Giáo trình điện tử thông tin phần 2

Chương 4: Mạch dao động CHƯƠNG MẠCH DAO ĐỘNG Trang bị cho sinh viên: Kiến thức nguyên lý hoạt động xác định thông số mạch dao động 4.1 NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH DAO ĐỘNG Dao động tổng hợp tần số phần quan trọng điện tử thông tin Trong tài liệu xét dao động sin cao tần Mạch dao động biến đổi lượng điện nguồn chiều thành xoay chiều Thông số quan trọng dao động: độ bất ổn tần số tương f  fo đối   Trong fo - tần số dao động cần có; f - tần số dao động có Các fo mạch dao động LC cho  = 10-3, -4 Dao động thạch anh có  = 10-6,-7,-8,-9 dùng làm dao dộng chuẩn f  fo gọi độ bất ổn định tần số tuyệt đối Các thông số khác dao động: công suất ra, dải tần, trở kháng Hình 4.1 Sơ đồ khối dao động Mạch dao động gồm mạch khuếch đại mạch hồi tiếp dương đồng thời làm tải chọn lọc cao tần khuếch đại Độ lợi khuếch đại điện áp khơng hồi tiếp    Vo (điện áp mạch khuếch đại) A v  i (điện áp vào mạch khuếch đại) V  f đưa vế hồi tiếp dương cho mạch khuếch đại Một phần điện áp V Hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp:   f  Vf B o V 52 Chương 4: Mạch dao động f  B  f V  o - điện áp hồi tiếp ghép nối tiếp với nguồn điện áp kích khởi ban đầu V  s Hồi V  o giảm i  V s  V  f giảm, điện áp V  ngược nhau, V tiếp âm pha V s V f  o tăng tức có dao động  f pha dẫn đến V Hồi tiếp dương V s V Xét hồi tiếp dương:   (V   (V  A  V    o  V  i A s  V  f )A s  B  f V  o )A  V v v v v s  A v Bf Vo  B  f 1 Để có tự dao động V s = suy A v  B  B   , tức  f  cịn gọi tiêu chuẩn Barkhausen Thơng thường A Điều kiện A v v f   mạch khuếch đại bù suy hao mạch hồi tiếp Nếu A v Bf  mạch không dao động   V A v  A Dạng khác, V s = ta có : o  vf  B i 1 A  V v f  B    mạch tự  f  A A vf - hệ số khuếch đại điện áp có hồi tiếp dương Nếu A v vf dao động Từ tiêu chuẩn Barkhausen, có điều kiện dao động biên độ pha: A, B pha mạch khuyếch đại mạch hồi tiếp Av.Bf = A + B = 2n; n = 0, 1, 2, 3, … Một số dao động: Bộ tạo dao động tần số thấp, trung bình: dùng khuếch đại thuật tốn + RC dùng Transistor + RC Bộ tạo dao động tần số cao: 0,3f  f0  3f dùng Transistor + LC dùng Transistor + thạch anh Bộ tạo dao động tần số siêu cao: dùng Diode Tunel, Diode Gunn Các tham số mạch dao động: tần số dao động, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra, hiệu suất Trong chương ta xét mạch dao động LC, dao động thạch anh xét điều kiện dao động mạch 4.2 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG KHI PHÂN TÍCH MẠCH DAO ĐỘNG Xét mạch dao động Colpitt sau: 53 Chương 4: Mạch dao động Hình 4.2 Mạch dao động dạng Colpitt Mạch tương đương mạch dao động hình sau: Hình 4.3 Mạch tương đương Giả sử bỏ qua điện trở BJT, RB đủ lớn, tụ CB coi nối tắt AC Ta có: |Av|.|Bf| = A = B = điều kiện dao động Tụ C2//RE//ri = VT 26 (mV)  (điện trở vào tầng khuếch đại mắc CB) IC I C (mA ) Hệ số phẩm chất Q mạch dao động có tải lớn Điện áp ngỏ mạch hồi tiếp: Vo C1 V C1  C2 (4.1) Trở kháng tương đương mạch cộng hưởng: r R  C  C2   Req  i E  ri  R E  C1  (4.2) Hệ số truyền đạt: Bf  V  C1    Vo  C1  C2  54 (4.3) Chương 4: Mạch dao động Tại cộng hưởng: o  R eq R L V ; A = B = A v  o  gm ZL gm V R eq  R L C1C2 L C1  C2 Điều kiện dao động biên độ: A v Bf gm R eq R L C1 1 R eq  R L C1  C2  C  C2   ; Nếu RE >> ri Req  ri   C1  A v Bf  Thường chọn (bù trừ sai số gần đúng) Ở trạng thái xác lập: A v Bf g m ri C1 C1  3 C1  C2 C1  C2 Chọn RL >> Req để ảnh hưởng tới trở kháng tương đương mạch cộng hưởng Ví dụ 4.1: Cho sơ đồ trên, cho IC = lmA; Vcc = 12V; fo = 20MHz,  = 100 Tính mạch dao động Giải: ri  Ta có: Chọn C1  V 26 mV  T   26 gm IC mA C2  500 p có L = 0,19H 2  C  C2    234 R eq  ri   C1  Chọn RL = 1,5K >> Req CB = 1F 55 Chương 4: Mạch dao động RE  VE 3V   3k I C mA RC  Vcc  VE  VCE 12     3k IC mA RB  Vcc  VE  VR c  (IC / )  12     530 k 1/ 100 4.3 CÁC MẠCH DAO ĐỘNG CƠ BẢN 4.3.1 Mạch dao động Hartley Mạch dao động Hartley thường dùng công nghiệp nơi không cần ổn định tần số cao lị tơi cao tần, dán cao tần Hình 4.4 Mạch dao động Hartley Các thông số mạch xác định: o  Bf  4.3.2 (L1  L2 )C3 XL2 X L1  Mạch dao động Colpitt Xét mạch dao động Colpitt mắc CB hình vẽ 56 L2 L1 (4.4) (4.5) Chương 4: Mạch dao động Hình 4.5 Mạch dao động Colpitt Các thơng số mạch xác định: xem R1,2 >> hie o  CC L3 C1  C2 Bf  4.3.3 XC X C1  C1 C2 (4.6) (4.7) Mạch dao động dịch pha Mạch dao động dịch pha dùng Op-Amp Hình 4.6 Sơ đồ khối mạch dao động dịch pha Trong dao động dịch pha, khối A mạch khuếch đại đảo nối tới ba lọc thông cao RC, nên gọi mạch dao động dịch pha Các mạch lọc RC dùng để dịch pha tín hiệu 1800 tạo tín hiệu hồi tiếp dương ngõ vào Đối với mạch lọc thông cao RC, tín hiệu sau qua mạch lọc thơng cao lệch pha so với tín hiệu vào từ đến 900 tùy thuộc vào tần số tín hiệu vào Như số mạch lọc RC phải thỏa mãn cho tín hiệu qua tạo tín hiệu hồi tiếp dương ngõ vào hay tổng góc lệch pha tín hiệu sau qua khâu hồi tiếp 1800, 57 Chương 4: Mạch dao động trường hợp sử dụng ba mạch lọc RC hình 4.6 mạch dao động tần số tín hiệu có góc lệch pha 600 sau qua mạch lọc RC Hình 4.7 Khâu hồi tiếp mạch dao động dịch pha Xét hình 4.7 ta có:   V0  I  X c  R   I R     R  X  R    I I  c 3    0I  0I   2R  X c   R I  V fb  I R Trong đó: Xc   j C Thay giá trị vào ta được:  V fb V0  R3  R3  5RX C2  R X C  X C3 1 C X X X3  C  C3 R R R  1  RC    1  j6     RC  RC     Mạch dao động tần số có hồi tiếp dương hay:   1800 theo biểu thức (4.8) Theo (4.8) ta có: b1  1  0  RC  RC 3 Vậy mạch dao động tần số: 58 (4.8) Chương 4: Mạch dao động 0  1 hay f  2 RC 6RC (4.9) Khi phải thỏa điều kiện biên độ A=1, ta thay giá trị tần số tín hiệu dao động mạch vào cơng thức (4.9) ta được:   1/ 29 Vậy để mạch trì dao động, mạch khuếch đại A phải có hệ số khuếch đại A  29 Mạch dao động dịch pha dùng transistor Hình 4.8 a Mạch dao động dùng JFET; b Mạch dao động dùng BJT - BJT FET phân cực trạng thái khuếch đại - Hồi tiếp nhánh ba mắc xích RC - Tụ CE CS có giá trị lớn cho qua tín hiệu nhiễu tín hiệu tần số trình dao động tạp âm tần số cao nảy sinh trình dao động tạp âm có tần số cao Mạch dao động dịch pha RC dùng Op-Amp có sơ đồ hình 4.9 59 Chương 4: Mạch dao động Hình 4.9 Mạch dao động dịch pha RC Theo điều kiện dao động A  , ta suy A  Suy A    29 RF  29 RI Hay RF  29 RI Chú ý: giá trị RI ngõ vào V-=V+=0V nên RI//R tầng RC cuối gây sai số lệch pha Để kết trùng với tính tốn RI >> R để RI//R≈R bỏ qua điện trở R RI thay R Mạch hồn chỉnh hình 4.10 Hình 4.10 Mạch dao động dịch pha thực tế - A khuếch đại - Biến trở RF ổn định chống tạp âm - D1D2 đóng vai