Khảo sát tín hiệu điều chế dùng Matlab

Khảo sát tín hiệu điều chế dùng Matlab

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TP HỒ CHÍ MINH 3 - 2000

CHƯƠNG 1

ĐIỀU BIÊN (AM: Amplitude modulation)

I.Phổ của tín hiệu điều biên:

Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức.

Giả thiết tin tức là tín hiệu âm tần có phạm vi biến đổi tần số từ Ωmin÷Ωmax, ta có:

VΩ= VΩ.cosΩt (1.1)Tải tin là dao động cao tần:

Vωo = V0.cosω0t (1.2)

Từ (1-1) và (1-2) ta được tín hiệu điều biên có dạng:

(1 mcos t)cos t ( )1.3V

Trong đó:

m= Ω là hệ số điều chế hay còn gọi là độ sâu điều chế Hệ số

điều chế “m” phải thỏa mãn điều kiện m ≤ 1 Nếu m > 1 thì mạch có hiện tượng điều chế và tín hiệu méo trầm trọng (hình 1-1)

Trong thực tế mmax = 0,7 ÷ 0,8 để đảm bảo thu tín hiệu không bị méo Ta xác định “m” trong thực tế bằng cách đo các giá trị Vmax, Vmin và áp dụng công thức:

( )1.4V

VV 2

+−=

Khi m = 1 ta có Vmax = 2V0 và Vmin = 0.

Biến đổi lượng giác công thức (1.3) ta có:

() cos()t ( )1.52

m < 1

m = 1

m > 1

Hình 1.1 Dạng tín hiệu VΩ, V0 và tín hiệu điều biên VAM

Như vậy khi điều chế đơn âm phổ của tín hiệu điều biên AM có ba thành phần: Tải tin có tần số ω0 và có biên độ V0; hai dao động biên có tần số ω0

± Ω và có biên độ 2mV0như hình 1-2,a Khi m=1 thì

AM =

Nếu ta điều chế một dãi âm tần (Ωmin÷Ωmax) vào tải tin, ta sẽ có phổ của tín hiệu AM như hình 1-2,c.

Ta thấy ngoài tải tin ω0 có biên độ V0 còn có hai biên tần: biên tần trên có tần số từ (ω0 - Ωmin) đến (ω0 + Ωmax) và biên tần dưới có tần số từ (ω0 -

Ωmax) đến (ω0 + Ωmin) đối xứng qua tải tin.

Thực chất phổ của các dao động hai biên không đồng điều nhau mà càng xa

ω0 thì biên độ càng giảm do đặc tuyến lọc của bộ cộng hưởng không phải là hình chữ nhật lý tưởng.

II.Quan hệ năng lượng trong điều biên:

Trong tín hiệu đã điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức Như vậy công suất tải tin là công suất tiêu hao vô ích, còn công suất biên tần là công suất hữu ích.

• Công suất tải tin là công suất bình quân trong một chu kỳ tải tin:

Pωo = (1.6)V2

ω0 - Ωmin ω0 + Ωmin

Hình 1-2 Phổ của rín hiệu AM VAM

V0

• Công suất biên tần:

Khi điều chế sâu (100%): m = 1 thì

Khi điều chế sâu nhất m = 1 thì 31

k = có nghĩa là công suất hữu ích chỉ bằng một phần ba tổng công suất phát đi.

Trong thực tế để tín hiệu không méo m = 0,7 ÷ 0,8 thì31

k < Đây chính là

nhược điểm của tín hiệu AM so với tín hiệu điều biên (SSB).

III.Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đã điều biên:1 Hệ số méo phi tuyến:

Dạng tổng quát của đặc tuyến điều chế tĩnh được biểu diễn trên hình 1-3.

Đường đặc tuyến điều chế tĩnh lý tưởng là một đường thẳng từ C đến A Đặc tuyến điều chế tĩnh không thẳng sẽ làm cho lượng biến đổi của biên độ dao động cao tần đầu ra so với giá trị ban đầu (điểm B) không tỷ lệ đường thẳng với trị tức thời của điện áp điều chế Do đó trên đầu ra thiết bị điều biên, ngoài các thành phần hữu ích (các biên tần), còn có các thành phần bậc cao không mong muốn khác Trong đó đáng lưu ý nhất là thành phần của tần số ωt± 2ωs có thể lọt vào các biên tần mà không thể lọc được.

Để giảm méo phi tuyến, cần hạn chế phạm vi làm việc của bộ điều chế trong đoạn đường thẳng của đặc tuyến điều chế tĩnh Lúc đó buộc phải giảm độ sâu điều chế

Hình 1-3: Đặc tuyến điều chế tĩnh.

