3.3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH
Xây dựng mô hình thu phát AM từ sơ đồ khối sau, nhưng tín hiệu tin tức được thay thế bằng một file âm thanh.
Trong thực tế, tín hiệu tin tức của phương pháp điều chế biên độ thường là âm thanh như tiếng nói hoặc âm nhạc. Trong đề tài này, tôi khảo sát tin tức được điều chế là một file âm thanh bao gồm cả tiếng nói và âm nhạc.
Hình 3.33 Mô hình thu phát AM
Tín hiệu audio được tạo ra từ khối “From Multimedia File”, khối này có khả năng duyệt đến các file âm thanh lưu trữ sẵn trên máy tính để lấy các file âm thanh hoặc video làm nguồn tín hiệu tin tức. Vì khối “From Multimedia File” tạo ra tín hiệu ở dạng khung nên cần phải có một khối “Unbuffer” để làm nhiệm vụ chuyển các khung này thành các mẫu tín hiệu.
Điều chế theo kiểu TCAM nên tín hiệu tin tức được cộng với hằng số trước khi trộn với sóng mang tần số cao.
Ở nơi thu, tín hiệu được phục hồi bằng cách trộn tín hiệu AM thu được với sóng mang có tần số và pha ban đầu giống như ở nơi phát. Sau đó cho qua một bộ LPF với tần số cắt 20kHz, vì tín hiệu âm thanh mà tai người có thể nghe được có tần số nằm trong khoảng 10Hz đến 20kHz. 3.3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT Audio S(t) A S c(t) Audio (1) (2) (4) (3) (5)
Hình 3.34 Dạng sóng của tín hiệu phát, sóng AM, tín hiệu trước LPF và tín hiệu thu được
Nhìn vào hình 3.28, quan sát dạng sóng của tín hiệu phát ta thấy biên độ cao nhất của tín hiệu audio cần điều chế khoảng 0.2 nên ta sẽ chọn hằng số A cho điều chế là 0.25 nhằm mục đích làm cho chỉ số biến điệu m <=1, trách trường hợp biến điệu quá mức làm méo dạng tín hiệu.
Trong mô hình này, tôi chọn sóng mang có tần số 100kHz, pha ban đầu bằng 0 và biên độ bằng 1 cho phần điều chế và giải điều chế. Thực hiện theo phương pháp tách sóng đồng bộ.
Khảo sát phổ tần tại một số điểm trong mô hình hình 3.27:
- Khảo sát phổ tần của tín hiệu tin tức tại điểm (1):
Tín hiệu phát
Tín hiệu thu Sóng AM
Tín hiệu trước LPF
Hình 3.35 Phổ tần của tín hiệu tin tức
Theo lý thuyết thì phổ tần của tiếng nói sẽ trãi dài đến vô cùng. Nhưng ở đây ta chỉ khảo sát từ 0 đến 10kHz. Vì phổ tần chỉ tập trung nhiều nhất trong khoảng đó.
Quan sát phổ tần của tín hiệu audio trong hình 3.29 ta có thể thấy rằng phổ tần của âm thanh tập trung chủ yếu trong khoảng từ 0 đến 7kHz. Vì đây là file nhạc nên phần tiếng hát sẽ tập trung trong khoảng 1kHz, còn tiếng của các nhạc cụ sẽ có tần số cao hơn tập trung trong khoảng 4-5kHz, đôi khi có những tiếng của nhạc cụ có tần số cao lên tới khoảng 10kHz như kèn.
Hình 3.36 Phổ tần của tín hiệu sóng mang
Cũng giống như các phần trước, sóng mang với dạng tổng quát cos2πfct sẽ có phổ tần là hai xung lực ở vị trí ±fc. Trong phần này, hai xung lực sẽ nằm ở vị trí
±100kHz.
Biểu thức dạng sóng của tín hiệu sóng mang: Cos2π100000t Biến đổi Fourier sẽ là:
2 1 δ (f – 100000) + 2 1 δ (f + 100000) - Khảo sát phổ tần của tín hiệu AM tại điểm (3):
2 1 δ (f – 100000) 2 1 δ (f + 100000)
Hình 3.37 Phổ tần sóng AM Sóng AM có biểu thức sau: [S(t) + A] . cos2πfct Với, S(t) là tín hiệu tin tức A là hằng số fc là tần sô sóng mang Với fc = 100kHz ta có: [S(t) + A] . cos2π100000t = S(t) . cos2π100000t + A . cos2π100000t Biến đổi Fourier của biểu thức trên là:
2 1 S(f – 100000) + 2 1 S(f + 100000) + 2 A δ (f – 100000) + 2 A δ (f + 100000) Nhìn vào biểu thức trên ta có thể thấy được rằng phổ tần của sóng AM sẽ phổ tần của tín hiệu tin tức bị dời đến tần số fc = 100kHz cộng với một xung lực δ và biên độ bị giảm
2 1
Hình 3.38 Phổ tần sóng AM phóng to tại tần số +100kHz
Hình 3.33 không thể hiện rỏ phổ tần của sóng AM được dời đến tần số 100kHz. Nên hình 3.34 với tần số quan sát từ 90kHz đến 110kHz sẽ bổ sung cho điều đó. Ở tần số -100kHz, phổ tần cũng tương tự như hình 3.34.
