Các tín hiệu được đưa vào mạch điều hưởng LC ghép song song, mạch này sẽ chọn ra và làm tăng biên độ của tín hiệu nào đó có tần số sóng mang giống với tần số cộng hưởng của mạch LC.. T[r]
(1)TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG
LÝ THUYẾT THÔNG TIN
(2)1 ChƯơng I: thiết bị đầu cuối âm
1.1 Máy phát điều biên 1.1.1 Lời giíi thiƯu
Tín hiệu vơ tuyến tạo biến thiên điện từ trường biến thiên truyền lan không gian tự Thiết bị tạo nên biến thiên gọi máy phát anten phát đảm bảo cho việc truyền sóng khơng gian tự đạt hiệu Để thu tín hiệu vơ tuyến, người ta cần phải thu phần lượng điện từ chuyển sang dạng tín hiệu mà người cảm nhận số giác quan Đó máy thu (sẽ đề cập phần sau) Năng lượng sóng điện từ thu mạch điện sau biến đổi thành tín hiệu âm
Giả thiết thời điểm máy phát truyền tín hiệu hồn tồn ngẫu nhiên (đó tín hiệu chứa tất thành phần tần số biên độ) Trong không gian tự do, không máy phát hoạt động mà khơng bị nhiễu tác động khơng gian tự mơi trường truyền sóng trung gian cho tất sóng điện từ Tuy nhiên giới hạn máy phát có tần số xác định (tín hiệu dạng Sin liên tục) tránh nhiễu, Thêm vào cách kết hợp lọc băng hẹp phía thu để loại bỏđược tất thành phần tần số không mong muốn
Với người chủ yếu giao tiếp với theo hai phương thức nói nghe Tiếng nói bình thường chứa tần số nằm dải 10 Hz 5kHz dải biên độ tiếng nói thầm tiếng hét lớn Việc truyền tiếng nói khơng gian tự vấp phải hai trở ngại lớn Trở ngại thứ can nhiễu lẫn dùng chung mơi trường truyền sóng trung gian Trở ngại thứ hai tần số thấp tiếng nói truyền lan hiệu không gian tự do, với tần số cao điều thực Xong tần số cao 20 kHz người lại khơng thể nghe với tần số chưa lớn để truyền sóng khơng gian tự Nếu thực việc thay đổi số thơng số nguồn tín hiệu tần số cao dạng sin liên tục theo tiếng nói việc trao đổi thông tin không gian tự việc hồn tồn thực điều chế Việc thay đổi biên độ tín hiệu cao tần (gọi sóng mang) theo tiếng nói gọi điều chế biên độ (AM – Amplitude Modulation) Việc thay tần số sóng mang theo tần số tiếng nói gọi điều chế tần số (FM – Frequency Modulation), góc pha trường hợp gọi điều pha (PM – Phase Modulation)
1) Âm :
Sóng âm : thay đổi tính chất mơi trường đàn hồi có lượng âm truyền qua Mơi trường truyền dẫn sóng âm phải mơi trường đàn hồi nên sóng âm tryền qua vật chất dạng rắn, lỏng, khí không truyền môi trường chân không
Tham số âm :
- Tốc độ truyền âm : Trong điều kiện khí bình thường tốc độ truyền âm khoảng 330m/s, lượng âm bị tiêu hao dần nên truyền xa
(3)2 + Hạ âm < Tần số âm tần (16-20000Hz) < Siêu âm
- Công suất âm : Là lượng âm qua mặt phẳng vng góc với phương truyền âm tiết diện 1m2 Đơn vị tính Watt (W)
- Cường độ âm : Là lượng âm qua tiết diện cm2đặt vng góc với phương truyền âm thời gian 1S Đơn vị tính W/cm2
2) Sóng âm phẳng điều hịa :
Khi âm truyền khơng khí làm cho áp suất khơng khí bị thay đổi, lượng thay đổi gọi áp P (áp suất âm thanh) đơn vị Pascal
1Pa = N/m2
Thanh áp hàm biến theo không gian thời gian P(x, y, z, t), áp không bị biến đổi theo trục y trục z mà phụ thuộc vào trục x thời gian t ta có sóng âm sóng phẳng
P = f(t-x/c), c : tốc độ truyền âm Nếu sóng phẳng điều hịa P phải hàm điều hòa :
P= PmCos[2Πf (t-x/c)], Pm biên độ, f tần số
3) Thính giác
Đặc điểm tai người : Có bộ phận
- Tai ngồi có tác dụng định hướng nguồn âm, cộng hưởng tần số khoảng KHz Biến đổi âm thành lượng học để truyền cho tai
