Hình 5.4.6.4.1: Sơ đồ khối giải mã FM Stereo sử dụng PLL
Khoá K để mở và khoá nguồn cung cấp cho mạch giải mã FM Stereo. Trong trường hợp thu chương FM Mono hoặc chương trình FM Stereo nhưng chất lượng kém không đạt yêu cầu thì khoá K sẽ khóa không cho nguồn VCC cung cấp điện áp cho mạch giải mã FM Stereo, hạn chế nhiễu.
107
CHƯƠNG 6: MÁY PHÁT 6.1. Định nghĩa và phân loại máy phát
6.1.1. Định nghĩa
Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu và môi trường truyền sóng như hình 6.1.1. Trong đó máy phát là một thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ được biểu diễn dưới một hình thức nào đó.
Hình 6.1.1.1: Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị thu phát
Sóng điện từ gọi là sóng mang hay tải tin làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin cần phát tới điểm thu. Thông tin này được gắn với tải tin theo một hình thức điều chế thích hợp. Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỷ số tín hiệu trên nhiễu đủ lớn cho máy thu. Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức. Ngoài ra, các tần số hoạt động của máy phát được chọn căn cứ vào các kênh và vùng phủ sóng theo quy định của hiệp hội thông tin quốc tế, nhóm thông tin vô tuyến (ITU-R). Các tần số trung tâm của máy phát phải có độ ổn định cao.
Do đó, chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát là:
• Công suất của máy phát, công suất càng lớn càng đắt, đòi hỏi diện tích, hình thức bảo vệ và nguồn điện thích hợp để sử dụng máy phát.
• Độ ổn định tần số: 3 7 0 10 10 f f − − = , càng cao càng tốt, tránh trường hợp tần số biến động.
108 • Chỉ số điều chế AM (m), chỉ số điều tần FM (mt) và các kỹ thuật con để
truyền tần số đi xa.
• Dải tần điều chế, liên hệ với một cơ quan quản lý để được cấp dải tần số sử dụng thích hợp
6.1.2. Phân loại
6.1.2.1. Theo công dụng
Hình 6.2.1.1.1: Phân loại máy phát theo công dụng
Máy phát có ba công dụng chính: phát thông tin, phát chương trình và phát ứng dụng.
• Phát thông tin, thuộc về lĩnh vực bưu điện và hàng không, có hai loại thông tin:
Cố định: có loại không dây cố định, chẳng hạn như điện thoại Cordless, nhưng chỉ có thể sử dụng trong một khoảng cách nhất định.
Di động: là những loại điện thoại hiện tại chúng ta đang sử dụng, có thể sử dụng ở khắp mọi nơi miễn là có tín hiệu của sóng di động.
• Phát chương trình, gồm có hai loại: Phát thanh, chỉ phát âm thanh.
109 Truyền hình, phát âm thanh và hình ảnh.
• Phát ứng dụng, như chúng ta đang sử dụng trong ngành hàng không, chính là đó khoảng cách và radar.
6.1.2.2. Theo tần số
❖ Đối với phát thanh:
- Từ (3 ÷ 30)KHz ≈ (100km ÷ 10km): Đài phát sóng cực dài (VLW). - Từ (30 ÷ 300)KHz ≈ (10km ÷ 1km): Đài phát sóng dài (LW). - Từ (300 ÷ 3000)KHz ≈ (1km ÷ 100m): Đài phát sóng trung (MW). - Từ (3 ÷ 30)MHz ≈ (100m ÷ 10m): Đài phát sóng ngắn (SW). ❖ Đối với phát hình: - Từ (30 ÷ 300)MHz ≈ (10m ÷ 1m): Đài phát sóng m. - Từ (300 ÷ 3000)MHz ≈ (1m ÷ 0.1m): Đài phát sóng dm.
❖ Đối với thông tin viba và radar:
- Từ (3 ÷ 30)GHz ≈ (0.1m ÷ 0.01m): Đài phát sóng cm. - Từ (30 ÷ 300)GHz ≈ (0.01m ÷ 0.001m): Đài phát sóng mm.
6.1.2.3. Theo phương pháp điều chế
❖ Máy phát điều biên (AM), DSB
❖ Máy phát đơn biên (SSB)
❖ Máy phát điều tần (FM) và máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo)
❖ Máy phát điều xung (PM)
❖ Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM, M-QAM
❖ Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK, M-PSK
❖ Máy phát khoá dịch tần FSK...
