Ch-ơng Tín hiệu hệ thống điện tử 1.1 Kh¸i niƯm chung vỊ tÝn hiƯu TÝn hiƯu lµ biĨu hiƯn vËt lý cđa tin tøc Trong kü thuật điện tử , tin tức đ-ợc biến đổi thành dao động điện từ điện từ Nh- nói cách khác tín hiệu dao động điện- tõ cã chøa tin tøc VÝ dô mirco biÕn đổi tiếng nói thành dòng điện gần nh- liên tục theo thời gian ,gọi tín hiệu âmm tần Tín hiệu điện từ sơ khai vừa nói ta gọi chung tín hiệu sơ cấp Khi nghiên cøu tÝn hiƯu ng-êi ta th-êng biĨu diƠn nã lµ hàm biến thời gian biến tần số Tuy nhiên biểu diễn tín hiệu ( điện áp dòng điện ) hàm biến thời gian thuận lợi thông dụng Nếu ta biểu diễn tín hiệu hàm s(t), t biến thời gian tín hiệu tuần hoàn không tuần hoàn s(t) = s( t + nT);n=0,1,2 (1.1.) Khi s(t) thoả mÃn điều kiện (1.1) thời điểm t s(t) tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T ( T nhận giá trị nhỏ nhất) Nếu không tìm đ-ợc giá trị hữu hạn T thoả mÃn (1.1) tức T tiến tới vô ( T) s(t) u(t) tín hiệu không tuần hoàn Trong tín hiệu tuần hoàn Um thông dụng tín hiệu có dạng t T hình sin (dao động điều hoà ) nh- hình 1.1.Dao động đ-ợc biểu Hình 1.1 Điện áp hình sin diễn hàm điều hoà: u a) u b) u (t) =Um sin(t + ) (1.2) u Um , c) d) t-ơng ứng biên độ, tần số góc pha ban t t đầu tín hiệu Với Hình 1.2.Các dạng xung thông dụng cách biểu diễn tín hiệu hàm thời gian , tín hiệu đ-ợc chia thành dạng dạng liên tục ( hay t-ơng tự analog) dạng rời rạc ( hay tín hiệu xung -digital) Trong thực tế th-ờng sử dụng dạng xung nh- hình 1.2 : a)xung vuông ,b) xung c-a, c) xung nhọn đầu, d)xung hình thang 1.2 Một số thông số đặc tính tín hiệu 1.2.1 Phỉ cđa tÝn hiƯu Mét tÝn hiƯu liªn tục nh- rời rạc th-ờng gồm nhiều thành phần tÇn sè u t t VÝ dơ nh- tiÕng nói ng-ời dao động phức tạp, gồm tần số âm thành phần hài có biên độ pha khác Tần số tiếng nói nằm khoảng 80 1200 Hz giọng nói định Để t×m hiĨu tÝn hiƯu, ng-êi ta th-êng biĨu diƠn sù phụ thuộc biên độ pha tín hiệu vào tần số đồ thị Đồ thị gọi t-ơng ứng phổ biên độ phổ pha tín hiệu a.Phổ tín hiệu tuần hoàn Nếu tín hiệu s(t) tuần hoàn với chu kỳ T thoả m·n ®iỊu kiƯn: s(t) dt (1.1) phân tích thành tổng vô số dao động điều hoà (công cụ toán) chuỗi Fourrier d¹ng: s(t) A (a k cos k1t b k sin k1 t ) k 1 (1.2) Ao Ak cos ( k1 t k ) k 1 hay s(t ) C K e jk1t k (1.2)’ Trong ®ã: 2T s(t ) cos k1dt T0 2T b k s( t ) sin k1dt T0 bk AK a b ; k arc tg k k ak A0 T s( t ) dt ; T ak (1.3) 2π - Tần số góc sóng k = 1,2,3,4 T AK,K -t-ơng ứng biên độ pha sóng hài bậc k Chuỗi (1.2) gọi chuỗi Fourrie.Nó biểu diễn d-ới dạng phức nh- (1.2) Chó ý lµ ,theo (1.3) : nÕu s(t) lµ hµm chẵn bk , s(t) hàm lẻ ak Trong (1.2)’ th× C C k e j k gọi biên độ phức (Chữ CK có dấu chấm phía trên) sóng hài bậc k , đ-ợc xác định theo biểu thức (1.3) (1.3): T jk ω t Ck dt s( t )e T T 10 (1.3)’ Nh- dao động tuần hoàn phân tích thành tổng vô số dao động điều hoà với tần số 1-là tần số bội k1 , gọi sóng hài bậc k với biên độ AK góc pha đầu K Đồ thị biên độ Ak(k) cho ta phổ biên độ;đồ thị Argument Ak -tức 1 1 1 1 1 1 k (k) cho ta phỉ pha cđa tÝn hiƯu.Trong kü tht ng-êi ta th-ờng quan tâm đến phổ biên độ Ví dụ xét phổ dÃy xung vuông tuần hoàn vô hạn hình 1.3.a.DÃy xung điện áp u(t) có chu kỳ lặp T=5 S ,độ rộng xung tX=1 S, ®é h cao cđa xung lµ 25 Von.Ta cã thĨ tìm phổ tín hiệu theo công thức (1.3) (1.3) Tín hiệu nàycó dạng hàm toán học không chẵn không lẻ nên tiện dùng công thức (1.3) Tần số : 2 1,25664.10 rad / s 256 640 rad / s; f1 200 000 Hz T 5.10 2 t U e jk1t t X U e jk1t X 1T X jk1 t jk t dt C k u ( t )e U e dt T jk T jk T0 T 1 jk1 t X U0 1 e T jk1 k1 t X k t j X 2 U (e e j jk1 T 2U T sin k1 t X k t j X jk1 t X U e (1 e )e T jk1 k t k t k t k t j X j X j X j X 2 )e 2U (e e )e T j k1 j k1t X k t j X e k1 