- Tai có xương nhỏ thể : Xương búa, xương đe, xương bàn đạp để phối hợp trở kháng
- Tai : có tiền đình màng basilar, tiền đình giúp cảm nhận thăng bằng, màng basilar có khoảng 30000 tế bào lông xếp thành nhiều hàng dọc để cảm nhận truyền tin âm lên não dạng xung điện qua dây thần kinh
Cảm thụ biên độ gồm :
+ Ngưỡng nghe : Là mức áp nhỏ âm đơn mà tai người cảm thụ mức giới hạn chuyển từ trạng thái nghe thấy sang không nghe thấy ngược lại Thanh áp hiệu dụng điều hòa 1KHz 2.10-5 N/m2
+ Ngưỡng chói tai : Là mức áp lớn mà tai người cảm thụđược âm, mức giới hạn mà tai người cảm nhận âm, vượt gây tổn thương đến thính giác Thanh áp hiệu dụng điều hịa 1KHz 20N/m2
Cảm thụ tần số :
Dải tần 16 – 20.000Hz phạm vi tần số âm mà tai người cảm thụđươc gọi âm tần Cảm thụ tần số thể độ cao âm, người ta thường dùng đơn vịđo Octave (Oct)
n= log2fn/ f0 = 3,34lg fn/ f0 , f0 = 20Hz
(4)3 1.1.2 Lý thuyết điều chế biên độ
1.Định nghĩa:
Điều chế trình biến đổi thơng số sóng mang cao tần (biên độ,hoặc 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 Quá 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 khơng phụ thuộc vào tần số
− Biên độ sóng mang cao tần Vω > Vm (bien độ tín hiệu điều chế BB)
2 ĐIỀU CHẾ BIÊNĐỘ 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)=Vmcosωmt
A
B
Tần sốđường bao ωs
Tần số sóng mang ωc
Sóng mang điều chế Sóng mang chưa
điều chế
(5)4
a Phương trình điều chế hệ sốđiều chế:
Đểđơn giản hóa cơng thức điều biên, ta giả thiết tín hiệu cần điều chế tín hiệu sóng mang có dạng sin với tần số góc ωs vàωc
Giả sử sóng mang có dạng
uc(t) = A.cosωc.t (1.1.1) tín hiệu cần điều chế có dạng
us(t) = B.cosωs.t (1.1.2)
Theo lý thuyết điều biên tín hiệu điều biên có dạng
uđb(t) = (A + B.cosωs.t).cosωc.t (1.1.3) Biến đổi lượng giác biểu thức 1.1.3 ta
uđb(t) = A.cosωc.t + kA/2[cos(ωc + ωs)t + cos(ωc - ωs)t] (1.1.4)
Với k = B/A hệ sốđiều chế, đó: max
max
;
U U
B= − A U= −B (theo hình 1.2)
Sóng mang Biên độ
Biên tần Biên tần
c + smin
c + smax c - smin
c - smax smax
smin
Hình 1.2: Phổ tần sóng AM tín hiệu cần điều chế dải tần âm
(6)5 Từ biểu thức (1.1.4) ta thấy thành phần tín hiệu điều biên gồm ba thành phần tần số riêng
biệt: thành phần tần số sóng mang ωc, dải biên tần (ωc + ωs) dải biên tần (ωc - ωs)
Với ωs biến đổi từ ωsmin đến ωsmax dải tần số tín hiệu âm đầu vào
Tín hiệu sóng mang thường tín hiệu sin có tần số cao
Giả sử Xc(t) = Vccosωct
Tín hiệu AM có dạng: YA M(t) = [Vc + m(t)].cosωt
Xét trường hợp m(t) tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosωmt
YA M(t) = [Vc + Vmcosωmt].cosωct = Vc[1 + Vm/Vc cosωmt].cosωct
= Vc[1 + K.cosωmt].cosωct
K: hệ số điều chế (chỉ số điều chế) Để điều chế khơng méo K ≤ Trong trường hợp m(t)
tổng tín hiệu sin đơn tần:
m(t) = V1 cosω1t + V2 cosω2t + V3 cosω3t + ……
2 2
1
A
m = m +m +m +
; 1, 2,3,
i i
c v
m i
v
= = trường hợp tổng quát max
max
A
v v
m
v v
− =
+
b Phổ tín hiệu AM:
Ta có: YA M(t) = [Vc + m(t)].cosωct = Vc.cosωct + m(t).cosωct
(
)
(
)
(
)
(
)
2
AM c c c c c
Y =πV δ ω ω− +δ ω ω+ + M ω ω− +M ω ω+
trong đó: m(t ) F → M (ω )
Xét trường hợp m(t) tín hiệu sin đơn tần: m(t) = Vmcosωmt
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
2 m
AM c c c c m c m c m c m
V
Y =πV δ ω ω− +δ ω ω+ +π δ ω ω− −ω +δ ω ω− +ω +δ ω ω+ −ω +δ ω ω+ +ω
c Cơng suất tín hiệu AM:
Pc : Cơng suất sóng mang
PUSB= PLSB: Cơng suất dải biên (USB Upper Sideband, LSB Lower Sideband)
