CHương 6 - Điều chế biên độ, điều tần, điều pha.

Môn kỹ thuật điện tử. Chương 6- Điều chế biên độ, điều tần, điều pha. Tóm tắt lỹ thuyết, công thức, các ví dụ minh họa dễ hiểu

điều chế

iều chế biên độ (AM)

Điều chế biên độ (AM)

iều tần (FM)

Điều chế biên độ (AM) iều pha (PM) Điều chế biên độ (AM)

07/27/24 2

Khái niệm

 Điều chế biên độ (AM) iều chế là quá trỡnh ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó nh biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức.

 Tin tức đ ợc gọi là tín hiệu điều chế

 Dao động cao tần đ ợc gọi là t i tin hay t i tần ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần

 Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã đ ợc

điều chế

 Thông qua điều chế, tín tức ở miền tần số thấp đ ợc

chuyển lên vùng tần số cao để bức xạ truyền đi xa.

 Điều chế biên độ (AM) ối với tải tin điều hoà ta chia ra 2 loại điều chế:

 Điều chế biên độ (AM) iều biên (AM)

 iều chế góc ( gồm điều tần và điều pha Điều chế biên độ (AM)

iều chế biên độ (AM)

Điều chế biên độ (AM)

 Định nghĩa ịnh nghĩa : iều biên là quá tr Điều chế biên độ (AM) ỡ nh làm cho biên độ

t i tin biến đổi theo tin tức ải tin hay tải tần

07/27/24 4

Phổ của tín hiệu điều biên

 Hệ số điều chế ph i tho mãn điều kiện m ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần  1 nếu không tín hiệu điều biên sẽ bị méo.

t U

t Us

t U

t U

S S

t t

t

cos )

(

cos )

m U

t t

U U

U db  ( t  S cos S ) cos t  t( 1  cos S ) cos t Trong đó: t

m t U

m t U

t S

t t

t

2 )

cos(

2



Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn

 Ut.cos(tt): Sãng mang

 m/2 Ut.cos(t -s)t: D i b ng thÊp ải tin hay tải tÇn ăng thÊp

 m/2 Ut.cos(t +s)t: D i b ng cao ải tin hay tải tÇn ăng thÊp

07/27/24 6

Đå thÞ thêi gian cña tin tøc vµ tÝn

hiÖu ®iÒu biªn khi m>1 vµ m< 1

Quan hÖ năng l îng trong ®iÒu chÕ

07/27/24 8

Mạch điều biên

nguyên tắc sau đây:

phần tử phi tuyến đó

tuyến tính đó

Các kiểu mạch điều biên

 Điều chế biên độ (AM) iều biên đơn: Chỉ dùng một phần tử tích cực nh diode hoặc transistor

 Mạch điều biên cân bằng: gi m đ ợc méo phi ải tin hay tải tần

tuyến Có thể dùng diode hoặc transistor.

biên cân bằng có chung t i ải tin hay tải tần

07/27/24 10

Mạch điều biên đơn (dùng 1 diode)

 Do diode là phần tử phi tuyêbs nên khi có 2 tín hiệu

đặt vào diode sẽ có các thành phần hài bậc 1, 2, 3,

 Điều chế biên độ (AM) iện áp đặt nên diode là:

U D = U t cos t t + U S cos S t

 Dòng điện qua diode đ ợc biểu diễn theo chuỗi Taylor nh sau:

i D = a 1 u D + a 2 u D2+ a 3 u D3+

 Thay biểu thức U D vào ta đ ợc:

i D = a 1 (U t cos t t+Uscos s t) + a 2 (U t cos t t+Uscos s t) 2 + a 3 (U t cos t t+Uscos s t )3+

 Chỉ lấy 3 số hạng đầu tiên ta có i D theo công thức sau:

I D = A.cos t t +B.cos 2 t t + C.cos3 t t + A’.cos S t +B’.cos 2 S t + C’.cos3 S t + D … .