C«ng thøc chung cho phổ đ-ợc viết dạng tổng (1 2).Theo công thức vừa nhận đ-ợc ta có phổ biên độ C k K k1 2U sin( k1 tX ) ;phỉ pha lµ tX Ta quan tâm đến phổ biên độ : Tk1 11 Theo công thức(1.3) : s(t ) C k e jk1t C k e jk e jk1t C k e j( k1t k ) k k k BiĨu thøc nµy triĨn khai theo công thức Ơle với k=0, , , ta thấy phần hàm sin bị triệt tiêu,chỉ phần hàm cosin có biên độ gấp lần nên CK: A0=C0, A1=2C1, A2=2C2 Ak=2Ck Thành phần C0 (ứng với k=0)phải đ-ợc tính đ-a hàm dạng hàm sin x : x 0 x lim C0 2U sin k1 Tk1 tX t sin k1 X U t 2U t X 2U t X X t T T k0 T k1 X Khi k≠0 biÓu thøc đ-ợc tính : Ck U 2U 2U t t 2 t X sin( k1 X ) sin( k ) sin( k X ) 2 Tk1 T k T Tk T Theo sè C 25.0,2 5; C k liệu cho 7,958 sin(0,2k) k tX/T=1/5=0,2 nên Kết phổ biên độ bảng 1.1 Bảng 1.1 K 10 C k 4,677 3,784 2,223 1,169 -0,779 -1,081 0,946 0,519 Ak 9,354 7,568 4,443 2,238 -1,558 -2,162 1,892 1,038 IAkI 9,354 7,568 4,443 2,238 1,558 2,162 1,892 1,038 Hình 1.3b phổ biên độ tín hiệu tuần hoàn trên.Chúng gồm vạch phổ biên độ theo trục tung nên ng-ời ta gọi phổ vạch phổ tuyến tính.Từ ta thấy với sóng hài bậc cao biên độ giảm b.Phổ tín hiệu không tuần hoàn Khi tín hiệu s(t) không tuần hoàn ng-ời ta biểu diễn tích phân Fourrier nh- sau: s(t)= j t S( j)e d Trong hàm S (j) đ-ợc xác định: 12 (1.4) S (j ω ) s(t) e j ω t dt (1.5) Ta xÐt ý nghÜa cña hµm S (j): BiĨu thøc (1.4) cho ta thÊy tÝn hiệu s(t) đ-ợc trình bày nh- tổng vô số dao động diều hoà (vì ejt =cost+j sin t) với biên độ phức vô bé : dA S( j)d 2 (1.6) d A 2π d ω (1.7) Tõ (1.6) ta ®-ỵc: S ( jω ) Quan hƯ (1.7) cho thấy S (j) mật độ biên độ phức Đồ thị modun Argument s(t) h cđa S (j) cho ta t-¬ng øng phỉ biên độ phổ pha tín hiệu Ví dụ,tìm phổ xung vuông hình 1.4a có thời gian tồn từ đến tX với độ cao h j tX e jt x e jt S( j) he dt h h2 j S() a) tX t b) 2 tx Hình 1.4 a) xung vuông b) dạng phỉ cđa nã t x e j j t x e j t x t x t x e j t x t sin x j t x e SX t x t 2h x sin Trong S=h.tx diện tích xung t sin x có dạng hình 1.4.b Phổ biên độ lµ hµm I S(j)I = S t x Nh- phổ biên độ cho ta hình ảnh phân bố biên độ theo tần số ,tức sợ phân bố l-ợng tín hiệu theo tần số 1.2.2 Một số đặc tính tín hiệu a)Trị số trung bình tín hiệu Khi truyền tín hiệu đ-ờng truyền thời gian tồn tín hiệu 13 thời gian kênh thông tin bị chiếm dụng Nếu tín hiệu s(t) tồn khoảng thời gian từ t1 đến t2 trị số trung bình tín hiệu đ-ợc tính theo công thức: t s(t)Tb= s ( t ) dt t t1 t (1.8) b)Năng l-ợng, công suất trị hiệu dụng tín hiệu Năng l-ợng Ws tín hiệu s(t) tồn khoảng thời gian từ t1 đến t2 đ-ợc xác định nh- sau : t2 WS = s ( t ) dt (1.9) t1 Công suất trung bình Ptb tính theo c«ng thøc : Ptb = t2 t1 t2 WS s ( t ) dt t t t1 (1.10) TrÞ sè hiƯu dụng Shd tín hiệu xác định theo biểu thức Shd = t2 t1 t2 s ( t ) dt (1.11) t1 c) Dải động tín hiệu Dải động tín hiệu đặc tr-ng cho mức c-ờng độ tín hiệu tác động lên thiết bị Nó tỷ số trị số cực đại cực tiểu công suất tín hiệu tính dexibel(dª-xi-ben - db): Ddb = 10 lg S (t ) max S (t ) = 20 lg S (t ) max S (t ) [db] (1.12) 1.3 Các hệ thống điện tử thông dụng Ngày khó tìm thấy lĩnh vực hoạt động ng-ời mà tham gia trực tiếp gián tiếp thiết bị ®iƯn tư Mét hƯ thèng ®iƯn tư nh- vËy ®-ỵc thiết kế để giải nhiều chức nhtruyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực tính toán, đo đạc, điều khiển tự động vv Có thể dựa vào đặc điểm chung để phân chia hệ thống điện tử thành hai dạng : - Hệ thống hở, thông tin truyền ®i theo mét chiỊu nhÊt ®Þnh - HƯ thèng kín ng-ợc lại, thông tin truyền theo hai chiều chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt thông tin truyền theo chiều ng-ợc có vai trò định đ-a hệ thống kín đến trạng thái làm việc tối -u Theo chức xư lý tÝn hiƯu ta cã thĨ chia c¸c hƯ thống điện tử thành ba loại nh- sau : 1.3.1.Hệ thống thông tin quảng bá 14 Nguồn tin Bộ biến đổi Điều chế Kh.