PUSB= PLSB= PC.K2/4
- Cơng suất tổng tín hiệu AM: Pt = PC + PUSB + PLSB
(7)6
IC : dòng điện chưa điều chế
It : Dòng điện sau điều chế
2
t c
K
I =I +
VD: Trong máy phát AM chưa điều chế tín hiệu dịng chạy qua Ant 2,5A, cho tín hiệu
dạng sin qua dịng Ant tăng lên 3A
a) Tính hệ số điều chế K (ma)
b) Dòng điện chạy Ant K = 60%
Nếu tín hiệu AM sau điều chế cho qua điện trở Công suất rơi điện trở
gọi cơng suất chuẩn:
_ _ _
1
AM St c St m St
P =P + P
trong 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:
_ AM St AM P P R =
Nếu tín hiệu dịng điện thì: PAM =PAM_St×R
Hiệu suất điều chế: Bằng cơng suất có ích (cơng suất mang tin tức) chia cho cơng suất tồn tín hiệu AM
_ _
1
2 m m St
AM AM St
P P
P P
η
= =Ví dụ: Tín hiệu AM áp điều chế tín hiệu sin đơn tần m(t) = Vmcosωmt Biết
Vmax = 50V; Vmin = 10V Tính mA? Vm? PAM tải R = 50Ω? Hiệu suất điều chế
Gợi ý ( max
max A v v m v v − =
+ , Vm = mA.Vc, Pc_st = Vc
2/2, P
m_st = Vm2/2, AM AM_St P P R = , _ _ 1
2 m m St
AM AM St
P P
P P
η
= = ; max2 c
V V
V = + )
1.1.3 Thiết kế hệ thống
Việc lựa chọn tần số sóng mang cho máy phát nói chung xem xét
quyết định phủ hiệp ước quốc tế Cho dù việc ghép kênh phân chia theo tần số, hai đài phát gây nhiễu lẫn tần số sóng mang biên gần Theo lý thuyết máy phát phải hoạt động tần số định có độ rộng băng thơng đủ lớn để khơng gây can nhiễu lẫn Tuy nhiên, độ rộng băng thông bị hạn chế phải xét tới giá thành
và phức tạp kỹ thuật truyền dẫn sử dụng Trong thực tế, hai máy phát làm việc
(8)7 - Thứ tần số sóng mang bị lệch khiến thính giả phải điều chỉnh lại máy thu theo tần số đài phát, điều chấp nhận hầu hết khán giả
- Thứ hai đài phát bị lệch tần số phía đài phát lân cận, dải biên chồng lên gây nhiễu
Tín hiệu sóng mang thường tạo tạo dao động, để thỏa mãn yêu cầu tần số xác Trong thực tế thường sử dụng dao động tinh thể Trung tâm dao động tinh thể tinh thể thạch anh cắt đánh bóng kỹ thuật tinh vi để trì tần số dao động với giá trị sai số không đáng kể nằm vài Hz Hình 1.3 sơ đồ khối máy phát điển hình
a/ Bộ dao động tinh thể
Mục đích dao động tinh thể tạo tín hiệu sóng mang Để giảm tối thiểu
can nhiễu tới máy phát khác, tín hiệu phải có độ méo cực nhỏ để máy phát
làm việc tần số ổn định Độ sai lệch tần số nằm giới hạn nhỏ, thường
chỉ khoảng vài Hz 107 Hz Việc thiết kế dao động đặc biệt thực
tế thường sử dụng tinh thể thạch anh b/ Bộ nhân tần
Mục đích nhân tần để thu tín hiệu có tần số fc/n, với n số
nguyên tạo đầu tần số fc Một nhân tần nhân đơn nhân đa
tần Đầu nhân tần đưa tới đầu vào sóng mang điều chế biên độ
c/ Bộ điều chế biên độ
(9)8 d/ Bộ khuếch đại âm tần
Các đầu vào khuếch đại âm tần nhận tín hiệu từ micrơ nguồn cung cấp Bộ
Khuếch đại âm tần khuếch đại tín hiệu tới mức tín hiệu yêu cầu để đưa tới
điều chế biên độ
e/ Bộ khuếch đại công suất cao tần
Mức công suất đầu điều chế thường nằm khoảng vài Watt
cơng suất u cầu để quảng bá tín hiệu đạt hiệu lại nằm khoảng hàng chục kW Bộ khuếch đại cao tần thực việc khuếch đại công suất đồng thời đảm bảo nhiệm vụ chức phối hợp trở kháng với anten
f/ Anten
Anten thành phần mạch điện có nhiệm vụ biến đổi lượng đầu máy phát
thành sóng điện từ xạ vào khơng gian Anten có nhiều hình dạng vật lý khác nhau,
xác định dựa vào tần số làm việc mơ hình xạ yêu cầu Đối với mục đích phát anten
cần xạ công suất cách đồng theo hướng Trái lại lĩnh vực truyền dẫn tín