A–Giá trị cực đại; B–Tải tin chưa điều chế

2 Hệ số méo tần số:

Để đánh giá độ méo tần số, ngươì ta căn cứ vào đặc tuyến biên độ – tần số: M = f(Fs)Us = const

Hệ số méo tần số được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

m0 – hệ số điều chế lớn nhất;

m – hệ số điều chế tại tần số đang xét;

Méo tần số xuất hiện chủ yếu trong các tầng khuyếch đại âm tần (khuyếch đại tín hiệu điều chế), nhưng cũng có thể xuất hiện trong các tầng điều chế và sau điều chế, khi mạch lọc đầu ra của các tầng này không đảm bảo băng thông cho phổ của tín hiệu đã điều biên(2Fmax)

IV.Phương pháp tính toán mạch điều biên:

Các mạch điều biên được xây dựng dựa vào hai nguyên tắc sau đây:

- Dùng phần tử phi tuyến : cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của phần tử phi tuyến đó.

- Dùng phần tử phi tuyến có tham số điều khiển được: nhân tải tin và phi tín hiệu điều chế nhờ phần tử phi tuyến đó.

1 Điều biên dùng phần tử phi tuyến:

Các phần tử phi tuyến được dùng để điều biên có thể là đèn điện tử, bán dẫn, các đèn có khí, cuộn cảm có lõi sắt hoặc điện trở có trị số biến đổi theo điện áp đặt vào.

M = Hoặc Mm0 dB = 20logM (1.17)m

Tùy thuộc vào điểm làm việc được chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số đặc trưng cho phần tử phi tuyến, có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor khi chế độ làm việc của mạch là chế độ A(θ = 1800) hoặc phân tích theo chuỗi Fourier khi mạch làm việc ở chế độ mà góc cắt θ < 1800 (chế độ lớp AB, B, C) phương pháp tính toán cho hai trường hợp đó như sau:

a) Trường hợp 1: θ = 1800

Giả thiết mạch điều biên dùng Diode (hình 1-5) Nếu các tín hiệu vào thỏa mãn điều kiện V0 + VΩ < E (2.18)

thì mạch làm việc ở chế độ A (θ = 1800) Hàm số đặt trưng cho phần tử phi tuyến (diode) xung quanh điểm làm việc được biểu diễn theo chuỗi Taylor:

iD = a1uD + a2uD2 + a3uD3 +… (1.18)với uD = ED + U0cos0t + UΩcosΩt

Thay uD vào biểu thức (1.18), nhận được:

ID = a1(E+ U0 cosω0t + UΩcosωΩt) + a2(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt)2 + + a3(E + U0 cosω0t + UΩcosωΩt)3 +… (1.19)

Khai triển (1.18) và bỏ qua các số hạng bậc cao n ≥ 4 sẽ có kết quả mà phổ của nó được biểu diễn trên hình 1.6 Phổ của tín hiệu ra trong trường hợp này gồm thành phần phổ mong muốn Các thành phần phụ bằng không khí.

A3 = a4 = a5 = … = a2n+1 = 0 (n = 1, 2, 3,…)

Nghĩa là nếu đường đặc tính của phần tử phi tuyến là một đường cong bậc hai thì tín hiệu đã điều biên không có méo phi tuyến Phần tử phi tuyến có đặc tính gần với dạng lý tưởng (bậc 2) là FET

Để thỏa mãn điều kiện (1.18), tải tin và tín hiệu điều chế phải có biên độ bé, nghĩa là phải hạn chế công suất ra Vì lý do đó, rất ít dùng điều biên chế độ A.

ω Ωω 0

ω Ωω 0

Hình 1.5 Điều biên ở chế độ A

a) Mạch điện dùng Diode; b) Đặt tuyến của Diode

+ E0 CB

-D

b) Trường hợp 2: θ < 1800

Khi θ < 1800, nếu biên độ điện áp đặt vào diode đủ lớn thì có thể coi đặc tuyến của nó là một đường gấp khúc (hình 1-7) Phương trình biểu diễn đặt tuyến của diode trong trường hợp này như sau:

S: hỗ dẫn của đặc tuyến diodeChọn điểm làm việc ban đầu trong khu tắc của diode (ứng với chế độ C)Vì dòng qua diode là một dãy xung hình sin (hình 1-7b), nên có thể biểu diễn iD theo chuỗi Fourier như sau:ID = I0 + i1 + i2 +…+ in +…= Io + I1cosω0t + I2cos2ω0t + + Incosnω0t (1.21)Trong đó:I0: thành phần dòng điện một chiều;I1: biên độ thành phần dòng điện cơ bản đối với tải tin;I2, I3,…,In: biên độ thành phần dòng điện bậc cao (hài bậc cao) đối với tải tin;I0, I1, I2,…, In được tính toán theo các biểu thức xác định hệ số của chuỗi Furier:(1.22)ttdncosinI

ttdcosi2Itdi1I000Dn000D10D0ωωπ=ωωπ=ωπ=∫∫∫θθθTheo biểu thức (1.20): iD = SuD = S(E + UΩcosωΩt + U0cosω0t) (1.23)Khi ω0t = θ thì ID = 0 (hình 2-6), do đó ta có:khi uD ≤ 0ID = (1.20) SuD khi uD >0

