  PC ( m f  0)[ J o2 ( m f )  J12 (m f )  J 22 ( m f )   J n2 ( m f )] FM dải hẹp (NBFM) dùng thông tin loại FM với độ di tần (515)KHz FM dải rộng có tính chống nhiễu cao dùng phát FM Stereo, tiếng TV, vi ba, truyền hình vệ tinh Độ di tần cực đại FM dùng phát tiếng TV 75 KHz 4.3.2 Điều chế pha PM Biểu thức tín hiệu điều pha: y PM (t )  Vc cos c t  k p m(t ) Xét trường hợp tín hiệu điều chế sin đơn tần: m(t) = Vmcosωmt y PM (t )  Vc cos c t  k pV m cos  m t   Vc cos c t  m p cos  m t  đó: mp = kpVm - hệ số điều chế Biểu thức giống biểu thức tín hiệu điều tần FM nên q trình phân tích phổ, băng thơng cơng suất giống Với hệ số điều chế cho trước tương quan biên độ, phổ cơng suất PM FM hoàn toàn Sự khác biệt phổ PM FM phân biệt tăng giảm tần số tín hiệu điều chế fm : PM: mp = kpVm – không phụ thuộc vào fm k V  f FM: m f  f m  – tỷ lệ nghịch với fm  m m fm Do PM có mp khơng phụ thuộc vào fm nên băng thơng tín hiệu PM nhỏ FM, nhiễu tỷ số tín hiệu nhiễu S/N lớn điều kiện Tuy nhiên, FM sử dụng rộng rãi phát quảng bá trình lịch sử tồn máy thu FM đơn giản, rẻ máy thu PM Điều chế pha số PSK – dạng đặc biệt điều chế pha PM ứng dụng rộng rãi thông tin số Trang 57 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 4.3.3 Mạch chế tần số FM dùng Varicap +VCC CB +VCC RFC CB R1 C1 R3 L CB VR CB v0 R2 C2 Re C3 R5 VDC m(t) Cv R4 Hình 4.22: Mạch chế tần số FM dùng Varicap mạch dao động dạng Clapp Tần số dao động mạch:  (t )  C (t )  đó: LC (t ) 1 1    C1 C C  C v (t ) C  C v (t ) C v (t )  C0 (do C1 , C2 >> C3 + Cv)  2[V DC  m(t )] với C0 điện dung varicap điện áp phân cực ngược Khi tín hiệu điều chế (m(t) = 0): CV  C v  C0  2VDC Đây tần số trung tâm tín hiệu điều chế số FM Trang 58  0  L(C  C v ) Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy 4.3.4 Mạch điều chế tần số FM dùng PLL k m(t) kA Phase VDC LPF Detector vd Amp v0 k0 f0 = fFM VCO fN Hình 4.23: Sơ đồ mạch điều chế FM dùng Phase Locked Loop Tín hiệu điều chế m(t) so với điện áp VDC so pha → tín hiệu ngõ so pha: v d  m(t ).VDC Nếu m(t) có tần số nằm dải thơng lọc thơng thấp LPF thì: v  k A vd  k AVDC m(t ) Điện áp v0 làm thay đổi tần số ngõ VCO lượng là: f  f  f N  k v0  k k AV DC m(t )  m f m(t )  f  f N  m f m(t )  f FM Đây tần số điều chế FM với tần số sóng mang tần số dao động tự nhiên fN PLL Để có tín hiệu điều chế FM độ di tần phải nhỏ dải khóa PLL: f  B L k k AVDC m(t )  k k A k  VDC m(t )  k Trang 59 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy 4.3.5 Mạch giải điều chế tần số FM dùng PLL k fFM = fN + mf m(t) kA Phase vd LPF Detector v0 Amp k0 VCO fN Hình 4.24: Sơ đồ mạch giải điều chế FM dùng Phase Locked Loop PLL giải điều chế cài đặt tần số dao động tự nhiên với tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vào Sự sai lệch tần số tín hiệu FM ngõ vào fFM tần số dao động tự nhiên VCO fN tạo điện áp ngõ ra: v0  f  fN mf f  FM  m( t ) k0 k0 k0 Đây tín hiệu