hiệu việc bảo mật thơng tin đóng vai trị quan trọng (ví dụ điện thoại) anten cần phải có tính định hướng để giảm thu nhận trái phép
1.2 M¸y thu ®iỊu biªn 1.2.1 Lời giới thiệu
Nhiễu điện từ gây máy phát phát từ anten phát lan truyền không
gian với vận tốc ánh sáng Nếu sóng điện từ bắt gặp vật dẫn vật dẫn xuất dòng điện Cường độ dòng điện phụ thuộc vào cường độ cường độ trường điện từ Anten máy thu tạo dịng điện có sóng điện từ xạ lên Hai chức máy thu radio - Tách tín hiệu mong muốn nhận từ tín hiệu khác mà anten thu - Khôi phục lại thông điệp điều chế vào sóng mang máy phát
1.2.2 Máy thu : Thiết kế hệ thèng
Để tách tín hiệu yêu cầu từ tín hiệu khác mà anten thu được, ta sử dụng anten thơng dải quanh tần số sóng mang, có dải thơng đủ lớn để chứa biên tần
biên tần Ở ngồi dải tần cộng hưởng lọc tất tần số khác bị suy hao
khơng cịn khả gây nhiễu cho tín hiệu hữu ích Để đơn giản người ta cần chế tạo lọc cộng hưởng LC mà tần số cộng hưởng tần số sóng mang
Để khơi phục lại tồn thơng tin từ nguồn tin phía phát người ta sử dụng mạch điện gọi mạch tách sóng, bao gồm diode mạch LC mắc song song hình 1.6 (a)
Khi điện áp dạng sóng đường bao tăng độ gợn sóng lớn điện áp giảm
Nếu số thời gian lớn độ gợn sóng nhỏ, nhiên điều làm tăng khả
(10)9
chéo Trên thực tế, tần số sóng mang lớn so với tần số điều chế độ gợn sóng nhỏ
rất nhiều so với hình vẽ
Tín hiệu vào mạch biểu thị cách thích hợp nguồn dòng lý
tưởng nối với cuộn sơ cấp biến áp Nguồn dòng lý tưởng biểu thị tất dòng
điện anten tất trạm phát tín hiệu quảng bá khơng gian đưa tới Các tín hiệu đưa vào mạch điều hưởng LC ghép song song, mạch chọn làm tăng biên độ tín hiệu có tần số sóng mang giống với tần số cộng hưởng mạch LC Trong hình 1.6c ta thấy có tín hiệu điều chế cộng hưởng xuất đầu vào mạch tách sóng
Do diode thơng điện áp anode cao so với catode nên có phần dương
tín hiệu xuất điện trở Bởi tụ điện mắc song song với điện trở nên diode
thông, tụ điện nạp đến giá trị đỉnh điện áp, điện áp vào thấp điện áp nạp tụ, diode bị ngắt tụ phóng điện qua điện trở với điện áp suy giảm theo
hàm mũ
Với lựa chọn số thời gian RC cách xác dạng sóng điện áp
hình 1.6c Dạng sóng thực chất đường bao tín hiệu sóng mang với độ gợn sóng
tần số sóng mang Có thể dùng lọc thơng thấp để loại bỏ gợn sóng
Mạch điện hình 1.6a sử dụng tốt máy thu thực tế với
điện trở R thay tai nghe trở kháng cao Nhưng chắn mạch điện Hình 1.6: a) Mạch tách sóng đường bao
b) Tín hiệu vào mạch tách sóng đường bao c) Tín hiệu từ mạch tách sóng
b)
c)
t
(11)10 đơn giản có hạn chế Năng lượng mạch cung cấp hồn tồn từ phía phát phía thu tăng lên, khả triệt tín hiệu nhiễu từ máy phát khác mạch điều hưởng LC có hạn máy thu phải chịu nhiễu lớn từ máy phát
khác Những hạn chế khắc phục cách sử dụng cấu hình máy thu đổi tần
được mô ta
1.2.3 Máy thu đổi tần : Thiết kế hệ thống
Máy thu radio đổi tần nhận tín hiệu cao tần biến đổi thành tần số cố định gọi
tần số trung tần (IF), dễ dàng để thực việc lọc nhiễu đồng thời cung cấp
chút độ lợi cơng suất khuếch đại thành tín hiệu mong muốn Máy thu đổi tần có ưu điểm sau:
- Độ khuếch đại đồng băng sóng tần số trung tần tương đối thấp ổn
định tín hiệu vào thay đổi
- Mạch vào làm nhiệm vụ chọn lọc tín hiệu cần thu loại trừ tín hiệu khơng cần
thu nhiễu khác nhờ có mạch cộng hưởng, tần số cộng hưởng điều chỉnh
đúng tín hiệu cần thu f0
- Khuếch đại cao tần nhằm mục đích khuếch đại bước đầu cho tín hiệu cao tần thu từ