đại phát Dao động sóng mang Máy phát Môi tr-ờng truyền tin Nhiễu Đây hệ thống kinh điển, kể từ thủa sơ khai kỹ thuật điện tử giữ nguyên giá trị , đ-ợc tiếp tục phát triển để phục vụ ng-ời trao đổi tin tức, số liệu, hình ảnh Ngày ta thấy nối mạng thông tin viễn thông, mạng internet toàn cầu để phục vụ trao đổi l-ợng thông tin khổng lồ lĩnh vực trị, đời sống văn hoá, kinh tế, nghiên cứu khoa học, quân Hình 1.5 sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quảng bá Nguồn tin tức (mệnh lệnh, ca, hình ảnh ) qua thiết bị biến đổi đ-ợc biến đổi thành tín hiệu điện tần số thấp Ta gọi tín hiệu tín hiệu sơ cấp Muốn truyền đ-ợc tín hiệu sơ cấp cần phải có đối t-ợng truyền Trong kỹ thuật vô tuyến điện đối t-ợng dao độngđiều hoà có có tần số cao làm nhiệm vụ tải tin nên gọi dao động tải tin sóng mang fo Muốn sóng mang tải đ-ợc tín hiệu sơ cấp cần phải trộn tín hiệu sơ cấp vào tải tin Quá trình trộn, tức trình cho tín hiệu sơ cấp tác động vào tham số tải tin, bắt tham số phải biến thiên theo quy luật Mạch vào Máy thu Kh.đại cao tần Nhận tin Tách sóng Kh.đại trung tần Trộn tần Dao động ngoại sai Biến tần Hình 1.5.Sơ đồ khối hệ thống thông tin quảng bá tín hiệu sơ cấp,gọi trình điều chế(modulation) Sản phẩm trình điều chế dao động cao tần biến điệu theo dạng tín hiệu sơ cấp,gọi tín hiệu đà đ-ợc điều chế tín hiệu vô tuyến điện(tín hiệu VTĐ) Tín hiệu đ-ợc khuếch đại cho đủ lớn để phát vào môi tr-ờng truyền tin Môi tr-ờng không gian thông tin vô tuyến điện, môi tr-ờng đ-ờng dây - thông tin hữu tuyến điện môi tr-ờng truyền tin tín hiệu có dao động điện từ khác ta gọi chung nhiễu Tại máy thu tín hiệu cần thu có tần số tín hiệu hữu ích fth từ ăng ten đ-ờng dây đ-a đến mạch vào để loại bớt nhiễu vào khuếch đại cao tần Khuếch đại cao tần khuếch đại khoảng d-ới chục lần đ-a vào 15 trộn để trộn với dao động nội tần số fng ( gọi dao động ngoại sai), để lÊy tÇn sè trung gian (trung tÇn ftt - th-êng ftt = fng - fth ).TÇn sè trung tÇn tần số cố định nên tần số cần thu fth thay đổi tần số ngoại sai fng phải thay đổi theo Bộ trộn dao động ngoại sai lập thành biến tần hay đổi tần.Vì dải tần số trung tần cố định nên khuếch đại trung tần dễ dàng thực với hệ số khuếch đại lớn, độ chọn lọc (lọc nhiễu) cao.Nh- phải diễn trình đồng thời hiệu chỉnh tần số mạch vào , mạch khuếch đại cao tần mạch dao động ngoại sai,goi tất đồng chỉnh Trên sơ đồ khối ng-ời ta biểu diễn đồng chỉnh đ-ờng đứt nét Sau khuếch đại trung tần tín hiệu đ-ợc tách sóng (giải điều chế -demodulation), tức trình ng-ợc lại với trình điều chế để nhận đ-ợc tín hiệu sơ cấp.Tín hiệu đ-ợc khuếch đ-a đến nhận tin Toàn thiết bị nằm đ-ờng truyền từ nguồn tin đến nơi nhận tin lập thành kênh thông tin.Kênh thông tin chiêù hai chiều,có thể h-ũ tuyến vô tuyến kết hợp vô-hữu tuyến Hệ hthống thông tin quảng bá xây dựng theo sơ đồ khối hình1.5 có đặc điểm sau: -Đặc ®iĨm thø nhÊt : ®ã lµ hƯ thèng hë,tÝn hiƯu từ nơi nhận tin tác động trở lại nơi phát tin Chất l-ợng truyền tin có trung thực, xác hay không nơi phát nhận biết đ-ợc Để nâng cao chất l-ợng truyền tin cần nâng cao chất l-ợng thiết bị thu thiết bị phát độc lập - Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn máy phát trình tách sóng máy thu hai trình ng-ợc nhằm tạo tín hiệu vô tuyến tách tin tức từ tín hiệu vô tuyến -Đặc điểm thứ ba là: môi tr-ờng 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 l-ợng thông tin vấn đề quan trọng -Đặc điểm thứ t- là: phải giải vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với loại kênh thông tin Đó vấn đề cần đ-ợc lựa chọn tối -u :vấn đề dạng điều chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách môi tr-ờng truyền tin, chất l-ợng máy thu ,giá thành sản phẩm 1.3.2.Hệ thống đo l-ờng điện tử: Đại đa số đại l-ợng vật lý cần đo ngành kỹ thuật ( đo nhiƯt ®é, ®é Èm, tèc ®é chun ®éng vËt thĨ, tốc độ vòng quay, nồng độ hạt, nồng độ dung dịch,theo dõi nhịp tim ) ngày th-ờng thiết bị đo điện tử Sơ đồ khối rút gọn thiết bị đo điện tử có dạng nh- hình 1.6 Bộ biến đổi đầu vào(các Đại l-ợng Bộ biến Gia công Thiết bị cảm nhận-còn cần đođổi đầu vào tín hiệu hiển thị gọi senser hay nguồn tin datchic) có nhiệm vụ biến Hình 1.6 Sơ đồ khèi hƯ thèng ®o l-êng ®iƯn tư ®ỉi tham sè 16 đại l-ợng vật lý cần đo dạng tín hiệu điện Tín hiệu mang thông tin đại l-ợng vật lý đ-ợc gia công xử lý để kích thích cho thiết bị thị Trong thiết bị đo ngày ta thấy lên đặc ®iĨm sau : Thø nhÊt: Sù can thiƯp bÊt kú thiết bị đo vào đối t-ợng cần đo làm cho đối t-ợng cần đo không đứng cô lập với thông số thực cần biết nữa, nghĩa đà có sai lệch thông tin tự nhiên thiết bị đo làm biến đổi thông số đối t-ợng Thứ hai: Mọi cố gắng tăng độ xác phép đo th-ờng làm tăng tính phức tạp, giá thành thiết bị; đồng thời có nguyên nhân sai số cần đ-ợc quan tâm Bộ biến đổi đầu vào ( sensor hay datchic ) khâu định độ nhạy, độ xác phép đo Thứ ba: Thiết bị đo xây dựng theo nguyên tắc t-ơng tự (analog) số (digital) tuỳ theo yêu cầu mức xác Các thiết bị đo l-ờng số có độ xác cao cho phép nối ghép trực tiếp thiết bị đo với hệ thống xử lý số liệu l-u giữ thông tin Với loại nguyên tắc nêu áp dụng hai ph-ơng pháp: đo trực tiếp ( trực tiếp biến đổi đại l-ợng cần đo để khôi phục giá trị đo từ thông số đầu vào ) gián tiếp cách so sánh với mẫu chuẩn máy đo Thứ t-: Trong thực tế th-ờng phải đo lúc nhiều thông số trình, cần có nhiều cảm biến đầu vào t-ơng ứng làm việc chung với kênh xử lý, gia công thông tin thu đ-ợc từ khối thị nhờ điều khiển để phân chia kênh điều chỉnh tốc độ đo Ngày nhiều máy đo ng-ời ta sử dụng vi xử lý trung tâm với ch-ơng trình đà đ-ợc cài đặt sẵn để tự động thực phép đo 1.3.3.Hệ thống tự động điều chỉnh tự động ổn định Đây hệ thống kín đ-ợc sử dụng rộng rÃi hệ tự động điều chỉnh vài thông số trình làm việc có đ-ờng tín hiệu ng-ợc phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh Ví dụ xét sơ đồ khối hệ tự động khống chế nhiệt độ nh- hình 1.7 Nhiệt độ đối t-ợng cần theo dõi ( ví dụ nh- lò nung ) đ-ợc biến đổi thành tín hiệu điện Ux thông qua biến đổi đ-ợc so sánh với giá trị chuẩn Đối t-ợng t x cần khống chế Cơ cấu chấp hành Bộ biến đổi t0x Ux Khuếch đại sai lệch Bộ so sánh Uchuẩn Tạo tín hiệu chuẩn Hiển thị kết U = Ux - Uchuẩn Hình 1.7 Sơ ®å khèi cđa mét hƯ tù ®éng khèng chª ®èi t-ợng đo Uch (ứng với mức nhiệt độ định) Tại so sánh , hai tín hiệu Ux Uch đ-ợc so sánh mức nhiệt độ định) Tại so sánh , hai tín hiệu Ux Uch đ-ợc so sánh với kết quả: 17 -Nếu độ sai lệch đối t-ợng trạng thái chuẩn nên không cần điều chỉnh, nghĩa nhánh phản hồi không hoạt động ( nhiệt độ đo nhiệt độ chuẩn) -Nếu độ sai lệch khác0và có giá trị d-ơng tøc lµ U = Ux - Uch > ( tức t x >t0ch , nhiệt độ đo lớn nhiệt độ chuẩn) sai lệch U đ-ợc khuếch đại tác động vào cấu chấp hành điều chỉnh t0x theo h-ớng giảm để đạt đ-ợc U = - Nếu độ sai lệch có giá trị ©m, tøc lµ U = Ux - Uch < trình diễn ng-ợc lại Qua ví dụ ta thấy hệ thống điện tử tự động điều chỉnh có đặc điểm sau: Thứ nhất:luôn xảy trình thông tin hai chiều với tham gia nhiều vòng phản hồi để liên tục theo dõi đối t-ợng nhằm ổn định vài thông số vùng hạn định Thứ hai: Mức độ xác trình phụ thuộc vào biến đổi, so sánh, độ xác nguồn tín hiệu chuẩn nh- cấu chấp hành Nhvậy hệ thống phản hồi định chất l-ợng hệ thống Thứ ba: Việc ®iỊu chØnh cã thĨ diƠn liªn tơc ( analog) gián đoạn theo thời gian (digital) để đạt đ-ợc giá trị trung bình mong muốn Ph-ơng pháp digital tỏ có nhiều -u điểm ph-ơng pháp analog 1.4.Các dạng tín hiệu điều chế Nh- phần đà nêu, hệ thống thông tin quảng bá cần có trình điều chế Không hệ thông tin vô tuyến điện cần có điều chế mà hệ máy đo l-ờng, hệ tự động điều chỉnh cần điều chế tín hiệu.