Giới thiệu chung
Tín hiệu thông tin được truyền từ máy phát tới máy thu thông qua môi trường truyền .Tuy nhiên tín hiệu thông tin gốc ít khi phù hợp với môi trường truyền cho nên chúng ta phải biến đổi từ dạng thông tin ban đầu thành dạng tín hiệu phù hợp với mô trường truyền. Ở máy phát thanh AM sẽ thực hiện quá trình làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang kết hợp với biên độ của tín hiệu điều chế(tín hiệu tin tức).
Bộ điều chế biên độ AM là thiết bị được ráp từ những linh kiện phi tuyến với hai ngõ vào. Một sóng mang có biên độ cố định tần số cao và tín hiệu thông tin tần số thấp.Tín hiệu sóng mang phải có tần số cao để anten bức xạ một cách có hiệu quả và truyền xuyên qua không gian tự do thường được gọi là tần số radio hoặc đơn giản là RF. Tín hiệu thông tin có thể là tần số đơn hay phức hợp của nhiều tần số.Mặc dù mang những đặc điểm chung của điều chế biên độ quá trình truyền sóng mang hai biên cạnh DSB-TC thường được sử dụng nhiều nhất. Điều chế DSB-TC đôi khi còn được gọi là điều chế biên độ truyền thống hay đơn giản là AM.
Băng tần được sử dụng trong hệ thống phát thanh AM
Băng sóng dài: 300-500 KHz. Băng sóng chung: 550-1650 Khz. Băng sóng ngắn: 1, 8 Mhz- 18, 5 MHz.
Phân loại máy phát thanh AM
-Máy phát AM mức cao -Máy phát AM mức thấp
3.2.1 Khảo sát máy phát AM mức thấp
Hình 3.11 vẽ dạng sơ đồ khối máy phát AM DSB-TC mức thấp.Khi ta truyền giọng nói của con người hoặc âm nhạc đó là nguồn gốc của tín hiệu điều biên. Một cách
tổng quát nó là một bộ chuyển đổi âm thanh như microphone băngs từ đĩa CD máy hát đĩa. Mạch tiền khuếch đại phải có độ nhạy tương đối cao đó là mạch khuếch đại điện áp tuyến tính loại A với trở kháng ngõ vào cao. Chức năng của mạch tiền khuếch đại là tăng biên độ của nguồn tín hiệu thông tin đến mức có thể sử dụng được, trong khi lại phát sinh nhiễu vô tuyến rất nhỏ không đáng kể đồng thời phải khắc phục nhiễu nhiệt độ sao cho càng nhỏ càng tốt. Mạch điều khiển tín hiệu điều chế cũng là mạch khuếch đại tuyến tính nhưng có thể điều khiển được mạch điều chế.
Hình 3.11 sơ đồ khối máy phát thanh AM mức thấp.
Mạch dạo động tạo sóng mang RF của máy phát có yêu cầu phải thật chính xác, độ ổn định cao. Do đó thường sử dụng thạch anh để tạo dao động trong mạch điện. Mạch khuếch đại đệm có hệ số khuếch đại thật thấp là mạch khuếch đại tuyến tính ngõ vào có tổng trở cao, nhiệm vụ của mạch khuếch đại đệm là cách ly mạch dao động với mạch khuếch đại công suất cao. Mạch đệm cung cấp một tải cố định tới mạch dao động, mạch đệm giúp giảm sự biến thiên tần số của tín hiệu, mạch tổ hộp opamp thường được sử dụng trong mạch đệm.Mạch khuếch đại tức thời và mạch khuếch đại công suất tầng cuối thường dùng mạch khuếch đại loại A hoặc khuếch đại đẩy kéo loại B.Hệ thống anten phải tương ứng với tổng trở ra của mạch khuếch đại công suất tầng cuối. Hệ thống phát AM mức thấp được sử dụng rộng rãi trong
Khuếch đại công suất Khuếh đại đệm Điều khiển sóng mang Nguồn tín hiệu điều chế Tiền khuếch đại Điều khiển tín hiệu điều chế Mạch điều chế Mạch dao động RF Mạch ghép Anten
hệ thống phát công suất thấp. Những hệ thống phát công suất thấp như hệ thống liên lạc vô tuyến, remote điều khiển, máy bộ đàm phạm vi gần.
3.2.2 Máy phát AM mức cao
Hình 3.12 sơ đồ máy phát AM mức cao tín hiệu điều chế cũng được xử lý tưởng tự máy phát AM mức thấp ngoại trừ có mạch khuếch đại công suất . Đối với máy phát AM mức cao công suất của tín hiệu điều chế phải cao hơn trong máy phát AM lớn để xảy ra điều chế thông thường tín hiệu điều chế phải có biên độ thật cao để đạt được phần trăm điều chế là 100%
Hình 3.12 sơ đồ máy phát AM mức cao.
