Hình 1.23 Sơ đồ mạch điều chế AM dùng diode Phân tích
Với đặc tính V_A của diode phân tích theo công thức taylor ta được: iD=f(VD)=a0+a1VD+a2VD2+a3VD3 +…
VD=V1+V2
Ta có iD= a0+a1(V1+V2)+a2(V1+V2)2+a3(V1+V2)3= a0+ a1V1+a1V2+a2V12 + 2a2V1V2+ 2a2V22+ a3V13+…
Để có UAM(t) = [U0 + s(t)]cos(2πfct)=U0cos(2πfct)+s(t)cos(2πfct) =a1V1+2a2V1V2
Ta cần có bộ lọc thông dải tích hợp nhằm lọc dải băng thông của tín hiệu điều biên.
1.5.2Mạch điều chế vòng
Trong thực tế, không có phần tử phi tuyến nào là bậc 2 thuần tuý, chính vì vậy để tạo tín hiệu DSB và triệt tiêu các thành phần bậc 1 và bậc 3, ta dùng hai mạch AM ghép đối xứng, gọi là mạch điều chế vòng
Hai mạch điều chế AM giống nhau, cùng có thành phần sóng mang Accoswct. Tín
hiệu tin tức x(t) được đảo pha và đặt vào hai ngõ vào với pha ngược nhau Tín hiệu tin tức V2 có dạng
V2=Uscos(wst)
Tín hiệu tải tin V1 có dạng
V1=Uccos(wct)Với mạch điều biên cân bằng ta có khi D1,D2 dẫn ta có VD1=V1+V2
iD1= f(V1+V2)=a0+ a1(V1+V2) + a2(V1+V2)2+… =a0+ a1V1+a1V2+a2V12+ 2a2V1V2+ a2V22+…
iD2= f(V1-V2)=a0+ a1(V1-V2) + a2(V1-V2)2+… =a0+ a1V1-a1V2+a2V12- 2a2V1V2+ a2V22+ a3V13+… Vậy i(t)=iD1-iD2=4a2V1V2+2a1V2+2a3V22+ 6a3V12V2+…
Sử dụng khung cộng hưởng LC đầu ra lọc lấy thành phần 4a2V1V2, đây cũng chính là tín hiệu AM.
-Thành phần 4a2V1V2= 2UsUccos(wc-ws)+ 2UsUccos(wc+ws) Trường hợp 2 khi D3, D4 dẫn ta có mạch hoạt động tưởng tự Ưu điểm của điều chế vòng:
Đã loại bỏ được các thành phần có dải tần không mong muốn
Ngoài ra nó còn giảm hiện tượng méo phi tuyến.Mục đích của phương pháp điều biên cân bằng được ứng dụng trong điều chế DSB.Ngoài ra có thể thay thế diode
D D D D Uđb Us CB CB Uc ω ωc - ωt ωc + ωt ωc Hình 1.24: Mạch điều biên vòng dùng diode. a) Mạch điện; b) Phổ tín hiệu 0
trong mạch điều biên cân bằng với transistor với đặc điểm đầu ra biên độ lớn và méo phi tuyến nhỏ
1.5.3Mạch điều biên dùng transistor
Về nguyên lý điều biên bằng Transistor cũng gồm các loại: Trong trường hợp Transistor lưỡng cực, FET, đèn điện tử để điều biên, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau đây: điều biên base, điều biên collector, điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anot, điều biên lưới. Các loại mạch điều biên có tên gọi tương ứng với cực mà điện áp điều chế được đặt vào
VCC: điện áp nguồn cung cấp trong trường hợp sóng mang không điều chế
Đối với Transistor, điện áp của Collector không được tăng quá giá trị an toàn cực đại dù trong thời gian ngắn. Bởi vậy cần phải thỏa mãn điều kiện:
Vs + Vc < VCemax= BVCEO
Trong đó :- Vc : điện áp cao tần cực đại ở collector khi m=1; - BVCEO: điện áp đánh thủng cho phép cực đại;
