Chương 1 Tín hiệu và hệ thống điện tử

Tín hiệu và các hệ thống điện tử của bộ môn kỹ thuật điện tử, tài liệu được biên soạn nhằm giúp bạn đọc tiếp cận những kiến thức cơ bản của tín hiệu và hệ thống điện tử. Giúp các bạn sinh viên nắm chắc kiến thức phục vụ cho các kĩ thi

30/08/2017 Kỹ thuật điện tử  Giảng viên: TS Phạm Minh Nghĩa  Mục đích mơn học:  u cầu môn học:  Tài liệu tham khảo: Kỹ thuật điện tử, Nguyễn Văn Thước, HVKTQS Kỹ thuật điện tử, Đỗ Xuân Thụ, KHKT Lý thuyết mạch - tín hiệu, Đỗ Huy Giác, KHKT Kỹ thuật mạch điện tử, Phạm Minh Hà, KHKT Chương Tín hiệu hệ thống điện tử 1.1 Khái quát chung tín hiệu 1.2 Các tham số tín hiệu 1.3 Phân tích phổ tín hiệu 1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu 1.6 Các dạng mạch lọc tín hiệu 30/08/2017 1.1 Khái quát chung tín hiệu * Định nghĩa tín hiệu (signal): Tín hiệu dạng biểu diễn vật lý tin tức VD: Tín hiệu điện sau Micro, luồng số cáp máy tính … Trong lĩnh vực điện, điện tử tín hiệu thường dao động điện từ chứa tin tức * Cách biểu diễn tín hiệu: Tín hiệu thường biểu diễn dạng hàm theo biến thời gian (time) biến tần số (frequency) Trong ngành điện tử ta dùng số phức để mơ tả dạng tín hiệu điều hịa VD: i(t), u(t),… 1.1 Khái qt chung tín hiệu * Phân loại tín hiệu: Theo tính chất hàm số mơ tả tín hiệu: Tín hiệu liên tục: Dạng phổ biến tín hiệu tương tự (analog) Tín hiệu rời rạc: Dạng phổ biến tín hiệu số (digital) Theo tính chất tuần hồn: Tín hiệu tuần hồn tín hiệu thỏa mãn đẳng thức sau: s(t) = s(t + kT), T thuộc tập thực dương, k thuộc tập Z Ngược lại tín hiệu mà không tồn T hữu hạn thỏa mãn đẳng thức tín hiệu khơng tuần hồn 30/08/2017 1.1 Khái quát chung tín hiệu VD số dạng tín hiệu tuần hồn: 1.1 Khái qt chung tín hiệu Theo tính chất xác suất thống kê: Tín hiệu ngẫu nhiên: Là dạng tín hiệu mà ta trước tham số quy luật biến đổi tham số tín hiệu Tín hiệu xác định: 30/08/2017 1.2 Các tham số tín hiệu Giá trị trung bình: s (t )  t  t1 t2  s (t ) d t t1 Năng lượng tín hiệu: t2 w=  s (t )dt t1 1.2 Các tham số tín hiệu t W 2 ptb  s (t )dt   t2  t1 t1 t2  t1 30/08/2017 1.2 Các tham số tín hiệu Dải động tín hiệu: đặc trưng cho mức cường độ tín hiệu tác động lên thiết bị pmax s (t )max s(t )max D  10 lg  10 lg  20 lg  dB  pmin s (t ) s(t ) 1.3 Phân tích phổ tín hiệu * Định nghĩa phổ tín hiệu: Phổ tín hiệu hiểu mơ tả tín hiệu theo tần số Có dạng là: Phổ biên độ phổ pha Phổ biên độ cho thấy phân bố lượng tín hiệu theo tần số Phổ pha phân bố pha tín hiệu theo tần số * Ý nghĩa việc phân tích phổ tín hiệu: 30/08/2017 1.3 Phân tích phổ tín hiệu * Phân tích phổ tín hiệu tuần hồn: Nếu tín hiệu tuần hồn s(t) thỏa mãn điều kiện:   s(t) dt   Thì ta phân tích s(t) thành chuỗi Fourier sau:  s(t)  A0   ( ak cos k1t  bk sin k1t ) k 1   Ao   Ak cos ( k t  k ) k 1   Ck e jk1t  k  A0  T T  s(t ) dt; ak  T s (t ) cos k1dt T 0 T bk   s (t ) sin k1dt; Ak  ak2  bk2 T T b k  arc tg k ; Ck   s(t )e jkw1t dt ak T 1.3 Phân tích phổ tín hiệu * Phân tích phổ tín hiệu khơng tuần hồn: Sử dụng phép biến đổi Fourier để phân tích phổ tín hiệu khơng tuần hoàn s (t )  2   j t S ( j )e d  30/08/2017 1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng: Dùng để truyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực tính toán, đo đạc, điều khiển tự động vv Hai dạng : - Hệ thống hở, thơng tin truyền theo chiều định - Hệ thống kín ngược lại, thơng tin truyền theo hai chiều chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt thông tin truyền theo chiều ngược có vai trị định đưa hệ thống kín đến trạng thái làm việc tối ưu Theo chức xử lý tín hiệu ta chia hệ thống điện tử thành ba loại sau : 1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng: * Hệ thống thông tin quảng bá: trao đổi tin tức, số liệu, hình ảnh 30/08/2017 1.4 Các hệ thống điện tử thơng dụng: •Hệ thống thơng tin quảng bá: có đặc điểm sau: -Đặc điểm thứ : hệ thống hở,tín hiệu từ nơi nhận tin khơng thể tác động trở lại nơi phát tin Chất lượng truyền tin có trung thực, xác hay khơng nơi phát nhận biết Để nâng cao chất lượng truyền tin cần nâng cao chất lượng thiết bị thu thiết bị phát độc lập - Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn máy phát cịn q trình tách sóng máy thu hai trình ngược nhằm tạo tín hiệu vơ tuyến tách tin tức từ tín hiệu vơ tuyến -Đặc điểm thứ ba là: mơi trường truyền tin có nhiều loại nhiễu tác động (nhiễu công nghiệp, nhiễu thiên nhiên, nhiễu đài phát khác tạo nên ) nên việc khắc phục nhiễu giải pháp kỹ thuật khác để tăng chất lượng thông tin vấn đề quan trọng -Đặc điểm thứ tư là: phải giải vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với loại kênh thơng tin Đó vấn đề cần lựa chọn tối ưu: vấn đề dạng điều chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách môi trường truyền tin, chất lượng máy thu ,giá thành sản phẩm 1.4 Các hệ thống điện tử thơng dụng •Hệ thống tự động điều chỉnh tự động ổn định: hệ thống kín sử dụng rộng rãi hệ tự động điều chỉnh vài thông số q trình làm việc Ở có đường tín hiệu ngược phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh: 30/08/2017 1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng * Hệ thống đo lường: * Hệ thống thông tin di động: * Hệ thống Ra đa – Tên lửa phịng khơng: 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu Xét sơ lược dạng tín hiệu điều chế Dùng tín hiệu sơ cấp (ký hiệu u(t) để điều chế sóng mang u0(t) =U0m cos(0t+0) dao động điều hồ tần số cao Sóng mang có ba tham số biên độ U0m,tần số 0=2f0 góc pha đầu 0 , nên có ba cách điều chế biên độ, điều chế tần số điều chế pha, cho tương ứng ba tín hiệu tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần tín hiệu điều pha 1.5.1 Tín hiệu điều biên AM (Amplitude Modulation) a.Điều biên đơn âm Xét tín hiệu sơ cấp u(t) dao động hình sin đơn âm u(t)=Umcos (t+)= Umcos (2Ft+) Dao động sóng mang u0(t) = U0m cos (ot + 0 ) = Uom cos(2f0 + 0 ) Tín hiệu điều biên có biểu thức: udb (t )  [U m  hu (t )]cos(0t  0 )  U m [1  hU m cos(t   )]cos(0t  0 ) U 0m  U 0m 1  m cos(t   )  cos(0t  0 ) 30/08/2017 1.5Kỹ thuật điều chế tín hiệu udb (t )  u0 m cos(0t  0 )   mU m cos[(0  )t  0   ] mU m cos[(0  )t  0   ] (1.16) Đồ thị mô tả kỹ thuật điều biên: 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu Trong tín hiệu điều biên có ba thành phần:thành phần thứ sóng mang tần số góc 0, biên độ U0m ,thành phần thứ hai có tần số góc (0 + ) biên độ mU 0m gọi thành phần biên trên,thành phần thứ ba -biên có tần số góc (0 - ) biên độ mU 0m Hai biên có mang tin (chứa tần số  ) có biên độ nhỏ nửa tải tin U0m 10 30/08/2017 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu b.