Anten
- Bộ đổi tần gồm mạch dao động nội mạch trộn tần Khi trộn tần số dao động nội fn
tín hiệu cần thu f0 ta tần số trung gian hay gọi trung tần, tần số dao động nội
và tần số tín hiệu cần thu
Ftt =f0 + fn = Const
Khi tần số tín hiệu từ đài phát thay đổi từ f0min → f0max tần số dao động nội phải thay
đổi từ fnmin → fnmax để đảm bảo hiệu số chúng số
Đối với máy thu điều biên ( AM ): ftt = 465KHZ hay 455KHz Đối với máy thu điều tần ( FM ): ftt = 10,7MHz
- Bộ khuếch đại trung tần: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung tần đến giá trị đủ lớn để
đưa vào mạch tách sóng Đây tầng khuếch đại chọn lọc, tải mạch cộng hưởng có tần số cộng hưởng trung tần
- Tầng tách sóng: có nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần khỏi tín hiệu sóng mang cao tần, sau đưa tín hiệu vào mạch khuếch đại âm tần
Sơ đồ khối thông thường máy thu đổi tần AM biểu diễn hình 1.7
Trên anten bao gồm dòng điện từ máy phát khác phát tới Bước đầu sử dụng
một mạch điều hưởng khuếch đại tần số cao tần để làm tăng tín hiệu sóng mang mong muốn
các biên Máy thu thiết kế cho khuếch đại cao tần có khả điều chỉnh tần
số cách thay đổi giá trị tụ điện mạch điều hưởng Tụ điện ghép khí
hoặc ’gộp’ với tụ điện khác phận hình thành nên mạch dao động nội
Tấn số dao động nội tần số đưa đến mạch khuếch đại cao tần điều hưởng
(12)11 tần Thực chất trộn tần nhân hai tín hiệu với cho tín hiệu bao gồm tổng hiệu hai tần số đưa vào Do sai khác tín hiệu cao tần thu tần số dao động nội cố định lại nên hiệu chúng số không đổi giá trị tương ứng với giá trị tụ bị thay đổi
Hình 1.7 Sơđồ khối máy thu đổi tần, tụđiều hướng cao tần gộp với tụ quy định tần số dao động nội Trong máy thu AM thông thường tần số dao động nội luôn lớn tần số cộng hưởng mạch khuếch đại cao tần 455 kHz tồn dải tần có thểđiều chỉnh
Tín hiệu từ trộn tần đưa vào khuếch đại trung tần, khuếch đại trung tần thiết kế để lọc hiệu tần với biên tần đồng thời làm suy giảm tất
các tần số khác có Khi hiệu tần cố định lại (với đài radio FM, tần số trung tâm
445 kHz) yêu cầu lọc phải tương đối dễ thiết kế phải có đặc tuyến ngưỡng rõ ràng Đầu khuếch đại trung tần gồm tần số trung tần hai biên tần đưa tới mạch tách sóng đường bao Mạch tách sóng đường bao loại bỏ tần số trung tần, giữ lại tín hiệu âm tần, tín hiệu khuếch đại qua mạch khuếch đại âm tần tới mức đưa loa
Rõ ràng có khác biệt lớn tín hiệu thu từ trạm phát mạnh, gần
trạm phát yếu, xa Để giảm thiểu khác biệt mạch tự điều khuếch (AGC) sử
dụng để điều chỉnh tín hiệu đưa vào mạch tách sóng đường bao tới giá trị định trước Bước
xử lý đáng quan tâm hệ thống trộn tần Có hai kiểu trộn tần
nhân tương tự kiểu chuyển mạch Bộ nhân tần tương tự nhân tín hiệu cao tần tín hiệu dao động nội, vậy, tín hiệu sóng mang điều chế :
im(t) = A(1+ k sinωst)sinωct (1.2.1)
Và tín hiệu dao động nội :
io(t) = BsinωLt (1.2.2)
Thì tín hiệu trộn tần :
(13)12 i(t) =
2
AB(1 + ksinωst)[cos(ωL - ωc)t – cos(ωL+ ωc)t] (1.2.4)
i(t) =
AB[cos(ωL - ωc)t – cos(ωL + ωc)t + ksinωstcos(ωL - ωc)t - ksinωstcos(ωL + ωc)t] (1.2.5)
i(t) =
AB{cos(ωL - ωc)t – cos(ωL + ωc)t
+
k[sin(ωL - ωc - ωs)t + sin(ωL - ωc + ωs)t]
-
k[sin(ωL + ωc - ωs)t + sin(ωL + ωc + ωs)t]} (1.2.6)
Hình 1.8 Biểu diễn phổ tần số
