Tài liệu Soạn giáo trình môn Kỹ Thuật Truyền Thanh, chương 14 doc

CHƯƠNG 14 HỆ THỐNG MÁY THU SÓNG ĐIỀU BIẾN GÓC I- GIỚI THIỆU CHUNG: Máy thu sử dụng điều biến góc cũng giống như máy thu được sử dụng đối với sự quy ước AM hoặc máy thu SSB; ngoại trừ phương pháp khai thác thông tin âm tần từ sóng IF toàn phần. Trong máy thu FM điện áp tại ngõ ra của mạch tách sóng âm thanh tỷ lệ thuận với độ lệch tần số tại ngõ vào. Đối với máy thu PM, điện áp tại ngõ ra của mạch tách sóng âm thanh tỷ lệ thuận với độ lệch pha tại ngõ vào của nó. Vì cả hai dạng sóng điều biến pha và tần số đều là một dạng của hệ thống điều biến góc. Những tín hiệu của máy thu FM có thể được giải điều biến bởi máy thu PM và ngược lại. Đối với máy thu sóng AM thương mại, tín hiệu điều biến được chở trên sóng mang là một dạng của biến điệu biên độ. Tuy nhiên nhiễu xảy ra trong hệ thống cũng làm thay đổi biên độ của hình bao. Cho nên nhiễu không thể bò loại bỏ từ dạng sóng toàn phần trong mạch loại trừ ở phần trước của tín hiệu thông tin. Đối với hệ thống điều biến góc, tín hiệu thông tin được chở trên sóng mang là dạng mạch biến điệu tần số và pha. Với máy thu sóng điều biến góc, sự cải tiến tỷ số S/N được thực hiện trong suốt quá trình giải điều biến. Vì vậy chất lượng của hệ thống được cải tiến rất đáng kể so máy thu AM. Hình (5-1) Sơ đồ khối của máy thu đổi tần kép. Mục đích của chương này là giới thiệu những dạng máy thu và những mạch điện cơ bản để thu và giải điều biến tín hiệu FM và PM. Mô tả cách vận hành của máy và sự khác nhau cơ bản giữa máy thu FM và AM thương mại hoặc máy thu dải biên đơn. II- MÁY THU FM : Hình 5-1 trình bày sơ đồ khối giản lược của máy thu FM đổi tần kép. Nó cũng giống như máy thu AM thương mại chuyển đổi kép. Tầng RF, mạch trộn và tầng IF hầu như cũng giống như máy thu AM, mặc dù máy thu FM có rất nhiều mạch khuếch đại trung tần hơn. Do đặc tính loại trừ nhiễu vốn có trong máy thu FM nên không yêu cầu nhiều mạch khuếch đại RF. Tuy nhiên, tầng tách sóng âm thanh trong máy thu AM. Mạch tách sóng hình bao máy thu AM đươcï thay bằng mạch giới hạn, mạch giải điều tần và mạch tiền nhấn. Mạch giới hạn và mạch tiền nhấn đưọc phân bố để cải tiến tỷ số S/N nó được đặt trong tầng giải điều biến. Trong máy thu sóng FM, tầng IF đầu tiên có tần số tương đối cao khoảng 10,7Mhz để loại bỏ tần số ảnh và tầng IF thứ hai có tần số tương đối Mạch tiền lựa chọn Mạch KĐ RF Mạch KĐ IF Mạch giới hạn Mạch nhận dạng Mạch trộn thứ hai Mạch trộn thứ nhất Mạch đệm Mạch KĐ âm thanh Mạch giải nhấn Mạch đệm Mạch dao động nội thứ hai Mạch dao động nội thứ nhất Tầng tách sóng âm thanh AGC Antena thu Loa ù2ndIFù1stIF thấp (thường là 455Khz) để cho phép mạch khuếch đại IF làm việc với độ lợi tương đối cao mà không ảnh hưởng đến mạch dao động. 1. Mạch giải điều tần FM: Mạch giải điều tần FM có mạch điện phụ thuộc vào tần số để tạo ra điện áp ra