6.1.2.3. Theo công suất
❖ Máy phát công suất nhỏ Pout <100w
110
❖ Máy phát công suất lớn 10KW < Pout < 1000KW
❖ Máy phát công suất cực lớn Pout > 1000KW khi đó sóng điện từ bức xạ ra ngoài không gian rất lớn, ảnh hưởng đến sức khỏe
Ngày nay, trong các máy phát công suất nhỏ và trung bình người ta có thể sử dụng hoàn toàn bằng BJT, FET, MOSFET công suất, còn trong các máy phát có công suất lớn và cực lớn người ta thường sử dụng các loại đèn điện tử đặc biệt.
6.2. Sơ đồ khối của các loại máy phát
111 + Tiền khuếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu vào đến mức cần thiết để đưa vào tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT). Vì đối với máy phát AM thì biên độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tầng này thường có tầng khuếch đại micro và khuếch đại điện áp mức cao.
+ Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn để tiến hành điều chế tín hiệu cao tần.
+ Khối chủ sóng (Dao động): có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ và tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng. Muốn vậy, ta có thể dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC), hoặc dùng dao động thạch anh.
+ Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT): có thể được dùng để nhân tần số hoặc khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích cho tần công suất làm việc. Nó còn có nhiệm vụ đệm, làm giảm ảnh hưởng của các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng. Vì vậy, nó có thể có nhiều tầng: tầng đệm, tầng nhân tần và tầng tiền khuếch đại công suất cao tần (TKĐCSCT)
+ Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT): có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra của máy phát. Công suất ra yêu cầu càng lớn thì số tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT càng nhiều.
112 + Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng và anten để có công suất ra tối ưu, đồng thời lọc các hài bậc cao, không ảnh hưởng đến các đài xung quanh.
+ Anten để bức xạ năng lượng cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian.
+ Bộ điều chế để điều chỉnh dao động cao tần. Đối với máy phát AM thì biên độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (hệ số m lớn) nên tín hiệu âm tần từ micro phải đưa qua bộ tiền khuếch đại âm tần và bộ khuếch đại công suất âm tần. Tín hiệu âm tần được đưa tới Collector của tầng khuếch đại công suất cao tần cuối cùng hoặc được đưa tới cả Collector của tầng khuếch đại công suất cao tần trước cuối để thực hiện điều chế Collector phụ.
+ Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc đèn điện tử công suất.
+ Ngoài ra, máy phát phải có thiết bị an toàn bao gồm các thiết bị bảo vệ bảo hiểm, thiết bị đóng mở, thiết bị kiểm tra chế độ làm việc của máy phát và thiết bị làm nguội cho các transistor công suất là các phiến tỏa nhiệt cực lớn và làm nguội cho các đèn điện tử công suất bằng phương pháp thổi không khí bằng quạt gió vào anode, dùng nước bơm và anode theo một chu trình kín, phương pháp bốc hơi…
113
Hình 6.2.2.1. Sơ đồ khối của máy phát đơn biên
Ngoài các yêu cầu kỹ thuật chung của máy phát, máy phát đơn biên (SSB) còn
phải có thêm một số chỉ tiêu kỹ thuật sau đây:
- Mức méo phi tuyến - 35 dB
- Bề rộng mỗi kênh thoại và tổng số kênh thoại
Tần số làm việc: 1MHZ - 30 MHz
Việc xây dựng sơ đồ khối của máy phát đơn biên có một số đặc điểm riêng so với máy phát điều biên (AM). Ở đây các bộ điều biên cân bằng và bộ lọc dải hẹp được sử dụng để tạo nên tín hiệu đơn biên, nhưng công suất bị hạn chế chỉ vài mW. Nếu sóng mang ở dải tần số cao (sóng trung và sóng ngắn) thì không thể thực hiện được bộ lọc với các yêu cầu cần thiết (dải thông hẹp, sườn dốc đứng..) vì vậy sẽ xuất hiện nhiễu xuyên tâm giữa các kênh, làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Vì vậy, đối với máy phát đơn biên thì tần số sóng mang cơ bản để tạo đơn biên ở khoảng tần số trung gian: (f, =100KHZ-500KHZ). Do đó, sơ đồ cấu trúc của máy đơn biên gồm một bộ tạo tín hiệu đơn biên ở tần số trung gian (100-500)KHz sau đó nhờ một vài bộ đổi tần để chuyển đến phạm vi tần số làm việc (f=1MHZ-30MHZ) rồi nhờ bộ khuếch đại tuyến tính để khuếch đại đến một công suất cần thiết.
