điều chế và giải điều chế AM DSB FC

điều chế và giải điều chế AM DSB FC

PHẦN B NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ

1.1 Khái niệm điều chế biên độ

Điều chế là quá trình chuyển tin tức từ miền tần số thấp sang miền tần số cao

Để truyền thông tin đi xa phải có thao tác điều chế Nói cách khác, điều chế là quá trình ghi tin tức vào bộ dao động cao tần, bằng cách làm biến đổi thông số nào đó của dao động cao tần theo tin tức

Dao động tần số thấp mang thông tin gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là tải tin hay sóng mang

Trong điều chế biên độ, tín hiệu tin tức m(t) làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang c(t) Có nhiều loại khác nhau của điều chế biên độ, ta sẽ khảo sát các trường hợp sau :

 Điều chế biên độ song biên triệt sóng mang (Double-sideband

suppressed-carrier transmission-AM DSB SC)

 Điều chế biên độ song biên có sóng mang-AM DSB FC

 Điều chế biên độ đơn biên-AM SSB

1.2 Các loại điều chế biên độ

1.2.1 Điều chế biên độ song biên triệt sóng mang AM DSB SC

Tín hiệu này có được bằng cách nhân tín hiệu tin tức m(t) với tín hiệu sóng mang c(t), ta có:

Vam (t)= m(t).c(t) =Ac.m(t).cos(2πfct + φc) Tín hiệu này có thể giải điều chế bằng cách ta nhân tín hiệu nhận được

r(t)=Vam(t) với cos(2πf + φc), sau đó ta cho kết quả qua bộ lọc thông thấp lý tưởng với băng thông W

Tuy nhiên để máy thu có thể giải điều chế được thì φc ở bên thu phải đúng bằng với bên phát, vì thế ta cần phải sử dụng một bộ giải điều chế đồng bộ ( synchronous) hay tương quan (phase-coherent)

1.2.2 Điều chế biên độ đơn biên AM SSB

Vì tín hiệu AM DSB SC cần một băng thông bằng 2 lần băng thông tín hiệu giải nền để truyền đi Tuy nhiên nếu dùng cả hai biên thì việc truyền trở nên dư thừa Kỹ thuật AM SSB sẽ làm giảm băng thông tín hiệu phát

Tín hiệu AM SSB được điều chế theo biểu thức toán học sau :

u(t)=Ac.m(t) cos(2πfct) ∓ Ac.ṁ(t) sin(2πfct) trong đó ṁ(t) là biến đổi Hilbert của m(t)

Ngoài ra, ta còn 1 phương pháp khác để điều chế AM SSB là sau khi nhân tín hiệu tin tức với tín hiệu sóng mang,sau đó ta đem kết quả đó đi qua bộ lọc thông dãy để lọc biên trên hoặc biên dưới

Để phục hồi tín hiệu tin tức m(t) từ tín hiệu AM SSB thu được, ta cần một bộ tách sóng pha kết hợp hay tách sóng đồng bộ như trong tín hiệu AM DSB SC

1.2.3 Điều chế biên độ song biên có sóng mang AM DSB FC

Tín hiệu AM DSB FC có biểu thức toán học như sau :

u(t) = Ac.[1 + m(t)].cos(2πfct + φc)

= Ac.m(t).cos(2πfct + φc) + Ac.cos(2πfct + φc) Dạng sóng tin tức phải thỏa |m(t)|≤1 Dựa vào biểu thức ta thấy tín hiệu AM DSB FC

là tổng của tín hiệu AM DSB SC với tín hiệu sóng mang c(t) nên ta có sơ đồ khối điều chế tín hiệu AM DSB FC như hình 1.1

Ta có tín hiệu AM trong miền thời gian như hình 1.2 :

Khi |m(t)|≤1, biên độ Ac.[1 + m(t)] luôn dương Đây là điều kiện cần có để có thể làm cho AM DSB FC dễ dàng điều chế Mặc khác, nếu m(t)≤-1 ở thời gian t nào đó, tín

Hình 1.1 : sơ đồ khối điều chế AM DSB FC

Hình 1.2 :Tín hiệu tin tức, sóng mang và AM

hiệu AM lúc này là quá điều chế và việc điều chế trở nên khó khăn Trong thực tế, m(t) được tỉ lệ sao cho biên độ của nó luôn bé hơn 1

Phổ của tín hiệu AM DSB FC có dạng như hình 1.3:

Ta thấy phổ của tín hiệu AM DSB FC có 3 vạch: một vạch trung tâm đại diện cho sóng mang biên độ Vc tần số fc, hai vạch ở hai bên đại diện cho tin tức Vì khoảng cách giữa hai vạch biên là 2fm nên băng thông của tín hiệu AM DSB FC bằng hai lần tần số của tin tức

BW = 2.fmGiải điều chế AM DSB FC

Dựa vào phổ của AM DSB FC (hình 1.3) , ta thấy để giải điều chế AM DSB FC ta chỉ cần lọc để lấy thành phần tin tức, để làm được điều này người ta sử dụng phương pháp đơn giản là phương pháp tách sóng hình bao, phương pháp này sẽ nói rõ ở chương 3 Nhận xét AM DSB FC:

- Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích

- Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên chi phí tăng và tăng nhiễu

- Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ

CHƯƠNG 2

Hình 1.3 : Phổ của tín hiệu AM DSB FC

MẠCH ĐIỀU CHẾ AM SONG BIÊN CÓ SÓNG MANG

2.1 Khối dao động dịch pha RC

Có nhiều cách để tạo dao động tần số cao như mạch dao động Colpitts, Hartley hoặc sử dụng các IC tạo sóng tần số cao như IC 356, IC 8038…Tuy nhiên vì mục đích

mô phỏng nên ta chọn mạch dao động dịch pha LC nhưng đối với sóng mang thì ta dùng OP-AMP dao động tần số cao là IC LF356

Đầu tiên ta nói sơ lược về nguyên tắc chung để tạo dao động

Hình 2.1 : Sơ đồ khối của mạch tạo dao động

Hình 2.1 mô tả sơ đồ khối chung của các mạch tạo dao động, nó bao gồm 2 phần, phần khuếch đại với hệ số khuếch đại Av và phần chọn lọc tần số dao động β Nguyên tắc chung để tạo dao động: Khi vừa mới cấp điện do sự biến thiên điện áp của các phần tử trong mạch do đó nó sinh ra điện áp tạp âm với phổ tần liên tục, nếu là hồi tiếp âm thì các tạp âm này sẽ bị triệt tiêu,nếu là hồi tiếp dương thì tại tần số tín hiệu được chọn lọc sẽ cùng pha với tín hiệu ngõ vào, làm tăng biên độ ngõ vào, và ngõ ra xuất tín hiệu dao động

Mạch dao động dịch pha RC cũng dựa trên nguyên tắc này, ta có sơ đồ nguyên

lý như hình 2.2:

Hình 2.2 : sơ đồ nguyên lý của mạch dao động dịch pha RC

Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ta thấy khối dịch pha gồm 3 cặp RC dịch pha dạng lọc thông thấp, mỗi cặp làm tín hiệu dịch pha đi 60° vì thế khối dịch pha sẽ làm tín hiệu dịch pha 180°.Mạch này muốn dao động được thì điều kiện là góc lệch pha phải bằng 180° và hệ số truyền đạt β=

.Như vậy điều kiện về pha đã thỏa mãn, còn điều kiện về

hệ số truyền đạt ta có hệ số khuếch đại Av= Vì thế ta phải thiết kế mạch khuếch đại

có hệ số khuếch đại là -29 Do đó ta chọn mạch khuếch đại đảo dùng OP-AMP và chọn điện trở Rf và Ri để có được hệ số khuếch đại Av=

=-29

Mạch dao động ở tần số:

f =

2.1.1 Khối dao động tạo sóng mang

Khối này sử dụng mạch dao động dịch pha RC và có sơ đồ nguyên lý như hình 2.3:

Hình 2.3 : sơ đồ nguyên lý của mạch dao động tạo sóng mang

Ta thấy khối dịch pha mắc theo kiểu rút gọn, chú ý hình 2.2 ta thấy điện trở R mắc song song với điện trở Ri mà Ri>>R nên ta chỉ còn R

Tính toán tần số dao động như sau: f =

=

= 138kHz

Vì đây là dao động tần số cao nên ta phải dùng OP-AMP tần số cao là IC LF356

và hệ số khuếch được thay đổi bởi điện trở R6, lý do ta chỉnh hệ số khuếch đại vì khi ta thiết kế |Av| đúng bằng 29 hoặc nhỏ hơn thì mạch sẽ không dao động, vì thế ta phải

chỉnh lớn hơn 29 rồi mới giảm về 29 thì mạch mới dao động được

2.1.1 Khối dao động tạo tin tức

Tương tự như khối dao động tạo sóng mang như vì tin tức có tần số thấp nên để

đỡ tốn kém ta dùng IC 741 thông dụng và thay đổi giá trị RC để thay đổi tần số dao

động

Mạch sơ đồ nguyên lý như hình 2.4:

Hình 2.4 : sơ đồ nguyên lý của mạch dao động tạo tin tức

Tính toán tần số dao động như sau: f =

=

= 955Hz

2.2 Khối điều chế cân bằng (balanced modulator)

Trong khối này ta sử dụng IC điều chế chính là IC điều chế cân bằng MC1496, đây là IC có thể hoạt động ở tần số cao Nó có nhiều chức năng nhưng chức năng chính của nó là điều chế AM đơn biên triệt sóng mang Ngoài ra, nó còn có thêm nhiều chức năng như: tách sóng SSB (đơn biên), điều chế và giải điều chế AM, tách sóng FM,

trộn, nhân tần, tách pha và nhiều ứng dụng khác

2.2.1 Sơ đồ chân của MC1496:

Sơ đồ chân của nó được mô tả như hình 2.5:

MC1496 gồm có 14 chân:

