Do ®ã viÖc triÖt nhiÔu lμ mét vÊn ®Ò quan träng cÇn ®−îc quan t©m trong hÖ thèng ®iÖn tö th«ng tin nh»m n©ng cao chÊt l−îng tÝn hiÖu truyÒn dÉn... hoÆc truyÒn gi¸n tiÕp b»ng kü thuËt ®i[r]
(1)1
Chơng
Các khái niệm
của hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN
1.1 Các thnh phần hệ thống điện tử thông tin
1.1.1 S khối hệ thống Điện tử THÔNG TIN
Trong điện tử thông tin, thông tin đ−ợc truyền từ nơi nμy đến nơi khác thiết bị điện tử thông qua môi tr−ờng truyền Sơ đồ khối hệ thống đ−ợc biểu diễn nh− hình 1.1:
M¸y phát Tx
Môi trờng truyền
Máy thu Rx
NhiƠu TÝn hiƯu vμo:
©m thanh, liệu, hình ảnh
Tín hiệu
Hỡnh 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện tử thông tin Nhiễu Nhiễu
+ Máy phát: Tập hợp linh kiện vμ mạch điện tử đ−ợc thiết kế để biến đổi tin tức thμnh tín hiệu phù hợp với môi tr−ờng truyền
+ Môi tr−ờng truyền: Ph−ơng tiện để truyền thơng tin, lμ dây dẫn (gọi lμ hữu tuyến nh− cáp đồng trục, cáp sợi quang) lμ khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi lμ vô tuyến, nh− thông tin vi ba số, thông tin vệ tinh)
+ Máy thu: Tập hợp linh kiện vμ mạch điện tử đ−ợc thiết kế để nhận tín hiệu từ mơi tr−ờng truyền, xử lý vμ khơi phục lại tín hiệu ban đầu
+ Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên khơng momg muốn, xen lẫn vμo tín hiệu hữu ích, lμm sai dạng tín hiệu ban đầu Nhiễu xuất trình phát, truyền dẫn vμ thu Do việc triệt nhiễu lμ vấn đề quan trọng cần đ−ợc quan tâm hệ thống điện tử thơng tin nhằm nâng cao chất l−ợng tín hiệu truyền dẫn
(2)2
Máy thu vμ máy thu hình dân dụng th−ờng đ−ợc đổi tần lần Máy thu thông tin chuyên dụng đ−ợc đổi tần lần nhằm tăng độ chọn lọc vμ loại bỏ nhiễu tần số ảnh
C¸c tÝn hiƯu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tơng tự hay số cha điều chế đợc gọi l 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: lμ trình biến đổi thơng số sóng mang cao tần hình sine (biên độ, tần số pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc Có ba loại điều chế t−ơng tự bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM vμ biến thể nh− SSB, DSB, SAM Có ba loại điều chế số bản: ASK, FSK, PSK vμ biến thể nh− CPFSK, QPSK, M-PSK, M-QAM
Điều chế Đổi tần
Tổng hợp tần số
KĐCS cao tần Tín hiệu
vμo
§iỊu khiĨn sè
Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát máy phát
+ Đổi tần: (Trộn tần-Mixer) lμ trình dịch chuyển phổ tín hiệu điều chế lên cao (ở máy phát) xuống thấp (ở máy thu) mμ không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu
+ Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) lμ tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ vμi tần số chuẩn dao động thạch anh
+ Khuếch đại cơng suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu điều chế tần số nμo đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát
(3)3
1.1.3 Sơ đồ khối máy thu
K§CS K§CT
(LNA)
Đổi tần
KĐTT
Đổi tần
KĐTT
Giải điều chế
+ Anten thu: lμ phần tử biến đổi l−ợng sóng điện từ thμnh tín hiệu cao tần ngõ vμo máy thu, anten có tính thuận nghịch
+ Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) th−ờng lμ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier) Nó khuếch đại tín hiệu thu đ−ợc 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 l−ợng, việc đổi tần đ−ợc thực lần nh− hình v
+ Giải điều chế: (Demodulation) l trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu ®−a vμo ®iỊu chÕ ë m¸y ph¸t) tõ tÝn hiƯu trung tÇn
+ Mạch điện tử thơng 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 Ngμy nay, cơng nghệ đại chuẩn hố vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu nhỏ máy thu vμ máy phát
AGC
Tổng hợp
tần số khiển số Điều
(4)4
1.2 Phỉ tÇn sè
Việc phân loại phổ tần số nhiều dải tần để nâng cao hiệu sử dụng máy thu:
Tên dải tần Tần số Bớc sãng TÇn sè cùc thÊp (ELF)
Extremly Low Frequency
(30 - 300) Hz 107 ữ106m
Tần sè tiÕng (VF) Voice Frequency
(300 - 3000) Hz 106 ữ105m
Tần số thấp (VLF) Very Low Frequency
(3 - 30)KHz 4m
10 10 ÷
TÇn sè thÊp (LF) Low Frequency
(30 - 300)KHz 104 ữ103m
Tần số trung bình (MF) Medium Frequency
(300 - 3000)KHz 103 ữ102m
Tần sè cao (HF) High Frequency
(3 - 30)MHz 102 ÷101m
TÇn sè rÊt cao (VHF) Very High Frequency
(30 - 300)MHz 10ữ1 m
Tần số cực cao (UHF) Ultra High Frequency
(300 - 3000)MHz 1÷10−1m
Tần số siêu cao (SHF) Super High Frequency
(3 - 30)GHz 2m
10 10− ÷ −
Tần số siêu cực cao (EHF) Extremly High Frequency
(30 - 300)GHz 102 ữ103m
Vùng ánh sáng Hång ngo¹i (IR) Infrared
m
μ 10 , ữ
Vùng ánh sáng thấy đợc The Visible Spectrum (Light)
m
(5)5
Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz đ−ợc chia lμm 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
Bng thụng l hiu gia tần số lớn vμ tần số nhỏ tín hiệu Đó lμ khoảng tần số mμ phổ tín hiệu chiếm giữ lμ khoảng tần số tín hiệu đ−ợc truyền từ máy phát đến máy thu Khi tín hiệu ban đầu đ−ợc điều chế lên sóng mang cao tần, phổ tín hiệu cao tần điều chế chiếm giữ băng thơng quanh tần số sóng mang Tuỳ theo kiểu điều chế mμ băng thông cao tần có độ rộng khác Các kỹ thuật viễn thơng h−ớng đến việc giảm băng thơng tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số
1.4 C¸c 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
1.4.2 Thông tin hai chiều (Duplex)
- Điện thoại công cộng
- in thoại vô tuyến di động cố định - Điện thoại di động tế bμo
(6)6
- Thông tin trạm mặt đất thông qua vệ tinh - Thông tin hμng không, thông tin vi ba s
- Thông tin số liệu c¸c m¸y vi tÝnh
1.5 Mét sè kh¸i niệm cao tần
1.5.1 Bán dẫn công suất cao tần
cú c công suất lớn tần số cao, BJT công suất cao tần đ−ợc chế tạo công nghệ đặc biệt, nhiều tiếp giáp Emitter nhằm tăng chu vi dẫn dòng điện cao tần, giảm điện trở cực Base vμ điện dung kí sinh
C
E B
Base
Emitter
§iƯn trë cân
Hình 1.4 Cấu trúc BJT công suất caotần Số tiếp giáp Emitter vi chục, vi trăm
rbb
Cbc
Cb’e
rb’e = Rip
E B
Hình 1.5 Mạch tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tÇn B’
(7)7
Bản chất BJT lμ luôn tồn điện dung mối nối ( ) ảnh h−ởng đến hệ số khuếch đại tần số cao, lμm giới hạn tần số hoạt động BJT
ce c b e
b C C
C , , , ,
Thông th−ờng, kiểu khuếch đại cao tần mắc E chung cho công suất lớn Tuy nhiên tần số cao, hồi tiếp âm điện áp qua tăng, lμm giảm hệ số khuếch đại Tụ nμy tác động nh− tụ Miller t−ơng đ−ơng có giá trị lớn ngõ vμo:
