BỘ KHUẾCH ĐẠI
Trong chương này chúng ta sẽ nói về hiện tượng điều chế tương hỗ, một nhân tố đáng kể trong việc góp phần làm suy giảm chất lượng tín hiệu qua các khối có tính chất phi tuyến trong hệ thống thông tin. Mặc dù các bộ khuếch đại công suất cao là các bộ khuếch đại tuyến tính, nhưng nói chung sẽ trở thành phi tuyến ở vùng bão hoà, ở đó, điện áp đầu ra không tỷ lệ với điện áp đầu vào. Bởi vậy, khi nhiều sóng mang được khuếch đại đồng thời, các tín hiệu không mong muốn ở tần số khác được phát sinh.
2.1 Tính phi tuyến của bộ khuếch đại
Tính phi tuyến tạo ra các tín hiệu bổ sung mà thường là tín hiệu không mong muốn trong hệ thống RF. Một số các tín hiệu không mong muốn đó có thể loại bỏ bằng bộ lọc còn một số thì không loại bỏ bằng bộ lọc được. Để thiết kế hệ thống RF có hiệu quả, chúng ta phải thiết kế từng module có độ tuyến tính cao đặc biệt là tầng khuếch đại công suất vì tầng này đóng vai trò quan trọng nhất trong việc nâng cao độ tuyến tính của toàn hệ thống.
2.1.1 Đáp ứng phi tuyến của bộ khuếch đại
Hình 2.1 chỉ ra đường cong chuyển hoá của điện áp đầu ra giống hệt điện áp vào. Về mặt lý tưởng, đường cong sẽ là một đường thẳng kéo dài vô tận, nhưng thực tế nó sẽ bị cong khi điện áp đầu vào đến một ngưỡng nào đó và cuối cùng là bão hoà. Tuy nhiên chúng ta thường biểu diễn đường cong đó là một chuỗi Taylor:
2 3 4
0 1 2 3 4 ...,
out in in in in
v = +a a v +a v +a v +a v + ( 2.1) Trong đó vin là thay đổi của điện áp vào so với điểm hoạt động (điểm mà ở đó chuỗi này được viết), ai là các số thực.
Hình 2.1 Đường cong chuyển đổi điện áp xấp xỉ đường thẳng
Số hạng đầu tiên là hệ số dòng một chiều. Số hạng thứ hai là hệ số tuyến tính mong muốn, do đó a1là hệ số khuếch đại tuyến tính. Các số hạng khác thể hiện độ cong của đường cong khuếch đại, và chúng tạo ra các thành phần không mong muốn ở các tần số khác. Nếu chỉ có một tín hiệu đầu vào thì các thành phần tín hiệu không mong muốn sẽ là các hàm điều hoà cơ bản. Nhưng nếu có nhiều tín hiệu vào vin thì các tín hiệu sẽ được tạo ra với các tần số là các tổ hợp toán học của các tần số của các tín hiệu đầu vào. Được gọi là các sản phẩm điều chế tương hỗ. Sau đây ta nghiên cứu kết quả khi có hai tín hiệu đầu vào (mặc dù cuối cùng chúng ta cũng sẽ quan tâm đến tín hiệu có cường độ lớn). Điều đó cho thấy sự hình thành của các hài cũng như các sản phẩm điều chế tương hỗ.
Đầu vào : vin = Acos ( )ϕa t +Bcos ( )ϕb t (2.2) Trong đó ϕ ϕa = a( )t =ωat+θa (2.3) và ϕ ϕb = b( )t =ωbt+θb (2.4) 2.1.2 Các số hạng bậc 2 Các số hạng bậc chẵn có nguồn gốc từ hệ số bậc 2, tức là sinh ra từ 2 in v . Kết hợp số hạng 2 2 in
2 2 2 2 a b 2 2 2 2 2 a a b b 2 2 2 a a b a b b 2 2 2 2 2 a b a b a b [ os os ] [A cos 2 os os os ] A B
= a { [1+cos2 ]+AB{cos[ ]+cos[ ]}+ [1+cos2 ]}
2 2
=a ( os2 cos2 AB{cos[ ]+cos[ ]})
2 2 2 in a v a Ac Bc a ABc c B c A B A B c ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ = + = + + − − + + + + − − (2.5)
Số hạng thứ nhất trong biểu thức 2.5 là hệ số dòng một chiều, về bản chất nó là sự tách sóng. Còn các số hạng thứ 2 và thứ 3 là hài bậc 2 của hai tín hiệu được chỉ ra ở d và f ở hình 2.2. Ở trong hình này thì các tín hiệu cơ bản ở a và b. Các số hạng cuối cùng có các tần số là tổng và hiệu của hai tần số tín hiệu đầu vào được chỉ ra ở c và e. Hai số hạng cuối cùng là các điều chế tương hỗ. Khi biên độ của các tín hiệu vào bằng nhau, thì chúng lớn hơn các hài 6 dB.