trị ổn định dao động với tần số 0 4.3.4 Mạch dao động cầu Wien 60 Chương 4: Mạch dao động Một dao động thực tế dùng khuếch đại thuật toán mạch cầu RC, với tần số dao động xác định R C (gồm RC nối tiếp RC mắc song song) Hình 4.11 Sơ đồ khối mạch dao động cầu Wien Với A khuếch đại khơng đảo Hình 4.12 Sơ đồ mạch cầu Wien Xét sơ đồ hình 4.12 ta có: V fb   R2 / / X C V0 R1  X C1   R2 / / X C  V fb V0  R2 / / X C R1  X C1   R2 / / X C  R2 X C R2  X C  RX R1  X C1  C R2  X C  R2 X C R1 R2  R1 X C1  R2 X C1  X C1 X C  R2 X C 61 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu hiệu giải điều chế tần số thấp đồng thời cách ly phần Trở kháng vào khuếch đại zA >> R1 để tránh méo (xén đỉnh) xảy dòng đỉnh qua z A lớn dịng trung bình 6.3 ĐIỀU CHẾ THEO TẦN SỐ Tín hiệu sóng mang cao tần chưa bị điều chế đơn hài, xác định bởi: i = Icos(ct + o) = Icos(t) v = Vcos(ct + o) = Vcos(t) (t) = ct + o; c - tần số sóng mang; o - pha ban đầu (t) - Pha tức thời dao động cao tần, xác định trạng thái tín hiệu thời điểm t Nếu tín hiệu điều chế tần thấp m(t) = Vm cosmt 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: 1) m(t) làm thay đổi tần số o - ta có điều chế tần số FM (Frequeney Modulation) 2) m(t) làm thay đổi pha ban đầu o - ta có điều phế pha PM (Phase Modulation) Giữa tần số pha có quan hệ: ( t )  dt  dt t    t dt Biết biến thiên pha, xác định thay đổi tần số ngược lại Dạng tổng quát dao động cao tần:  v  V cos t   V cos  t dt  Để đơn giản phân tích, cho m(t) = Vmcosmt pha ban đầu sóng mang o = Tín hiệu FM PM có dạng sau: v = V cos[ot + m sinmt] (6.3) m - số điều chế, biểu thị mối quan hệ biên dộ tín hiệu điều chế vm với thơng số sóng mang cao tần biến đổi tỷ lệ xác định phân bố công suất o - tần số sóng mang trung tần; m - tần số tín hiệu điều chế Điều chế pha PM: số điều chế m tỷ lệ với biên độ vm Điều chế tần số FM: tỷ lệ với vm m Do đó: PM: mp = kp.vm =  Đối với FM: m f  k f v m   hay vm ~  m m 83 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu kp,f – hệ số tỷ lệ:  độ lệch pha hay số điều chế PM;  - độ di tần Xét PM: luật biến đổi pha ban đầu PM có dạng: (t) = sinmt  đặc trưng cho lệch pha (t) so với pha ban đầu không điều chế Nó () tỷ lệ với vm Dịng cao tần tần số tức thời PM có dạng: vpm = V cos(ct + sinmt) = V cos(ct + mpsinmt) (t) = (6.4) d  t  = c + .mcosmt = c + .cosmt dt  = .m độ dịch tần PM Độ dịch tần PM phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điều chế tần thấp vm tần số m Xét FM: Dòng cao tần FM: vFM = V cos(ct + mf.sinmt) vFM = V cos(ct + (6.5)  sinmt) m    sin m t  Pha đầy đủ tín hiệu FM: t    ct  m   Tần số tức thời FM: (t) = d  t  = c + .cosmt dt Độ di tần FM  tỷ lệ với vm Nhận xét: iữa FM PM có tương đồng Ở FM độ di tần tỷ lệ với vm mà không phụ thuộc vào m Ở PM độ di pha  tỷ lệ với vm mà không phụ thuộc vào m Dựa tính chất biến đổi từ loại điều chế FM sang PM, hay PM sang FM Ví dụ từ PM sang FM cách cho tín hiệu điều chế tần thấp (vm cosmt) qua LPF (Bộ tích phân) ngõ vào PM kiểu: V1 V2 R C Thỏa điều kiện R  m C 84 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu Điện áp v2 tỷ lệ với m hệ số điều chế PM là: m  Độ dốcbộ sửa dạng 6dB/octave m Từ nhận xét trên, ta có điều tần điều pha gián tiếp hay trực tiếp Hình 6.4 Quan hệ điều chế FM PM Bộ sửa dạng