Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả ở Hình 13, trong đó sử dụng một mạch phối hợp đặt giữa tải và đường truyền dẫn sóng. Mạch phối hợp thường là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zo của đường truyền.
Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì những lý do sau:
Khi nguồn và tải được phối hợp trở kháng với đường truyền, năng lượng tối đa từ nguồn sẽ được truyền đến tải còn năng lượng tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất.
Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v.
Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phân tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ và pha khi phân chia công suất.
Sau đây chúng ta đề cập đến các phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản: 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung
Đây là mạch phối hợp đơn giản nhất gồm hai phần tử điện kháng mắc thành hình chữ L được gọi là mạch hình L, có sơ đồ như vẽ ở Hình 15. Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở.
Hình 15. Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung
Nếu trở kháng đặc trưng của tải zL=ZL/Z0 nằm trong đường tròn 1+jx trên đồ thị Smith, chúng ta sử dụng sơ đồ Hình 15a. Ngược lại nếu zL nằm ngoài đường tròn 1+jx, sơ đồ Hình 15b thường được sử dụng.
2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh
Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh. Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem Hình 16)
(a) (b)
Hình 16. Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh
Phương pháp phối hợp trở kháng bằng một dây nhánh có ưu điểm là đơn giản và có thể sử dụng để phối hợp cho mọi trường hợp trở kháng đặc trưng của tải có phần thực khác 0. Tuy nhiên nhược điểm của nó là sử dụng một đoạn đường truyền có độ dài biến đổi đặt giữa tải và dây nhánh. Trong một số trường hợp chúng ta sử dụng phương pháp phối hợp trở kháng dùng 2 dây nhánh nằm cách nhau một đoạn cố định. Tuy nhiên phương pháp này không thể sử dụng cho mọi trường hợp của trở kháng tải.
Sơ đồ phối hợp trở kháng dùng 2 đây nhánh được mô tả ởHình 17a, trong đó tải có thể nằm cách dây nhánh đầu tiên một khoảng bất kì. Tuy nhiên, trong thực tế chúng ta thường sử dụng sơ đồHình 17b, với tải đặt ngay sát dây nhánh thứ nhất. Sơ đồHình 17b thường dễ thực hiện hơn mà vẫn không làm mất tính tổng quát của bài toán. Hai dây nhánh sử dụng trong sơ đồHình 17 là 2 dây nhánh song song vì chúng có thể được thực hiện đơn giản hơn các dây nhánh nối tiếp tuy nhiên về mặt lý thuyết các dây nhánh nối tiếp hoàn toàn có thể sử dụng để phối hợp trở kháng bằng phương pháp này. Các dây nhánh có thể hở mạch hoặc ngắn mạch.
Hình 17. Sơ đồ phối hợp trở kháng sử dụng 2 dây nhánh song song
2.3.4 Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4
Đoạn dây λ/4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực với đường truyền. Một đặc điểm của đoạn dây λ/4 là chúng ta dễ dàng mở rộng phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp sử dụng đoạn dây λ/4 là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường hợp trở kháng tải là thực. Với một trở kháng tải phức chúng ta có thể sử dụng một đoạn đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng thực, sau đó dùng phương pháp đoạn dây λ/4 để phối hợp.
Hình 18biểu diễn sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4 để phối hợp giữa trở kháng tải ZL thực với đường truyền có trở kháng đặc trưng Z0.
Hình 18. Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4
2.3.5 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
Đây là trường hợp tổng quát hơn của phương pháp phối hợp bằng đoạn dây λ/4. Trong phương pháp này chúng ta dùng một dây truyền sóng có độ dài l bất kỳ mắc nối tiếp để phối hợp một trở kháng phức ZL với một đường truyền sóng có trở kháng đặc tính Z0 (Hình 19).
Hình 19. Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ
Ở đây chúng ta cần xác định Za và l dể có thể phối hợp ZL với Z0. 2.3.6 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếp
Sơ đồ của mạch phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp được vẽ ở Hình 20.
