1. NỘI DUNG:
1.2.1 Điều chế dịch biên độ – Amplitude Shift Keying (ASK)
1) Mục đích
Tìm hiểu về:
- Sự hình thành dạng nhị phân Điều chế dịch biên (ASK) - Giải điều chế của dạng nhị phân ASK
- Sự hình thành của dạng triệt sóng mang ASK (SC ASK) - Giải điều chế triệt ASK sóng mang.
2) Cơ sở lý thuyết
Phương trình hình sóng có thể biểu diễn dưới dạng sau: v(t) = Vcos(wt + ϕ)
Trong đó:
- v(t) là giá trị điện áp tức thời của hình dạng sóng. - V là biên độ của hình dạng sóng.
- W là tần số góc của hình dạng sóng. - ϕ là độ lệch pha so với pha chuẩn.
Ở phương trình trên, V, w và ϕ là các biến độc lập. Nếu 1 trong các giá trị trên bị thay đổi theo 1 tín hiệu nào đó thì sóng đó được gọi là đã được điều chế.
- Nếu V thay đổi thì gọi là điều chế Biên độ. - Nếu w thay đổi thì gọi là điều chế tần số. - Nếuϕ thay đổi thì ta gọi là điều chế pha.
Biểu thức tổng quát cho 1 biên độ sóng mang hình sin được điều chế bởi sóng điều chế hình sin là: v(t) = (Vc + Vmcos ωmt).cos ωct Trong đó: - c biểu thị sóng mang. - m biểu thị sóng điều chế.
- (Vc + Vmcos ωmt) là phần biên độ đã được điều chế của sóng mang. - cos ωct là phần biểu thị tần số hình sin của sóng mang.
Sau khi phân tích, ta được phương trình của hình sóng: v(t) = Vc cos ωct + 1
2 Vmcos(ωc – ωm) t + 1
2 Vmcos(ωc + ωm) t
Phương trình trên gồm có 3 phần: 1 phần với tần số ωc, 1 phần với tần số (ωc – ωm), và 1 phần với tần số (ωc – ωm).
Chúng được gọi là sóng mang (tại ωc) và các dải tần, dải tần phía trên (ωc – ωm)và dải tần phần dưới (ωc – ωm). Chúng còn được gọi là các dải biên dưới và các dải biên trên.
Từ phương trình trên, ta nhận thấy biên độ của thành phần sóng mang không thay đổi với sự điều chế, chỉ có biên độ của các dải biên biến đổi theo điện áp điều chế Vm.
Vì vậy, sóng mang trong hệ thống điều chế biên độ không mang thông tin, tất cả thông tin đều được vận chuyển bởi các dải biên.
a) Điều chế dịch biên (ASK):
Trong hệ thống truyền thông số, tín hiệu truyền đi thường có dạng sóng vuông hay là 1 chuỗi các xung.
ASK là 1 dạng điều chế biên độ, ở đó, sóng mang được điều chế bởi các sóng vuông và các chuỗi xung.
Sự điều chế này dựa trên việc thay đổi biên độ của sóng mang giữa 2 trạng thái bật và tắt. Nó được gọi là on-off ASK hay khoá on-off.
Trong trường hợp dạng sóng điều chế không phải sóng hình sin, như sóng vuông hoặc chuỗi xung, khoá on-off trong phương trình sẽ là: v(t) = Acos ωct với giá trị 1 và 0 trong trường hợp còn lại.
Tại điểm đến, tín hiệu ASK phải được giải điều chế. Đây là tiến trình ngược lại với tiến trình điều chế và được thực hiện bởi mạch tách sóng, làm nhiệm vụ loại bỏ thành phần sóng mang và tái tạo lại tín hiệu đầu ra theo tín hiệu nhị phân ban đầu.
Những tín hiệu nhị phân này sẽ được đưa vào mạch tái tạo xung để duy trì tính đồng bộ giữa tín hiệu nguồn và tín hiệu đã được khôi phục.
Trong bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu 2 dạng của ASK: dạng sóng mang được điều chế bởi tín hiệu đơn cực (on-off ASK) và dạng được điều chế bởi tín hiệu lưỡng cực (ASK sử dụng triệt sóng mang).
c) ASK triệt sóng mang:
Phương trình trên dựa trên dạng điều chế on-off ASK có sóng mang được điều chế bởi tín hiệu số với 2 giá trị là 0 và A.
Tuy nhiên, ta hoàn toàn có thể điều chế sóng mang với tín hiệu số với 2 giá trị +A và –A.
v(t) = +Acos(ωct) với trạng thái 1. = –Acos(ωct) với trạng thái 0.
Điều này sẽ tạo ra dạng sóng mang luân phiên cùng pha rồi đảo pha, giống như sóng điều chế liên tục thay đổi trạng thái.
Sóng điều chế lưỡng cực cũng vì thế mà tạo ra tín hiệu ở đầu ra có pha thay đổi theo dữ liệu nhị phân.
Nếu thực hiện biến đổi Fourier trên những phương trình này nhằm xác định quang phổ, ta sẽ thấy quang phổ bao gồm rất nhiều thành phần, cả phía trên và phía dưới tần số sóng mang, nhưng mức điện áp 1 chiều trung bình của dạng sóng có giá trị 0, quang phổ không chứa thành phần nào của tần số sóng mang.