làm giảm biên độ tín hiệu điều chế phía tần số cao cịn gọi tích phân (bộ nâng mức biên độ phía tần số cao - vi phân) FM tương tự cho chất lượng cao, dễ thực PM, dùng phổ biến thực tế PM thường dùng dạng FM gián tiếp thông tin thoại Trong điều chế số, dạng điều chế pha (BPSK, DPSK, QPSK, …) ưu việt điều tần (FSK) Phổ FM khác biệt so với AM Khi số điều chế nhỏ (mf < 0,25) ta có FM dải hẹp NBFM (narrowband FM) gồm sóng mang hai biên tương tự AM Khi mf tăng, biên độ sóng mang (cịn gọi thành phần trung tâm) giảm Phổ tín hiệu điều chế góc (PM, FM) điều chế đơn âm giống nhau: vFM = V.cos(ct + mfsinmt); m = 2Fm Do cos (a + b) = cos (b + a) = cosa cosb - sina sinb: vFM ={[cos(mf.sinmt)]cosct - [sin(mf.sinmt)]sinct} Xét FM dải hẹp (NBFM: mf < 0,25) Nếu độ di tần nhỏ (mf < 0,25), cos  = 1; sin  = : vNBFM = V[cosct - (mf.sinmt).sinct] 85 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu sóng mang trung tần V.mf.sinot.sinmt = biên tần V.m f [cos(o - m)t - cos(c + m)t] Phổ biến NBFM gồm sóng mang hai biên tương tự AM Xét FM dải rộng (WBFM: wideband FM mf > 0,25) gồm thành phần tần số sóng mang thành phần biên c  nm với n = 1, 2, 3, Biên độ chúng tỷ lệ với hàm Bessel loại bậc n      n vFM  V Jom f  cos ct   J n m f  cosc  nm t   1 cosc  nm t  n 1    J o m f  cos  c t  J 1m f  cos c   m t  J 1m f  cos c   m t  J 2m f  cos c  2 m t  V   J 2m f  cos c  2 m t   J n m f   mf n   mf / 2  mf / 4  mf / 6      n! 1!n  1! 2!n  2! 3!n  3!  Khi mf = (khơng có điều chế), biên độ điện áp sóng mang: VcPK = V Jo m f   =V Jo m f   = Biên độ điện áp thành phần biên có điều chế: VnPK = V J n m f  ; n = 1, 2, (V1PK = V J1m f  ; V1PK = V J2 m f  ; … ) Pha thành phần phổ  Giá trị cực đại J n m f  giảm mf tăng Với FM dải hẹp (mf  25), phổ NBFM gồm sóng mang có biên độ giảm 2% biên tương tự AM Trong FM dải rộng ( mf > 25), phổ FM gồm nhiều thành phần biên cách Fm với biên độ VnPK = V J n m f  Phổ FM điều chế đơn âm Fm với mf: Khác với AM (cơng suất PAM thay đổi theo tín hiệu điều chế), cơng suất tín hiệu FM khơng đổi (sai số không đáng kể) PFM m f  PC ( không điều chế m ( t )  0)  J2o m f   J12m f   J22 m f    J2x m f   J x m f   1%.Jo m f   86 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu Nếu Fm = const, độ di tần tăng biên độ tín hiệu điều chế tăng, mf tăng, băng thông FM yêu cầu tăng Hàm Bessell điều chế góc: Hàm phân bố đổi dấu, giá trị cực đại giảm hệ số điều chế tăng n tăng Tại m = 2,4; 5,5; 8,6 có Jo(m) = Tức thành phần tần số o không tồn phổ tín hiệu điều chế góc Do o gọi tần số sóng mang trung tâm khơng tần số sóng mang AM có biên độ khơng đổi Tuy nhiên nhiều tài liệu gọi o tần số sóng mang Tổng cơng suất tín hiệu điều chế góc khơng đổi cơng suất phổ biên thay đổi theo f , độ di tần f tỷ lệ với Vm, giá trị mf = 2,4; 5,5; 8,6 Fm Jo(m) = ngẫu nhiên khơng có quyền lựa chọn Tại giá trị đó, cơng suất phổ biên cực đại cơng suất sóng mang chưa điều chế mf = Tổng cơng suất cao tần tín hiệu điều chế góc khơng đổi, cơng suất sóng mang khơng có điều chế Về lý thuyết độ rộng băng thông cao tần tín hiệu FM - PM vơ lớn, nhiên thực tế qui định giới hạn băng thông FM, PM đến thành phần phổ biến J n m f   0,01.Jo m f   Gọi V biên độ sóng mang FM khơng điều chế tải R, ta có cơng suất sóng mang PCm f    V2  PTotal 2R