ở ta xét sơ l-ợc dạng tín hiệu điều chế.Dùng tín hiệu sơ cấp (ký hiệu u(t) ) ®Ĩ ®iỊu chÕ sãng mang u0(t)=U0m cos(0t+0) lµ dao ®éng điều hoà tần số cao.Sóng mang có ba tham số biên độ U0m,tần số 0=2f0 góc pha đầu , nên có ba cách điều chế điều chế biên độ, điều chế tần số điều chế pha, cho t-ơng ứng ba tín hiệu tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần tín hiệu điều pha 1.4.1 Tín hiệu điều biên AM(Amplitude Modulation) Để có đ-ợc tín hiệu điều chế biên độ(gọi tắt tín hiệu điều biên) ta cho tín hiệu sơ cấp u(t) tác động lên biên độ sóng mang u0(t), bắt biên độ sóng mang biến thiên theo quy luật hàm sơ cấp u(t) a.Điều biên đơn âm Đầu tiên xé tr-ờng hợp đơn giản ta với tín hiệu sơ cấp u(t) dao động hình sin đơn âm (là tần số âm thanh) xÐt víi chu kú tån t¹i cđa nã nh- đồ thị hình 1.8a (1.13) u(t)=Umcos (t+)= Umcos (2Ft+) Dao động sóng mang ( hình 1.8b) : (1.14) u0(t) = U0m cos (ot + 0 ) = Uom cos(2f0 + ) 18 Cuối cần nhấn mạnh thêm đặc điểm quan trọng tín hiệu điều chế : tín hiệu điều biên công suất phụ thuộc vào độ sâu điều chế, tín hiệu điều tần độ sâu điều chế không định công suất Nghĩa tín hiệu điều tần có điều chế cực đại điều chế công suất nh- nhau.Tuy nhiên có phân bố lại l-ợng thành phần tần số trình điều chế 1.5.phân loại sóng vô tuyến điện theo tần số đặc điểm trình truyền sóng 1.5.1.Phân loại sóng vô tuyến điện Tín hiệu vô tuyến đ-ợc phân loại nh- 1.2 Bảng phân loại sóng vô tuyến điện Bảng 1.2 Số Dải Sóng B-ớc Tần số Lĩnh vực sóng TT Tên Tên f ứng dụng chung riêng Sóng siêu dài Sóng dµi (10010)K m 10km 1km 30 Khz 30 300Khz Sãng trung (MW) Sãng trung 1km100m 300khz3 Mhz Sãng ng¾n (SW ) Sãng ng¾n 100m 10m 30 Mhz Sãng dµi (LW) Sóng cực ngắn (SCN) Sóng met Sóng đêximet Sóng centimet Sãng milimet 10 1m 1m 1dm 10 1cm 10 1mm Thông tin , phát , vô tuyến định vị Thông tin liên lạc,phát Phát FM, thông tin liên lạc , Ra đa, truyền hình ,VT định vị 30 300Mhz 300Mhz3 Ghz 30 Ghz NhiỊu miỊn øng dơng 30300 Ghz Sãng v« tuyến điện dao động điện từ đ-ợc truyền không gian với tốc độ ánh sáng (C = 3.108m/s) Sóng vô tuyến đ-ợc xạ từ đài phát sóng cao tần Ng-ời ta th-ờng phân loại sóng vô tuyến theo b-ớc sóng (hoặc tần 22 số ) sóng mang B-ớc sóng khoảng cách mà sóng đ-ợc khoảng thời gian mét chu kú cđa dao ®éng B-íc sãng th-êng tính mét, centimet, milimet Tần số sóng đ-ợc tÝnh b»ng Hz, Khz = 103 Hz, Mhz = 106 Hz, Ghz =109 Hz , Thz = 1012 Hz §é dài b-ớc sóng tần số liên hệ với theo c«ng thøc: [m] = 300 000 000 300 f [ hz] f [ Mhz] (1.21) Sãng v« tuyến nằm dải tần số khác có đặc điểm khác đ-ợc ứng dụng với mục đích khác 1.5.2.Cấu tạo môi tr-ờng truyền sóng Môi tr-ờng truyền sóng không gian bao quanh trái đất, tức bầu khí trái đất Lớp khí có độ cao tính từ mặt đất khoảng 2000 3000km, chứa hỗn hợp khí chủ yếu Nitơ, hyđrô, ôxy n-ớc Khí đ-ợc chia thành nhiều tầng, tầng ảnh h-ởng đến trình truyền sóng khác nhau.Các tầng theo thứ tự là: Tầng đối l-u: Là tầng khí thấp có chứa đủ thành phần khí nêu Tầng có độ cao từ 10 18km Tầng bình l-u: Tầng bình l-u nằm tầng đối l-u, thành phần chủ yếu n-ớc hầu nh- không ảnh h-ởng đến trình truyền sóng vô tuyến điện Tầng điện ly: Tầng điện ly nằm tầng bình l-u đóng vai trò định việc truyền sóng vô tuyến điện, đặc biệt với sóng trung sóng ngắn Do tác dụng tia mặt trời, tia vũ trụ, chất khí bị ion hoá làm xuất hạt điện tích d-ơng