Điều biên đa âm Trường hợp tín hiệu sơ cấp khơng phải tần số =2F , mà giải tần số từ min đến max (hay= FminFmax ): u  ( t )   U im cos( i t   i ) i Biểu thức tín hiệu điều biên: udb (t )  U m cos(0t  0 )    mU i m cos[(0  i )t  0  i ) i  mU i m cos[(0  i )t  0  i ) i mi số điều biên thành phần m i  số điều biên toàn phần: m hU im U 0m  m 2i i  m  Bề rộng phổ tín hiệu điều biên 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu 1.5.2 Tín hiệu điều tần FM (Frequency Modulation) điều pha PM (Phase Modulation) Quan hệ tần số biến thiên (t) pha tức thời là: (t )  ( t ) ; (t )   (t )dt   dt Tín hiệu điều tần có tần số biến thiên theo quy luật tín hiệu sơ cấp, o tần số sóng mang tần số tín hiệu điều tần là:  = o + h.u(t) Biểu thức tín hiệu điều tần có dạng: udt(t) = U0mcos(t) = U0m cos[0t + h  u (t )dt +0 ]  U m cos 0t  mdt sin t 0  mdt  hU m  - độ sâu số điều tần,thường mđt>>1 11 30/08/2017 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu * Kỹ thuật điều chế tần số điều chế pha: Biểu thức tín hiệu điều pha có dạng: uđf = U0mcos[0t + h.u(t) + o ] Nếu u(t) đơn âm uđf(t) = U0mcos [0t + h u(t) + 0] = U0mcos [0t + m đf cost + 0] Trong mđf = hUm gọi độ sâu số điều pha 1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu * Kỹ thuật điều chế tần số điều chế pha: Nhận xét: Ở tín hiệu điều biên cơng suất phụ thuộc vào độ sâu điều chế, cịn tín hiệu điều tần độ sâu điều chế không định công suất Nghĩa tín hiệu điều tần có điều chế cực đại khơng có điều chế cơng suất nhau.Tuy nhiên có phân bố lại lượng thành phần tần số trình điều chế 12 30/08/2017 1.6 Các dạng mạch lọc tín hiệu •Khái niệm: Mạch lọc mạch điện cho qua tín hiệu có phổ tần nằm dải tần đó, cịn chặn (khơng cho qua) tín hiệu có phổ tần nằm ngồi dải tần cho Dải tần số mà mạch lọc cho qua gọi dải thông mạch lọc, dải tần số mà mạch lọc chặn tín hiệu gọi dải chặn Tần số phân cách dải thông dải chặn gọi tần số cắt mạch lọc •Phân loại mạch lọc tín hiệu: -Theo dải thơng: Mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dải thông, mạch lọc dải chắn -Theo phần tử tạo thành mạch lọc: Mạch lọc LC, mạch lọc RC, mạch lọc thạch anh, … -Theo kết cấu: mạch lọc hình Γ, mạch lọc hình Π, mạch lọc hình Τ, mạch lọc cầu, … Mạch lọc LC thơng thấp, thơng cao hình Γ, Τ, Π 13 ...30/08/2 017 1. 1 Khái quát chung tín hiệu * Định nghĩa tín hiệu (signal): Tín hiệu dạng biểu diễn vật lý tin tức VD: Tín hiệu điện sau Micro, luồng số cáp máy tính … Trong lĩnh vực điện, điện tử tín hiệu. .. tín hiệu khơng tuần hồn 30/08/2 017 1. 1 Khái quát chung tín hiệu VD số dạng tín hiệu tuần hồn: 1. 1 Khái qt chung tín hiệu Theo tính chất xác suất thống kê: Tín hiệu ngẫu nhiên: Là dạng tín hiệu. .. lý tín hiệu ta chia hệ thống điện tử thành ba loại sau : 1. 4 Các hệ thống điện tử thông dụng: * Hệ thống thông tin quảng bá: trao đổi tin tức, số liệu, hình ảnh 30/08/2 017 1. 4 Các hệ thống điện