Công suất FM có điều chế:  PFMm f   PCm f   J2om f   2J12m f   2J22m f    2J2nm f   99% lượng cao tần tập trung băng thơng FM Băng thơng tính theo công thức:   BFM  2Fm  mf  mf 2(f + Fm) Fm - tần số tín hiệu điều chế tần thấp băng gốc, mf - hệ số điều chế FM Băng thông 3dB mạch cao tần phải lớn băng thơng tính theo cơng thức để không méo FM dải hẹp (NBFM) dùng thông tin thoại FM với độ di tần (5  15)KHz FM dải rơng có tính chống nhiễu cao dùng phát FM Sterco, tiếng TV, vi ba, truyền hình vệ tinh Theo FCC, độ di tần cực đại FM phát tiếng TV 75KHz Ví dụ 6.2: Độ di tần cực đại âm TV 75 KHz, băng thông âm TV (30 Hz  15 KHz) 1) f= 75 KHz; Fm = 0,1 KHz BFM = 2(75 + 0,1) = 150KHz 87 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu 2) f = 75 KHz; Fm = KHz BFM = (75 + l) = 152 KHz 3) f = 75 KHz; Fm = 10 KHz BFM = (75 + 10) = 170 KHz Vậy tần số tín hiệu điều chế tần thấp thay đổi từ (0,l  10) KHz, băng thông thay đổi nhỏ từ 150 tới 170 KHz Điều lý giải FM qui hệ thống có băng thơng khơng đổi 6.4 ĐIỀU CHẾ THEO GÓC PHA PM dạng điều chế góc pha quan trọng dùng thơng tin FM gián tiếp dải hẹp, thông tin vệ tinh, thông tin vũ trụ tính chống nhiễu PM FM tốt AM, nhiên mạch PM dễ thực từ VCXO có độ ổn định tần số cao VCO tạo FM có độ di tần cao, số điều chế lớn, tần số sóng mang bị trơi Độ ổn định tần số sóng mang tiêu chuẩn quan trọng mà PM dễ dàng thực FM gián tiếp qua PM có đa ổn định tần số sóng mang cao Điều chế pha số PSK (phase shift key) dùng thông tin số, điều chế pha PM, tần số sóng mang cao tần khơng đổi, pha sóng mang cao tần biến đổi tỷ lệ với tín hiệu điều chế Tín hiệu PM có dạng: vPM = V cos [ct + kpm(t)] = V cos [ct + (t)] m(t) - tín hiệu điều chế băng gốc = vm cos 2Fmt (t) = k.m(t) - pha tín hiệu cao tần tỷ lệ với vm kp - số [rad/v] gọi độ nhạy điều chế (Modulator sensi-tivity) Hình 6.5 Sơ đồ khối NBPM Giả sử tín hiệu điều chế m(t) = vm cos 2Fmt Ta có tín hiệu PM: vPM(t) = V.cos(2fct + kpvmcos2Fmt) = V cos(2fct + PK cos 2Fmt) mp = PK = kp.vm - độ di pha PM hay số điều chế pha vPM(t) = V cos(2fct + mp cos 2Fmt) 88 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu Với PM dải hẹp NBPM ( < 0,25) ta có: vNBPM ( t )  V cos ct  V(m p cos m t ) sin ct     soùng mang biên 6.5 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ Tín hiệu số nhị phân băng gốc làm biến đổi thơng số sóng cao tần (biên độ, tần số, pha) nên ta có điều chế số (ASK, FSK, PSK, QAM) Điều chế xung, PCM, đề cập tài liệu khác ASK - Amplitude shift keying FSK - Frequanecy shift keying PSK - Phase shift keying QAM - Quadrature amplitude modulation ASK : Đề cập mục AM Điều chế FSK: FSK - trường hợp riêng FM Tín hiệu FSK có dạng:     v( t )  Vc cos  c  t    c - Tần số sóng mang trung tâm  c - Độ di tần, tỷ lệ với biên độ cực tính tín hiệu nhị phân ngõ vào Ví dụ  c c bit +1V, bit - 1V, tạo nên độ di tần tương ứng   2 Tốc độ dịch tần sóng mang tốc độ bit vào (bps) 89 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu fM (tần số fMark) ứng với logic nhỏ fS (fSpace) ứng với logic 0; Tốc độ thay đổi tần số gọi baud Trong FSK tần số bit vào tốc độ baud FSK - dạng FM, số điều chế m FSK fS  fM f f   S M fb fb fS  fM - tốc độ di tần fb fb - tốc độ bit vào fb/2 - tần số tín hiệu nhị phân vào Thơng thường mFSK < 1, ta có