Mạch dạo động tạo sóng mang RF cũng được kết hợp với bộ đệm và bộ kích thích sóng mang giống máy phát AM mức thấp. Tuy nhiên máy phát mức cao thì tín hiệu sóng mang phải được khuếch đại công suất trước khi đến tầng điều chế và khuếch đại công suất cuối cùng.
Đối với máy phát AM mức cao mạch điều chế có 3 chức năng chính : cung cấp mạch điện cần thiết để xảy ra điều chế, mạch khuếch đại công suất sau cùng, tốc độ chuyển mạch cao.
3.2.3 Một số mạch điện cơ bản trong máy phát thanh AM
Tại máy phát nơi xảy ra quá trình điều chế phải có mạch điện để xác định máy phát mức cao hay mức thấp. Đối với máy phát mức thấp yêu cầu đặt ra là phần trăm điều chế phải cao.
Đối với máy phát mức cao sự điều chế được thay cho phần sau của tầng cuối, nơi có biên độ sóng mang đạt giá trị cực đại.Vì vậy yêu cầu biên độ tín hiệu phải lớn hơn để đạt được phần trăm điều chế tối đa.với điều chế mức cao tín hiệu sau điều chế phải được khuếch đại công suất tất cả các dải biên. Công suất dải biên phải lớn hơn 33% tổng công suất phát
Mạch điều chế AM mức thấp
Một tín hiệu nhỏ được khuếch đại loại A được biểu diễn như hình 4.4a có thể được sử dụng để điều chế biên độ
Hình 3.13 a, Mạch điều biên cực E dùng một transistor b, Dạng sóng ngõ ra của mạch
mạch khuếch đại ở trên có hai ngõ vào. Ngõ vào thứ nhất là tín hiệu sóng mang, ngõ vào thứ hai là tín hiệu tin tức. Khi không có tín hiệu tin tức thì mạch hoạt động như mạch khuếch đại loại A ngõ ra là tín hiệu sóng mang đã được khuếch đại bởi độ lợi áp tĩnh.
Tuy nhiên khi đặt tín hiệu vào mạch, mạch khuếch đại hoạt động không tuyến tính và xảy ra quá trình nhân tần số tín hiệu .Tín hiệu sóng mang được đưa vào cực B của transistor tín hiệu điều chế được đưa vào cực E tín hiệu điều chế thay đổi theo độ lợi của mạch khếch đại dưới dạng hình sin và bằng tần số ban đầu của tín hiệu điều chế.
Độ lợi áp của mạch điều hợp cực phát được minh họa bởi biểu thức sau: Av = Aq (1 + m.Sin2πfm.t) (3.1)
Av là hệsố khuếch đại áp khi có tín hiệu điều chế.
Aq là hệ số khuếch đại áp tĩnh (không có tín hiệu điều chế)
Sin2πfmt thay đổi từ giá trị cực đại +1 đến giá trị cực tiểu -1 cho nên (3.1) có thể được viết như sau:
Av = Aq (1 ± m)
Trong đó: m là hệ số điều chế, khi điều biến 100% thì m =1.
Trong mạch điều chế trên tín hiệu tin tức được đưa vào thông qua biến áp T1 sóng mang vc được đưa vào cực B Tín hiệu điều chế sẽ điều khiển mạch trên hoạt động ở hai trạng thái dẫn bão hoà và ngưng dẫn. Cho nên, cần thiết phải tạo ra sự khuếch đại phi tuyến khi xảy ra quá trình điều chế. Tụ điện C2 có nhiệm vụ là di chuyển tần số tín hiệu điều chế từ dạng sóng AM ra. Vì vậy sinh ra bao hình AM đối xứng tại Vout
Với mạch điều hợp cực E, biên độ tín hiệu ngõ ra phụ thuộc vào tín hiệu sóng mang ngõ vào và độ lợi áp của mạch khuếch đại. Hệ số điều chế hoàn toàn phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu điều chế. Những nhược điểm chính của mạch điều hợp cực phát là mạch hoạt động ở chế độ A, mà ở chế độ này thì hệ số khuếch đại không cao. Mạch điều hợp cực phát cũng có nhược điểm là tiêu thụ công suất lớn ở dạng sóng ngõ ra.