0 = S(E + UΩcosωΩt + U0cosθ) (1.24)Lấy (2-22) trừ (2-23) ta có :

Do đó trị tức thời của thành phần cơ bản:

Ơû đây θ xác định được từ biểu hức (1-24)

(1 26)

= ∫θ

π

2 Điều biên dùng phần tử tuyến tính có tham số Thay đổi:

Thực chất quá trình điều biên này là quá trình nhân tín hiệu Ví dụ về mạch điện loại này là điều biên dùng bộ nhân tương tự (hình 1-7) Trong mạch điện này, quan hệ giữa điện áp ra udb và điện áp vào u0 là quan hệ tuyến tính Tuy nhiên, khi uΩ biến thiên thì điểm làm việc chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác làm cho biên độ tín hiệu ra thay đổi để có điều biên

Căn cứ vào tính chất của mạch nhân, ta viết được biểu thức của điện áp ra sau đây:

Uđb = (E + UΩcosωΩt)U0cosω0t

u = 0 ω0 + 0 ω0 +ω + 0 Ω ω0 −ωΩ Ω

Hình 1.6: Điều biên ở chế độ lớp C (tín hiệu vào lớn)Đặc tuyến của Diode, đồ thị thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra.b) Mạch điện.

CB

Theo (1-28) phổ của tín hiệu ra có tải tin và hai biên tần mong muốn.

V.Các mạch điều biên cụ thể:

Để thực hiện theo nguyên tắc thứ nhất, có thể dùng mọi phần tử phi tuyến, nhưng nếu dùng bán dẫn, đèn điện tử thì đồng thời với điều biên, còn có thể khuyếch đại tín hiệu Về mạch điện, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau: mạch điều đơn biên, mạch điều biên cân bằng và mạch điều biên vòng

1 Mạch điều biên đơn:

Mạch điều biên đơn là mạch chỉ dùng một phần tử tích cực để điều chế Các mạch điện trên hình 1-5 và 1-6 là các mạch điều biên đơn dùng diode Như đã xét trong hai mạch điều biên, dòng điện ra tải ngoài các thành phần hữu ích (các biên tần) còn có đủ mọi thành phần không mong muốn khác (tải tần và các hài bậc cao) Đó là đặc điểm cơ bản của các mạch điều biên đơn.

• Đặt tuyến Volt-ampe của diode, Transistor hay đèn điện tử chỉ được coi là gần đúng là thẳng khi tín hiệu vào đủ lớn Chính vì vậy đối với máy phát AM quá trình điều chế thường được tiến hành ở đầu cuối, hay trước cuối Nếu chỉ dùng Diode ta chỉ thực hiện được điều biên Còn nếu dùng Transistor, FET hay đèn điện tử ta thực hiện được điều biên, lại vừa khuyếch đại được tín hiệu.

UΩ 1U0

Hình 1-7: Điều biên dùng mạch nhân tương tựa) Mạch điện; b) Đặc tuyến truyền đạt

• Khi tín hiệu vào nhỏ, đặc tuyến Volt-ampe của diode, transistor, đèn điện tử được gọi gần đúng là một đường cong:

a2V22+2a2V1V2+a3V13+3a3V12V2+3a3V1V22+a3V23+… (1.31)

• Để có tín hiệu điều biên ở ngõ ra, chúng ta cần lấy ra: a1V1 là thành phần tần số sóng mang (tải tin): ω0

2a2V1V2 là thành phần hai dải biên trên (ω0 + Ω) và biên dưới (ω0 - Ω)

• Nếu ta dùng mạch lọc có tần số cộng hưởng: ωCH = ω0

như ở hình 1-9 và dải thông có bề rộng D = 2Ω, ta sẽ lọc được hai thành phần trên và có tín hiệu điều biên thông thường.