tỷ lệ thuận với tần số trung tần tại ngõ vào của nó. (V out = f K). Trong đó K là hàm truyền của mạch giải điều tần tính bằng Volt/Hz, f là hiệu số giữa tần số vào và tần số trung tâm của mạch giải điều tần. Mạch điện tổng quát được dùng để giải điều tần tín hiệu FM thông thường là mạch tách sóng độ dốc, bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - seeley, bộ tách sóng tỷ lệ. Mạch giải điều biến PLL, bộ tách sóng biến điệu tần số Foster seeley và bộ tách sóng tỷ lệ tất cả đều là một dạng của mạch tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được chuyển đổi FM thành AM và sau đó giải điều biến hình bao AM theo quy đònh của bộ tách sóng đỉnh. Hầu hết mạch tách sóng biến điệu tần số yêu cầu dòch pha 180 0 .  Mạch tách sóng độ dốc: Hình (5-2a) trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng độ dốc hoàn toàn điều chỉnh được. Đây là dạng mạch đơn giản nhất của bộ tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được. Bộ tách sóng độ dốc (single - ended) có dạng đặc tuyến điện áp tần số gần như là không tuyến tính và vì thế nó ít được sử dụng. Tuy nhiên hoạt động của mạch này là nền tảng cho tất cả những mạch biến điệu tần số khác. Vout f V f 0 f 1 (b) f f Vout D1 La Ngõ vào FM R1C1 Ca (a)         Hình 5-2 : Mạch tách sóng độ dốc (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Đường đặc tuyến điện áp tần số. Ở hình (5-2a), mạch điều hưởng bao gồm La, Ca tạo ra một điện áp tại ngõ ra, V out tỷ lệ với tần số vào. Điện áp ngõ ra đạt cực đại tại tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng. Mạch điện được tính toán sao cho tần số trung tâm của IF rơi vào giữa đường đặc tuyến điện áp - tần số như hình (5-2b). Khi độ lệch tần số trung tần IF lớn hơn f c , điện áp ngõ ra sẽ tăng và ngược lại khi độ lệch tần số trung tần nhỏ hơn f c điện áp ngõ ra sẽ giảm. Cho nên mạch chuyển đổi tần số điều hưởng được làm thay đổi biên độ điều biến (chuyển từ FM sang AM). D 1 , C 1 , R 1 tạo thành mạch tách sóng đỉnh đơn giản để chuyển đổi biên độ điều biến thành điện áp ngõ ra, thay đổi theo tỷ lệ bằng với sự thay đổi tần số ngõ vào và biên độ tỷ lệ với giá trò của tần số bò thay đổi. Mạch tách sóng độ dốc cân bằng Mạch tách sóng độ dốc “ single - ended” là một dạng của mạch tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được và mạch tách sóng độ dốc cân bằng là hai mạch tách sóng độ dốc “ 2 single - ended” đơn giản được kết nối song song với nhau và lệch pha 180 0 . Sự đảo pha được thực hiện bằng cách lấy đầu ra ở giữa cuộn thứ cấp điều hưởng được của biến áp T1. Trên hình (5-3a), mạch điều hưởng gồm, L a , C a và L b , C b để chuyển đổi FM thành AM và bộ tách sóng đỉnh cân bằng gồm D 1 , C 1 , R 1 và D 2 , C 2 , R 2 để loại tín hiệu thông tin từ hình bao AM. Phần trên của mạch điều hưởng gồm L a , C a được điều chỉnh đến một tần số f a mà tần số f a này lớn hơn tần số