âm Tuỳ theo mật độ hạt mang điện mà ng-ời ta chia tầng điện ly làm nhiều lớp: Lớp D lớp thấp có độ cao khoảng 90km, lớp xuất ban ngày c-ờng độ tia mặt trời mạnh Lớp E độ cao 130km Lớp F độ cao 130km Vào ban ngày mùa hè c-ờng độ tia mặt trời mạnh nên lớp F lại chia thành hai lớp F1 F2 Lớp F1 độ cao kho¶ng 200 km, F2 - 400 km Tõ líp D đến lớp F mật độ hạt mang điện tăng dần Các tầng khí nằm tầng điện ly có mật độ loÃng nên hầu nhkhông ảnh h-ởng đến trình truyền sóng vô tuyến điện 1.5.3.Các ph-ơng pháp truyền sóng Hình 1.12 mô tả sơ l-ợc ph-ơng pháp truyền sóng -Đ-ờng sóng đất, sóng lan truyền sát bề mặt trái đất -Đ-ờng truyền trực tiếp, sóng truyền thẳng theo đ-ờng chim bay từ trạm phát đến trạm thu -Đ-ờng truyền qua tầng điện ly, sóng truyền nhờ t-ợng phản xạ nhiều lần theo đ-ờng khác tầng điện ly mặt đất -Đ-ờng đ-ờng truyền qua vệ tinh viễn thông 23 +Sóng dài bị mặt đất hấp thụ có khả uốn cong theo hình dáng bề mặt trái đất, ng-ời ta th-ờng dùng sóng đất để truyền sóng dài.Đặc biệt vùng hàn đới, ôn đới việc truyền sóng đất ổn định nên dùng cho mục đích thông tin, phát Sóng truyền xa tíi 3000km Tuy lit e Sa te l Sa tel lite 4 3 Comm Tower Satellite dish Comm Tower Mặt trái đất Hình1.12.Các dạng đ-ờng truyền sóng Satellite dish Comm Tower nhiên nh-ợc điểm cách truyền sóng công suất phải lớn, ăng ten thuphát phải cao + Sóng trung truyền theo hai cách: Hoặc sóng đất sóng điện ly ( gọi sóng trời ) Ban ngày sóng trung đ-ợc truyền sóng đất, b-ớc sóng dài khoảng cách truyền xa ( truyền đạt tơí 3000km) Ban ngày không truyền theo sóng điện ly tồn lớp D có khả hấp thụ sóng trung mạnh, b-ớc sóng dài hấp thụ sóng tăng Ban đêm lớp D nên sóng trung truyền sóng đất sóng trời Sóng điện ly có cự ly truyền lớn nên đêm sóng trung có khả truyền xa + Sóng ngắn đ-ợc truyền chủ yếu sóng điện ly Nếu chọn b-ớc sóng thích hợp sóng phản xạ từ tầng điện ly, phần bị tầng điện ly hấp thụ không đáng kể nên sóng phản xạ nhiều lần tầng điện ly bề mặt trái đất Do vậy, ta thực đ-ợc thông tin hai điểm trái đất nÕu ta chän b-íc sãng thÝch hỵp B-íc sãng thÝch hợp b-ớc sóng nhỏ b-ớc sóng giới hạn gh ( < gh) NÕu chän b-íc sãng lín b-ớc sóng giới hạn phản xạ từ tầng điện ly, chọn lớn nhiều sóng không phản xạ từ tầng điện ly B-ớc sóng giới hạn gh phụ thuộc vào mật độ hạt mang điện tầng điện ly, b-ớc sóng giới hạn biến đổi theo mùa, ngày đêm Th-ờng ban ngày truyền sóng có b-ớc sóng nằm khoảng 1025 m, ban đêm 35 50 m tốt Do sóng điện ly từ điểm phát đến điểm thu phản xạ theo nhiều đ-ờng khác nên pha sóng đến điểm thu khác Nếu sóng ng-ợc pha chúng triệt tiêu làm cho biên độ giảm, chúng đồng pha biên độ tăng Do biên độ tín hiệu thu đ-ợc lúc tăng lúc giảm cách 24 ngẫu nhiên Hiện t-ợng ng-ời ta gọi t-ợng pha đinh Hiện t-ợng pha đinh nh-ợc điểm sóng điện ly + Sóng cực ngắn không phản xạ từ tầng điện ly mà không uốn cong theo bề mặt trái đất nên truyền thẳng Nghĩa điểm thu điểm phát (đỉnh ăng ten ) phải nhìn thấy Vì mặt trái đất cong nên thực tế thông tin thực đ-ợc cự ly 50 60 Km Muốn truyền đ-ợc xa phải chuyển tiếp trung gian qua trạm mặt đất vệ tinh địa tĩnh 1.6 Sơ l-ợc lọc tần số : Khi phân tích loại tín hiệu ta thấy có loại phổ gồm hữu hạn thành phần tần số (ví dụ tín hiệu điều biên AM) có loại phổ vô số thành phần tần số nh-ng l-ợng chủ yếu tập trung dải tần số hạn hẹp (ví dụ tín hiệu điều tần FM) Một công việc quan trọng trình xử lý tín hiệu máy điện tử lọc lấy tần số hữu ích, loại bỏ tần số có hại Chức đ-ợc thực mạch lọc điện hay đơn giản gọi mạch lọc 1.6.1 Khung cộng h-ởng đơn a.Khung cộng h-ởng nối tiếp Một mạch lọc đơn giản khung cộng h-ởng đơn gồm điện cảm L, điện dung C điện trở R nh- hình 1.13a.Vì mạch lọc phức tạp th-ờng đ-ợc xây dựng