• Nhưng các số hạng 3a3V1V22 sẽ gồm hai thành phần tần số ω0 và ω0 ±

2Ω vì cos2x = ½(1 + cos2x) Do Ω <<ω0 nên các thành phần này cũng đi qua mạch cộng hưởng và gây ra sự méo điều chế không tuyến tính Còn các thành phần khác không đi qua được mạch lọc vì Ω, 2Ω << ω0 , còn 2ω0, 3ω0 >> ω0

• Để khử méo không tuyến tính ta có hai phương pháp:

- Đặc tuyến volt-ampe của phần tử không tuyến tính phải có dạng bậc 2 để không có các số hạng bậc 3 (hoặc a3 rất nhỏ) Muốn vậy ta phải dùng FET

Hình 1-8 Điều biên một vế

- Khử méo bằng cách cải tiến mạch, thực hiện điều chế cân bằng như sau:Trong hình 1-9a, điện áp đặt trên D1 và D2 lần lược là:

u1 = UΩcosωΩt + U0cosω0t u2 = - UΩcosωΩt + U0cosω0t

Dòng điện qua các diode được biểu diễn thành chuỗi Taylor:i1 = a0 + a1u1 + a2u12 + a3u13 +…

A = UΩ2a1+3a3U02+½(a3UΩ2)B = ½(a3UΩ3)

C =2a2UΩU0

Tương tự như vậy cũng chứng minh kết quả đó trên mạch điện hình 1-9b, Trong trường hợp cần có tải tin ở đầu ra, sau khi điều chế có thể đưa thêm tải tin vào phổ của tín hiệu ra của mạch điều biên đã cân bằng được biểu diễn trên hình 1-9c.

1.36

Một dạng khác của mạch điều chế cân bằng là mạch điều chế vòng, thực chất đây là hai mạch điều chế cân bằng có chung tải Sơ đồ mạch điều biên biểu diễn trên hình 1-10.

Gọi phần điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D1, D2 là i1 và dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng gồm D3, D4 là iII Theo 1.35:

II= AcosωΩt+ Bcos3ωΩt+ C[cos(ω0+ωΩ)t+ cos(ω0-ωΩ)t]+ D[cos(2ω0+ωΩ)+ cos(2ω0-ωΩ)t] (1.37a)

III = iD3- iD4 (1.37b)Trong đó:

iD3= a0 +a1u3+a2u32+a3u33+…

iD4= a0 +a1u4+a2u42+a3u43+…

Với u3và u4 là điện áp đặt lên D3và D4, được xác định như sau:

a) Dùng diode; b) Dùng Transistor; phổ tín hiệu ra;ω 0

Thay (1.38), (1.39) vào (1-37b) ta được:

iII=- AcosωΩt - Bcos3ωΩt+ C[cos(ω0+ωΩ)t+ cos(ω0-ωΩ)t]- D[cos(2ω0+ωΩ)+ cos(2ω0

D2D3

Mạch điều chế vòng cũng có thể coi là một mạch nhân Nguyên tắc nhân được minh họa trên hình 1-11 Giả thiết tải tin là dãy xung hình chữ nhật Tùy thuộc vào sự thay đổi của tải tin, lúc thì D1, D2 mở , lúc thì D3 và D4 mở, cặp diode còn lại ngắt làm cho tín hiệu vào uΩ thay đổi cực tính theo nhịp của u0 Tác dụng của mạch điều chế vòng đúng như một mạch nhân.

3 Mạch điều chế bằng Transistor:

Về nguyên lý điều biên bằng Transistor cũng gồm các loại :

Trong trường hợp Tranzistor lưỡng cực, FET, đèn điện tử để điều biên, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau đây: điều biên base, điều biên collector, điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anot, điều biên lưới,… Các loại mạch điều biên có tên gọi tương ứng với cực mà điện áp điều chế được đặt vào.

Các Transistor cũng hoạt động ở chế độ kém áp (ξ= 0,85 ÷0,95ξth) và được chọn sao cho có thể duy trì độ tuyến tính của đặc tính điều chế.

Người ta thường sử dụng việc tạo thiên áp hỗn hợp cho base để duy trì điều chế tuyến tính và giữa góc cắt θ = 900 Trên hình 1-13 là một mạch điều biên collector biến đổi theo điện áp âm tần:

Hình 1-11: Minh họa tác dụng của mạch điều chế vòng như một mạch

000

Đối với Transistor, điện áp của Collector không được tăng quá giá trị an toàn cực đại dù trong thời gian ngắn Bởi vậy cần phải thỏa mãn điều kiện:

Vωo + VΩ < VCemax= BVCEO (1.43)Trong đó :

- Vωo: điện áp cao tần cực đại ở collector khi m=1;- BVCEO: điện áp đánh thủng cho phép cực đại;

Khác với đèn điện tử, điều biên Collector có công suất đánh giá bằng công suất đỉnh:

PTB = Pωo(1+m)2/ηCH (1.44)

ηCH: hiệu suất của mạch cộng hưởng.

• Trong trường hợp tổng quát, đặt tuyến điều chế IC1(VCC) là phi tuyến như hình 2-14 Khi đó:

• IC1 = IC1max(VCC/VCcmax)1-δ (1.45)

δ : hệ số biến thiên 0 ≤ δ≤ 0,25

Tới tầng trước

Tới bộ KĐCS âm tầnVΩ

Hình 1-12: Điều biên Collector

Đặc tuyến điều chế Collector có thể được tuyến tính hóa nhờ điều chế phụ base.

