1. NỘI DUNG:
1.2.2 Khoá dịch tần số – Frequency Shift Keying (FSK)
1) Mục đích:
Ở phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về:
- Quá trình hoạt động và đặc tính của Bộ dao động được điều khiển bởi điện áp.
- Sự hình thành Khoá dịch tần (FSK). - Giải điều chế FSK sử dụng Vòng lặp pha.
2) Cơ sở lý thuyết:
Phương trình sóng: v(t) = Vcos(ωt + ϕ)
Với Điều chế tần số, tần số tức thời phụ thuộc vào dạng sóng điều chế và có dạng:
ω(t) = ωc + kvm(t)
Với ωc là tần số sóng mang và vm là điện áp điều chế, k là hằng số (đơn vị là Hz/V).
Với vm(t) = vmsin ωmt thì:
v(t) = Vcos(wct + msin(ωm t + ϕ) Trong đó: m là chỉ số điều chế.
Thông thường, pha của sóng mang được lấy để tham chiếu, nghĩa là ϕ = 0: v(t) = Vcos(ωct + msin ωm t)
Khi tín hiệu điều chế là dạng sóng nhị phân, tín hiệu truyền đi sẽ được chuyển trực tiếp từ tần số này sang tần số khác.
Hệ thống này được gọi là Điều chế số theo tần số tín hiệu (Khoá dịch tần) (FSK).
Hai tần số này có thể được tạo ra bởi: 2 bộ tạo dao động với tín hiệu đầu ra của chúng được thay đổi dựa trên tín hiệu điều chế, hay có thể sử dụng bộ tạo dao động được điều khiển bởi điện áp với tần số biến đổi dựa trên điện áp của tín hiệu điều chế.
Dạng đơn giản nhất của giải điều chế theo tần số là sử dụng những đặc tính được lựa chọn của tần số tại mạch điều chỉnh để tạo ra thay đổi ở cả biên độ và dịch pha của tần số khiến những tần số này có thể dễ dàng được dò ra.
Phương pháp này ngày nay đã hoàn toàn bị thay thế bởi việc sử dụng vòng khoá pha trên mạch điện.
Biểu đồ vòng khoá pha cơ bản:
Tín hiệu FSK được đưa vào mạch đa bội (bộ giải điều chế cân bằng) cùng với tín hiệu ra của bộ dao động được điều khiển bởi điện áp (VCO).
Phương trình tín hiệu FSK là: v(t) = Vcos(ωmt + msin ωmt)
Áp dụng cho dạng sóng điều chế nhị phân, ta được: v(t) = Vcos(ωmt + m) Nếu tín hiệu VCO có dạng: cos ωvt
Thì: v(t)= Vcos(ωct +/- m).cos ωvt
= 0.5V (cos [ωc + ωv +/- m]t + cos [ωc –ωv +/- m]t)
Nếu 2 tần số ωc và ωv là như nhau, giá trị 2ωc bị lọc thông thấp loại trừ, phương trình trở thành:
v(t) = 0.5V (cos [+/- m]t)
Đây là điện áp 1 chiều, được sử dụng để điều khiển tần số của VCO.
Nếu tần số đầu vào thay đổi, điện áp điều khiển sẽ thay đổi. Mạch điện phải được thiết kế sao cho điện áp điều khiển thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi của tần số đầu ra. Điều này được thực hiện bằng cách dùng vòng lặp điều khiển tần số với VCO theo dõi tần số đầu vào.
Nếu sự thay đổi ở tần số đầu vào là do tín hiệu đầu vào là tín hiệu FSK, điện áp điều khiển VCO sẽ là điện áp thay đổi theo từng bậc của tín hiệu FSK.
3) Bài thực hành:
a) Bài thực hành 1: Quá trình hoạt động của VCO
Ở bài thực hành này, ta sẽ tìm hiều cách thức hoạt động và đặc tính của Bộ dao động được điều khiển bởi điện áp (VCO).
Bộ dao động được điều khiển bởi điện áp là bộ dao động mà tần số của nó được điều khiển bởi điện áp đặt vào từ bên ngoài.
Bộ VCO có thể sử dụng tần số thấp của bộ dao động RC hay 1 dạng mạch tích hợp, hoặc sử dụng tần số cao của dạng mạch dao động LC.
Bộ VCO khi không dùng điện áp điều khiển, nó sẽ dao động tại tần số được xác định bởi thiết kế của mạch dao động.
Tần số này được gọi là tần số không tải của VCO.
Khi điện áp điều khiển được sử dụng, tần số của mạch dao động sẽ phụ thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển đó. Mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số là rất quan trọng khi làm việc với VCO.
Nó có đơn vị là Hertz/Volt và thường được tham chiếu tới như là độ nhạy của VCO. Dải tần số qua đó VCO có thể kiểm soát cũng quan trọng.
Bộ VCO được tìm hiểu trong bài thực hành này có phạm vi có thể điều chỉnh được bởi các nút điều khiển trên bảng điều khiển.