Khi điện áp collector thấp mối nối collector được phân cực thuận bởi điện áp đầu vào. Do vậy dao động cao tần trực tiếp đi qua mối nối collector phân cực thuận. Sựthay đổi của dòng collector trong vùng 0- a xuất hiện bởi điều chế quá mức khi tín hiệu lớn. 0 IC1 VC Vs VAM VR Vc - VAM+ Đặc tính phi tuyến ĐBCB Vc VCC Tới tầng trước Vs Ra L C→∞ C1 C2 C→∞ Lch Hình1.25: Điều biên colector
CHƯƠNG 2: GIẢI ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 2.1 Khái niệm tách sóng điều biên
Giải điều chế thực chất là quá trình tách tín hiệu bản tin đã được điều chế. Quá trình giải điều chế tùy thuộc vào kiểu điều chế. Đối với DSB-AM và SSB-AM, phương pháp giải điều chế là giải điều chế kết hợp (coherent) yêu cầu cần phải có một tín hiệu có cùng tần số và pha giống với tín hiệu sóng mang tại máy thu. Đối với AM truyền thống sử dụng các bộ tách sóng đường bao cho giải điều chế. Trong trường hợp này việc biết chính xác tần số và pha của sóng mang không phải là điều thiết yếu, cho nên quá trình giải điều chế dễ dàng hơn nhiều. Việc giải điều chế kết hợp đối với DSB-AM và SSB-AM bao gồm việc nhân (trộn) tín hiệu đã điều chế với một tín hiệu cosin có cùng tần số và pha với sóng mang, sau đó cho tín hiệu của việc nhân qua một bộ lọc thông thấp sẽ thu được dạng tín hiệu bản tin m(t) ban đầu. Với sơ đồ giải điều chế trên hay còn được gọi là mạch hoàn điệu đồng bộ trong đó có mạch tạo dao động Sc(t) được đồng bộ hóa cả về tần số lẫn pha với sóng mang thu.
2.2 Tách sóng DSB-AM 2.2.1 Hoàn điệu cổng. 2.2.1 Hoàn điệu cổng.
Trước hết xét mạch giải điều chế DSB-SC-AM sử dụng mạch hoàn điệu cổng
Hình 2.1 Sơ đồ hoàn điệu cổng Trong đó P(t) là một hàm cổng gồm 1 chuỗi xung có dạng
P(t)= a0+∑∞ PR )*2&V
RW '
Vậy tín hiệu vào khối LPF là
Sm(t).P(t)=S(t)cos(2πfct)2 a0 ∑∞ PR )*2&V
RW '3
Quan tâm tới thành phần bậc 1
Sm (t).P(t)= a0.S(t).cos(2πfct)+`a . % `a. % #b<c % Vậy đầu ra của khối LPF cho bởi
S0(t)= P . * '
Và hoàn điệu được hoàn tất
Trên đây là việc giải điều chế với sóng điều biên kiểu DSB-SC còn với mạch giải điều chế kiểu DSB-TC.Ta thấy rằng đầu ra mạch giải mã sẽ có dạng
S0(t)= P 2d * ' 3
Biểu thức trình bày tín hiệu tin gốc bị dời bởi 1 hằng
2.2.2 Hoàn điệu bình phương
Ta khảo sát hiệu quả của phương pháp hoàn điệu bình phương: bằng cách cộng sóng AM vào sóng mang thuần túy rồi sau đó bình phương tổng
2Z ' d )*2& '3 (2.1) Trước hết hãy xét trường hợp sóng mang bị nén DSB SC công thức (2.1) sẽ trở nên: Sm(t)=s(t).cos2& '
2Z ' d )*2& '3 =e )*2& '2Z ' d3 f = cos22πfct+2* ' d3
= 2b % 8 3582b % 8 35. #b<c %
Số hạng thứ nhất là một sóng AM xung quanh một sóng mang tần số 2fc.Vậy có thể tách nó ra dễ dàng nhờ một mạch lọc LPF.
Số hạng thứ hai có thể khai triển theo: S2
(t)+2A.S(t) +A2
Tuy nhiên ta không thể tách được tần số chứa S2(t) giả sử rằng ta đã dùng một mạch LPF để tách tất cả số hạng 2* ' d3 ra khỏi thành phần có tần số 2fc
Bây giờ ta xét giải điều chế sóng DSB-TC- với phương pháp hoàn điệu bình phương.