Khi điện áp Collector thấp mối nối Collector được phân cực thuận bởi điện áp đầu vào Do vậy dao động cao tần trực tiếp đi qua mối nối Collector phân cực thuận Sự thay đổi của dòng Collector trong vùng 0-a xuất hiện bởi điều chế quá mức khi tín hiệu lớn Để tránh méo phi tuyến gây ra người ta áp dụng điều chế Collector phụ được thực hiện ở Collector của tầng trước đó.

Ta có thể thực hiện điều chế cân bằng không có mạch lọc đầu ra dùng Transistor (hình 1-14) Ưu điểm của nó là méo phi tuyến nhỏ, biên độ điều biên ở đầu ra lớn.

VI.VÍ DỤ MINH HỌA:

1 Cho tín hiệu điều biên với hệ số điều chế m=2, tần số điều chế Ω

=10Khz Tín hiệu tải tin có biên độ V0=5mV và tần số ω0=1Mhza) Viết phương trình tín hiệu điều chế và tín hiệu đã điều chế.b) Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế.

a) Ta có: V0(t) = 0.005 cos (2π*106) tTa lại có:

m= Ω ⇒ VΩ = mV0 = 2*0.005 =0.01

Vωo - VAM+

Hình 1-13: Đặc tuyến điều chế Collevtor

Hình 1-14:ĐBCB Transistor

⇒ Tín hiệu điều chế:

VΩ = 0.01 cos (2π*104) t

⇒ Tín hiệu đã điều chế:

VAM (t) = 0.005 [cos (2π*106) *t]*[ 1+ 2 cos(2π*104) *t].b) Mô phỏng dạng tín hiệu đã điều chế:

fc=10^6;fm=10^4; T=1/fc;

t=0:T/200:100*T;

VAM(t)=0.005*cos(2*pi*fc*t).*[1+2*cos(2*pi*fm*t)]; plot(t,VAM(t))

Title('DC-AM,m>1')

2 Cho mạch điều biên collector như hình vẽ.

D-AM,m>1

Có tín hiệu tải tin: V0 (t) = 10 cos (2π *106) tVà tín hiệu điều chế: VΩ(t) =7 cos (π*104) t

Hãy tìm giá trị của hệ số điều chế m và biểu thức của tín hiệu đã điều chế.Vẽ dạng tín hiệu đã điều chế.

- Hệ số điều chế m: m = 0.710

- Biểu thức của tín hiệu đã điều chế:

VAM (t) = 10 cos (2π*106) t *[ 1+ 0.7* cos (2π*104) t]- Mô phỏng dạng tín hiệu đã điều chế:

fc=10^6;fm=10^4; T=2/fc;

t=0:T/50:100*T;

VAM(t)=10*cos(pi*fc*t).*[1+.7*cos(2*pi*fm*t)]; plot(t,VAM(t))

title('DC-AM,m<1')

3 Hãy tìm biểu thức của tín hiệu điều biên và vẽ dạng tín hiệu điều biên đó với tín

hiệu tải tin: V0 (t) = 5 cos (2π*1.7*106) t.Và tín hiệu điều chế: VΩ (t) = 5 cos (2π*5*104) t.Giải:

- Biểu thức của tín hiệu điều chế: Ta có: m= 1

Do đó: VAM (t) = 5 cos(2π*1.7*106) t*[ 1+ 1cos(2π*5*104) t]- Mô phỏng dạng tín hiệu điều chế:

x 10-4-2

DC-AM,m<1

fc=1.7*10^6;fm=5*10^4; T=1/fc;

t=0:T/200:100*T;

VAM(t)=5*cos(2*pi*fc*t).*[1+1*cos(2*pi*fm*t)]; plot(t,VAM(t))

title('DC-AM,m=1')

x 10-5-10

DC-AM,m=1

CHƯƠNG 2

ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN (SSB: single sideband)

1 Ưu khuyết điểm của điều chế đơn biên:

Ta biết tin tức chỉ chứa trong biên tần, nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức Quá trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần gọi là điều chế đơn biên Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tin trước khi truyền đi.

Một số ưu điểm của điều chế đơn biên (SSB) so với điều biên

(1) Độ rộng dải tần giảm một nữa : DSSB <1/2DAM

Bởi vậy trong cùng một dải tần số thì số đài có thể bố trí tăng gấp đôi.