- Khảo sát phổ tần của tín hiệu giải điều chế trước khi qua lọc hạ thông tại điểm (4):
Hình 3.39 Phổ tần của sóng giải điều chế trước LPF
Sóng AM thu được nhân với sóng mang giải điều chế có dạng cos2π 100000t sẽ có biểu thức như sau:
[S(t) + A] . cos2π100000t . cos2π100000t = 2 1 [S(t) + A] . cos2π200000t + 2 1 [S(t) + A]
Biến đổi Fourier của biểu thức trên là:
4 1 S(f – 200000) + 4 1 S(f + 200000) + 4 A δ (f – 200000) + 4 A δ (f + 200000) + 2 1 S(f) + 2 A δ (f)
Nhận xét: phổ tần của tín hiệu AM sau khi nhân với sóng mang giải điều chế được dời đến tần số 2fc = 200kHz, dễ dàng bị loại bỏ sau khi qua lọc hạ thông và phổ tần của tín hiệu tin tức được phục hồi ở tần số 0kHz, không bị mất khi qua LPF.
Hình 3.40 Phổ tần phóng to của hình 3.34 tại tần số 0kHz Biểu thức phổ tần của hình 3.35 là: 2 1 S(f) + 2 A δ (f)
Hình 3.41 Phổ tần của tín hiệu tin tức thu được Nhìn vào biểu thức: 4 1 S(f – 200000) + 4 1 S(f + 200000) + 4 A δ (f – 200000) + 4 A δ (f + 200000) + 2 1 S(f) + 2 A δ (f)
Ta có thể thấy rằng biên độ của tín hiệu thu được nhỏ hơn
2 1
lần biên độ tín hiệu ở nơi phát và trong tính hiệu thu vẫn còn thành phần phổ của hằng số là xung lực δ .
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Sau hơn mười lăm tuần thực hiện đề tài, kết quả đạt được là đã xây dựng thành công mô hình phát AM theo kiểu DSBTCAM, tách sóng DSBTCAM đồng bộ và bao hình, khảo sát thu phát DSBTCAM với tín hiệu tin tức là tập tin âm thanh.
Ngoài ra, trong đề tài này tôi còn viết thêm ba bài hướng dẫn thực tập thu phát AM để giúp sinh viên có thể tự xây dựng thêm các khối quan sát, phân tích tín hiệu trước và sau khi điều chế.
Tuy nhiên đề tài còn một số hạn chế như: chưa khảo sát được các đặc trưng của bộ trộn sóng do bộ trộn sóng trong Matlab Simulink không phù hợp với tín hiệu điều chế được xây dựng trong mô hình.
Để đề tài hoàn thiện và đầy đủ hơn, chúng ta nên xây dựng thêm mô hình thu phát AM theo kiểu DSBSCAM, SSB và VSB.
PHỤ LỤC PHỤC LỤC PHÁT AM
Thiết lập sơ đồ phát AM theo mô hình sau đây:
Trên khối “Tin tuc”, thiết lập dạng sóng là sine, biên độ bằng 1 và tần số bằng 10kHz
Trên khối “Song mang”, thiết lập biên độ sóng mang bằng 1, tần số 100kHz.
1. Chạy mô hình để mô phỏng quá trình điều chế DSB-TCAM sau đó vẽ lại dạng sóng được hiển thị trên màn hình của “Scope dạng sóng”. Sinh viên tự thay đổi và quan sát những dạng sóng thông tin khác nhau: sóng vuông, sóng răng cưa,…
2. Thay đổi biên độ của tin tức bằng “Slider Tin tuc” theo cả hai hướng
(tăng và giảm), sau đó chỉnh lại 1. Dạng sóng AM thay đổi như thế nào để đáp ứng lại sự thay đổi biên độ của sóng tin tức.
3. Dùng “Slider Tin tuc” thay đổi biên độ của tín hiệu tin tức trong lúc
chạy mô phỏng, sau đó chỉnh trở lại giá trị 1. Quan sát phổ tại điểm (1) và (4) sau đó mô tả hiện tượng ảnh hưởng lên phổ tần của tín hiệu AM. 4. Thay đổi dạng sóng của tín hiệu tin tức là sóng vuông. Mô tả và vẽ lại
phổ tần tại điểm (1), (3) và (4).
(1)
(2)
(3)
5. Thay khối “Tin tuc” bằng 3 khối như hình bên dưới, chỉnh tần số của
tín hiệu tin tức theo cả hai hướng (tăng và giảm) bằng “slider VCO”,
sau đó chỉnh trở lại 10kHz. Quan sát quá trình đó trên Scope “Dang
song” và mô tả những ảnh hưởng lên dạng sóng tín hiệu AM.