Phổ tần biểu thức (1.2.6) biểu diễn hình 1.8 Lưu ý biểu thức đơn giản hóa rõ ràng Sự hình thành tích số biểu thức (1.2.3) khơng phải q trình xác có xu hướng tạo nhiều tần số sóng hài phụ sóng hài bậc cao có tín hiệu cao tần tín hiệu dao động nội Tín hiệu cao tần tín hiệu dao động nội biểu thị rõ đầu Điều quan trọng loại bỏ tất tín hiệu khơng mong muốn
ra khỏi băng tần trung tần làm biên độ chúng suy giảm xuống thấp Có thể thấy
rằng trộn tần đem lại thêm hai sóng mang biên tần chúng, hai sóng mang có
tần số tương ứng với tổng (ωL + ωc) hiệu (ωL - ωc) tín hiệu dao động nội tần số
sóng mang
Lúc tín hiệu tần mong muốn (trung tần) lọc nhờ tầng lọc trung tần
máy thu Chú ý hoạt động trộn tần không làm ảnh hưởng đến biên tần Để làm rõ biến đổi tín hiệu xảy tồn hệ thống, băng AM quảng bá (600KHz ÷1600KHz)
ωs ( ωL - ωc - ωs ) ( ωL - ωc ) ( ωL - ωc + ωs ) ( ωc - ωs ) ωc ( ωc + ωs ) ωL ( ωL + ωc - ωs ) ( ωL + ωc ) ( ωL + ωc + ωs ) B iê n độ T ín h i ệ u đ i ề u ch ế T ấ n s ố só ng m an g T ru ng t ầ n T ầ n s ố da o độ ng n ộ i
(14)13 dùng làm ví dụ bảng 1.1 Bộ trộn tần đặt hai vấn đề trực tiếp lựa chọn tần số dao động nội chiến lược thiết kế thân trộn tần
Tần số ảnh tần số tín hiệu khơng mong muốn, tần số kết hợp với tín hiệu dao động nội cho tần số trung tần Bộ khuếch đại cao tần thơng thường triệt tần số ảnh việc gặp khó khăn tín hiệu mong muốn thu yếu cịn tín hiệu ảnh lại mạnh
Cao tần (KHz)
Giới hạn tần số thấp Giới hạn tần số cao
Tín hiệu đến 600±5 1600±5
Tần số dao động nội, fL 600+455=1055 1600+455=2055
Tần số trung tần, fk 455 455
Tần số ảnha, fim 1055+455=1510 2055+455=2510
Đầu khuếch đại trung
tần, fk ±fs
455±5 455±5
Mạch tách sóng đường bao 0÷5 0÷5
Bảng 1.1
(1) Qua bảng 1.1 thấy tần số dao động nội chọn cho cao tín hiệu cao tần thu Có nhiều lý tốt để thực việc Tỷ số giá trị cực đại cực tiểu điện dung yêu cầu để điều chỉnh dao động nội toàn dải phát quảng bá 3.79 trường hợp chọn tần số dao động nội cao tần số cao tần thu Ngược lại, chọn tần số dao động nội thấp tỷ số 62.4 Sẽ khó để chế tạo biến dung với độ dung sai thích hợp
(2) Sự trộn tần sớm đề cập đến xem việc nhân tương tự Tuy nhiên hoạt
động xác nhân tương tự vấn đề quan trọng Một nhân tương tự thơ sơ thực cách sử dụng thiết bị có đặc tuyến điện áp – dịng điện khơng tuyến tính Một diode tiếp giáp p-n thơng thường dùng để thực việc Bộ trộn tần kiểu chuyển mạch sử dụng diode transistor mang dịng điện tỷ lệ với tín hiệu cao tần chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác tần số dao động nội
1 Mạch vào :
Là mạch mắc Anten tầng máy thu, có nhiệm vụ chủ yếu nhận tín
hiệu từ Anten, chọn lọc tín hiệu cần thu, mạch vào thường mạch cộng hưởng Những yêu cầu mạch vào:
(15)14
UV: điện áp đưa đến máy thu
EA: suất điện động cảm ứng Anten
- Đảm bảo điện độ chọn lọc: chọn lọc tần số lân cận, tần số ảnh fa = f0 + ftt , chọn lọc tần số lọc thẳng
- Đảm bảo độ méo tần số cho phép dải tần số làm việc từ fomin → fomax
Mạch vào ghép điện dung với Anten Sơ đồ mạch đáp ứng tần số:
Hình 1.9 : Sơ đồ mạch ghép nối điện dung & đáp ứng tần số
Anten nối với mạch cộng hưởng thông qua điện dung ghép Cgh Mạch cộng
huởng khung cộng hưởng LC, gồm tụ xoay Cx, tụ tinh chỉnh CT cuộn
dây L1 Tần số cộng hưởng điều chỉnh tần số tín hiệu cần thu fo Qua
cuộn ghép cao tần L1: L2, tín hiệu thu được đưa đến cực Base mạch khuếch đại
cao tần
Trị số điện dung ghép Cgh= → 30pF
Nhược điểm : Hệ số truyền đạt khơng đồng băng sóng
Mạch vào ghép điện cảm với Anten Sơ đồ mạch đáp ứng tần số:
(16)15