Khi đó, sóng mang đã bị triệt tiêu và tín hiệu ra được gọi là ASK triệt sóng mang.
Lưu ý, 1 cách khác để nhận biết ASK triệt sóng mang là sử dụng khoá dịch pha (PSK), theo đó, pha liên tục thay đổi +90 và rồi –90 độ.
3) Bài thực hành:
a) Bài thực hành 1: Tạo tín hiệu ASK:
Trong bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu việc đóng ngắt sóng mang để tạo on-off ASK.
Yếu tố cơ bản nhất của sóng mang là “khoá”. Đó là sự đóng ngắt theo chu kỳ tương ứng với nội dung dạng nhị phân của tín hiệu.
Trong trường hợp này, tín hiệu được truyền đi dưới dạng sóng không liên tục như trong hình sau:
Theo lý thuyết, tín hiệu ASK có 3 thành phần: sóng mang, dải biên trên và dải biên dưới. Mỗi dải biên chiếm 1 dải tần số liền kề với tần số sóng mang.
Trong ASK, tần số sóng mang là không thay đổi và thành phần của sóng mang có biên độ không đổi trong chu kỳ “đóng”.
Do những mẫu tín hiệu nhị phân khác nhau đưa đến 1 số lượng khác nhau các trạng thái “đóng” (on) của sóng mang, quang phổ của những mẫu này sẽ biểu diễn với những độ lớn khác nhau của sóng mang.
Thực hiện:
Trong bài thực tập này, ta có 2 nút điều chỉnh ở phía giữa, bên phải bảng mạch điều khiển.
+ Đặt MS bits switch (7) ở giá trị 0 và LS bits switch (8) ở giá trị 1.
+ Kéo que dò tới mỗi điểm đặt và quan sát dạng tín hiệu bằng máy hiện dao động.
Nhận xét:
Dạng sóng ở điểm số 1 là điện áp 1 chiều.
2 nút data switch (7) và (8) (MS bits (7) & LS bits (8)) điều chỉnh nguồn tín hiệu đầu vào là các số trong hệ thập lục phân, sau đó chuyển thành giá trị nhị phân để điều chế tín hiệu.
Khi ta thay đổi giá trị tại 2 nút này, hình dáng của tín hiệu tại điểm 1 cũng thay đổi dẫn đến hình dạng của sóng tại đầu ra điểm 2 cũng thay đổi và đạt tới trạng thái “on”û hoàn toàn khi ta thiết lập 2 nút ở giá trị F-F.
b) Bài thực hành 2: Giải điều chế dùng diode:
Ở bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu khái niệm giải điều chế tín hiệu ASK sử dụng bộ tách sóng diode.
Quá trình này có thể xem như là quá trình ngược lại của quá trình điều chế và được thực hiện bởi mạch tách sóng, loại bỏ những thành phần cao tần và tạo tín hiệu 1 chiều ở đầu ra tương ứng với tín hiệu nhị phân ở đầu vào.
Tín hiệu nhị phân sẽ được làm trơn và đưa vào mạch tái tạo xung để duy trì tính đồng bộ giữa tín hiệu nguồn và tín hiệu đã được khôi phục.
Tín hiệu nhận được sẽ được đưa qua mạch, chỉ chấp nhận một khoảng giới hạn những tần số gần với tần số sóng mang để tránh những ảnh hưởng từ những nguồn tín hiệu bên trong và bên ngoài khác.
Thực hiện:
Ở bài thực hành này, bộ tách sóng diode đã được thêm vào bảng mạch ở bài thực hành trước. Ta sẽ quan sát hình dạng sóng sau khi đi qua bộ tách sóng diode ở các mức điều chỉnh khác nhau.
Nhận xét:
Ta nhận thấy, tại điểm quan sát số 3, hình dạng sóng có dạng tương tự như đường bao của sóng tại điểm số 2 và tương tự như dạng sóng tại điểm quan sát số 1.
Khi ta thay đổi các giá trị đầu vào, dạng sóng ở đầu ra cũng thay đổi theo. Sóng ở đầu ra cũng được làm trơn do tác dụng của bộ lọc trong bộ tách sóng diode.
c) Bài thực hành 3: ASK triệt sóng mang
Ở bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu khái niệm điều chế triệt sóng mang của ASK.
Ở bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu những khác biệt chính ở kết quả khi sóng mang được điều chế bởi tín hiệu nhị phân lưỡng cực.
Tín hiệu nhị phân lưỡng cực có phần dương mang giá trị 1 và phần âm mang giá trị 0.
Khi tín hiệu được đưa vào bộ điều chế, tác động của nó làm cho sóng mang bị nhân lên bởi cả xung âm và xung dương, tạo ra tín hiệu đồng pha cùng với tín hiệu ngược pha.
Vì thế, tín hiệu nhị phân liên tục lưỡng cực sẽ tạo ra tín hiệu ở đầu ra có pha thay đổi theo dữ liệu nhị phân.