Trong bài toán này các đoạn dây phối hợp có trở kháng đặc tính Z0 và Za đã biết trước, cần xác định độ dài của chúng để có được trở kháng nhìn từ A-A về tải đạt được giá trị bằng Z0, nghĩa là đảm bảo không có sóng phản xạ trên đường truyền chính .
2.4 Lý thuyết điều chế và giải điều chế số
a. Điều chế:
Điềuchế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số củamột tín hiệu tuần hoàn theo sự thay đổi một tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa. Tín hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang. Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều chế. Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đó của sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu. Các thông số của sóng mang được dùng trong quá trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số.
Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa được. Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có thể truyền đi xa được) làm sóng mang. Biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói. Ở đầu thu người ta dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu.
Các phương pháp điều chế:
Các phương pháp điều chế cao tần thường dùng với tín hiệu liên tục Điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation)
Điều chế đơn biên SSB (Single Side Bande) Điều tần FM (Frequency Modulation) Điều pha PM (Phase Modulation)
Với tín hiệu rời rạc, các phương pháp điều chế cao tần cũng giống như trường hợp thông tin liên tục, nhưng làm việc gián đoạn theo thời gian gọi là manip hay khóa dịch. Gồm các phương pháp sau:
Manip biên độ ASK (Amplitude Shift Key) Manip tần số FSK (Frequency Shift Key) Manip pha PSK (Phase Shift Key)
Hình 21. Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số
Giả sử có 1 mang hình sin như sau:
( ) = . cos ( + ) (2.63) Trong đó:
+ : biên độ của sóng mang
+ = 2 : tần số góc của sóng mang + : tần số sóng mang
+ ( ) : pha của sóng mang
Tùy theo tham số được sử dụng để mang tin: có thể là biên độ ., tần số , pha
( ) hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau. b. Giải điều chế:
Giải điều chế là quá trình ngược lại với quá trình điều chế .Trong quá trình thu được có một trong các tham số: biên độ, tần số,pha của tín hiệu sóng mang được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức điều chế mà ta có được các phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết.
Các phương pháp giải điều chế:
Về phương pháp giải điều chế nói cách khác là phép lọc tin, tùy theo hỗn hợp tín hiệu và các chỉ tiêu tối ưu ve sai số (độ chính xác) phải đạt được mà chúng ta có thể có các phương pháp lọc tin thông thường như:
Tách sóng biên độ Tách sóng tần số Tách sóng pha 2.4.1 Điều chế FSK
a. Khái niệm:
FSK (viết tắt của Frequency Shift Keying), tiếng Việt gọi là điều chế số theo tần số tín hiệu. Tín hiệu FSK có dạng sóng dao động với tần số khác nhau, mỗi bit được đặc trưng bởi tần số khác nhau này của tín hiệu.
FSK có thể xem như tín hiệu trực giao. Các sơ đồ tín hiệu chủ yếu đều sử dụng cho truyền số liệu số tốc độ thấp, lý do để dùng rộng rãi các Modem số liệu là tương đối dễ dàng tạo tín hiệu và dùng giải điều chế không kết hợp. Như tên gọi, tin tức số được truyền đi một cách đơn giản bằng cách dịch tần số sóng mang đi một lượng nhất định tương ứng với mức nhị phân 1 và 0.
b. Nguyên tắc điều chế FSK: Giả sử có sóng mang:
x(t) = a.cos[ωct +φ(t)] = a.cos[θ(t)] với θ(t) =ωct+φ(t) Ta giữ nguyên biênđộ, pha và chỉ thayđổi tần số:
= ( ) = + ( ) (2.64)
Trong đó : ωi là tần số tức thời
( )
là sự thayđổi tần số với tần số sóng mang. Ta gọi là điều tần khi
( ) = . ( ) s(t) là tín hiệu sin là hệ số điều tần Suy ra: ( ) = ∫ . s(λ). dλ (2.65) Suy ra: y(t)= a.cos[ . + ∫ . s(λ). dλ ] (2.66)
Trong trường hợp điều chế số FSK thì s(t)= 1 ′1′ −1 ′0′
Khi đó
y(t) = a.cos( . ± . ) = a.cos( ± ).