Thực hiện:
Bộ dao động được điều khiển bởi điện áp (VCO) trên có 3 biến trở điều khiển: Tần số (1), Độ lệch pha (2) và Phạm vi (3). Các nút điều khiển này nằm ở chính giữa, phía trên của bảng điều khiển. Chỉnh tất cả các nút này về vị trí
nhỏ nhất (vặn hết ngược chiều kim đồng hồ). Quan sát điểm 6 với máy hiện dao động.
Nhận xét:
Đặt Frequency, Offset và Range controls (1), (2) & (3) tại các giá trị nhỏ nhất (vặn hết ngược chiều kim đồng hồ). Chỉnh Frequency control (1) tới giá trị lớn nhất. Khi đó, ta thấy, khi Frequency thay đổi thì điện áp tại điểm quan sát số 6 và tần số của bộ dao động cũng thay đổi theo.
Đưa Frequency control (1) về giá trị nhỏ nhất và đặt Range control (3) tại giá trị lớn nhất. Chỉnh Frequency control (1) lên giá trị lớn nhất. Ta nhận thấy, Range control (3) không có ảnh hưởng tới điện áp điều khiển tần số được đo trên vôn kế mà chỉ ảnh hưởng đến miền biến thiên dải tần số mà VCO hoạt động.
Trả Frequency control (1) và Range control (3) về giá trị nhỏ nhất. Đặt Offset control (2) tại giá trị lớn nhất. Điều chỉnh Frequency control (1) tới giá trị lớn nhất. Ta nhận thấy:
+ Không có sự thay đổi nào đáng kể so với những sự thay đổi trước đó. + Tần số của bộ dao động ứng với mỗi điện áp điều khiển không giống với
tần số tại thiết lập nhỏ nhất của Offset control.
+ Offset control (2) có tác dụng làm dịch chuyển tần số mà không ảnh hưởng tới dải tần.
+ Nếu điện áp điều khiển của VCO thay đổi giữa 2 mức thì dạng sóng đầu ra tại bộ tạo dao động sẽ có tần số đầu ra di chuyển giữa 2 giá trị.
b) Bài thực hành 2: Sự tạo thành của FSK:
Trong bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm của tín hiệu FSK và làm cách nào để tạo ra nó.
Điều chế số theo tần số tín hiệu (Khoá dịch tần – FSK) là 1 dạng điều chế tần số mà dạng sóng điều chế là 1 dải tín hiệu số.
Trong hệ thống điều chế tần số, biên độ của sóng mang là không thay đổi trong khi tần số của nó biến đổi dựa trên giá trị của tín hiệu điều chế.
Khi tín hiệu điều chế là dạng sóng nhị phân, tín hiệu truyền đi sẽ được thay đổi trực tiếp từ tần số này sang tần số khác.
Hệ thống này được gọi là Điều chế số theo tần số tín hiệu (Điều chế dịch tần số hay Khoá dịch tần FSK).
Dải tín hiệu nhị phân cơ bản có thể được sử dụng để chuyển giữa 2 bộ tạo dao động hoạt động tại những tần số khác nhau, hoặc dùng 1 bộ tạo dao động có thể điều khiển điện áp để tạo thành 2 tần số.
Thực hiện:
Đặt tất cả các nút điều khiển về vị trí chính giữa. Đặt MS bits switch (7) tại giá trị 0 và LS bits switch (8) tại giá trị 1. Quan sát tín hiệu tại các điểm đặt trên mạch với máy hiện dao động.
Sử dụng các vạch mốc trên kích thước rộng của máy hiện dao động để đo những phần khác nhau của tín hiệu.
Nhận xét:
Quan sát tín hiệu tại điểm đặt số 1 với máy hiện dao động, ta thấy: Nếu ta đưa vào mạch dạng sóng dịch chuyển giữa 2 tần số hoặc đưa vào khi có điện áp điều khiển VCO thì dạng của tín hiệu đầu ra thu được sẽ dịch chuyển giữa hai tần số.
Khi quan sát điểm số 2 với kích thước rộng của máy hiện dao động, ta có thể thấy sự điều chế tần số của tín hiệu.
Khi đặt MS bits switch (7) và LS bits switch (8) tại giá trị 0 (giá trị dưới dạng nhị phân là 0000) thì điện áp xuất hiện tại
điểm quan sát số 1 là 0V.
Khi đặt MS bits switch (7) và LS bits switch (8) tại giá trị F (giá trị dưới dạng nhị phân là 1111) thì điện áp xuất hiện tại điểm quan sát số 1 là +1V. Và tín hiệu đầu vào cĩ dạng như hình vẽ.
Đặt MS bits switch (7) và LS bits switch (8) tại giá trị A, khi đó giá trị này dưới dạng nhị phân là 1010.