114 + Thiết bị đầu vào: thường làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm tần nếu tín hiệu này còn bé hoặc hạn chế tín hiệu âm tần nếu tín hiệu này quá lớn.
+ Bộ điều chế đơn biên (BĐCĐB): trong các máy phát công suất lớn BĐCĐB thường được xây dựng theo phương pháp lọc tổng hợp. Trong các máy phát công suất nhỏ, yêu cầu kỹ thuật không cao nên đôi khi có thể sử dụng bộ điều chế đơn biên theo phương pháp lọc - quay pha. Khi đó việc điều chế tín hiệu đơn biên có thể được thực hiện ngay ở tần số làm việc nên không cần có bộ đổi tần và bộ lọc 1.
+ Bộ tổng hợp tần số của máy phát đơn biên: là thiết bị chất lượng cao và phức tạp. Nó phải bảo đảm tần số sóng mang gốc (f1) và các tần số khác ( f2...) có độ ổn định tần số rất cao ( ∆𝑓
𝑓 = 10−7
10−910). Vì vậy, cần dùng thạch anh để tạo các tần số gốc
+ Bộ đổi tần: thực chất là bộ khuếch đại cộng hưởng để lấy thành phần hài f2 = nf1. Chính nhờ bộ đổi tần mà độ ổn định tần số của máy phát tăng lên.
+ Bộ lọc 1: có nhiệm vụ lọc các sản phẩm của quá trình đổi tần.
+ Bộ khuếch đại dao động điều chế (KĐDĐĐC): phụ thuộc vào công suất ra mà có số tầng từ 2 đến 4. Để điều chỉnh đơn giản, một, hai tầng đầu là khuếch đại dải rộng không điều hưởng. Còn các tầng sau là các bộ khuếch đại cộng hưởng.
+ Hệ thống dao động tầng ra dùng để triệt các bức xạ của các hài và cũng để phối hợp trở kháng. Trong các máy phát đơn biên bộ lọc đầu ra thường là một hay hai bộ lọc hình II ghép với nhau và giữa chúng thường có phần tử điều chỉnh độ ghép để nhận được tải tốt nhất của máy phát. Tầng KĐDĐĐC đơn sử dụng đơn giản hơn so với tầng đẩy kéo. Song sử dụng tầng đơn thì gặp khó khăn là không phối hợp trở kháng với anten sóng ngắn đối xứng. Đối với máy phát công suất ra Pm = (20 - 40)Kw người ta dùng biến áp ra đối xứng có lõi
115 Ferrite. Còn đối với máy phát công suất ra P, = 100KW người ta dùng biến áp đối xứng không có lõi.
+ Bộ lọc 2: dùng để triệt các thành phần cao tần xuất hiện trong dải tần số truyền hình, nên còn gọi là bộ lọc tín hiệu truyền hình. Đối với máy thu đơn biên ta phải đổi tín hiệu đơn biên thành điều biên để thực hiện tách sóng trung thực. Muốn vậy phải phục hồi sóng mang, điều này yêu cầu vòng khoá pha PLL. Do đó, ở máy phát không triệt tiêu hoàn toàn tần số sóng mang mà giữ lại sóng mang có biên độ bằng (5-20)%. Tần số này còn được gọi là tần số lái, được phát cùng tín hiệu đơn biên. Nhờ đó máy thu đơn biên có thể khôi phục tín hiệu một cách chính xác nhờ hệ thống tự động điều chỉnh tần số AFC theo nguyên lý PLL.
+ Các máy phát đơn biên công suất trung bình và công suất lớn bao gồm hai thiết bị độc lập:
- Bộ kích thích đơn biên gồm hai phần: bộ tổng hợp tần số và bộ điều chế tín hiệu đơn biên.
- Bộ khuếch đại tuyến tính gồm: khuếch đại dao động điều chế, hệ thống dao động tầng ra và bộ lọc 2. Do mức tín hiệu ở đầu ra bộ kích thích đơn biên nhỏ (7 ÷10mV) nên bộ khuếch đại tuyến tính phải có hệ số khuếch đại công suất rất lớn (>50dB) để tạo ra công suất lớn hơn 1KW.