từ mạch đơn giản nên ta xét trình vật lý diễn Trong hầu hết tr-ờng hợp điện trở R th-ờng không mắc vào mạch mà điện trở tổn hao mạch bao gồm điện trở tổn hao cuộn cảm L, chất điện môi tụ C dây nối Đầu tiên ta xét khung cộng h-ởng LC lý t-ởng không tổn hao (R=0 ) hình 1.13b Giả sử tr-ớc đóng khoá K l-ợng đ-ợc nạp cho tụ C (ở dạng điện tr-ờng ) điện áp UCmax , tức l-ợng điện tr-ờng tích tơ C lµ U2 max WE = C 2 Khi khoá K bật vị L + trí tụ C bắt đầu phóng L E _ C R điện sang điện cảm L, điện C cảm L nạp điện d-ới dạng từ tr-ờng dòng điện iL tăng dần Dòng đạt Hình 1.13 a)Khung cộng h-ởng có tổn hao giá trị cực đại Ilmaxđúng vµo b)Khung céng h-ëng lý t-ëng lóc tơ C võa phóng hết, nghĩa toàn l-ợng tụ C đ-ợc chuyển sang điện cảm L Năng l-ợng từ I2 tr-ờng điện cảm lúc cực đại có giá trị : WL = L max Tiếp tới điện cảm phóng điện dòng iL giảm dần tụ C có điện áp Ucmax nh-ng có dấu ng-ợc với dấu khởi đầu Quá trình phóng nạp qua lại 25 tụ điện điện cảm diễn theo quy trình xác định,đặc tr-ng ph-ơng trình vi phân sau : d2u c uc d2u c (1.22) hay ru c LC dt dt (1.22) ph-ơng trình dao động điều hoà Nghiệm có d¹ng : (1.23) uC (t) = U Cmcos 2fr t T-ơng tự ta tìm đ-ợc quy luật biến thiên dòng điện: (1.24) iL(t) = Ilmsin2fr t UCm, ILm biên độ điện áp uc(t) dòng điện iC(t)=iL(t) uC(t) Đồ thị biểu diễn độ biến thiên uc ic điện áp (1.23) dòng điện (1.24) iC(t) t hình 1.14 Tần số fr (1.23)và (1.24) tần số cộng h-ởng Hình 1.14.Điện áp dòng diện hình sin khung dao động LC Nghịch đảo fr chu kỳ T dao động, thời gian từ lúc bắt đầu phóng lúc nạp lại giá trị ban đầu điện dung điện cảm Nh- chu kỳ T tần số fr (r=2fr) có quan hệ đơn trị với L C Trị số đ-ợc xác định từ trị số modun trở kháng điện dung điện cảm, tức : 1 ωr L nªn r= [rad/s] ; fr = [1/s=hz] (1.25) ωr C LC 2 LC Sù biÕn thiªn trở kháng XL= Lvà XC = có dạng nh- hình C 1.15 XP k = XL - XC thành phần phản kháng khung cộng h-ởng Khi tần số nhỏ tần số cộng h-ởng r mạch mang tính dung kháng, lớn tần số cộng h-ởng mạch mang tính cảm kháng Với khung cộng h-ởng thông số r, fr, T đặc tr-ng thông số quan trọng sau đây: - Trở kháng sóng tỷ số điện áp C dòng điện qua L,tìm từ trị số XL l-ợng cực đại đ-ợc nạp L C : I2 U 2Cm Lm WE=C 2 L (1.26) C Tr-ờng hợp vừa xét tr-ờng hợp mạch điện kh«ng cã tỉn hao WM=L 26 Xpk r XC Hình1.15.Trở kháng L C (r = 0), dao động kéo dài vô tận Trong mạch thực có điện trở tổn hao r , dao động tắt dần tắt nhanh trị số r lớn Đối với khung cộng h-ởng cã ®iƯn trë tỉn hao r 0,ng-êi ta ®-a kh¸i niƯm hƯ sèphÈm chÊt Q: Q= ρ r (1.27) Có thể chứng minh lúc dòng điện mạch biến thiên theo quy luật hình sin tắt dÇn : t Q T sin2f t r (1.28) iL(t) = ILm e Quan hÖ (1.28) cã đồ thị thời gian hình 1.16 QT τ k (1.28) gäi lµ h»ng sè thêi gian khung cộng h-ởng k Tỷ số đ-ợc xác định khoảng thời gian mà biên độ dòng điện giảm e lần so với giá trị cực đại ( dòng giảm đến trị số 0,37ILm ) Thực tế r tần số dao động r khác với r: 'r r 2 r r2 r r r LC r r 2 L 2L 2L C Tuy nhiªn th-ờng lấy gần r r Nếu trị số r lớn khung không phát sinh dao động tắt dần mà dao động tắt ngấm Tr-ờng hợp ứng víi r r , tøc 2L lµ Q 0,5 Th-êng sư dơng khung dao ®éng cã hƯ sè phÈm chÊt Q n»m kho¶ng: 10 20 < Q < 200 300 Đôi ng-ời ta sử dụng khái niệm hệ số tổn hao d=1/Q để đánh giá chất l-ợng khung cộng h-ởng Chế độ xét chế độ dao động tự mạch RLC nèi tiÕp Trong thùc tÕ th-êng sư dơng chÕ độ dao động c-ỡng bức: khung dao động đ-ợc nuôi nguồn suất điện động hình sin, có tần số xÊp xØ tÇn sè céng h-ëng r cđa khung dao động (hình 1.17) Nếu nguồn mắc nối tiếp với L C khung cộng h-ởng gọi nối tiếp Lúc biên độ dòng điện là: I m Khi = r th× Im(r) = U ng m Z U ng m r = U ng m r L C (1.29) ; biên độ điện áp điện cảm điện