Một tín hiệu xung PAM là tín hiệu được tạo bởi một chuỗi các xung mà biên độ của chúng tỉ lệ với biên độ của tín hiệu tương tự. Trong điều chế biên độ PAM có 2 phương pháp lấy mẫu: Lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu bằng.
Hình 2.31. Lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu bằng
- Lấy mẫu tự nhiên: Tín hiệu tương tự ban đầu kết hợp với các xung lấy mẫu và cho ra tín hiệu lấy mẫu có cùng dạng tín hiệu tương tự ban đầu.
- Lấy mẫu bằng: Tín hiệu tương tự ban đầu kết hợp với các xung lấy mẫu và cho ra xung lấy mẫu có biên độ của xung mô phỏng theo biên độ của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu.
Lấy mẫu bằng gây ra sự biến dạng của tín hiệu ban đầu, sự sai lệch này càng tăng khi thời gian kéo dài xung τ càng tăng. Tuy nhiên sự lấy mẫu này trở nên cần thiết trong các hệ thống mà mẫu sau đó lại được chuyển đổi thành các giá trị số (như hệ PCM).
* Các phương pháp điều chế
- Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên Sơ đồ khối:
Hình 2.32. Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên
Tín hiệu tương tự đi qua bộ lọc (FILTER) nhằm loại bỏ hiện tượng bí danh (Aliasing). Sau đó tín hiệu đi vào bộ lấy mẫu, tần số lấy mẫu sẽ được xác định trong khối định thời (TIMING), độ rộng của xung lấy mẫu sẽ được xác định trong khối
phát xung lấy mẫu (PULSE GENERATOR). Kết quả của quá trình điều chế này sẽ do tín hiệu PAM có dạng tín xung tín hiệu tương tự như ban đầu.
- Điều chế theo phương pháp lấy mẫu bằng Sơ đồ khối:
Hình 2.33. Điều chế lấy mẫu bằng
Khác với lấy mẫu tự nhiên, bộ lấy mẫu bằng được bổ xung thêm mạch lấy mẫu và giữ mẫu (samplev và hold). Mạch này có nhiêm vụ:
+ Cố định tín hiệu biên độ ra.
+ Ổn định giá trị biên độ nhận vào trong thời gian lấy mẫu.
Sau đó lấy mẫu tạo ra các xung đỉnh bằng mà biên độ của nó tỉ lệ với biện độ của tin hiệu tương tự.
Ta có dạng tín hiệu PAM được lấy mẫu như sau:
Hình 2.34. Lấy mẫu bằng
- Khôi phục lại tín hiệu tương tự
Hình 2.35. Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự
Mạch lọc thông thấp lý tưởng sẽ cho phép một số tần số nào đó đi qua và khử những tần số còn lại. Ta thấy khi tần số lấy mẫu là 2B, một bộ lọc thông số thấp lý tưởng có dài thông F/2 có thể tạo ra mộ phổ hoàn thiên giống như tín hiệu gốc, do phục hồi được tín hiệu s(t).
Nếu tần số lấy mẫu tăng, quá trình lọc trở nên dễ dàng hơn với sự lặp lại của tin hiệu s(t) thưa hơn. Nếu tần số lấy mẫu giảm, hiện tượng bí danh (aliasing) có thể xảy ra.
- Giải điều chế tín hiệu PAM
Như ta đã xét ở trên, để giải điều chế tín hiệu xung PAM cần một bộ lọc thông thấp là đủ. Thực tế phương pháp đơn giản này không đảm bảo chất lượng liên kết tốt và không thể dùng trong trường hợp PAM hợp kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing). Do đó người ta đưa thêm vào mạch giải điều chế bộ phận nhận tín hiệu PAM.
Các xung PAM đến từ đường truyền dẫn được lấy mẫu bởi tín hiệu lấy mẫu, tín hiệu này được phát ngay trong bộ thu. Tín hiệu lối ra của bộ lấy mẫu được giữ ở mức độ ổn định cho tới khi có mẫu tiếp theo tới, do vậy phát tín hiệu nhảy bậc là tín hiệu xấp xỉ với tín hiệu ban đầu. Tín hiệu tái tạo là tín hiệu nhảy bậc có độ rộng lớn hơn tín hiệu được tái tạo trực tiếp từ các xung PAM, làm cho việc đọc dễ dàng hơn.
a) Phổ của tín hiệu s(t) b) Phổ của tín hiệu s(t) được
lấy mẫu với tần số
c) Đặc trưng lý tưởng của bộ lọc tần số thấp
d) Phổ của tín hiệu đã được khôi phục
Sơ đồ khối:
Hình 2.36. Sơ đồ giải điều chế tín hiệu PAM
Nguyên lý hoạt động:
Quá trình hoạt động được thực hiện như sau:
-Tín hiệu PAM đến từ đường truyền sau khi được khuếch đại sẽ được đưa vào 2 phần: Bộ giải điều biến (S&H) và bộ phát lại xung mẫu.