trung tâm f c của IF và gần bằng 1,33 x f . ( Đối với băng sóng FM = 1,33 x 75Khz). Mạch điều hưởng phần dưới gồm L b , C b đươcï điều chỉnh ở tần số f b , f b nhỏ hơn tần số trung tâm f c của IF. D1 Vout L T1 Ca C1 R1 La Lb C2 Cb R2 D1 (a) Ngõ vào FM         Hình 5-3: Mạch tách sóng độ dốc cân bằng. (a) Sơ đồ nguyên lý. (b) Đặc tuyến điện áp tần số. Hoạt động của mạch này đơn giản, điện áp tại ngõ ra của mỗi mạch điều hưởng thì tỷ lệ với tần số vào, mỗi ngõ ra được chỉnh lưu bởi mạch tách sóng đỉnh, mạch ngắt tần số vào là mạch cộng hưởng tần số, điện áp ngõ ra mạch cộng hưởng lớn hơn. Tần số trung tâm của IF điện áp ngõ ra của mạch điều hưởng bằng về biên độ nhưng ngược nhau về cực tính. Điện áp ngõ ra được chỉnh lưu thông qua R 1 và R 2 , nên khi cộng hưởng lại sẽ tạo nên sự bù trừ khi điện áp tại ngõ ra V out = 0V. Khi độ lệch tần số trung tâm của IF lớn hơn tần số cộng hưởng, mạch điều hưởng phần trên sẽ tạo ra điện áp V out lớn hơn Vout của mạch điều hưởng phần dưới và điện áp ra V out mang giá trò dương. Ngược lại, khi độ lệch tần số trung tâm của IF nhỏ hơn tần số cộng hưởng điện áp ra của mạch điều hưởng mang giá trò âm. Đặc tuyến điện áp tần số được vẽ trên hình (5-3b). Mạch tách sóng độ dốc cân bằng được điều chỉnh bằng cách thêm vào một tần số bằng với tần số trung tâm f c của IF và điều chỉnh C a , C b đạt 0V tại ngõ ra sau khi tần số bằng f a và f b thì C a , C b tiếp tục được điều chỉnh sao cho điện áp ra cực đại và bằng với điện áp cực đại theo chiều ngược lại. f Vout f b f a (b) f c f f  Bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - seeley: Hình 5-4 :Bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - seeley: (a) Sơ đồ nguyên lý. (b) Sơ đồ vector f in = f o . (c) Sơ đồ vector f in > f o . (d) Sơ đồ vector f in < f o . Bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - Seeley là một dạng mạch của mạch tách sóng điều biến tần số điều hưởng được mà hoạt động của nó cũng tương tự như mạch tách sóng độ dốc cân bằng. Giá trò điện dung của C c , C 1 ,C 2 được chọn sao cho chúng ngắn mạch đối với tần số trung tâm của IF. Cho nên tín hiệu IF đưa trực tiếp ngang qua L 3 . Tại đầu vào của IF được biến đổi đảo pha 180 0 bằng biến áp T 1 và chia đều cho L a , L b . Tại tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng bên thứ cấp (tần số trung tâm IF) dòng thứ cấp I s cùng pha với điện áp tổng thứ cấp V s và lệch pha 180 0 so với V L3 . Do tính chất ghép lỏng, sơ cấp của T 1 hoạt động như một cuộn cảm và dòng sơ cấp I p lệch pha 90 0 so với Vin. Vì cảm ứng từ phụ thuộc vào dòng sơ V in V in V in V D2 V D2 V D2 V D1 V D1 V D1 V Lb V Lb V Lb V La V La V La   I s I s I s V s V s V s (d) (c) (b) (a) Vout + Vp - D1 T1 Cc Ca Cp I1 C1 I2 R1 La Lb C2 Cb R2 D2 Ngõ vào FM L3           cấp I p nên điện áp bò giảm trong cuộn thứ cấp và lệch pha 90 0 so với V in . Cho nên V La và V Lb