NBFM Ví dụ 6.3: fb = 20 MbPS; fS = 80 MHz; fM = 60 MHz; fc = 70 KHz Tính băng thơng Nyquist tối thiểu (băng thông IF tối thiểu) m FSK  f fS  fM 80  60   1; b  10 MHz fb 20 BIF = 60MHz FSK dạng NBFM có 0,5  mFSK  Phổ ví dụ có dạng: Điều chế BPSK: Khi tín hiệu số mức logic (+V), D1,2 dẫn, D3,4 tắt, ngỏ pha với sóng mang ngỏ vào Khi tín hiệu số mức logic (- V) D1,2 tắt, D3,4 dẫn, ngỏ có pha ngược với pha tín hiệu sóng mang ta có điều chế BPSK Mạch điều chế cân có tốc độ thay đổi pha ngỏ tốc độ bit vào Băng thông tín hiệu ngỏ lớn chuỗi bit vào thay đổi mức logic tuần tự, tần số f chuỗi fa = b Băng thông cao tần tối thiểu B = 2fa = fb 90 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu Phổ BPSK gồm biên, triệt sóng mang Mỗi biên có độ rộng phổ fb Vậy băng thông tối thiểu BPSK trường hợp xấu fb Ví dụ 6.4: Điều chế BPSK có fc = 70 MHz; fb = 10 MbPS; xác định tần số thấp cao nhất, băng thông BPSK Giải: Ta có tín hiệu BPSK ngỏ = sin at sin ct = sin 2(5MHz)t sin 2(20MHz)t  1   cos  ( 70 MHz  MHz ) t  cos  ( 70 MHz  MHz ) t     biên biên   Tần số thấp BPSK = 70 - = 65 MHz Tần số cao BPSK = 70 + = 75 MHz Phổ BPSK: Băng thông BPSK tối thiểu B = 75 - 65 = 10 MHz = fb B = 10MHz 65MHz 70MHz 75MHz cosct (+90o) Bảng thật BPSK: Binary input Pha ngõ sinct (180o) sinct (0o) Logic 180o Logic Logic Logic o -cosct (-90o) 91 Chương 6: Các phương pháp điều chế tín hiệu BÀI TẬP CHƯƠNG Bài 1: Nếu định nghĩa, điều kiện phân loại phương pháp điều chế tín hiệu Bài 2: So sánh phương pháp điều chế AM, FM PM Bài 3: Cho tín hiệu điều biên với hệ số điều chế m = 0,5; tần số điều chế  = 10 KHz; tải tin có biên độ 15V tần số fo = 10 MHz, RL = 1K a) Viết phương trình biểu diễn tín hiệu điều biên b) Tính phổ tín hiệu điều biên c) Tính Ptt, Pbt,  Bài 4: Cho tín hiệu tải tin 5cos106t tín hiệu điều chế 3cos104t Viết biểu thức dịng điện tổng điều chế a) Vẽ tín hiệu điều biên b) Vẽ phổ tín hiệu điều biên c) Tính Ptt, Pbt,  Bài 5: Thiết kế điều biên Collector có cơng suất PL = 100mW; tần số tải tin fo = 1MHz; tần số điều chế  = 10KHz; Qo = 50, hệ số điều chế m = 0,5; với Transistor chế độ  = 90o Bài 6: Thiết kế điều biên Collector có tín hiệu tải tin 10cos 6,28.106t tín hiệu điều chế 7cos 3,14.104t; RL = 1K Bài 7: Thiết kế điều tần dùng Varicap đơn có tần số tải tin fo = 100MHz; dải tần số điều chế f =  75 KHz; Qo = 50, L = 0,1 H Bài 8: Cho tín hiệu tải tin 10cos 6,28.106t tín hiệu điều chế 5cos 6,28.104t a) Vẽ sơ đồ khối điều chế AM b) Viết biểu thức điều chế AM c) Tính cơng suất tín hiệu điều chế Biết o = 3,14.103 rad/s Bài 9: Vẽ dạng sóng điều chế sau: a) Điều chế AM, FM PM b) Điều chế ASK, FSK PSK c) Điều chế QPSK QAM Bài 10: Vẽ chùm điều chế số: a) 8-PSK, 16-PSK b) 8-QAM, 16-QAM 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lại Nguyễn Duy, Bài giảng Điện tử thông tin, Trường CĐKT Cao Thắng, 2010 [2] Hồng Đình Chiến, Mạch điện tử 3, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2011 [3] Phạm Hồng Liên, Điện tử thông tin, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2011 [4] Lê Tiến Thường, Mạch điện tử 2, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2012 [5] Trần Thu Hà, Giáo trình Điện tử bản, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 2013 [6] James K.Hardy, Electronic Communication