- Tín hiệu từ Anten qua cuộn ghép Lgh cảm ứng qua mạch cộng hưởng gồm tụ Cx, CT
cuộn dây L1 Mạch cộng hưởng điều chỉnh để chọn lọc lấy tín hiệu cần thu cảm ứng
sang cuộn L2 để đưa đến cực Base mạch khuếch đại cao tần
- Hệ số truyền đạt mạch vào dạng tỉ lệ với hệ số phẩm chất khung cộng
hưởng LC Muốn tăng độ nhạy mạch phải tăng L1 giảm Lgh, L1cũng
không thể tăng lớn mà phải chọn dung hòa hai giá trị để tránh ảnh hưởng đến tần
số cộng hưởng mạch
- Nhược điểm mạch ghép điện cảm hệ số truyền dẫn khơng đồng tồn băng
sóng Tuy nhiên so với mạch ghép điện dung mạch có độ chọn lọc cao hệ số
truyền dẫn đồng nên sử dụng rộng rãi thực tế
2 Mạch khuếch đại cao tần :
Bộ khuếch đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều chế cao tần đến giá
trị định để đưa cho đổi tần, mạch khuếch đại cao tần thường mắc kiểu CE
hoặc CB Đối với băng sóng AM kiểu mắc CE thích hợp tận dụng hệ số
khuếch đại cao dạng ghép này, băng sóng FM kiểu ghép CB thích
hợp có băng thơng làm việc rộng Tầng khuếch đại cao tần tầng
khuếch đại không cộng hưởng với tải điện trở, điện cảm R-L hay biến áp phổ
biến tải cộng hưởng tần số
Hình 1.11 Mạch khuếch đại cao tần tải điện trở
Đây khuếch đại dải rộng, có hệ số khuếch đại tương đối đồng
dải rộng từ vài chục đến vài MHz, nhiên mạch khơng có khả chọn lọc tần số Điện
trở tải R1 thường sử dụng khoảng vài k Ω
3 Mạch đổi tần
Mạch đổi tần mạch biến đổi tín hiệu cao tần điều chế thành tín hiệu có tần số thấp
hơn khơng đổi gọi trung tần Dạng tín hiệu điều chế sau đổi tần không thay đổi
mà thay đổi tần số sóng mang.Mạch đổi tần gồm phần: Mạch tạo dao động nội mạch
(17)16 Hình 1.12 Tín hiệu trước sau trộn tần
Người ta chứng minh trộn tín hiệu có tần số khác f1 f2
một phần tử phi tuyến nhận đầu ngồi thành phần f1, f2 cịn xuất
thành phần tổng f1+f2 hiệu f1-f2 Nếu dùng mạch lọc cộng hưởng ta dễ dàng nhận
được tín hiệu có tần số hiệu f1-f2, tần số hiệu trung tần Để tín hiệu
trung tần có tần số cố định tín hiệu thu từ Anten có tần số fo biến đổi tần số dao
động nội phải thay đổi tương ứng, máy thu người ta giải vấn đề
bằng cách sử dụng tụ xoay đồng trục mạch vào mạch dao động nội
Trong sơ đồ hình 1.13 ( T1) vừa làm nhiệm vụ dao động vừa làm nhiệm vụ trộn tần Điện
áp tín hiệu đưa vào cực B, điện áp dao động nội đưa vào cực E Khi tạo dao động
thì C1 xem nối mass cho cực B, mạch trở thành ghép BC thành phần
định dao động khung L4C2, tín hiệu dao động nội đưa đến cực E tụ C2, đây thành phần hồi tiếp dương để trộn với tín hiệu cần thu
Khi làm nhiệm vụ trộn tần C2 L4 xem như nối mass cho E T1 mạch ghép CE
Tín hiệu trộn tần đưa vào cực B lấy từ cuộn cảm ứng khung cộng hưởng từ cực C
Nhược điểm mạch độ ổn định transistor đảm nhận lúc nhiệm vụ
dao động trộn tần
(18)17
4 Khuếch đại trung tần
Khối khuếch đại trung tần mạch khuếch đại cộng hưởng có nhiệm vụ khuếch
đại tín hiệu trung tần đến giá trị đủ lớn để đưa vào mạch tách sóng, khuếch đại trung tần định phần lớn độ chọn lọc độ nhạy máy thu
Nếu dùng transistor rồi, khối trung tần gồm 1, tầng khuếch đại ghép, dùng IC mạch khuếch đại trung tần thường tích hợp chung với mạch tách sóng
Hình 1.14 Mạch khuếch đại trung tần cộng hưởng kép • C4L2: khung cộng hưởng tần số trung tần
• R1R2: phân cực cho mạch khuếch đại trung tần
• R3: điện trở ổn định nhiệt đóng vai trị mạch hồi tiếp dịng nối tiếp
• C2: tụ thoát cao tần ( loại bỏ hồi tiếp áp nối tiếp )