(2) Hiệu suất rất cao đối với điều chế AM:Phữu ích= Pbt = 1/3PAM khi m=1

Đối với điều chế đơn biên Phữu ích = Pbt = PSSB .Xét hệ số lợi dụng công suất :

kAM =1/3 và kSSB =1 khi m = 1kAM = 1/9 và kSSB =1 klhi m = 0,5

Vậy khi m càng nhỏ thì máy phát đơn biên càng có công suất hữu ích lớn hơn nhiều lần so với Phữu ích của máy phát điều biên.

(3) Do DSSB ≤ 2DAM nên đối với các loại nhiễu nói chung (S/N)SSB > (S/N)AM và riêng đối với nhiễu trắng (nhiễu có cường độ như nhau) thì (S/N)SSB ≥

Như vậy để máy phát AM và SSB có cùng S/N, ta phải tăng PAM lên hai lần

(4) Do hiện tượng pha đinh trong truyền sóng mà tần số sóng mang f0 có thể bị suy giảm Đối với máy thu AM có lúc m > 1 sẽ gây méo do quá điều chế Nếu pha đinh rất lớn làm mất hẳn tần số sóng mang thì máy thu sẽ không thu được gì Còn đối với máy thu SSB pha đinh làm suy giảm hay triệt tiêu tần số sóng mang không gây ảnh hưởng gì.

(5) Đối với tín hiệu AM trong giải truyền sóng ngắn, do sự phân tán của đặc tuyến pha mà xẩy ra sự chia pha các dao động trong dải biên Điều đó làm méo tín hiệu truyền và làm giảm biên độ điện áp ở đầu vào bộ tách sóng của máy thu AM Tổn hao công suất ở đầu ra, do đó được đánh giá là 50% Còn đối với tín hiệu SSB thì mọi tin tức điều được phát trong một dải biên nên không có hiện tượng chia pha

(6) Dùng tín hiệu SSB sẽ thực hiện được sự bảo mật tốt, do nếu không biết tần số sóng mang thì sẽ không thu được tin tức Do vậy máy phát và máy thu SSB được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự.

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng do yêu cầu kỹ thuật khá cao như mạch lọc dải phải rất hẹp và dốc đứng; việc tạo lại tần số sóng mang f0 trong máy thu phải rất chính xác mới không méo tín hiệu… nên máy phát và máy thu hiệu SSB cấu tạo phức tạp hơn so với máy phát và máy thu AM Bởi vậy nó chỉ được dùng trong các máy thu phát thông tin chuyên dụng như trong máy phát thoại và phát tín hiệu nhiều kênh

Ta có tín hiệu điều chế đơn biên sau đây:

uđb(t) = U0 2m

cos (ω0+ωΩ) (2-1)

0ΩUU=m

2 Các phương pháp điều chế đơn biên:

Phương pháp đầu tiên để tạo ra tín hiệu đơn biên SSB là từ tín hiệu điều biên AM người ta dùng bộ lọc dải để tách một biên tần cần thiết của tín hiệu ra Nhưng do yêu cầu chất lượng cao nên bộ lọc dải rất phức tạp Bởi vậy người ta tạo hai phương pháp tạo tín hiệu SSB khác nhau: phương pháp quay pha và phương pháp lọc-pha

Nhưng do hai phương pháp này lại tạo ra một số sản phảm không cần thiết như tần số sóng mang f0 , dải biên thứ hai

Mặt kác hai phương pháp này không thể tạo ra bộ điều chế có chỉ tiêu kỹ thuật cao và ổn định, bởi vậy nó cũng ít được dùng Ngày nay phương pháp tạo tín hiệu SSB đã được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp tổng hợp: tạo tín hiệu SSB bằng các tần số sóng mang khác nhau Đặc biệt là khi bộ lọc thạch anh ra đời thì phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi

F(MHz)fth+5 Fth+5,5 = ftt

fthfth - 0,75fth - 1,75

a) Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc:

Tín hiệu điều chế VΩ và tải tin Vωđược đưa vào bộ điều chế cân bằng Sau bộ điều chế cân bằng ta thu được hai dải biên (DSB) Sau đó dùng bộ lọc dải ta sẽ thu đuợc biên trên hoặc biên dưới như hình 2-4 Nhưng do Ω << ω0 nên ω0 ±Ω rất gần

ω0, vì vậy việc lọc rất khó khăn Ta có tỷ số lọc:

ω0 :tần số sóng mang.

∆: khoảng cách giữa tần số cần lọc và tần số cho qua.

Ta thấy X càng lớn, càng dễ lọc có nghĩa là tần số sóng mang f0 càng gần tần số điều chế Ω càng dễ lọc Trong thực tế ta chọn tần số trung gian nằm trong khoảng (100 ÷ 500MHz) vì ở dải tần số đó ta có bộ lọc thạch anh và bộ lọc cơ điện tốt nhất Sau đó để chuyển fTG lên tần số tải tin f0 ta dùng thêm một vài bộ điều chế cân bằng và bộ lọc dải ở các tần số khác nhau Mỗi lần lọc thì tỷ số X lớn hơn nên dễ thực hiện lọc hơn Phương pháp đó gọi là phương pháp tổng hợp.