Technology, Prentice-Hall International, 1986 [7] John G Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill, Third Edition, 1995 [8] William Schweber, Electronic Communication Systems, Prentice-Hall International, 1996 93 PHỤ LỤC TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ THÔNG TIN CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐIỆN TỬ Thơng tin điện tử (TTĐT): Thông tin từ nơi đến nơi khác thiết bị điện tử Sơ đồ khối hệ thống TTĐT: Máy phát: Tập hợp linh kiện mạch điện tử thiết kế để biến đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp mơi trường truyền Mơi trường truyền: Có thể có dây (hữu tuyến cáp đồng trục, cáp quang) hay không dây (vô tuyến) Máy thu: Tập hợp linh kiện mạch điện tử thiết kế để nhận tín hiệu từ mơi trường truyền, xử lý khơi phục lại tín hiệu ban đầu Nhiễu (tạp âm): Tín hiệu ngẫu nhiên khơng mong muốn, xen vào tín hiệu hữu ích, làm sái dạng tín hiệu thu Nhiễu vấn đề quan trọng TTĐT Sơ đồ khối máy phát: Sơ đồ khối máy thu: 94 Máy thu thu truyền hình dân dụng đổi tần lần Máy thu thông tin chuyên dụng đổi tần lần tăng độ chọn lọc loại nhiều tần số ảnh Tín hiệu tương tự (Analog): Tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian Ví dụ tín hiệu thoại, ca nhạc, video, … Tín hiệu số (Digital) - tín hiệu có biên độ rời rạc theo thời gian thường biểu diện dạng nhị phân Ví dụ tín hiệu máy tính, CD, VCD, tín hiệu PCM, … Tín hiệu tương tự truyền dạng tín hiệu số nhờ xử lý số tín hiệu Các tín hiệu ban đầu (nguyên thủy) dạng tương tự hay số gọi tín hiệu băng gốc (băng gốc - Baseband Signals) Tín hiệu băng gốc truyền trực tiếp mơi trường truyền điện thoại, tín hiệu truyền máy tính mạng LAN, gián tiếp kỹ thuật điều chế Điều chế (Modulation): Quá trình biến đổi thơng số sóng mang cao tần hình sin (biên độ, tần số, pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc.(hoặc cịn gọi tín hiệu điều chế tần thấp) Có ba loại điều chế Điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM nhiều biến thể chúng SSB, MGSK, DSB, FSK, PSK, QPSK, MPSK, … Đổi tần (Trộn tần - Mix): Quá trình dịch chuyển phổ tín hiệu điều chế lên cao (ở máy phát Tx) xuống thấp (ở máy thu Rx) mà khơng thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) để thuận tiện xử lý tín hiệu Tổng hợp tần số (Frequency Synthesizers): Bộ tạo nhiều tần số chuẩn có độ ồn định cao từ vài tần số chuẩn dao động thạch anh Khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT - RF Power Amp): Khuếch đại tín hiệu điều chế tần số đến mức cơng suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát ATX Anten phát ATX: Phần tử biến đổi lượng điện cao tần thành sóng điện từ xạ vào khơng gian Anten thu ARX: Phần tử biến đổi lượng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần ngõ vào máy thu Rx Anten có tính thuận nghịch Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ (RF Amp): Thường khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amp) Nó khuếch đại tiền chọn lọc tín hiệu thu từ anten thu đến mức cần thiết đổi tần xuống trung tần (IF) 95 Bộ khuếch đại trung tần (IF Amp - Intermediate Frequency Amp): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao, độ khuếch đại lớn tín hiệu nhỏ sau đổi tần tần số trung tần đến mức cần thiết giải điều chế Giải điều chế: Q trình