Ngoài ra, vì tín hiệu dữ liệu lưỡng cực được sử dụng trong máy biến điệu như một dãy nhịp âm và dương tương đương nhau, dòng điện áp 1 chiều trung bình của chúng cộng lại sẽ bằng 0.
Kết quả là, đầu ra của bộ điều chế sẽ chỉ bao gồm những tần số dải biên với thành phần sóng mang không cố định. Sóng mang đã bị triệt tiêu.
Sự đứt đoạn của sóng mang làm giảm mức năng lượng cần thiết từ bộ chuyển phát mà không làm mất nội dung thông tin vì tất cả thông tin đều được vận chuyển trên các dải biên.
Lưu ý rằng, một cách khác để quan sát sóng mang bị triệt (ASK) là điều chế dịch pha (PSK) với sự dịch pha +/- 90 độ.
Thực hiện:
Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống Tạo thành ASK mà ta đã thực hành ở bài trên ngoại trừ dạng sóng dữ liệu đầu vào là dạng lưỡng cực. Ta cũng làm tương tự như bài thực hành số 1 và quan sát các kết quả nhận được.
Nhận xét:
Ở tại điểm số 1, dạng sóng dữ liệu nhận được là dạng lưỡng cực.
Tại điểm quan sát số 8, dạng của sóng mang cũng tương tự như dạng sóng ở bài trước.
Tại điểm quan sát số 2, sóng mang không
có sự thay đổi trạng thái giữa mở và đóng như ở bài trước.
Điều chỉnh Balance control (10) để nhận được sóng đầu ra có biên độ đồng nhất. Khi dữ liệu điều chế thay đổi trạng thái, tín hiệu đầu ra sẽ dịch pha 1 góc 180 độ.
Đặt MS bits switch (7) và LS bits switch (8) tại giá trị 0, dạng sóng tại điểm 2 là không đổi.
d) Bài thực hành 4: Giải điều chế của ASK triệt sóng mang.
Ở bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu những điều kiện cần thiết để giải điều chế Khoá dịch biên (ASK) triệt sóng mang.
Phép thu ASK triệt sóng mang đòi hỏi phải có 1 tín hiệu phát sinh nội tại có cùng tần số và cùng pha với sóng mang ban đầu để cung cấp 1 tham chiếu cho bộ tách sóng, để bộ tách sóng có thể phân biệt giữa tín hiệu cùng pha và đảo pha được gửi bởi bộ chuyển phát.
Tiến trình tách sóng này được gọi là Giải điều chế Coherent.
Một cách đơn giản đểquan sát tiến trình này là nhận ra rằng tín hiệu nhận được bị đảo chiều mỗi khi tín hiệu tham chiếu âm, sẽ tạo ra tín hiệu tổng hợp như ta thấy trong hình sau. Lọc tín hiệu này sẽ phục hồi lại dữ liệu đầu ra.
Để tạo ra tín hiệu phát sinh nội tại cần phải có 1 bộ dao dộng tham chiếu. Đầu ra của bộ dao động sẽ được đưa vào mạch đa bội (bộ điều chế cân bằng).
Mạch này sẽ biến đổi tín hiệu đầu vào lưỡng pha thành tín hiệu đầu ra nhị phân tuân theo dạng sóng nhị phân ban đầu.
Bộ dao động tham chiếu nội tại phải luôn luôn được giữ đồng pha với tín hiệu sóng mang ban đầu.
Thực hiện:
Ngoài 1 bộ tách sóng diode, hệ thống này còn có thêm 1 bộ phát hiện đồng bộ. Đặt tất cả các nút điều khiển về vị trí chính giữa. Đặt MS Bits Switch (7) tại 0 và LS bits switch (8) tại 1. Quan sát tín hiệu tại các điểm đặt với máy hiện dao động.
Nhận xét:
Tại các điểm 1, 2 và 8, dạng sóng tại đây cũng tương tự như dạng sóng tại bài thực hành số 3 với ASK triệt sóng mang.
Quan sát tại điểm số 2 và điều chỉnh Balance control (10) cho đến khi nhận được biên độ đồng nhất. Quan sát tại điểm số 3 ta thấy, tín hiệu đầu ra của
bộ tách sóng diode không giống với dạng sóng dữ liệu điều chế.
Đặt MS bits switch (7) tại giá trị 0 và LS bits switch (8) tại giá trị 1. Đặt quan sát tại điểm 4 và điều chỉnh Carrier level control (5) ở trên mức thấp nhất mà tại đó dạng sóng đầu ra xuất hiện, nhưng không bị giới hạn bởi những đỉnh của nó. Khi đó:
+ Đầu ra của bộ phát hiện đồng bộ không tương ứng với dữ liệu đầu vào hay nghịch đảo của nó.
+ Có nhiễu cao tần tại đầu ra của bộ phát hiện đồng bộ (điểm quan sát số + Theo lý thuyết, tần số nhiễu này gấp 2 lần sóng mang.
Tại đầu ra của bộ lọc tại điểm quan sát số 6, ta nhận thấy, trên cả máy hiện dao động và bộ phân tích quang phổ, bộ lọc đã làm giảm nhiễu.