Udb Us

Mạch điều biên đơn (dùng 1 diode)

 Phổ của tín hiệu điều biên nh sau:

 Điều chế biên độ (AM)ể lấy ra tín hiệu điều biên  dùng bộ lọc có tần số trung tâm là t và d i ải tin hay tải tầnthông  2S.

 Thực tế ta thu đ ợc c hài bậc 2 (ải tin hay tải tần t  2S)  quy luật biên độ không ph i ải tin hay tải tần

là hỡnh sin  tạo méo không đ ờng thẳng

 Nh ợc điểm cơ b n của điều biên đơn 1 diode là méo không đ ờng thẳng lớn.ải tin hay tải tần

A



Lọc lý tựởng Lọc thực tế

) (

) (

) (

2 2

1 2

2 2

1 1

t S t

S o

D

t S t

S o

D

U U a U U a a I

U U a U U a a I

2

2

2

2 2

2 2 1

1 2

2

2 2

2 2 1

1 1

t S t

S t

S o

D

t S t

S t

S o

D

U U a U a U a U a U a a I

U U a U a U a U a U a a I

t B

t B

t

t t

U U a t U

a

t t

U U a t U

a I

U U a U a I

I I

t S t

S S

t S t

S mt

mS S

mS

t S

mt mS S

mS

t S S

D D

) cos(

) cos(

A.cos

) cos(

) cos(

2 cos

2

cos cos

4 cos

2

4 2

2 1

2 1

2 1

2 1

t  3S ; 2t  S; 3t  3S …

Mạch điều biên cân bằng

(dùng 2 diode)

 Điều chế biên độ (AM) ồ thị phổ

 Điều chế biên độ (AM) ể lấy đ ợc tín hiệu điều biên dùng bộ lọc có tần số trung tâm là t

và độ rộng  2S.

 Sau khi lọc, tín hiệu lấy ra có 2 biên tần t  S, không có thành

phần sóng mang  ph i cộng thêm tần số sóng mang sau điều biên ải tin hay tải tần

 Do thành phần ra không có thành phần bậc 2, thành phần bậc 3 có biên dộ nhỏ  méo phi tuyến rất thấp  u điểm so với mạch điều biên đơn.

A



Lọc lý tựởng Lọc thực tế

 t

07/27/24 14

Mạch điều biên cân bằng

(dùng 2 Transistor)

diode nh ng biên độ ra lớn hơn nhiều do tính

khuếch đại của transistor

Vcc T1

T2

Rt

Ut

I -Us

Us

Mạch điều biên vòng

Sơ đồ điều biên vòng  Mạch điều biên vòng là kết hợp của mạch điều

chế cân bằng

 I 1 : là dòng c m ứng do D1 và D2 gây ra trên t i ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần

 I 2 : là dòng c m ứng do D1 và D2 gây ra trên t i ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần

 I 1 đ ợc tính t ơng tự nh trong mạch điều biên cân bằng

t B

t

I1  A.cos S  cos( S  t)  cos( S  t)

t B

t B

t I

I

I2  D3 D4  - A.cos S  cos( S  t)  cos( S  t)

t B

t B

I I

I 2 cos( ) 2 cos( )

 So với điều biên cân bằng thỡ điều biên vòng có biên độ t ng gấp đôiăng thấp

 Giống điều biên cân bằng, tín hiệu ra không có thành phần sóng

mang muốn có thỡ cộng thêm sau điều chế

 Điều chế biên độ (AM)iều biên vòng thực chất cũng là mạch nhân 2 đại l ợng

Mạch điều chế đơn biên

 điều chế đơn biên là quá tr iều chế đơn biên là quá tr ỡnh điều chế nhằm tạo ra một

gi i biên tần ải tin hay tải tần

 Ưu điểm của điều chế đơn biên:

 điều chế đơn biên là quá tr ộ rộng d i tần gi m một nửa ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần

 Công suất bức xạ yêu cầu thấp hơn vỡ không cần t i tin ải tin hay tải tần

 Tạp âm phía thu gi m do d i tần gi m một nửa ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần

 Tuy nhiên điều chế đơn biên sẽ phức tạp và tốn kém hơn.