Điều chế cân bằng

Bộ lọc dải hẹp

Hình 2.4: Sơ đồ khối và phổ tín hiệu của phương pháp lọc

b) Phương pháp tổng hợp:

Bộ lọc 1 thường là bộ lọc thạch anh hay bộ lọc cơ điện chất lượng cao vì ∆

rất nhỏ Tần số sóng mang thứ 2 có f1>>f0 và ∆ = ω1 + Ωmin khá lớn nên dễ lọc hơn Vì vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản Nếu f2 chưa ở trong dải tần số làm việc thì ta lại dùng tới tần số thứ 2 : dùng bộ điều chế cân bằng 3 Bộ lọc 3 cũng đơn giản như bộ lọc 2 vì ∆ lớn:

∆ = ω1 +ω2 + Ωmin

Cứ thế cho đến khi nào ta đạt được tần số làm việc f0 (tần số tải tin)

c) Phương pháp quay pha:

Nguyên tắc tạo tín hiệu đơn biên bằng phương pháp quay pha được minh họa trên đồ thị vectơ hình 2-6

Tín hiệu âm tần VΩ và dải tin Vωo trước khi đưa vào bộ ĐCCB II được di pha một góc 900 Còn tín hiệu âm tần VΩ và tải tin Vωo được đưa thẳng vào bộ ĐCCB I Tín hiệu ở đầu ra của hai bộ ĐCCB sẽ qua bộ tổng (hoặc hiệu) và ở đầu ra của bộ tổng (hoặc hiệu) là tín hiệu đơn biên SSB như hình 2-7

Phương pháp quay pha được thực hiện ở ngay dải tần số làm việc.

ωΩt = α03

ĐCCB IIDi Pha

Mạch tổngDao động tải

tin

Di Pha 900

Hình 2-7: Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp quay pha

• Ở đầu ra bộ ĐCCB I ta nhận được:

• Ở đầu ra bộ ĐCCB II ta nhận được:

• Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được:

c) Phương pháp lọc và quay pha kết hợp:

V ωoΩI

Dao

Mạch tổng

V'I VIIIVI

dưới 2ĐCCB

IIĐCCB

• Ta chọn tải tin thứ nhất có tần số dao động : để dễ dàng lọc lấy thông dưới

• Ở đầu ra bộ ĐCCB I và II ta nhận được:

• Qua bộ lọc thông dưới 1, 2 ta nhận được:

• Ở đầu ra bộ ĐCCB III và IV ta nhận được:

−+=

• Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được:

Đây là biên tần trên của tín hiệu SSB Nếu ta thay bộ tổng bằng bộ hiệu ta sẽ thu được biên tần dưới Phương pháp không cần dùng mạch quay pha đối với tín hiệu điều chế nên dễ thực hiện hơn.

Phổ của tín hiệu đơn biên và đồ thị vectơ của nó theo phương pháp lọc – quay pha kết hợp được biểu diễn trên hình 2-9.

3 Ví dụ minh họa:

Cho tín hiệu tải tin: V0(t) = 10 cos (6π*106) tVà tín hiệu diều chế: VΩ(t) = 5 cos (3π*104) t.

ft2 ft1 + ft2S(f)

Phổ tín hiệu ra mạch hiệu

Hãy viết biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên ở đầu ra VSSB trong trường hợp dùng phương pháp quay pha và vẽ dạng tín hiệu VSSB đó.

- Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên:

[cos( )t cos( )]

[ cos( )t cos( )]

2VV

CHƯƠNG 2

(FM: Frequency Modulation - PM: Pules Modulation)

I.Quan hệ giữa điều tần và điều pha:

Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ với nhau, nên dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngược lại:

Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế (tín hiệu âm tần).

Tải tin là dao động điều hòa:

V0(t) = V0cos(ω0t +ϕ0) = V0cosϕ(t) (3.2)Từ 3.1 ta có :

( )t ( )t dt ( )t ( )3.3t

Thay (3.3) vào (3.2) ta nhận được biểu thức:

[ (t)dt (t)] (3.4)cos

ω(t) = ω0 + ∆ωcosΩt (3.6)

∆ω: lượng di tần cực đại

ω = (3.1) dψ

dt

Khi đó ta có chỉ số điều tần:

k: hệ số tỷ lệ

( ) . sin t (3.11)

d ∆ϕ =∆ϕΩ Ω=

Như vậy điều khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế, còn lượng di tần khi điều chế tần số chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế mà thôi.

