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
FSK được dùng rộng rãi trong truyền số liệu. Trong FSK bit 1 được truyền đi bởi tần số fm và bit 0 bởi tần số fs ví dụ, trong hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn của hảng Bell bit 1 được truyền bởi tần số 1070 Hz (fm) và bit 0 bởi tần số 1270 Hz (fs). 2.4.3 Ưu điểm, nhược điểm của điều chế, giải điều chếFSK
a. Ưu điểm:
- Dùng nhiều hơn hai tần số.
- Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điện thoại - Băng thông được dùng hiệu quả hơn.
- Ít lỗi hơn so với ASK.
- Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên sóng radio hoặc cáp đồng trục.
- Mỗi phần tử tín hiệu được biểu diễn nhiều hơn 1 bít dữ liệu.
- Chủ yếu dùng trong modem truyền dữ liệu và trong truyền vôtuyến số. - Đòi hỏi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình.
b. Nhược điểm:
- Truyền số liệu tốc độ thấp.
- Tin tức số liệu được truyền đi đơn giản bằng các dịch tần số song mang một lượng nhất định tương ứng với mức nhị phân 1 và 0
- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn ASK. - Hiệu quả phổ thấp.
- Khả năng đáp ứng tần số của môi trường là một mặt hạn chế lớn của FSK. - Tần số tín hiệu tương đối cao, điều này một mặt dẫn đến khả năng gây nhiễu
mạnh đối với bên ngoài, mặt khác hạn chế việc tăng tốc độ truyền.
Chương 3 – Thiết kế chế tạo bộ thu phát sử dụng vi mạch ADF7021 tích hợp bộ khuếch đại tạp âm thấp
3.1 Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Yêu cầu và thiết kế
Yêu cầu: Thiết kế và chế tạo một mô đun khuyếch đại tạp âm thấp, hoạt động ở dải tần UHF, có hệ số khuếch đại 25-30dB.
Thiết kế: Với yêu cầu trên, em lựa chọn transistor BGA2711 đây là loai linh kiện chuyên dùng cho các bộ khuếch đại có tạp âm thấp, hệ số khuếch đại cao và ổn đinh.
Bước 1: Từ datasheet lấy ra các tham số trở kháng vào và ra
Bước 2: Sử dụng đồ thị Smith để chuẩn hóa các giá trị trở kháng và tính toán phối hợp. Có nhiều phương pháp để tính toán phối hợp giữa 50 Ohm với trở kháng phức như dùng mạch hình L, dây nối tiếp, dây nhánh song song… Mỗi phương pháp đều có nhữn ưu việt riêng, tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn. Trong luận văn này em sử dụng phương pháp phối hợp bằng mạch LC.
Bước 3: Sử dụng phần mềm ADS để mô phỏng
Hình 29. Mô phỏng trên phần mềm ADS
Hình 30. Kết quả mô phỏng
Hình 31. Mạch ghép 2 tầng thực tế (BGA2711 và MAV-11+)
Hình Hình
Hình 33. Kết quả khi chưa lắp bộ khuếch đại Hình 32. Sơ đồ kết nối khi chưa lắp bộ khuếch đđại
Hình
Hệ số khuếch đại cho hai t
Hình 34. Sơ đồ kết nối khi lắp bộ khuếch đại
Hình 35. Khi lắp bộ khuếch đại
Hình 36. Ghép nối thực tế
3.2 ADF7021
3.2.1 Giới thiệu chung về ADF7021
Chip tích hơp ADF7021 là dòng chip chuyên dụng của Analog Devices được thiết kế đặc biệt tương thích cho cho các ứng dụng thu phát cự ly ngắn, truyền dữ liệu tốc độ thấp, ... Với mục đích xây dựng dòng chip tích hợp đáp ứng yêu cầu cho nhiều ứng dụng như trên mà ADF7021 được thiết kế hoạt động trong dải tần số rất rộng từ VHF đến UHF, đặc biệt trong thiết kế của ADF7021 nhà sản xuất hướng tới những thiết kế cho phép người dùng nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, là điều mà đặc biệt quan trọng trong ứng dụng thu phát băng hẹp. Ngoài ra, khi sử dụng ADF7021 nhà thiết kế đã tối ưu khá nhiều trong thiết kế đảm bảo cho người sử dụng dễ dàng trong thiết kế cũng như phát triển sản phẩm cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc linh hoạt lựa chọn chế độ điều chế (2FSK, 3FSK, 4FSK) và bộ lọc băng thông tín hiệu điều chế (9 kHz, 13.5 kHz, 18.5 kHz) là điểm đáng chú ý nữa trong thiết kế của ADF7021 cho phép tăng cự ly truyền và tốc độ truyền dữ liệu tương ứng với yêu cầu của người sử dụng.
Về bộ tạo tín hiệu RF, việc sử dụng hai bộ VCO kết hợp vòng khóa pha N- fractional PLL cho phép ADF7021 tạo tín hiệu dải rộng có độ ổn định cao cũng như có thể đáp ứng cho hệ thống yêu cầu nhảy tần mềm dẻo linh hoạt. Phần phát