Mạch điều biên AM công suất trung bình:
Máy phát AM công suất trung bình và cao bị hạn chế bởi việc sử dụng đèn chân không, đó là những linh kiện thụ động. Tuy nhiên kể từ giữa năm 1970, máy phát sử dụng linh kiện bán dẫn được đưa vào sử dụng, từ đó công suất ra được nâng cao đến hàng ngàn Watts. Những thiết bị này dần dần được cải tiến bằng cách thay thế những mạch khuếch đại công suất song song với việc phối hợp pha của tín hiệu ngõ ra.
Hình 3.14 trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế AM công suất trung bình dùng 1 transistor. Quá trình điều chế được thực hiện tại cực thu là thành phần tín hiệu ra của transistor.
a,
b,
Hình 3.14 a, mạch điều chế AM công suất trung bình b,Dạng tín hiệu điều chế khi chưa có tin tức.
Như vậy, nếu đây là tầng làm việc cuối cùng của máy phát thì đó là điều biến mức cao (không có sự khuếch đại công suất điều chế và Anten). Để mạch làm việc có hiệu quả, đạt công suất cao. Mạch điều chếAM công suất trung bình và cao thưòng hoạt động ở chế độ C. Do đó công suất thực tế của mạch có thể đạt hơn 80%. Sơ đồ mạch điện 3.14 là mạch khuếch đại chế độ C với hai ngõ vào: Ngõ vào sóng mang (Vc) và ngõ vào tín hiệu điều chế đơn tần (Vm).
Vì transistor phân cực ở chế độ C nên hoạt động không tuyến tính và có khả năng mạch cũng trộn không tuyến tính. Mạch này được gọi là mạch điều hợp cực thu (C)
bởi tín hiệu điều chế được đưa trực tiếp vào cực thu C. RFC là cuộn cản tần số sóng vô tuyến, nó hoạt động như sau: Hở mạch đối với thành phần DC đồng thời ngắn mạch đối với tần số RF.
Cho nên, RFC ngăn cách nguồn cung cấp DC giữa sóng mang cao tần với tần số biên, trong khi đó vẫn cho phép tín hiệu tần số thấp điều chế tại cực thu của Q1. Hoạt động của mạch điện như sau:
Hình 3.14c Dạng tín hiệu sau điều chế
Khi biên độ của sóng mang lớn hơn 0.7 v với transistor silic Q1 dẫn sinh ra dòng cực C Ic .Khi điện áp sóng mang nhỏ hơn 0.7 v thì đồng nghĩa với không có dòng cực C Q1 ngừng dẫn.Trạng thái dẫn và ngừng dẫn của Q1 được điều khiển bởi sóng mang mặt khác dòng cực C luôn nhỏ hơn 180° chu kỳ sóng mang và hoạt động ở chế độC. Dạng sóng điện áp cực C lặp lại giống như 1/2 dạng sóng của tín hiệu chỉnh lưu với tần số cơ bản bằng fc. Khi tín hiệu được đưa vào cực C một cách liên tục với nguồn cung cấp DC âm và dương (±Vcc) thì dạng sóng thu được sẽ tạo ra sóng điều chế với biên độ cực đại Vcc
Bởi vì, Q1hoạt động không tuyến tính, nên dạng sóng ở cực C của Q1chứa hai tần số ngõ vào ban đầu( fc và fm) tổng và hiệu tần số của chúng là fc ±fm. Vì dạng sóng ngõ ra cũng chứa những hàm điều hoà tần số cao hơn và những thành phần biến điệu tương hổ được giới hạn lại fm = fc trước khi phát đi. Một mạch điện thực
tế hơn phát công suất trung bình, tín hiệu điều chế AM DSB-TC được vẽ trên hình 3.14a và đặc tuyến dạng sóng vẽ trên hình 3.14b. mạch điện này cũng là mạch điều hợp cực C với biên độ đỉnh cực đại của tín hiệu điều chế Vm(max)= Vcc
Hình 3.15 Mạch điều chế AM DSB-TC
a, Sơ đồ nguyên lý
Hoạt động của mạch cũng tương tự như mạch đơn biên hình 3.14a ngoại trừ có thêm mạch cộng hưởng L1C1 tại cực thu của Q1. Bởi vì transistor hoạt động ở trạng thái bão hoà và ngưng dẫn, dòng cực thu không phụ thuộc vào điện áp điều khiển ở cực nền B. Điện áp của mạch tăng lên thông qua mạch cộng hưởng được xác định bởi thành phần AC của dòng cực thu, gây nên tính chất trễ của mạch cộng hưởng tại tần số cộng hưởng. Với sự phụ thuộc vào chất lượng của cuộn dây, dạng sóng của tínhiệu sóng mang đã được điều chế và dòng cực thu cũng giống như ở phần trước. Điện áp ra là tín hiệu AM DSB-TC đối xứng với điện áp trung bình là 0V, biên độ đỉnh cực dại dương là 2Vcc, biên độ đỉnh âm cực tiểu là -2Vcc. Bán kì dương của sóng ra đươc tạo ra trong mạch cộng huởng bởi hiệu ứng “Flywheel”. Khi Q1dẫn, tụ C1 nạp đến giá trị Vcc+ Vm(giá trị cực đại là 2Vcc). Khi Q1 ngưng dẫn tụ C1xã điện thông qua cuộn L1. Khi L1 xả C1 nạp đến giá trị cực tiểu là -2Vcc. Quá trình trên tạo ra bàn kỳ dương của bao hình AM . Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng bằng tần số sóng mang và băng thông có giá trị từ fc- fm đến fc+ fm. Thông
thường tín hiệu điều chế là một hàm điều hòa. Khi phần trăm điều chế đạt 100% thì biên độ đỉnh của tín hiệu điều chế bằng Vcc.