Thay (3.6) và (3.8) vào (3.3) ta nhận được tín hiệu đã điều tần và điều pha như sau:

Ta nhận thấy nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch tích phân, rồi vào mạch điều chế pha thì ở đầu ra ta sẽ nhận được tín hiệu điều chế tần số Ngược lại, nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch vi phân, rồi vào mạch điều chế tần số thì ở đầu ra ta nhận được tín hiệu điều chế pha (hình 3-1)

VFM(t) = V0cos(ω0t +Ω

sinΩt + ϕ0) (3.12)VPM(t) = V0cos(ω0t + ∆ϕcosΩt + ϕ0) (3.13)

mf = k = (3.7) VΩ

∆ω

II.Phổ của dao động điều tần và điều pha:

Công thức (3.12) và (3.13) có thể viết lại như sau với ϕ0 = 0:VFM(t) = V0cos(ω0t + mfsinΩt) (3.14)

VPM(t) = V0cos(ω0t + mpsinΩt) (3.15)

Khi điều chế đơn âm, phổ của tín hiệu điều tần và điều pha chỉ chứa thành phần ω0 và nhiều thành phần tần số biên (ω0 ± nΩ) với n = 1, 2, 3 (được cho trong bảng 2-1) Biên độ của các thành phần tần số biên tỷ lệ với hàm số Bessel loại 1 bậc n như hình (3-2)

Lọc thông thấp

Tách sóng pha

Chia n:1

Dao động thạch anhChia n2

Khuyếch đại

mf J0 Kích thước tần số

J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10 J11 J120.25

0.010.02Bảng hàm Bessel

Hình 3-2:Giá trị hệ số Bessel đối với J0, J1, J2 phụ thuộc mf

0,40,60,81

Từ đồ thị hình 3.2 ta có nhận xét:

- Biên độ hàm Bessel thay đổi trong khoảng: (-1) ÷ (+1).

- Có một số mf = 2,4; 5,5; 8,6; 75… có J0 = 0 Như vậy ta không được chọn mf có các giá trị này vì nó sẽ làm mất thành phần tải tin ω0.

- Với một số m nhất định thì J1,2 = 0.

- n càng cao thì Jn càng giảm và m càng lớn thì Jn cũng càng giảm Về lý thuết n = ∞, nhưng thực tế ta chỉ chú ý đến các thành phần tần số có Jn(mf) > 0,01J0(mf)

Phổ của các hàm Bessel bậc lẻ ngược pha nhau, còn phổ của các hàm bessel bậc chẵn cùng chiều với nhau:

J(2n + 1)(m) = -J-(2n + 1)(m) (3.17)J2n(m) = J-2n(m)

• Khi chỉ tính đến các thành phần có Jn(mf) ≥ 0,01 thì bề rộng dải tần của tín hiệu điều tần chiếm là:

• Khi mf > 1 ta có biểu thức gần đúng

DFM ≈ 2mfΩmax = 2∆ω (3.19)

Như vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc tần số điều chế Ω Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần của nó được xác định gần đúng :

J1 J2

Hình 3-3: Phổ của hàm Bessel

Vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha phụ thuộc tần số điều chế

• Khi mf≤1thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ dải tần Do đó:

DFM ≈ 2Ωmax (3.21)

Trong trường hợp độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều biên, ta gọi là điều tần dải hẹp Ngược lại khi mf,p

>1ta gọi là điều tần dải rộng.

- Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức sau:

Khai triển (3.22) theo chuỗi Bessel ta có h điều tần với tất cả thành phần tần số tổng hợp:

Với µi: là số nguyên hữu tỷ: -∞≤µ≤∞

Khi tần số điều chế thay đổi (Ω biến thiên) thì bề rộng phổ của tín hiệu điều tần không thay đổi nhưng số vạch phổ thay đổi theo Ω Ngược lại, khi tần số điều chế thay đổi thì bề rộng phổ của tín hiệu điều pha thay đổi, nhưng số vạch phổ không thay đổi.

Hình 3-4 minh họa sự khác nhau về bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu điều tần và điều pha.

ω0 + ΣµiΩi (3.23) m

i = 1

III.Mạch điều tần và điều pha:

Về nguyên tắc có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp cà mạch điều tần trực tiếp, cũng như mạch điều pha gián tiếp và mạch điều pha trực tiếp Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha (hình 3-1a) và ngược lại điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần (hình 3-1b) Như vậy ta chỉ cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và mạch điều pha trực tiếp, rồi dựa vào sơ đồ khối trên hình 3-1 suy ra được điều tần gián tiếp và điều pha gián tiếp.

Xét phổ âm thanh của người, ta thấy thực tế ở tần số cao biên độ âm bị giảm nhỏ Do đó ở tần số cao độ di tần nhỏ vì

∆ω = kVΩ nghĩa là tín hiệu điều tần bị méo.

RR