lệch pha 180 0 so với những thành phần khác hoặc lệch pha 90 0 so với V L3 . Điện áp rơi trên D 1 là tổng vector của V L3 và V Lb . Đặc tuyến sơ đồ vector được vẽ trên hình (5-4b), điện áp của D 1 và D 2 bằng nhau. Vì vậy tại tần số cộng hưởng I 1 và I 2 bằng với điện tích của C 1 và C 2 và giá trò điện áp rơi trên chúng bằng nhau nhưng trái dấu nhau. V out = V c1 -V c2 = 0V. Khi tần số trung tâm IF lớn hơn tần số cộng hưởng thì trở kháng của mạch cộng hưởng trở thành cảm kháng và dòng thứ cấp trễ hơn điện áp thứ cấp một góc là  ,  tỷ lệ với độ lệch tần số. Đặc tuyến sơ đồ pha vẽ trên hình (5- 4c): cho thấy vecter tổng của V D1 lớn hơn vecter tổng V D2 . C 1 nạp điện khi C 2 xả điện nên Vout mang giá trò dương. Khi tần số trung tâm IF nhỏ hơn tần số cộng hưởng thì dòng thứ cấp sớm pha hơn điện áp thứ cấp một góc  ,  cũng tỷ lệ với sự thay đổi tần số. Hình 5-5: Đường cong đáp ứng tần số điện áp của mạch tách sóng biến điệu tần số. Đặc tuyến pha vẽ trên hình (5-4d) cho thấy vector tổng của V D2 . C 1 xả điện C 2 nạp điện nên V out mang giá trò âm. Mạch tách sóng biến điệu tần số Foster - Seeley được điều hưởng bằng cách thêm vào một tần số bằng với tần số trung tâm IF và điều chỉnh C 0 sao cho ngõ ra đạt 0V. Qua quá trình phân tích trên hình (5-4) ta có thể thấy rằng điện áp tại ngõ ra của mạch tách sóng biến điệu tần số tỷ lệ thuận và cùng chiều với độ lệch tần số. Hình (5-5) biểu diễn đặc tuyến điện áp - tần số của mạch tách sóng biến điệu tần số Foster-Seeley tiêu biểu nó được gọi là dạng sóng cong “S”. Đặc tuyến điện áp tần số ra tuyến f Vout f 1 f 2 BW f f  1 2 f f f 0 tính hơn đặc tuyến của mạch tách sóng độ dốc. Vì chỉ có một mạch cộng hưởng nên nó dể dàng điều chỉnh hơn. Để cho quá trình điều biến không bò méo dạng, độ lệch tần số được giới hạn đến mức trở thành đoạn thẳng trên đường cong đáp ứng tần số của mạch điều hưởng thứ cấp. Đối với mạch tách sóng độ dốc, mạch tách sóng biến điệu tần số Foster Seeley đáp ứng biên độ càng tốt càng làm thay đổi tần số. Như vậy trước nó phải có một mạch giới hạn riêng biệt.  Mạch tách sóng tỷ lệ: Hình 5-6: Mạch tách sóng tỷ lệ. (a) Sơ đồ nguyên lý. (b) Đường cong đáp ứng tần số điện áp. Mạch tách sóng tỷ lệ có một ưu điểm so với mạch tách sóng độ dốc và mạch tách sóng biến điệu tần số Foster Seeley trong giải điều biến FM là loại trừ được sự thay đổi biên độ trong tín hiệu vào của nó. Cc Điện áp dương cực đại Điện áp dương trung bình 0V f m < f 0 f m >f 0 f f f 0 (b) + L - D1 T1 C0 Vout C1 Cs Rs La Lb C2 D2 (a) Ngõ vào FM        Hình (5-6a) là sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng tỷ lệ, cũng giống như mạch tách sóng biến điệu tần số Foster Seeley, mạch tách sóng tỷ lệ cũng có mạch điều hưởng đơn bên thứ cấp của biến áp. Cho nên, hoạt động của nó cũng giống như mạch Foster Seeley. Tuy nhiên trong mạch tách sóng tỷ lệ có một diode mắc ngược (D 2 ) và dòng I d chỉ có thể chạy ở vòng ngoài của mạch. Vì thế sau nhiều chu kì của tín hiệu vào, tụ C s nạp điện đến một giá trò gần bằng điện áp đỉnh thông qua cuộn thứ cấp của T 1 . Điện kháng của C s và R s tạo đường dẫn DC cho dòng của diode. Cho nên thời hằng của R s và C s vừa đủ lớn để tụ nạp nhanh chóng đến giá trò gần bằng với biên độ vào. Nhiễu nhiệt độ hoặc các nhiễu khác được nối đất nên không ảnh hưởng đến điện áp trung bình của C s . C 1 và C 2 nạp xả tỷ lệ với sự biến thiên tần số tín hiệu vào và không bò ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ. Tại tần số cộng hưởng điện áp ra Vout được chia đều cho C 1 và C 2 đồng thời phân phối lại tần số và sao cho phù hợp, có thể lớn hoặc nhỏ hơn tần số cộng hưởng. Cho nên V out thay đổi là do sự thay đổi tỷ số điện áp của C 1 và C 2 trong khi điện áp tổng được ghim bởi tụ C s . Hình (5-6b) biểu diễn đường cong đáp ứng tần số ngõ ra của mạch tách sóng tỷ lệ. Tại tần số cộng hưởng Vout  0V và bằng 1/2 điện áp trên cuộn thứ cấp của T 1 . Bởi vì mạch tách sóng tỷ lệ không ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, nó thường được chọn lớn hơn mạch tách sóng Foster Seeley. Tuy nhiên mạch tách sóng biến điệu tần số tạo ra đường cong đáp ứng tần số điện áp tuyến tính hơn.  Mạch giải điều tần FM dùng vòng khoá pha PLL: Mạch tách pha Kd Mạch lọc qua thấp Mạch khuếch đại Ka Mạch VCO Ngõ vào FM V d f 0 Vout (a) Hình 5-7 : (a) Sơ đồ khối mạch giải điều tần dùng PLL. (b) Mạch giải điều tần FM PLL sử dụng vòng khóa pha XR-2212. Điện trở phản hồi Tụ điện đònh thời C0 Ngõ vào mạch tách pha Điện trở đònh thời C0 R0 Rx Cpb 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8 Mạch tách pha Mạch lấy mẫu Vcc Ngõ vào t/h FM XR-2212 VCO out VCO out VCO GND VCO out Pre amp amp op- amp Điện trở đònh thời C0 V + Vref Ngõ ra mạch tách pha 30pF R F - R + 0 ,1F R1 Cpb 0,1 F Cpb Ngõ ra op-amp Ngõ ra tín hiệu giải điều tần           [...]...Từ sự phát triển của vi mạch tổ hợp tuyến tính LSI, quá trình giải điều tần FM được thực hiện khá đơn giản với mạch vòng khoá pha PLL Mặc dù hoạt động của mạch PLL khá phức tạp nhưng bù lại hoạt động của mạch giải điều tần FM sử dụng PLL dễ hiểu và đơn giản... toàn thì độ lợi vòng PLL là hằng số Kv Cho nên tín hiệu được giải điều biến được lấy trực tiếp từ ngõ ra của mạch đệm ở bên trong Công thức toán học được mô tả như sau: (5-1) Vout = fK D KV Hình (5-7b) trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch giải điều biến FM sử dụng XR-2212 R0 và C0 điều chỉnh tần số làm việc tự do của mạch VCO Rx dùng để điều chỉnh đài, RF và Rc dùng để cài đặt độ lợi áp của op-amp bên . CHƯƠNG 14 HỆ THỐNG MÁY THU SÓNG ĐIỀU BIẾN GÓC I- GIỚI THIỆU CHUNG: Máy thu sử dụng. thu sóng điều biến góc, sự cải tiến tỷ số S/N được thực hiện trong suốt quá trình giải điều biến. Vì vậy chất lượng của hệ thống được cải tiến rất đáng