Tần số ứng với một bit nào đó:
-Đối với bít “0” tần số sóng mang là , ta có = − ∆
-Đối với bít “1” tần sồ sóng mang là , ta có = + ∆
Độ rộng băng tần khi điều chế FSK được tính là:
Trong đó: là độ rộng băng tần. là độ rộng xung
Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆ , tức là khoảng cách giữa hai tần số và và độ rộng bit số liệu
c. FSK- một dạng FM, chỉ số điều chế ( chỉ số biến điệu): Trong kỹ thuật FSK người ta định nghĩa hệ số h:
ℎ = −
2
Ta có thể thấy hệ số h chính là chỉ số biến điệu (modulation index) mf trong kỹ thuật FM cổ điển.
=∆
∆ là độ di tần cực đại; là tần số tín hiệu điều chế Áp dụng vào trường hợp FSK ∆ =| − | 2 = = 2 Vậy ℎ =
Nhắc lại, phổ tần của tín hiệu điều chế FM tùy thuộc vào hệ số Bessel, tức tùy thuộc vào chỉ số biến điệu. Một cách tổng quát, h càng lớn thì xuất hiện càng nhiều hệ
số Bessel, phổ tần chứa càng nhiều họa tần, nhưng điều này xảy ra khi br nhỏ, tức tần
số cơ bản nhỏ, như vậy các họa tần sẽ nằm sát lại vói nhau nên băng thông của tín hiêu không những không tăng mà còn có thể giảm. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao người ta thường chọn h<1.
d. Băng thông FSK:
= 1
Trong đó: br là tốc độ bit
là thời gian của một bit của tín hiệu truyền (dải nền).
Tần số lớn nhất của tín hiệu, tương ướng với biến đổi liên tục giữa bit 1 và bit 0, là:
Vậy tần số cơ bản lớn nhât của tín hiệu dải nền bằng ½ tốc độ truyền bit. Tín hiệu FSK tức thời có thể viết:
= sin(2 ) + sin(2 ) (2.68)
Trong đó đặc trưng cho tín hiệu hình vuông có tần số cơ bản biên độ 0 hoặc 1 tùy thuộc trạng thái dữ liệu điều chế.
Hình 22. Phổ tần của tín hiệu FSK
Người ta thường chọn băng thông FSK như sau:
= + 2 − − 2 = − + 4 (2.69)
= − + 2
Ngoài ra để thiết kế bộ giải điều chế có lợi về mặt kinh tế người ta chọn tần số trung tâm của FSK và khoảng cách cảu hai tần số và như sau:
= ≥ 3
| − | ≥ 2 ⁄3
Thí dụ:
Một modem FSK vận tốc 600 bps sử dụng tần số mark là 1500 Hz và tần số space là 2000 Hz. Tính tần số fFSK và băng thông của kênh FSK
fFSKlà tần số trung tâm giữa fm và fs : = (1500 + 2000) / 2 = 1750 Hz Băng thông BW xác định bởi :
= − + 2 = (2000 -1500) + 2(600) = 1700 Hz.
Những giá trị của và này có làm cho việc thiết kế bộ giải điều chế kinh tế không? Điều kiện đầu tiên là ≥ 3 , điều này không thỏa vì 1750 Hz < 3(600) = 1800 Hz Điều kiện thứ hai là | − | > 2 ⁄3 thỏa vì 500 Hz > 2/3(600) = 400 Hz
FSK- trường hợp riêng của FM. Tín hiệu FSK có dạng:
( ) = ±∆ (2.70)
với - là tần số sóng mang trung tâm.