-Việc phát lại xung mẫu được thực hiện như sau: Tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ được đưa vào mạch hạn chế (Limiter), mạch này có nhiệm vụ làm giảm sự thay đổi của biên độ tín hiệu. Bộ giải thông tiếp theo có nhiệm vụ tách riêng các phần liên quan tới tần số lấy mẫu. Sau đó tín hiệu được đưa tới mạch PLL (vòng bấm pha), mạch này sẽ phát đi mộ tín hiệu lấy mẫu đồng bộ với những xung của tín hiệu PAM mà nó nhận được, tiếp theo là đưa vào mạch chỉnh pha để điều chỉnh pha của xung đến từ mạch PLL tới sao cho chúng trùng với điểm cực của các xung PAM đến từ bộ giải điều biến (S&H).
- Tín hiệu lối ra của mạch điều biến sẽ được lọc qua bộ lọc thông thấp, nó tạo ra một tín hiệu tương tự như tín hiệu gốc ban đầu.
b. Điều chế và giải điều chế PWM/PPM
* Bộ điều chế độ rộng xung (PWM)
Một xung mang có thể điều chế theo biên độ thay đổi theo thời gian của nó. Ta nghiên cứu hai trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế xung theo thời gian (Pulse Time Modulation – PTM) là: Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) và điều chế vị trí xung (Pulse Poisition Modulation – PPM).
Hình 2.37. Tín hiệu PAM/PWM/PPM
Một tín hiệu PWM có dạng xung mà độ rộng xung của nó tỷ lệ với biên độ của tín hiệu tương tự đem điều chế.
Tín hiệu PWM còn được dùng để tạo ra tín hiệu PPM. Tín hiệu PPM là một xung mà vị trí của nó tỷ lệ với biên độ tín hiệu tương tự được điều chế. Các xung PPM thường được khởi phát bởi sường của các xung PWM.
Ta xét quá trình điều chế của hai phương pháp này:
+ Sơ đồ khối
Hình 2.39. Các dạng sóng của bộ điều chế PWM/PPM + Nguyên lý hoạt động
Bộ điều chế PWM có các khối như trong bộ điều chế PAM nhưng nó có thêm tầng so sánh nó được so sánh biên độ của tín hiệu PWM nhận được bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự lối vào với biên độ của tín hiệu xung răng cưa được đồng bộ bởi xung lấy mẫu.
Bộ so sánh sẽ chuyển mạch lối ra khi biên độ của tín hiệu PAM vượt quá biên độ của xung răng cưa. Kết quả là tại lối ra của bộ so sánh có một tín hiệu xung mà khoảng thời gian kéo dài của nó phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu tương tự lối vào.
Từ hình vẽ ta thấy dạng sóng của bộ điều có sườn âm của xung PWM tương ứng với sườn dương của xung lấy mẫu, còn sườn dương của nó tương ứng với sự chuyển mạch của bộ so sánh.
* Bộ điều chế PPM
+ Sơ đồ khối
+ Nguyên lý hoạt động
Quá trình điều chế tín hiệu PPM tương tự như quá trình điều chế PWM. Tín hiệu PPM này được nhận từ tín hiệu PWM bằng cách phát các xung có độ dài cố định, là những xung tương ứng với sườn lên của xung tín hiệu PWM. Cuối cùng sẽ có một chuỗi xung mà vị trí của nó phụ thuộc vào tín hiệu tương tự lối vào.
* Giải điều chế PWM/PPM
+ Bộ giải điều chế PWM
Hình 2.41. Bộ giải điều chế PWM
Tín hiệu từ đường truyền được khuếch đại và sau đó đưa qua hai phần: Bộ phát lại xung lấy mẫu và bộ chuyển đổi tín hiệu PPM thành tín hiệu PWM. Tín hiệu từ đầu ra của bộ chuyển đổi được lọc qua bộ lọc thông thấp, cho ra tín hiệu điều chế.