Quan sát quang phổ của dạng sóng tín hiệu FSK trên kích thước rộng của máy phân tích quang phổ. Thay đổi cả 2 giá trị data word switches thành C và quan sát quang phổ của dạng sóng tín hiệu FSK trên kích thước rộng của máy phân tích quang phổ, ta nhận thấy:
+ Phổ của các bit dữ liệu là khác nhau. Bit A chiếm băng thông lớn nhất. Đó là do giá trị của A là 1010 và C là 1100.
c) Bài thực hành 3: Giải điều chế FSK sử dụng vòng khoá pha (PLL)
Ở bài thực hành này, ta sẽ tìm hiểu cách sử dụng Vòng khoá pha (PLL) để giải điều chế tín hiệu FSK.
Vòng khoá pha là 1 mạch như ở biểu đồ sau, bao gồm: bộ dao động được điều khiển bởi điện áp (VCO), bộ đa bội (bộ điều chế cân bằng) và lọc thông thấp (LPF)
VCO được thiết kế với 1 tần số dao động tự do gần với tần số sóng mang của tín hiệu FSK đầu vào.
Bộ đa bội sẽ có 2 tín hiệu đầu vào giống nhau về tần số.
Đầu ra của bộ đa bội sẽ có thành phần tần số gấp đôi tần số sóng mang và gần với giá trị 0 (tại giá trị 0 nếu 2 tần số đầu vào giống nhau).
Lọc thông thấp sẽ loại trừ những tần số lớn và để lại những tần số gần bằng 0 có tác dụng điều khiển điện áp cho VCO.
Tính phân cực của điện áp điều khiển này sẽ được bố trí, nếu như tần số đầu vào tăng ít, điện áp điều khiển sẽ thay đổi sao cho VCO biến đổi theo sự thay đổi của tín hiệu đầu vào, nghĩa là, bộ VCO sẽ “theo vết” của tín hiệu đầu vào.
Nếu tín hiệu đầu vào là tín hiệu FSK, VCO sẽ thay đổi theo sự dịch chuyển của tần số gây ra bởi tín hiệu đầu vào.
Để làm được việc này, điện áp điều khiển phải dịch chuyển giữa 2 giá trị, 1 là đặt VCO đến tần số tương ứng với bit 0 và tần số khác tương ứng với bit 1.
Vì vậy, điện áp điều khiển sẽ thay đổi theo tín hiệu dữ liệu nhị phân ban đầu.
Thực hiện:
Hệ thống sau sẽ giới thiệu VCO và Bộ tách sóng sử dụng Vòng khoá pha để giải điều chế FSK.
Đặt tất cả các nút điều khiển về vị trí chính giữa. Đặt MS bits switch (7) tại giá trị 0 và LS bits switch (8) tại giá trị 0. Quan sát tín hiệu tại các điểm đặt với máy hiện dao động.
Nhận xét:
Quan sát trên kích thước rộng của máy hiện dao động tại điểm số 1, ta nhận thấy dạng sóng tại điểm này là dạng điện áp 1 chiều, điện áp của dạng sóng này là 0V.
Khi ta thay đổi MS bits (7) và LS bits (8) sang giá trị F:
+ Dạng sóng vẫn là sóng 1 chiều.
+ Điện áp của dạng sóng này là 0.35øV. Quan sát tại điểm số 2 với kích thước rộng của máy phân tích quang phổ. Thay đổi
cả MS bits (7) và LS bits (8) sang giá trị 0. Tần số của dạng sóng này xấp xỉ 500kHz.
Thay đổi cả MS bits (7) và LS bits (8) sang giá trị F, tần số của dạng sóng này là xấp xỉ 610kHz,phổ cĩ dạng như hình dưới:
Bộ giải điều chế vòng khoá pha tạo ra tần số đầu ra khác với tần số đầu vào và những tần số VCO. Quan sát điểm 12 với máy tạo dao động. Đặt Range control (2) tại giá trị lớn nhất và điều chỉnh Frequency control (1) để được tần số có giá trị nhỏ nhất. Khi đó, tần số VCO đo được là xấp xỉ 570kHz.
Đặt MS bits (7) và LS bits (8) tại giá trị 0. Điều chỉnh Frequency control (1) để được tần số có giá trị nhỏ nhất. Khi đó, tần số VCO đo được là 28,12kHz.
Chọn Automatic VCO Control. Chỉnh PLL filter control (6) để khoá, nghĩa là, khi tần số VCO tương ứng với giá trị cho phách 0 ở chế độ điều khiển bằng tay (thưởng là 448kHz). Khi ta thay đổi MS bits (7) và LS bits (8) sang giá trị F, tần số VCO cũng thay đổi sang trạng thái tương ứng (576kHz).
Thay đổi MS bits (7) và LS bits (8) sang giá trị A. Dạng tín hiệu đầu ra của bộ giải điều chế PLL là luồng dữ liệu.
Thay đổi thiết lập chuyển mạch của MS bits (7) và LS bits (8) ta nhận thấy tín hiệu giải điều chế PLL ở đầu ra cũng thay đổi theo theo dạng của luồng dữ liệu đầu vào.