6. Thay đổi tấn số tín hiệu tin tức, sau đó chỉnh trở lại 10kHz. Mô tả ảnh hưởng lên phổ tần của tín hiệu AM tại điểm (4).
7. Chỉnh “Slider gain” theo hai hướng ( tăng và giảm), sau đó quan sát sự
thay đổi của phổ tần tại điểm (4).
8. Quan sát phổ tần của tín hiệu tin tức và tín hiệu AM xuất hiện đồng thời trên màn hình. Hãy cho biết quá trình biến điệu là quá trình gì ?
9. Chỉnh “Slider VCO Song mang” theo hướng tăng và giảm để thay đổi
tần số sóng mang. Quan sát dạng sóng trên Scope “Dang Song” và cho
nhận xét.
10. Thay đổi tần số của sóng mang, sau đó chỉnh lại 100kHz. Mô tả ảnh hưởng lên phổ tần của sóng mang tại điểm (2) và tín hiệu AM tại điểm (4) khi thay đổi.
PHỤ LỤC TÁCH SÓNG AM ĐỒNG BỘ
Thiết lập sơ đồ tách sóng AM đồng bộ theo mô hình sau đây:
(1)
(2)
Trên khối “Tin tuc”, thiết lập dạng sóng là sine, biên độ bằng 1 và tần số bằng 10kHz
1. Thiết lập tần số dao động nội fLO = 1405KHz. Với fLO = fC + fIF , hãy
tính fC = ? để thu được sóng trung tần có tần số 455KHz. Sau đó thiết
lập tần số fC cho khối “Song mang”.
2. Thiết lập tần số cắt cho lọc dãi thông (BPF) với tần số trên và tần số dưới = ………….? Để thu được thành phần tần số 455kHz.
3. Thiết lập tần số cắt cho lọc hạ thông (LPF) =………….? Để thu được tín hiệu tin tức.
4. Chạy mô hình, quan sát tín hiệu trên khối “Dang song” sau đó cho nhận
xét về dạng sóng của tín hiệu AM và tín hiệu tại điểm (1).
5. Chạy mô hình, quan sát và vẽ phổ tần tín hiệu tại diểm (1) trên mô hình.
6. Chạy mô hình, quan sát, nhận xét và vẽ phổ tần của tín hiệu AM thu
được sau khi nhân với dao động nội “Local OSC” tại điểm (2) trên mô
hình. Có mấy thành phần tần số xuất hiện trong phổ tần quan sát được ?
7. Thiết lập tần số sóng mang giải điều chế tại khối “Sine Wave” =……..?
để tách sóng AM theo phương pháp tách sóng đồng bộ.
8. Chạy mô hình, quan sát, nhận xét và vẽ phổ tần của tín hiệu tại điểm (3) trên mô hình.
9. Quan sát phổ tần tại điểm (4) và (1). Nhận xét về hình dạng biên độ phổ tần của tín hiệu tin tức trước điều chế và thu được.
PHỤ LỤC TÁCH SÓNG AM BAO HÌNH
Thiết lập sơ đồ tách sóng AM bao hình theo mô hình sau đây:
Thiết lập tin tức là dạng sine, tần số 10kHz và biên độ bằng 1.
1. Nếu chỉ số biến điệu m = 1, giá trị tốt nhất của thời hằng RC cho tín hiệu tin tức có tần số 10kHz là bao nhiêu? RC = …………µs.
2. Để fc = 950kHz thì fLOSC = ……..? Nhập fLOSC vào khối “Local OSC”. 3. Tính chỉ số biến điệu m = …….? Trong ba trường hợp sau:
= > = = < = = = 1 2 2 1 1 a A a A a A
, với A là hằng số; a là biên độ tin tức.
4. Trong trường hợp biến điệu quá mức, có ảnh hưởng gì cho tin tức thu được.
5. Thiết lập tần số cắt và bậc của lọc cho lọc dãi thông (BPF) và lọc hạ thông (LPF) = ………? Để thu được tín hiệu trung tần 455kHz và tín hiệu tin tức 10kHz.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Văn Tấn. Cơ sở viễn thông. Đại học Cần Thơ. 2003.
[2]. Nguyễn Hứa Duy Khang, Trần Nhựt Khải Hoàn, Trương Phong Tuyên, Nguyễn Thanh Tùng. Giáo trình thực hành Truyền dữ liệu. Đại học Cần Thơ. 2005.
[3]. Nguyễn Như Cường. Khảo sát tín hiệu điều chế dùng Matlab. Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM. 2000.
[4]. Nguyễn Thanh Duẫn. Tìm hiểu về Simulink trong Matlab. Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM. 2011
[5]. A Wilkinson, E Tsai. Introduction to Simulink for simulating Amplitude
Modulation and Demodulation. 2011.
[6]. A.J. Wilkinson. Signals and Systems II. Department of Electrical Engineering University of Cape Town. 2013.
[7]. Lê Xuân Kỳ. Bài giảng Lý thuyết tín hiệu. Trường Đại học Công nghệ Sài Gòn. 2009.