dung 27 là: UmL(r) = Im(r).r L = Ungm.Q; UmC(r) = Im = Ung m.Q ωr C C iL(t) ung(t) L r t Hình 1.16 dòng điện iL(t) tắt dần Hình 1.17Khung céng h-ëng nèi tiÕp Nh- vËy = r, biên độ điện áp L C gấp Q lần biên độ điện áp đặt vào mạch, ta nói mạch trạng thái cộng h-ởng Dòng điện mạch tần số có biên độ phụ thuộc vào tần số nh- sau: I m I m r r r L c 2 r Q 1 2 ω ω r ω ω r Q2 ω2 (1.30) Khi sư dơng khung céng h-ëng ®Ĩ läc tÝn hiƯu ta th-êng xÐt tần số lân cận tần số cộng h-ởng nghĩa + L 2r; - r = - độ lệch tần số tuyệt đối Lúc (1.30) cã d¹ng : I m ω I m ω R (1.30)’ 2ω 1 Q2 ω r Quan hÖ (1.30) cho ta đặc tính biên độ tần số hay đặc tính chọn lọc khung cộng h-ởng (hình 1.18) Tính chất chọn lọc, tức khả làm u tÝn hiƯu cã tÇn sè lƯch khái tÇn sè cộng h-ởng, đ-ợc đặc tr-ng dải thông hệ số chữ nhật Dải thông 20,7 dải tần số ứng với mức giảm =0,707 lần đặc tính chọn lọc so với giá trị cực đại ( H×nh 1.18) : 0,707 0,7= 1- -1 Theo định nghĩa từ (1.30) ta có: 0,7 1 Q2 R 28 0,707 Tõ ®ã ta cã: 0,7= r Q (1.31) Khi hệ số phẩm chất Q thay đổi giải thông thay đổi tỷ lệ nghịch với Q T-ơng tự ng-ời ta xác định dải 0,1 tức dải tần số ứng với mức giảm 10 0,1 lần, ký hiệu 0,1 Hệ số chữ nhật KCN = đánh giá mức độ giống hình 0,7 chữ nhật đặc tính chọn lọc Lý t-ởng KCN = 1, khung cộng h-ởng KCN > KCN tiến tới độ chọn lọc cao Ngoài đặc tính biên độ tần số đà xét ta quan tâm đến đặc tính pha tần số; Đó góc lệch pha dòng điện so với điện áp nguồn tần số xét: ωL ωC arctgQ ω ω r z()= arc tg (1.32) ω ω r r Khi tần số xét lân cận tần số cộng h-ởng z() arc tg(2Q ) (1.33) ωr b Khung céng h-ëng song song Khi nguồn, điện cảm, điện dung mắc song song ta có khung cộng h-ởng song song Xét mạch thông dụng hình 1.19.ở chế độ dao động c-ỡng với nguồn dòng i(t) điện áp khung cộng h-ởng đ-ợc đặc tr-ng tổng trở Z(j) m¹ch víi: 2 (1.34) Z r Q ( )2 r Khi = r, = mạch trạng thái cộng h-ởngZ= Q., tức lµ cịnggièng nh- khung céng h-ëng nèi tiÕp céng h-ởng tổng trở trở Nh-ng khác vớikhung cộng h-ëng nèi tiÕp, ë ®ã céng h-ëng tỉng trë cã trÞ sè b»ng r nhá , ë khung céng h-ëng song song, trë kh¸ng céng h-ëng rÊt lín, nÕu r =0 Điện áp khung cộng h-ởng : I ng mZ ; điện áp cộng h-ởng I ngm(r) Z(r) T-ơng tự nh- khung cộng h-ởng nối tiếp, đặc tính biên độ tần số là: I ngm z I ngm R z R 2 1 Q2 r (1.35) Nh- đặc tính mạch cộng h-ởng song song t-ơng tự nhmạch cộng h-ởng nối tiếp ta đà xét Dải thông 20,7 dải tần số ứng với mức 29 giảm lần đặc tính chọn lọc so với giá trị cực đại ( Hình 1.17) 2d = 0,7= 1- -1 1.6.2.Khung céng h-ëng ghÐp §Ĩ cải thiện đặc tính chọn lọc khung cộng h-ởng-đạt đ-ợc hệ số phẩm chất tốt ,khi lọc tín hiệu ng-ời ta ghép hai khung cộng hửơng đơn với qua hỗ cảm điện dung Th-ờng sử dụng mạch ghép qua hỗ cảm(biến áp), ghép điện dung điện dung t-ơng ứng nh- hình 1.20a,b,c Trong mạch ghép đặc tính tần số mạch không phụ thuộc vào dạng ghép mà phụ thuộc vào đại l-ợng ghép ( hệ số ghép ) Vì vậy,để tiÖn ta xÐt hai khung céng h-ëng nèi tiÕp ghÐp qua hỗ cảm ( biến áp ) nh- hình 1.21 D-ới tác động nguồn suất điện động E() khung dao động thứ có dòng I1 ,dòng gây nên từ thông móc vòng sang cuộn L2, tạo nên suất điện động hỗ cảm: E12 = - jM I1 = - Xgh I1 Xgh = jM - trở kháng hỗ cảm M = k L L , k lµ h»ng sè biểu mức độ ghép hai cuộn cảm Suất điện động E12 gây nên dòng I2 ;dòng lại tạo nên từ thông móc vòng sang cuôn L1 , L1 lại suất suất điện động hỗ cảm E21 Nh- cuộn cảm suất thành phần tổng trở t-ơng hỗ ZTH : ZTH 21 = - 21 I gh I I1 12 X gh gh Z2 Z2 I1 (1.36) T-¬ng tù ZTH 12 = gh (1.37) z1 ZTH 21 ZTH12 có thành phần trở thành phần ảo: ZTH 21 = rTH 21+jXTH 21= Th-êng r 22 gh r2 x 2 j gh r 22 x 2 C1= C2 = C ; L1 = L2 = L ; r1 = r2 = r ; lóc ®ã M = k.L k = X1 = X2 = X ; r