giải điều chế Để tín hiệu giải điều chế khơng méo dải khóa PLL phải lớn độ di tần tín hiệu FM ngõ vào 4.3.6 Phát FM Stereo Nhu cầu phát FM đến năm 1945 nâng cao Người ta mong muốn truyền tín hiệu điễn tả âm hai kênh trái phải riêng biệt mà giữ FM mono truyền thống Từ nhu cầu trên, ngồi tín hiệu L + R truyền thống người ta truyền thêm tín hiệu L – R phương pháp ghép kênh FDM 19k 50 L + 15k L+R 50 15k 23k Delay Điều chế FM + R - 53k 38k Điều chế cân L-R 38k 50 15k x2 OSC - 19 kHz Hình 4.25: Sơ đồ khối mạch tạo tín hiệu FM Stereo Trang 60 Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy 50 LPF – 15k 15k + L+ R 2L Giải điều chế FM 23k 38k BPF 23k – 53k Cộng hưởng 19k 53k Giải điều chế cân 38k - L-R 2R 50 15k x2 Hình 4.26: Sơ đồ khối mạch giải mã tín hiệu FM Stereo Tần số 19kHz gọi tần số pilot dùng để khơi phục lại sóng mang 38kHz phục vụ cho giải điều chế cân Trang 61 Bài giảng điện tử thơng tin Biên soạn Ths Nguyễn Hồng Huy PHẦN 2: BÀI TẬP (2 tiết) Cho tần số sóng mang AM 1MHz, biên độ 100V tải 50 Tín hiệu điều chế: m (t )  V1 cos 2f1t  V2 cos 2f t ; f1 = 1kHz, f2 = 5kHz a Hệ số điều chế tương ứng: mA1 = 0.2, m A2 = 0.3 b Vẽ phổ tín hiệu AM Tính cơng suất tín hiệu? Xác định tần số tín hiệu điều chế lớn sử dụng mạch tách sóng hình bao có R = 10k, C = 1000pF m = 0.5 Cho VCO có độ nhạy k0 = 3kHz/V, điều chế tín hiệu m(t) = 2sin(2ω.4kHz)t (V) tần số sóng mang trung tâm f0 = 1MHz a Tìm độ di tần f? Hệ số điều chế m f b Viết biểu thức tín hiệu FM biết biên độ sóng mang 10V? Cho tín hiệu FM: vFM = 1000cos[2ω107t + 0.5cos2ω104t] (V) tải anten 50 a Tính cơng suất FM? mf? f? b Tính độ nhạy điều chế kf Vm = 200mV? Vẽ phổ FM In a AM system, what is meant by the following terms: modulating signal, carrier, and modulated wave? For an envelope with Vmax = 40V, Vmin = 10V, determine: a Unmodulated carrier amplitude b Peak change in amplitude of the modulated wave c Coefficient of modulation For a modulation coefficient m = 0.2 and a carrier power Pc = 1000W, determine: a Sideband power b Total transmitted power For a AM–DSB wave with an unmodulated carrier voltage of 25V and a load resistance of 50Ω, determine: a Power of unmodulated carrier b Power of unmodulated carrier and the upper and lower side frequencies for a modulation coefficient m = 0.6 Determine the maximum modulating signal frequency for a peak detector with the following paramaters: C = 1000pF, R = 10kΩ, and m = 0.5 Repeat the problem for m = 0.707 10 For a FM modulator with modulator with modulation index m = 2, modulating signal vm(t) = Vmsin(2π2000t), and an unmodulated carrier vc(t) = 8sin(2π800kHzt): a Determine the number of sets of significant sidebands b Draw the frequency spectrum showing the relative amplitudes of the side frequencies c Determine the bandwidth d Determine the bandwidth it the amplitude of the modulating signal increases by a factor of 2.5 Trang 62