 Biểu thức của điều chế đơn biên

 (m = UmS/Umt) : hệ số nộn tải tin

 Ta thấy tín hiệu đơn biên vừa biến đối về biên độ, vừa biến đổi về

t U

m t

U

2 ) cos(



Ph ơng pháp lọc

 Việc tạo bộ lọc nh trên rất khó thực hiện vỡ t và (t +s) rất lớn  d i thông rất rộng ải tin hay tải tần

vòng Khi đó không có thành phần t i tin ải tin hay tải tần  việc lọc dễ dàng hơn, tuy nhiên cũng không thể loại bỏ đ ợc biên tần d ới (t -

 )  khắc phục dùng điều biên vòng cân bằng 2 lần

A



Lọc thực tế (dải thông rộng)

Lọc lý tựởng

2S

07/27/24 20

Ph ơng pháp lọc

 Sơ đồ khối

 điều chế đơn biên là quá triều biên vòng lần 1:Sau bộ lọc lấy biên tần trên  đ ợc biên tần (ft1+ fS)

 điều chế đơn biên là quá triều biên vòng lần 2: Sau khi lọc lấy biên tần trên  đ ợc biên tần : (ft1+ft2+

Ph ơng pháp lọc

 Phổ tín hiệu tại các điểm a, b, c, d trên sơ đồ bộ điều chế

đơn biên dùng điều biên vòng cân bằng 2 lần:

n

b

c

d

07/27/24 22

Ph ¬ng ph¸p läc

 Do ft1 nhá  (ft1+ fS) còng nhá  d i th«ng cña bé ải tin hay tải tÇn

läc 1 sÏ nhá  cã thÓ lo¹i ® îc biªn tÇn d íi (fo cµng lín thì d i th«ng cña bé läc cµng lín) ải tin hay tải tÇn

 Khi ®iÒu biªn vßng lÇn 2  biªn tÇn d íi c¸ch biªn tÇn trªn rÊt xa = 2(ft1+ fS)  bé läc 2 dÔ dµng t¸ch ® îc biªn tÇn d íi.

Ph ¬ng ph¸p quay pha

 Hai tÝn hiÖu Ut, US ® îc trùc tiÕp ® a vµo ®iÒu biªn vßng 1

 Hai tÝn hiÖu Ut vµ US ® îc quay pha råi ® a vµo ®iÒu biªn vßng 2

 TÝn hiÖu ra cña ®iÒu biªn vßng 1 vµ 2 ® îc trõ cho nhau

§iÒu biªn vßng 1

§iÒu biªn vßng 2

 Tín hiệu sau khi qua bộ điều biên vòng 1:

 Tín hiệu sau khi qua bộ điều biên vòng 2:

 Tín hiệu sau khi qua mạch trừ:

U đb đơn (t) = U đb1 – U đb2 = Acos( t + S ).t

A

t U

U t U

U

t t

U U U

t S t

S

t S mt

mS t

S mt

mS

t S

mt mS db

) cos(

) cos(

2

) cos(

2

1 ) cos(

2 1

cos cos

U t U

U

t t U

U U

t S t

S

t S mt

mS t

S mt

mS

t S mt mS db

) cos(

) cos(

2

) cos(

2

1 ) cos(

2 1

sin sin

Ph ơng pháp quay pha

 Nhận xét:

 Do tín hiệu ra chỉ có 1 thành phần biên tần  không cần ph i lọc ải tin hay tải tần

 để tín hiệu ra của 2 bộ điều biên vòng bằng nhau về giá trị tuyệt

đối  yêu cầu 2 bộ điều biên vòng ph i hoàn toàn giống nhau ải tin hay tải tần

 Ph i đ m b o góc quay pha đúng: ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần ải tin hay tải tần

 Quay pha t i tin rất dễ v ải tin hay tải tần ỡ là tín hiệu điều hoà

 Tín hiệu điều chế th ờng là một d i tần ải tin hay tải tần  rất khó thực hiện quay pha 900 trong d i tần đó ải tin hay tải tần

 ph ơng pháp này chỉ thực hiện điều chế tín hiệu điều hoà (hỡnh sin)

07/27/24 26

Ph ơng pháp lọc và quay pha kết hợp

 Ph ơng pháp này chỉ thực hiện quay pha t i tin còn tín hiệu ải tin hay tải tần

điều chế không cần quay pha mà đ ợc đ a trực tiếp vào điều biên vòng.