+ Bộ giải điều chế PPM
Hình 2.42. Bộ giải điều chế PPM
Tín hiệu từ đường truyền tới được khuếch đại và sau đó đưa qua hai phần: Bộ phát lại xung lấy mẫu mà bộ chuyển đổi tín hiệu PPM thành tín hiệu PWM. Tín hiệu từ đầu ra của bộ chuyển đổi sẽ được lọc qua bộ lọc thấp, cho ra tín hiệu điều chế.
Quá trình phát lại xung lấy mẫu cho bộ giải điều chế được thực hiện như sau: Tín hiệu PPM đã được khuếch đại chuyển qua mạch hạn chế làm giảm sự biến đổi của biên độ tín hiệu. Bộ lọc thông giải tiếp theo tách thành phần tần số lấy mẫu. Thành
phần này đi tới mạch PLL, mạch này phát tín hiệu xung đồng bộ với các xung xủa tín hiệu PPM đã nhận được. Sau đó tín hiệu được đưa vào mạch chỉnh pha, tại đây các xung từ mạch PLL phát ra tín hiệu điều chỉnh về pha sao cho chúng thỏa mãn điều kiện là khi không có điều chế, các xung PPM nằm giữa các xung đồng bộ.
Bộ chuyển đổi PPM/PWM sử dụng một mạch Triger hai trạng thái cân bằng (flip-flop) hoạt động như sau:
-Xung đồng bộ gây ra sự dịch chuyển mức tín hiệu lối ra về mức thấp, trong khi xung PPM xác lập chuyển mức của tín hiệu lên mức cao.
-Do vị trí của các xung PPM thay đổi nên ở lối ra của Triger chúng ta sẽ nhận được các xung với độ kéo rộng thay đổi (PWM).
Tín hiệu PWM nhận được qua sự chuyển đổi PPM được lọc lại lần nữa bằng bộ lọc thông số thấp, lọc lấy tín hiệu điều chế.
Ta có dạng xung của giải điều chế PPM chuyển đổi sang PWM như sau:
Hình 2.43. Các dạng xung tín hiệu
2.2.3.4. Gamepad điều khiển từ xa a. Tổng quan về Gamepad a. Tổng quan về Gamepad
Gamepad bộ điều khiển từ xa là bộ truyền thông không dây bằng sóng radio (RF) gồm có bộ phát sóng, bộ thu sóng và cáp truyền thông với máy tính.
a. Xung đồng bộ b. Tín hiệu PPM c. Tín hiệu PWM
Hình 2.44. Bộ điều khiển từ xa
Hình 2.45. Rx (bộ thu tín hiệu)
Khi trộn tín hiệu đầu ra ở các kênh với nhau ta được tín hiệu PPM.
Hình 2.46. Đầu ra của máy thu sóng
Từ tín hiệu PPM ta suy ra được tín hiệu PWM độ rộng xung của tín hiệu PWM chính là khoảng thời gian giữa 2 sường lên của tín hiệu PPM mà bé hơn hoặc bằng
2ms. Tín hiệu đầu ra của máy thu sóng có chu kỳ không đổi và bằng 20ms. Các khoảng thời gian t1 ứng với kênh 1, t2 ứng với kênh 2, t3 ứng với kênh 3, t4 ứng với kênh 4, t5 ứng với kênh 5, t6 ứng với kênh 6, giữa các phần truyền tải dữ liệu các kênh có 1 khoảng thời gian phân biệt khoảng thời gian này lớn hơn 2ms khoảng thời gian này gọi là khoảng thời gian trống.
b. Tx (Transmitter) máy phát sóng và Rx (Receiver) máy thu sóng
Máy phát có nhiệm vụ mã hóa vị trí của các cần điều khiển (stick) thành một dãy các tín hiệu điện (signal) và phát tín hiệu này ra không gian.
Tx có một số khái niệm sau:
- Channel: Đó là số kênh, số lệnh hay đơn giản là số servo mà nó điều khiển được. tùy vào mục đích sử dụng ta có thể chọ số kênh từ 1 đến 14 hay nhiều hơn nữa.
- AM và FM :T cả các Tx đều sử dụng radio để truyền tín hiệu ra không gian, tần số của sóng được xác định bởi thạch anh. Sóng radio đơn thuần chỉ là sóng mang, một công cụ truyền dẫn, do đó có thể truyền tín hiệu đến máy thu (Rx), sóng radio cần phải được điều chế trước khi phát đi có 2 dạng điều chế là AM và FM: + AM điều biên là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đổi biện độ của sóng mang.
+ FM điều tần là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đổi tần số của sóng mang. Tất cả các máy phát dùng cơ chế mã hóa PCM đều dùng sóng mang là FM.