Hình 2.2 Phổ của sản phẩm bậc 2 từ 2 tín hiệu biên độ bằng nhau
a. Điểm chắn
Ta có thể vẽ (Hình 2.3) công suất của các tín hiệu không mong muốn cùng với công suất của tín hiệu mong muốn trên cùng một hình, tất cả so với công suất của mỗi tín hiệu đầu vào. Ở các mức tín hiệu thấp, tất cả các
đường cong này là đường thẳng. Khi mức tín hiệu vào mà càng lớn thì các sản phẩm bậc 2 tăng gấp đôi nhanh như thành phần mong muốn, các đường thẳng cắt nhau.
Hình 2.3 Công suất ra của tín hiệu cơ bản và sản phẩm bậc 2 hai tín hiệu vào có công suất bằng nhau
Ở điểm cắt nhau hoặc là điều chế tương hỗ hoặc là hài, thành phần cơ bản, sản phẩm bậc 2 có công suất ra bằng nhau. Độ dốc của các đường thẳng này đã biết, điểm cắt của các đường này được gọi là các điểm chắn (IP), xác định các sản phẩm bậc 2 ở mức thấp. Công suất ra của điểm giao nhau của đường cong IM bậc 2 và đường cong cơ bản được gọi là điểm chắn IM bậc 2 đầu ra được ký hiệu là OIP2IM. Công suất vào ở điểm mà đường cong hài bậc 2 cắt đường cơ bản được gọi là IIP2H. Vì rằng một IP nằm trên đường cong đáp ứng tuyến tính. Đặc trưng là độ lớn hơn của các điểm chắn đầu vào hoặc đầu ra được thể hiện rõ, nên các bộ khuếch đại sử dụng OIPs và các bộ trộn sử dụng IIPs. Công suất của hai tín hiệu cơ bản có thể bổ xung bằng các hài bậc chẵn, làm tăng giá trị của IP lên 3dB.
Như hình 2.3 nếu một đầu ra thấp hơn x dB so với IP hài bậc 2, hài bậc 2 của nó sẽ thấp hơn 2x dB so với IP. Tương tự nếu 2 tín hiệu có biên độ bằng nhau thì sẽ thấp hơn x dB so với điểm chắn IM bậc 2, các IM của chúng sẽ thấp hơn 2x dB so với IP. Điều này thể hiện rằng sự khác nhau giữa hai tín hiệu cơ bản có biên độ bằng nhau và các hài của nó hoặc các IM tương tự như sự khác nhau giữa các tín hiệu cơ bản và IP tương ứng. Nói cách khác mức tín hiệu phải nằm giữa mức IP và mức IM hoặc hài tương ứng.
Ví dụ 2.1: Hài bậc 2 (Hình 2.4)
s Hình 2.4 Ví dụ 2.1
IP hài bậc 2 đầu ra (OIP2H) là 17 dB và công suất tín hiệu đầu ra là – 8 dBm thấp hơn 25 dB so với điểm chắn. Vì vậy hài bậc 2 nhỏ hơn 25 dB so với công suất ra bằng -33 dB nhỏ hơn 2x25 dB= 50 dB so với điểm chắn. Chúng ta đã biết, công suất tín hiệu vào khác 25 dB so với IIP2H, nên hài thấp hơn 25 dB so với công suất tín hiệu đầu ra.
Nếu biên độ của một tín hiệu vào thay đổi, từ biểu thức (2.5) hài của tín hiệu sẽ thay đổi gấp đôi so với mức thay đổi ở đầu vào nhưng hài khác (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sẽ không bị ảnh hưởng. Biên độ của IM thay đổi do biên độ của 2 tín hiệu đầu vào thay đổi. Nên nếu chỉ một tín hiệu cơ bản thay đổi , thì IM sẽ thay đổi mức tương ứng (Xem hình 2.5)
Hình 2.5 Phổ của sản phẩm bậc 2 của 2 tín hiệu không bằng nhau