 Sơ đồ khối nh sau:

Điều biên vòng 1

Điều biên vòng 2

Điều biên vòng 4

U t2 (t)

Ph ơng pháp lọc và quay pha kết hợp

 điều chế đơn biên là quá tr ối với điều biên vòng 1: đ a trực tiếp U S , U t vào Tín hiệu ra U đb1 là:

 điều chế đơn biên là quá tr iều biên vòng 2  Us đ ợc đ a trực tiếp còng Ut1 thỡ quay pha 90 0 Ta có tín hiệu ra của bộ

điều biên vòng 2 là:

 Dùng bộ lọc 1 và 2  lọc lấy 2 biên tần trên (t + S)

 Lọc 1: Lọc 2:



iều biên vòng 3: Trực tiếp U

điều chế đơn biên là quá tr t2 và tín hiệu sau lọc 1:

 điều chế đơn biên là quá tr iều biên vòng 4: quay pha U t2 và tín hiệu sau lọc 2

t U

U t U

U t t

U U

U db mS mt S t mS mt S t mS mt cos( t S)

2

1 ) cos(

2

1 cos

cos 1 1 1 1 1

1

t U

U t U

U t t

U U

U db mS mt S t mS mt S t mS mt sin( t S)

2

1 ) sin(

2

1 sin

A t t

U U

4 ) cos(

4 cos

) cos(

2 1 2 1 2 2 1

1

A A

U U

Uđb đơn = Uđb3 – Uđb4 =

Uđb đơn = Uđb3 – Uđb4 =

 Ph ơng pháp này dùng để điều biên đơn với tín hiệu

điều chế là một d i tần ải tin hay tải tần

 Do tín hiệu ra chỉ có 1 thành phần biên tần  không cần ph i lọc ải tin hay tải tần

điều tần (FM) và điều pha

(PM)

 điều chế đơn biên là quá tr iều tần và điều pha là quá trỡnh ghi tin tức vào t i tin, làm ải tin hay tải tần

cho tần số huặc pha tức thời của t i tin biến thiên theo dạng tín ải tin hay tải tần hiệu điều chế (biên độ tín hiệu điều chế).

 Tín hiệu điều tần đ ợc minh hoạ nh sau

f



07/27/24 30

Các công thức cơ b n và mối quan ải tin hay tải tần

hệ của 2 ph ơng pháp FM và PM

 Gi a tần số và một góc pha của một dao động có quan hệữa tần số và một góc pha của một dao động có quan hệ

 Với tải tin là dao động điều hoà ta có:

 Gi thiết tín hiệu điều chế là đơn âm: Uải tin hay tải tần S =UmS.cosSt

 Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thỡ tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế:

 Trong đó  t : tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

 điều chế đơn biên là quá tr ặt: k đt U mS =  m và k đp U mS =  m ta viết lại 2 biểu thức trên :

dt

d

 

) ( cos )

U

) 0

)

) ( t

U  

t U

k t

t U

k t

S mS dp

S mS dt t

(

cos )

t t

S m

S m t

(

cos )

Các công thức cơ b n và mối quan ải tin hay tải tần

hệ của 2 ph ơng pháp FM và PM

 điều chế đơn biên là quá tr iều chế tần số: góc pha đầu không đổi nên (t) = o.