Trong việc giải điều chế cần thiết phải tạo lại một bản sao hoàn chỉnh của sóng mang.Điều này khó thực hiện trừ khi sóng AM chứa một số hạng tuần hoàn có tần số bằng với tần số của sóng mang,việc này dẫn đến lựa chọn sóng điều chế DSB-TC rất phù hợp.Thực vậy việc giải điều chế thực hiện với sóng TC-AM không cần cộng thêm một sóng mang(sóng mang do máy thu tạo ra)vì bản thân sóng điều chế theo phương pháp DSB-TC đã có cộng thêm sóng mang ở tín hiệu sau điều chế.
Ta xét biên độ của sóng mang A đủ lớn để cho A+s(t) không âm. Đối với sóng SCAM cần phải thêm mạch tạo sóng mang ở máy thu, bản sao này cần phải đồng bộ
hóa với sóng mang thu được.Để thực hiện được việc này máy thu cần có một mạch tạo dao động nội.Nhưng một khó khăn đặt ra là việc đồng bộ về pha và tần số của mạch tạo dao động nội và sóng mang phức tạp nếu mất đồng bộ đầu ra khối tách sóng tín hiệu sẽ bị méo so với tín hiệu tin tức.
Giả sử với mạch dao động nội bị lệch pha 1 lượng g và lệch tần một lượng ∆ Khi đó output của mạch nhân sẽ là
Sm(t)cos2& ∆ ' g = s(t)cos2 & '. cos2& ∆ ' g =s(t)A9:; c∆i%8 9:;e c 8∆if%8 E (2.2)
Biểu thức trên cũng là tín hiệu đầu vào của mạch lọc thông thấp do vậy đầu ra của mạch LPF sẽ là
S0(t)=S(t)9:; c∆i%8
(2.3) Số hạng thứ hai của (2.2) có thành phần tần số 2 ∆ nên bị loại bỏ.
Trong biểu thức (2.3) giả sử ∆ nhỏ .Định lý biến điệu chỉ ra rằng có biến đổi F có tần số trong khoảng đến fm + ∆ dù LPF được thiết kế để chỉ cho đi qua tần số lớn đến fm nhưng nó vẫn cho đi qua fm + ∆ vì fmj∆
Giả sử đã loại bỏ sự sai khác về tần số rồi chỉ còn sai pha thì S0(t)=S(t)9:;
(2.4)
Vậy không xảy ra méo với S(t).Nhưng có chú ý là khi g tiến đến 90° thì tín hiệu thu được sẽ bằng 0.
2.2.3 Tách sóng không kết hợp (Incoherent detection)
Các khối hoàn điệu đã nói ở trên cần phải tạo lại sóng mang ở máy thu vì vậy tần số sóng mang phải chính xác và pha phải đúng tại bộ phận tách sóng nên sóng mang từ đài phát xem là thông tin chính xác về mặt thời gian truyền đến máy thu.
Nhưng nếu thành phần sóng mang đủ lớn trong TCAM ta có thể dùng kiểu tách sóng không kết hợp trong đó không cần phải tạo lại sóng mang.
a
Hình 2.2 a Tín hiệu TCAM với A+s(t)>0 b Mạch điện tách sóng không kết hợp Sự phân tích mạch tách sóng dựa vào 2 nhận xét:
+Input không thể lớn hơn output b (với một diode lý tưởng)
+Output không bao giờ giảm với thời gian điều kiện thứ hai là do tụ điện trong mạch không có đường xả điện nên output luôn luôn bằng với giá trị đỉnh xung thời điểm trước đó
Do Diode chỉ làm việc với nửa chu kỳ dương của tín hiệu AM; khi đó tụ được nạp đến giá trị điện áp đỉnh, ở nửa chu kỳ âm tụ xả, điện áp trên tụ giảm theo hằng số thời gian RC.
a, b, Hình 2.3 Biểu diễn sự phóng nạp của tụ khi giải điều chế
a,khi chưa có tụ điện xả b, khi có tụ điện xả D1 T/H ra T/H vào C1 R
Để việc tách sóng được chính xác yêu cầu hằng số k l0m l với điều kiện này thì thời gian phóng nạp sẽ lớn hơn rất nhiều lần chu kỳ của sóng mang nên khi tụ sẽ không bị nạp đầy với số ít chu kỳ của sóng mang.