Cấu tạo chung của mạch được biễu diễn trên hình 3.15a. R1 là điện trở phân cực cho Q1, R1và R2 là dạng mạch ghim để tạo nên sự phân cực trong mối nối với hàng rào thế của transistor xác định điện áp mở của Q1. Thông thường Q1 được phân cực sao cho chỉ dẫn trong bán kỳ dương của điện áp song song. Sự phân cực này tạo ra dạng sóng dòng cực thu nhỏ và nâng cao hiệu suất của mạch khuếch đại hạng C.C3 là tụ điện liên lạc, nó ngắn mạch đối với tần số tín hiệu điếu chế và ngăn tín hiệu thông tin vào nguồn cung cấp DC. Cbe là tụ dẫn tín hiệu từ cực nền đến cực thu của Q1. Tại tần sốvô tuyến, những tụ dẫn tín hiệu nhỏ và trong transistor là rất quan trọng. Nếu dung tích của tụ Cbc đủ lớn thì tín hiệu cực thu có thể được phản hồi về cực nền của Q1với biên độvừa đủ lớn để Q1bắt đầu dao động. Cho nên một tín hiệu bằng nhau về biên độ cũng như tần số và lệch pha nhau 180° sẽ phản hồi về cực nền của Q1hoặc là trung hòa giữa cực của điện dung phi hồi. CN là tụ điện trung hòa. Nhiệm vụ của nó là để tạo đường phản hồi cho tín hiệu có biên độvà tần số bằng nhau nhưng lêch pha với ngõ ra 180° được phản hồi về thông qua Cbc.
C4 là tụ điện liên lạc RF hoạt động của nó cũng tương tự như tụ C3, tại tần số sóng mang C4 xem nhưn gắn mạch ngăn “sóng mang rò” vào nguồn cung cấp điều chỉnh hoạt động mạch điều chế tín hiệu và được phân bố khắp trên máy phát.
Hình 3.15b Dạng sóng trên cực C và ngõ ra
Mạch tạo dao động sóng mang
Mạch tạo dao động sóng mang cần có độ chính xác cao và phải thật ổn định nhờ vào đặc tính áp điện của thạch anh mà thực tế những máy phát thanh thường sử dụng mạch tạo dao động bằng thạch anh
+ L1,C1 khung cộng hưởng +L2 hồi tiếp
+R1,R2 định thiên phân áp cho transistor Q +R3 ổn định nhiệt
+C2,CF hồi tiếp dương +C3 tụ lọc nguồn.
Hình 3.16 Mạch dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp. -Nguyên lý hoạt động của mạch
Khi được cấp nguồn mạch dao động với tần số cộng hưởng dao động riêng của khung C1,L1. Trong khung cộng hưởng có dao động với tần số cộng hưởng đúng bằng tần số cộng hưởng nối tiếp của thạch anh, trở kháng của thạch anh nhỏ thành phần hồi tiếp về cực B lớn. Như vậy mạch tạo được dao động với tần số bằng tần số cộng hưởng nối tiếp của thạch anh
Chương 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ AM DÙNG MATLAB 4.1 Giới thiệu chương trình MATLAB:
Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kĩ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty "The MATHWORKS" viết ra.
Thuật ngữ MATLAB có được là do hai từ MATRIX và LABORATORYghép lại. Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kĩ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kĩ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự báo chuổi quan sát, v.v… MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh – còn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần TOOLS BOX( thư viện trợ giúp) hay thông qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có liên quan trên. TOOL BOX SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB, sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học một