 Biểu thức của dao động điều tần:

 L ợng di tần cực đại khi điều tần:

 điều chế đơn biên là quá tr iều chế pha: tần số không đổi  =  t = const

 Biểu thức của dao động điều pha:

 L ợng di pha đạt đ ợc khi điều pha

 L ợng di tần đạt đ ợc khi điều pha

mS dt

07/27/24 32

Các công thức cơ b n và mối quan ải tin hay tải tần

hệ của 2 ph ơng pháp FM và PM

 C điều tần và điều pha đều có góc pha thay đổi nên gọi chung là điều chế gócải tin hay tải tần

 điều chế đơn biên là quá triều khác nhau cơ b n gi a điều ải tin hay tải tần ữa tần số và một góc pha của một dao động có quan hệ tần và điều pha là l ợng di tần khi điều pha tỷ

lệ với biên độ của tín hiệu điều chế và tần số điều chế còn l ợng di tần khi điều tần chỉ tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế mà thôi

 Minh hoạ mối quan hệ gi a điều tần và điều pha:ữa tần số và một góc pha của một dao động có quan hệ

Mạch điều tần

 Có thể dùng mạch điều tần trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua điều pha.

 Các mạch điều tần trực tiếp đ ợc thực hiện bằng các mạch tạo dao động mà tần

số của nó phụ thuộc vào điện áp đặt vào (VCO) hoặc bằng các mạch biến đổi

điện áp – tần số.

 Nguyên tắc thực hiện mạch điều tần trong các bộ tạo dao động là làm biến đổi trị số điện kháng theo điện áp đặt vào  ph ơng pháp phổ biến nhất là dùng diode biến dung và transistor biến đổi điện kháng.

 Bộ điều chế thông dụng nhất trong các hệ thống FM là bộ điều chế điện kháng

Bộ điều chế này dùng ph ơng pháp thay đổi điện kháng (dung kháng hoặc c m ải tin hay tải tần kháng) theo tần số mạch dao động.

 điều chế đơn biên là quá tr iện dung của diode phụ thuộc vào độ rộng miền điện tích không gian khi đ ợc phân cực thuận hoặc ng ợc  diode biến dung iện dung của diode thay đổi điều chế đơn biên là quá tr theo điện áp dặt vào  thay đổi tần số dao động  Bộ chuyển đổi điện áp- tần

số

07/27/24 34

Mạch điều tần

 Bộ điều chế FM điển hỡnh dùng diode nh sau:

 Tín hiệu điều chế đ ợc đ a đến bộ tạo dao động Colpitt thông qua một biến áp

 Diode biến dung C4 đ ợc phân cực ng ợc bằng điện áp Vg Điện áp phân cực

ng ợc thay đổi theo tín hiệu điều chế  C4 thay đổi  thay đổi tần số dao dộng

 Cuộn chặn cao tần (RFC) để ngăn C4 không bị ngắn mạch với nguồn Vm và Vg

 Tụ C3 để ngăn tín hiệu 1 chiều đến bộ tạo dao động

M¹ch ®iÒu tÇn

07/27/24 36

Mạch điều tần dùng diode biến dung

 Tần số cộng h ởng của bộ tạo dao động :

 CD là điện dung của diode biến dung D:

 k: hiệu điện thế tiếp xúc của mặt ghép (với Si là 0.7V)

 : là hệ số phụ thuộc vật liệu = (1/31/2)

 Điện áp đặt lên diode

+ Cb4

E 0 us

Cb1

R3

R2 R1

Lc

C Cb3

D

* L

) (

k C





o S

mS t

mt o

S t

Mạch điều pha

 Sơ đồ khối mạch điều pha Amstrong

 Nguyên tắc: tải tin từ bộ tạo dao động thạch anh  bộ điều biên ĐB1 và ĐB2 lệch pha

90 0 Tín hiệu điều chế U S đ a đến 2 mạch điều biên ng ợc pha.

 Điện áp ra trên 2 bộ điều biên là:

 u đB1 =U t1 (1+mcos s t)cos t t=U t1 cos t t + mU t1 /2[cos( t + s )t+cos( t -  s )t]

 u đB2 =U t2 (1- mcos s t)sin t t=U t2 sin t t - mU t2 /2[sin( t + s )t+sin( t -  s )t]

Điều biên 1

Điều biên 2

Mạch tổng

bộ tạo tín hiệu dao động