2.2.4 Tách sóng kết hợp (coherent)
Phương pháp giải điều chế là giải điều chế kết hợp (coherent) yêu cầu cần phải có một tín hiệu có cùng tần số và pha giống với tín hiệu sóng mang tại máy thu.
Việc giải điều chế kết hợp đối với DSB-AM bao gồm việc nhân (trộn) tín hiệu đã điều chế với một tín hiệu cosin có cùng tần số và pha với sóng mang, sau đó cho tín hiệu của việc nhân qua một bộ lọc thông thấp sẽ thu được dạng tín hiệu bản tin m(t) ban đầu.
Hình 2.4 Sơ đồ tách sóng kết hợp
Cở sở toán học thực hiện tách sóng kết hợp
Trong trường hợp DSB, tín hiệu sau điều chế được cho bởi công thức :
Ac.m(t)cos(2πfct) khi tín hiệu này được nhân (hay trộn) với một tín hiệu cos(2πfct) ta sẽ được biểu thức sau sau khi trộn như sau :
Y(t) = Ac.m(t)cos(2πfct)cos(2πfct)= m(t) + m(t) cos(4πfct) (2.5)
Ở đây Y(t) ký hiệu cho tín hiệu lối ra mạch trộn và biến đổi Fourier của biểu thức (2.5) được xác định như sau :
Y(f) = m(f) +
<m(f – 2fc) +< m(f + 2fc) (2.6)
Như biểu thức (2.6) lối ra mạch trộn có một thành phần thông thấp ( m(f)) và các thành phần cao tần nằm quanh vị trí ± 2fc. Khi cho Y(t) qua một bộ lọc thông thấp với độ rộng băng W, các thành phần cao tần sẽ bị lọc bỏ chỉ còn lại thành phần thông thấp ( m(t)) tỷ lệ với tín hiệu bản tin. Quá trình này được trình bày như Hình (2.4).
2.3Tách sóng SSB-AM
b
Hình 2.5 a, Biến đổi furier của các băng cạnh b Sơ đồ khối hoàn điệu SSB-AM
Về phương diện tần số sẽ làm rời tần của tín hiệu Sm(t) khi biến đổi furier cả chiều lên và chiều xuống
Biến đổi furier của của tín hiệu SSB: Về phương diện thời gian ta thấy:
FSSB(t).cos2& '= % #b5 c % n % boR<c %
Dấu + cho LSB và dấu – thay cho USB, p ' là biến đổi hilbert của S(t) =b % 8 % #b5 c % n % boR<c %
< vì với output của LPF như vậy kết quả sẽ là % <
Về cơ bản mạch tách sóng đơn biên cũng là một mạch nhân tín hiệu thu được (đã điều chế) cho nhân với tín hiệu dao động nội sau đó được lọc thông thấp với dải băng thông bằng dải tần số w của tín hiệu tin tức.
Khi tín hiệu dao động nội được đồng bộ về tần số cũng như pha của sóng mang ta có mạch tách sóng đồng bộ giúp giảm méo tín hiệu khi thu được sau bộ lọc.
Với phương pháp tách sóng đơn biên dùng mạch tách sóng đường bao để có thể tận dụng ưu điểm đơn giản của mạch giải điều chế nhưng đồng thời cũng phải đồng bộ được sóng mang của bên phát với bên nhận do cần phải dùng mạch tạo sóng mang để tái tạo biên độ tín hiệu sau đó mới dùng mạch tách sóng đường bao.
Chính vì lý do cần phải đồng bộ sóng mang giữa dao động nội (hoặc mạch tạo sóng mang) mà điều chế đơn biên được ưu tiên sử dụng trong lĩnh vực quân sự.
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU BIÊN TRONG MÁY PHÁT HÌNH, PHÁT THANH
3.1 ỨNG DỤNG ĐIỀU BIÊN TRONG MÁY PHÁT HÌNH
-Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) đủ lớn cho máy thu.
-Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác để các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức.