khơi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu điều chế tần thấp) từ tín hiệu cao tần bị điều chế Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao, tải chọn lọc tần số không trở, phối hợp trở kháng, anten, xử lý tín hiệu, … Cơng nghệ đại chuẩn hố vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu nhỏ máy thu modul cho máy phát PHỔ TẦN SỐ Phổ tần số chia nhiều dải tần số với mục đích phân loại sử dụng có hiệu Tên dải tần Tần số Bước sóng Extremely Low Frequency ELF 30  300 Hz 107  106 m Voice Frequency VF 300  3000 Hz 106  105 m Very Low Frequency VLF  30 KHz 105  104 m Low Frequency LF 30  300 KHz 104  103 m Medium Frequency MF 300  3000 KHz 103  102 m High Frequency HF  30 MHz 102  101 m Very High Frequency VHF 30  300 MHz 101  m Ultra High Frequency UHF 300  3000 MHz  10-1 m Super High Frequency SHF  30 GHz 10-1  10-2 m Extremely High Frequency EHF 30  300 GHz 10-2  10-3 m Infrared 0,7  10 m The Visible Spectrum (light) 0,4  0,8 m Dải tần viba (microwave) có tần số từ 1GHz tới 40 GHz chia làm nhiều dải nhỏ: L band :  GHz S band :  GHz C band :  GHz X band :  12 GHz Ku band : 12  18GHz K band : 18  27 GHz Ka band : 27  40 GHz 96 BĂNG THƠNG Băng thơng hiệu tần số 1ớn nhỏ tín hiệu Đó khoảng tần số mà phổ tín hiệu chiếm giữ khoảng tần số tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu Khi tín hiệu điều chế tần thấp điều chế lên sóng mang cao tần phổ tín hiệu cao tần bị điều chế chiếm giữ băng thơng quanh tần số sóng mang Tuỳ kiểu điều chế mà băng thông cao tần có độ rộng khác Các kỹ thuật viễn thơng hướng tới giảm băng thông truyền tin, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số, lẽ phổ tần số tài nguyên có giới hạn nhân loại cần sử dụng có hiệu Ở quốc gia có quan giám định, phân bổ tần số hoạt động cho thiết bị điện tử viễn thông nằm hiệp hội viễn thông quốc tế ITU (Intemational Telecommunication Union), tổ chức liên hợp quốc điều phối Mức công suất dBm dBW hai mức công suất chuẩn thường dùng thông tin Với dBm chuẩn theo lmW, dBW chuẩn theo lW: PdBm  10 lg P 1mW PdBW  10 lg P 1W Độ lợi khuếch đại cơng suất tính theo dB là: PdB  10 lg Pout  A p (dB) Pin Việc sử dụng chuẩn làm việc tính tốn trở nên đơn giản CÁC ỨNG DỤNG KỸ THUẬT THÔNG TIN ĐIỆN TỬ Thông tin chiều (Simplex): - Phát quảng bá AM, FM - Truyền hình cáp - Nhắn tin - Đo xa, điều khiển xa - Định vị tồn cầu GPS, … Thơng tin hai chiều (Duplex): - Điện thoại công cộng - Điện thoại vô tuyến di động cố định - Điện thoại di động tế bào - Thông tin vệ tinh - Thông tin hàng không - Thông tin số liệu máy tính, 97 ... PHỤ LỤC TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ THÔNG TIN CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐIỆN TỬ Thông tin điện tử (TTĐT): Thông tin từ nơi đến nơi khác thiết bị điện tử Sơ đồ khối hệ thống TTĐT: Máy... Phạm Hồng Liên, Điện tử thông tin, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 20 11 [4] Lê Tiến Thường, Mạch điện tử 2, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, 20 12 [5] Trần Thu Hà, Giáo trình Điện tử bản, Nhà xuất... 2, 097 - 27 0 0,010 4,3 5,7 - 25 0, 021 5,1 7,16 - 30 0, 029 6,4 8,5 - 20 0, 027 5,9 9,5 - 30 0 ,27 5,5 20 - 20 0, 026 5,8 26 40 0,003 6 ,2 80 60 0,0005 6,1 100 60 0,00011 2, 9 Trở kháng tương đương thạch