Sóng FM nếu so sánh với sóng AM thì có khả năng chống nhiễu cao hơn hẳn, với AM thì các thiết bị điện thông đều là nguồn gây nhiễu cho sóng AM, trong khi đó với FM thì các nguồn xung này không thể gây nhiễu trừ trường hợp các thiết bị đó có tần số gần hoặc bằng với tần số mà ta đang dùng.
- PPM và PCM đây là cơ chế mã hóa tín hiệu trước khi phát ra của Tx.
+ PPM là vị trí của servo được quyết định bởi thời gian của 2 tín hiệu xung liên tiếp.
+ PCM là vị trí lớn nhất và nhỏ nhất của servo được chia ra thành nhiều khoảng nhỏ và được đánh số và tùy theo vị trí của tay điều khiển mà Tx gửi đi 1 con số ứng với vị trí đó.
- Module RF với một số máy phát chất lượng cao phần phát sóng được tách rời và người dùng có thể thay đổi dễ dàng. Khi đó với cùng một bộ điều khiển người dùng có thể dùng được ở nhiều băng tần khác nhau bằng cách thay thế module cho tần số tương ứng.
- Rx máy thu sóng có chức năng nhận sóng radio từ Tx và giả mã các tín hiệu điều khiển cho từng servo:
+ Nhằm tăng chất lượng nhận sóng và khả năng kháng nhiễu của các mạch thu thường chuyển tần số sóng mang (cao tần) xuống tần số thấp hơn (trung tần) để khuếch đại và giải mã.
+ Chuyển đổi tần số sóng mang thành tần số 455 KHz chỉ qua một lần chuyển đổi để dễ dàng hình dung có thể xem bài toán sau : gọi tần số sóng mang là F1 bằng 72.550 MHz, tần số định bởi thạch anh của Rx là F2 thì ta có 0.455 MHz=F1-F2 suy ra F2= 72.095 MHz tần số này được định bởi thạch anh Rx. + Chuyển đổi tần số sóng mang thành tần số 455 KHz chỉ qua hai lần chuyển đổi, tần số được chuyển lần 1 xuống còn 10,7 MHz và chuyển tiếp 1 lần nữa thành 455 KHz. Để dễ dàng hình dung có thể xem bài toán sau : gọi tần số sóng mang là F1 bằng 72.550 MHz , tần số định bởi thạch anh của Rx là F2, tần số định bởi thạch anh có sẳn trong Rx là F3 ta có: 10.7 MHz = F1 - F2 từ đó suy ra F2=61.85 MHz , 0.455 MHz = F2 - F3 từ đó suy ra F3 = 10.245 MHz
+ Với F2 là tần số quyết định bỡi thạch anh Rx
c. Cài đặt các thông số của bộđiều khiển từ xa trước khi sử dụng
Để phù hợp với mô hình quadrotor ta cần chỉnh các thông số của bộ điều khiển từ xa bằng phần mềm T6config.
Giao diện chương trình T6config.
Hình 2.47. Giao diện chương trình T6config
Chọn comport để tiến hành cài đặt các thông số cho bộ điều khiển từ xa.
Hình 2.48. Chọn comport
Hình 2.49. Thiết lập độ rộng của các kênh
Để chỉnh đầu ra của các kênh thì ta thay đổi các giá trị của các kênh từ 0 tới 120% dẫn tới độ rộng xung đầu ra của kênh thay đổi.
Hình 2.50. Chỉnh các cần gạt tinh chỉnh của các kênh
Khi chỉnh các cần gạt tinh chỉ của các kênh thì giá trị của kênh ở vị giữa sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi tưng ứng của kênh đó
Ví dụ : để cần gạt tinh chỉ ở mức 0 thì vị trí giữa của kênh là 45, khi thay đổi cần gạt tinh chỉ ở mức 2 thì vị trí giữa của kênh là 47. Tương ứng các vị trí cũng thay đổi theo vị trí giữa của kênh.
Hình 2.51. Chọn vị trí của các kênh
Ta có thể chọn MODEL từ 1 tới 4 để thay đổi vị trí của các kênh sao cho nó phù hợp với mục đích sử dụng.
Hình 2.52. Chọn mô hình máy bay
Hình 2.53. Thiết lập đồ thị kênh ga
Ta có thể thay đổi đồ thị kênh ga theo đường thẳng hay đường cong nhằm mục đích chỉnh khoảng kéo ga cho hợp lý.
d. Hiển thị giá trị các kênh của bộ thu đã qua xử lý bằng LCD
Tín hiệu đầu ra của các kênh ở bộ thu là tín hiệu PWM đã được chuyển thành giá