116
Hình 6.2.3.1: Sơ đồ khối của máy phát đa kênh AM ghép kênh FDM
117
6.2.4. Sơ đồ khối của máy phát điều tần FM
Hình 6.2.4.1: Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FM
Tầng điện kháng sử dụng các phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần thành điện kháng thay đổi (dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên) để thực hiện việc điều chế FM. Phần tử điện kháng có thể là Transistor điện kháng, đèn điện kháng hoặc Varicap (điện dung biến đổi theo điện áp đặt vào Varicap). Các khối trong sơ đồ này có nhiệm vụ giống như các khối trong sơ đồ tổng quát của máy phát điều biên (AM). Nhưng đối với máy phát điều tần thì yêu cầu điện áp âm tần không lớn lắm nên tín hiệu âm tần từ micro chỉ cần qua bộ khuếch đại âm tần rồi đưa tới bộ chủ sóng.
Mặc khác do tín hiệu điều tần có tần số làm việc cao hơn nhiều so với tín hiệu điều biên nên tầng nhân tần trong bộ tiền khuếch đại công suất nhiều hơn. Đồng thời dùng nhiều tầng nhân tần thì độ di tần lớn hơn (∆𝑓 = ±75𝐾𝐻𝑧). Độ ổn định tần số của máy phát điều tần cũng yêu cầu cao hơn (10-5± 10-7) nên hệ thống AFC thường có cấu tạo phức tạp hơn.
118 − Góp phần tạo ra sóng mang
− Nhận tín hiệu hồi tiếp từ bộ Tiền Khuếch đại công suất cao tầng để bộ AFC nhận biết tín hiệu sau khi khuếch đại đã đúng chưa
Bộ Tiền khuếch đại công suất cao tần có hai nhiệm vụ:
− Nhân tần và cung cấp thêm năng lượng, tránh ảnh hưởng nhiễu bởi môi trường xung quanh. Cụ thể khi tín hiệu đi vào bộ Tiền khuếch đại công suất cao tần và được điều chỉnh bởi bộ nhân tần. Mục đích của bộ nhân tần là để thu được một tín hiệu có tần số fc/n, với n là số nguyên và tạo ra ở đầu ra một tần số fc. Một bộ nhân tần có thể là nhân đơn hoặc là nhân đa tần. Đầu ra của bộ nhân tần đưa tới đầu vào sóng mang của bộ điều chế biên độ.
− Nó đóng vai trò như bộ đệm để nâng dòng biên độ tín hiệu này lên
6.2.5. Sơ đồ khối của máy phát FM chất lượng cao
Hình 6.2.5.1: Sơ đồ khối của máy phát FM điều tần chất lượng cao
Những ưu điểm nổi bật hơn so với hệ thống AM:
119
6.3. Trở kháng và cách phối hợp
6.3.1. Khái niệm trở kháng
Trong kỹ thuật điện, trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của một mạch điện khi có hiệu điện thế đặt vào. Nó thường được ký hiệu bằng chữ Z và được đo trong SI bằng đơn vị đo Ω (ohm). Trở kháng là khái niệm mở rộng của điện trở cho dòng điện xoay chiều, chứa thêm thông tin về độ lệch pha.
Lấy được công suất cực đại trên tải, giảm thiểu công suất tổn hao trên đường truyền.
Đối với các phần tử nhạy thu, phối hợp trở kháng để tăng tỷ số tín hiệu / nhiễu của hệ thống (anten, LNA, …)
Phối hợp trở kháng trong một mạng phân phối công suất (mạng nuôi anten mảng) sẽ cho phép giảm biên độ và lỗi pha.
Nếu ZL chứa phần thực khác 0 thì mạng phối hợp Tn kháng luôn có thể tìm được. Có nhiều phương án phối hợp, tuy nhiên cần theo các tiêu chí sau: - Độ phức tạp: đơn giản, rẻ, dễ thực hiện, ít hao tổn.
- Độ rộng băng: cần phối hợp trở kháng tốt trong một dải tần rộng, tuy nhiên sẽ phức tạp hơn.
- Lắp đặt: Tùy vào dạng đường truyền hoặc ống dẫn sóng quyết định phương án phối hợp TK.
- Khả năng điều chỉnh: trong 1 số trường hợp có thể yêu cầu MN hoạt động tốt khi ZL thay đổi
- Phối hợp trở kháng tốt còn chống được tín hiệu "dội" do một phần năng lượng