c b
C ,
) (
,c V
b
inMiller C A
C = +
trong AV lμ hệ số khuếch đại điện áp mạch Từ đó, tạo tụ t−ơng đ−ơng ngõ vμo BJT cơng suất cao tần nh− hình 1.6, có giá trị Cin =CinMiller +Cb,e
Hình 1.6 Tụ tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tần
CMiller Cbe
E B
C
Cin
Do đó, trở kháng vμo BJT (ZiQ), Av, hệ số khuếch đại dịng Ai, hệ số khuếch đại cơng suất Ap,β giảm tần số tăng BJT thể quán tính, đáp ứng vμo - khơng tức thời Giữa dịng Ic vμ Ib có dịch pha, biên độ dòng Ic giảm
Mắc B chung lμ giải pháp tối −u khuếch đại công suất cao tần, hệ số khuếch đại cơng suất nhỏ so với sơ đồ mắc E chung nh−ng phạm vi tần số hoạt động cao hơn, băng thông vμ rộng
(8)8
1.5.2 Trun c«ng st lín nhÊt
RS RL
XS X
ZS
VRL
a)
X = - XS
X = XS = 1Ω
1 2,2
E = 1V
RS = 1Ω
PRL
RL/RS
b)
H×nh 1.7 a/ Nguồn cung cấp công suất cho tải ZL b/ Sự phụ thuộc công suất tải PRL theo RL
E
Công suất tải: PRL =VRL.I =I2.RL
L S L S RL R X X R R E P 2 ) ( ) ( ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + + + = 2 2 ) ( ) ( X X R R R E P S L S L RL + + + =
XS, X l phần kháng nội trở nguồn v tải Khi XS =-X công suất t¶i lμ
2 ) ( L S L RL R R R E P + =
Khảo sát biến thiên PRL theo RL cách lấy đạo hμm, cho zero ) ( ] ) [( ' = + − + = L S L L S RL R R R R R E P
Suy RS=RL Khi cơng suất tải lμ cực đại: S L RL R E R E P 4 2
max = =
(9)9
VËy trë kh¸ng nguån b»ng trở kháng tải RS + jXS = RL - jX hay RS = RL vμ XS =-X Ta nãi có truyền công suất lớn tải
Nếu yêu cầu truyền công suất lớn dải tần số giá trị thích hợp cho phối hợp trở kháng không phản xạ l ZL = ZS hay RS + jXS = RL + jX
Tuy nhiên hiệu suất nhỏ so với tần số Vấn đề nμy liên qua đến lựa chọn truyền tín hiệu dây truyền sóng
1.5.3 Mạch điều hởng song song v 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 t−ơng đ−ơng mạch điều h−ởng:
) (
) )( (
C L
C L
eq
X X j r
jX jX
r Z
− +
− +
= XL=ωL : C¶m kháng cuộn dây
C Xc
1
= : dung kháng tụ điện
C L
r
Hình 1.8 Mạch điều h−ëng song song
ω0
Zeq
ω
20 30
Req(0)
Hình 1.9 Đáp tuyến Zeq()
Thông thờng r << XL nên:
)
( L C
C L
mch r j X X
X X eq
(10)10
Tại tần số cộng hởng =0= LC
cã ρ
ω ω = = = = = C L C L X
XL C
0
1
ρ - trở kháng đặc tính Thay vμo biểu thức tính trở kháng: ) ( )
( o o
C L o mch eq R C Q LQ Q r r X X eq Z ω ω ω ω ρ ρ = = = = = = C L mch X q X q r
Q= ρ = Re (ω0) = Re (ω0) Q lμ hƯ sè phÈm chÊt cđa m¹ch céng h−ëng song song Băng thông
Q fo
B= ; 0=2fo
Tại tần số cộng hởng =o, trở kháng mạch cộng hởng song song coi nh trở có Req(o) lớn Tại tần số lệch cộng h−ëng ω=nωo (n = 2,3, ), trë kh¸ng Zeq(nωo) coi nh kháng nhỏ Zeq(no)=-jn/(n2+1)<< Req(
o) Đáp tuyến Req(o) có dạng nh hình 1.9
VÝ dơ: ë h×nh 1.8 cã C = 10pF; Q = 200; fo = 10MHz TÝnh Req(ωo) vμ r Gi¶i: = = − = kΩ
C Q eq R o o 318 10 10 10 14 200 12 ) (ω ω
= = =7,96Ω 200 10 318 ) ( Re Q q r ω
1 GhÐp mét phÇn điện cảm mạch cộng hởng:
L L2 L1 C Req Ze a b
H×nh 1.10 GhÐp phần điện cảm
( ) ( ) 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = = L L r L r L
Ze ω ω ; 0≤Ze =P2.Req(ω0)≤Req(ω0);