∆ ⁄2- là độ di tần, tỷ lệ với biên độ và cực tính tín hiệu nhị phân ngõ vào. Ví dụ bit 1
là +1V, bit 0 là -1V, tạo nên độ di tần tương ứng +∆ ⁄2và −∆ ⁄2.
Tốc độ dịch tần sóng mang bằng tốc độ bit vào (bps).
(tần số ) ứng với logic 1 nhỏ hơn ứng với logic 0.
Tốc độ thay đổi tần số ra gọi là baud. Trong FSK tần số bit vào bằng tốc độ baud ra.
Hình 23. Dạng sóng FSK
Phương pháp điều chế FSK cho phép tạo tín hiệu FSK dạng sin với hai tần số: -Khi Data bit = 1, điều khiển khoá K ở vị trí nối sóng mang tần số với lối ra FSK. -Khi Data bit = 0, điều khiển khoá K ở vị trí nối sóng mang tần số với lối ra FSK. => Sơ đồ:
Hình 24. Phương pháp điều chế FSK
Ở sơ đồ điều chế FSK kiểu Hình 24b, sử dụng máy phát điều khiển bằng thế VCO (Voltage Control Oscillator). Ứng dụng trạng thái “0” hoặc “1” của tài liệu, VCO sẽ phát hai tần số và tương ứng.
-Trên Hình 24c là sơ đồ điều chế sử dụng các bộ chia với các hệ số chia khác nhau: N và: M. Data bit sử dụng để điều khiển chọn hệ số chia. Ví dụ, khi Data bit = 1, bộ chia có hệ số chia N, tạo chuỗi xung ra có tần số = ⁄ . còn khi Data bit = 0, bộ
chia có hệ số chia M, tạo chuỗi xung ra có tần số = ⁄ .
-Giản đồ tín hiệu FSK cho trên Hình 24d 2.4.2 Giải điều chế FSK
Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá pha (PLL). Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số. Điện thế lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số này và cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK.
Tổng quát, bộ PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm 3 bộ phận chính: một mạch so pha, một lọc hạ thông và một VCO. PLL là một vòng kín, tín hiệu ra từ VCO tự đôngh khóa bởi tín hiệu vào. Bằng cách so sánh pha của tín hiệu ra từ mạch VCO và tín hiệu vào, sự sai pha sẽ được biến đổi thành điệ thế một chiều, điện thế này sẽ điều khiển VCO để tạo một tín hiệu ra luôn luôn có pha và tần số của tín hiệu vào.
Bộ giải điều chế PLL được kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi những thành phần còn dư của sóng mang và một mạch tạo lại dạng xung để khôi phục dạng xung chính xác nhất cho tín hiệu điều chế.
Giải điều chế FSK có thể thực hiện trên cơ sở hình 2. Tín hiệu FSK chứa hai thành phần tần số được giải điều chế bằng sơ đồ vòng giữ pha (PLL).
Hình
MSK (Minimum Shift
liên tục. MSK chính là FSK trong đó t bit. Đong bộ ở đây có nghĩa l
số này được chọn sao cho cách t bit [ và = ( ⁄ )2 ; n là s
khi tín hiệu chuyển đổi bit 1 và 0.
Hình 25. Phương pháp giải điều chế FSK
MSK (Minimum Shift-Keying FSK) là một dạng kỹ thuật điều ch c. MSK chính là FSK trong đó tần số mark và space được đồng b
ĩa là có quan hệ thời gian chính xác của hai tín hi n sao cho cách tần số giữa đúng bằng bội số lẻ của phân n
); n là số lẻ], điều này tạo ra một sự thay đổi liên t
i bit 1 và 0.
Hình 26. MSK
u chế FSK có pha ng bộ với vận tốc a hai tín hiệu. Hai tần a phân nửa vận tốc i liên tục về pha
Hình 27. . Sơ đồ chung của điều chế và giải điều chế FSK
Hình 28. Điều chế FSK