-Tần số hoạt động của máy phát được chọn dựa vào các kênh và vùng phủ sóng theo qui định của Hiệp hội thông tin quốc tế (ITV). Các tần số trung tâm của máy phát phải có độ ổn định cao.
-Các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát là: Công suất ra, tần số làm việc, độ ổn định tần số, dải tần số điều chế.
-Phân loại máy phát:
a. Phân theo công dụng: Ta có Máy phát thông tin cố định hoặc di động; Máy phát
theo chương trình như phát thanh, truyền hình... b. Phân theo tần số
c. Phân theo phương pháp điều chế Ví dụ:
+ Máy phát điều biên (AM) + Máy phát đơn biên (SSB) + Máy phát điều tần (FM),
+ Máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo) + Máy phát điều pha (PM)
+ Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM + Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK + Máy phát khoá dịch tần FSK… d. Phân theo công suất…
Máy công suất nhỏ Pra<100W
Máy công suất trung bình 100W<Pra<100KW Máy công suất lớn 100KW<Pra<1000KW Máy công suất cực lớn Pra>1000KW
+ Tín hiệu audio: Mang thông tin về tiếng động,ca nhạc, lời thuết minh, tiếng nói của nhân vật.Tín hiêụ tiếng có phổ rộng: 0 - 20khz, tai người cảm thụ tốt nhất trong khoảng 16 hz- 16000hz.Thực hiện điều chế fm đối với tín hiệu audio.
+Tín hiệu video: Mang thông tin về hinh ảnh và mầu sắc. Tín hiệu video có phổ rộng: từ 0-6 MHz.
Mắt người cảm thụ tín hiệu đen trắng tốt hơn tín hiệu mầu. Thực hiện điều chế am đối với tín hiệu video.
+ Các tín hiệu đồng bộ:
Đồng bộ màu, đồng bộ ngang, đồng bộ dọc
Ví dụ: trong truyền hình theo tiêu chuẩn NTSC tín hiệu chói có phổ tần từ 0- 4,2Mhz.
Công thức của tín hiệu chói: Ey=0, 30Er+0, 59Eg+0,11Eb.
Tín hiệu màu là hai thành phần mầu điều chế biên độ nén triệt sóng mang và vuông
pha với nhau là Ii và Iq.phổ tín hiệu màu 1,3 Mhz . Tần số sóng mang màu 3,58Mhz
Hình 3.1 phổ của tín hiệu NTSC
Qua bảng 3-2ta thấy các hệ truyền hình trên thế giới khác nhau về các thông số kỹ thuật cơ bản như: độ rộng của một kênh truyền hình; độ rộng của dải tần số hình; khoảng cách giữa tải tần hình và tải tần tiếng; kiểu điều chế hình và tiếng; số dòng trong một mặt; tần số dòng và tần số mặt
Giải thông sử dụng cho truyền hình quảng bá là từ 48 MHz-960 MHz bao gồm 5 dải: Dải băng tần thứ nhất: 48-64 MHz Dải băng tần thứ 2:76-100 Mhz Dải băng tần thứ 3:174-230 Mhz Dải băng tần thứ 4:470-606 Mhz Dải băng tần thứ 5:606- 958 MHz
Băng tần trong hệ thống truyền hình mắt đất SỐ TT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CÁC HỆ TRUYỀN HÌNH BBC RTF FCC CCIR OIRT 1 Độ rộng của tải tần hình(MHz) -3 10,4 4 5 6 2 Độ rộng kênh (MHz) 5 13,15 6 7 8 3 Tổng số dòng trong một mặt 405 819 -525 625 625 4 Tần số mặt (MHz) 50 50 60 50 50 5 Tần số dòng (MHz) 10125 20475 15705 15625 15625 6 Thời gian quét 1 dòng (ms) 98,7 48,8 63,5 64 64 7 Thời gian quét mặt (ms) 20 20 16,4 20 20
8 Xung xoá dòng (%H) 15 16 16 18 18
9 Xung xoá mặt (H) 14 41 13-20 19-30 19-30 10 Xung cân bằng trước (%H) 0 7 6 4,5 4,5
11 Xung cân bằng sau (%H) 0 7 6 4,5 4,5