• Tụ C3: hồi tiếp áp song song để ổn định tín hiệu
Mạch có hệ số khuếch đại lớn tần số trung tần, tần số khác hệ số khuếch đại
giảm nhanh chóng
Ưu điểm: hệ số khuếch đại lớn, độ chọn lọc cao Nhược điểm:
• Dải thơng hẹp, độ trung thực
• Muốn tăng độ nhạy máy thu thường người ta chọn phương pháp tăng độ khuếch đại
của mạch khuếch đại trung tần, nhiên mạch trên, tăng hệ số khuếch đại →
tượng tự kích Vì người ta thường mắc thêm tụ C3 để tạo mạch hồi tiếp âm áp song song
cho mạch
5 Mạch tách sóng đường bao
Mạch tách sóng biên độ thường sử dụng mạch tách sóng diode Nếu diode mắc
nối tiếp với điện trở tải gọi tách sóng diode, diode mắc song song với điện trở tải gọi
tách sóng song song Mạch tách sóng song song dùng trường hợp cần ngăn thành
(19)18 Hình 1.15 mạch tách sóng nối tiếp
Nguyên lý hoạt động mạch: diode D1 tụ C mạch đóng vai trị mạch
chỉnh lưu cao tần có tác dụng chỉnh lưu lọc thành phần tín hiệu trung tần giữ lại thành phần tín hiệu âm tần
Do mạch tách sóng hoạt động tần số trung tần nên việc chọn loại diode giá trị
tụ C phải phù hợp
Trong thực tế C = → 20nF; R = → 10 KΩ Diode tách sóng phải sử dụng
loại chuyên dùng Trong số máy thu người ta cịn sử dụng mạch tách sóng dùng transistor Thông thường mạch này, transistor phân cực chế độ khuếch đại yếu
6 Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại
Do nhiều nguyên nhân mà tín hiệu máy thu thu khơng đồng nhau, lúc
mạnh, lúc yếu điều dẫn đến âm lượng thay đổi lúc to, lúc nhỏ Để hạn chế điều giữ
cho âm lượng máy thu ổn định tín hiệu vào thay đổi phạm vi rộng, thông
thường máy thu thiết kế thêm mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại
cho tầng khuếch đại cao tần trung tần Khi tín hiệu thu yếu, hệ số khuếch đại
tầng tăng lên tín hiệu thu tăng lên hệ số khuếch đại tng ny gim i
1.3 Máy phát điều tÇn 1.3.1 Lêi giíi thiƯu
Biên độ tín hiệu dạng sin tần số cao (sóng mang) biến đổi theo dạng sóng
một tín hiệu âm tần (điều chế) sóng điều biên, dạng sóng phát, thu giải điều chế khơi phục lại tín hiệu âm ban đầu
(20)19 Vs
t
t Vfm
Hình 1.16 Tần số dạng xung cưa Vs, điều chế sóng mang Vfm Lưu ý quan hệ biến thiên tần sốđã phóng đại lên cho rõ Trong phát FM biến thiên tần số có quan hệ với sóng mang nhỏ 0,15%
Tất tín hiệu truyền tải hệ thống truyền dẫn dù sớm hay muộn bị tác động tạp âm Bởi độ nhạy hệ thống thông tin tạp âm vấn đề hết
sức quan trọng Tạp âm định nghĩa « sự biến đổi ngẫu nhiên chồng tầng lên
tín hiệu » Trong hệ thống AM, thông tin truyền tải nằm đường bao tín hiệu sóng mang Do tạp âm xuất đường bao đóng vai trị trực tiếp việc làm sai lệch tín hiệu Trong hệ thống FM thơng tin truyền tải nằm biến thiên tần số sóng mang quanh giá trị xác định Biên độ tín hiệu FM giữ khơng đổi thực có thay đổi biên độ tín hiệu FM, chúng bị loại bỏ cách cắt trước điều chế
Với việc so sánh trên, thấy hệ thống FM nhạy cảm việc suy giảm tạp âm
1.3.2 Lý thut vỊ ®iỊu chÕ tÇn sè
Trong tín hiệu điều chế xung cưa cho dạng đơn giản tín hiệu FM, tín hiệu điều chế sin dạng đơn giản xuất phát từ biểu thức tốn học để biểu diễn tín hiệu FM Một điện áp dạng sin biểu diễn sau :
Uc(t) = Acosωct (1.3.1)
Uc(t) = Acosθ(t) (1.3.2)
Với ω số biểu diễn vận tốc góc hình sin cịn θ góc pha Nói chung, mối
quan hệ góc pha vận tốc góc cho :
dt t d
θ
( )=ω(t) (1.3.3)
Trong hệ thống điều tần, ω biến đổi quanh giá trị cố định ωc, theo tín hiệu
điều chế giả thiết trường hợp dạng sin :