Chân 1 và 4: chân ngõ vào tín hiệu

Chân 2 và 3: chân điều chỉnh độ lợi

Chân 5: chân phân cực

Chân 6 và 12: chân ngõ ra

Chân 8 và 10: chân ngõ vào sóng mang

Chân 14: chân nguồn VEE

Chân 7, 9, 11, 13: không dùng

2.2.2 Cấu tạo của MC1496:

Sơ đồ nguyên lý (schematic diagram) của IC MC1496 được mô tả như hình 2.6

Ta thấy MC1496 gồm bộ khuếch đại vi sai Q5-Q6 lái 2 bộ khuếch đại vi sai Q1,Q2, Q3

và Q4 Transistor Q7 và Q8 dùng để phân cực nguồn dòng cho bộ khuếch đại vi sai Q5

-Q6

Hình 2.5 : Sơ đồ chân của IC MC1496

2.2.3 Hoạt động của

MC1496:

Hoạt động phổ biến

nhất của MC1496 bao gồm

tín hiệu sóng mang đưa vào

bộ khuếch đại vi sai kép

gồm Q1, Q2, Q3, Q4 và tín

hiệu điều chế đưa vào

khuếch đại vi sai thấp hơn

gồm Q5 và Q6

Tín hiệu ngõ ra chứa

tổng và hiệu các thành phần

tần số và biên của nó thì phụ

thuộc vào biên độ của tín

hiệu điều chế Đây là điều

mong muốn đạt được trong

các ứng dụng chính của

MC1496

Hoạt động bảo hòa của bộ khuếch đại vi sai kép sẽ tạo ra các hài (điều này thấy

rõ khi phân tích chuỗi Fuorier – xem phần tính toán) Việc giảm biên độ của sóng mang ngõ vào xuống dãy tần tuyến tính của nó sẽ làm giảm các hài này ở tín hiệu ngõ

ra

Tuy nhiên điều này có thể làm giảm độ lợi và làm cho tín hiệu ngõ ra có biên độ không ổn định

Phần khuếch đại vi sai ngõ vào sóng mang không có điện trở RE(emitter

degeneration) Vì thế, tín hiệu ngõ vào sóng mang hoạt động ở vùng tuyến tính và vùng bảo hòa sẽ được tính toán (xem phần tính toán) Khi tín hiệu ngõ vào sóng mang thấp hơn 15-20mV rms thì nó hoạt động ở chế độ tuyến tính và cao hơn 15-20mV rms thì hoạt động ở chế độ bảo hòa

Phần khuếch đại vi sai tín hiệu điều chế có 2 chân

Hình 2.7 : Mô hình phân tích

Hình 2.6 : sơ đồ nguyên lý của IC MC1496

emitter được mang ra chân 2 và chân 3 của IC Điều này cho phép người thiết kế chọn lựa giá trị RE và bằng cách này có thể thay đổi dãy hoạt động tuyến tính của ngõ vào tín hiệu điều chế theo những yêu cầu khác nhau Ngoài ra, điện trở này còn xác định độ lợi của linh kiện

Mức cao nhất của ngõ vào tín hiệu điều chế hoạt động ở vùng tuyến tính được cho bởi công thức:

1( ak)

Với RE là điện trở giữa chân 2 và chân 3

I1 được cho như trên hình 2

Giả sử dòng Base IB bằng 0 và các transistor cùng tính chất,

1 5

Với I5 là dòng đi qua chân 5 Vì thế, (1.1) trở thành

5( ak)



Hàm f(m) có thể tính gần đúng trong 2 trường hợp

R A R

E

R m

Các biểu thức trên điều giả sử RE >> re, trong đó re là điện trở động của

transistor Q5 và Q6 Khi I1=1mV, re=26mV ở nhiệt độ phòng

Đa số ứng dụng điều mong muốn đặt giá trị RE rất nhỏ hoặc bằng 0 Khi đó,

(1.6) và (1.8) được mở rộng ra là:

+VX là high-level:

L V

R A

R A

osos

v y

R R RM V

Phương trình 1.14 và 1.17 cho biết độ lợi điện áp vào ra của MC1496 cho ngõ

vào sóng mang mức thấp hoặc mức cao Lưu ý là độ lợi được tính toán biên độ cho

điện áp ngõ ra của 2 biên mong muốn Tín hiệu ngõ ra tóm lại gồm tổng hai biên trong

trường hợp mức thấp và trong trường hợp mức cao là tổng các biên của sóng mang và

tất cả các hài lẻ của sóng mang

2.2.4 Phần tính toán

Phân tích AC và DC

Đầu tiên, ta phân tích DC như sau :

Từ hình 2.7 cho ta các phương trình dòng như sau:

V I R

Nên ta thấy độ lợi điện áp là một hàm của điện áp cấp vào 4 con transistor trên (Vx)

 

2RR

m m

Thứ hai, phân tích theo AC:

Phân tích toán học theo tín hiệu điện áp ac dựa vào 2 chế độ hoạt động Một là

V X và V Y điều là sóng sin mức thấp (chế độ 1), hai là V Y mức thấp và V X mức cao (chế độ 2) dựa vào hoạt động đóng mở đối xứng của bộ khuếch đại trên Q1,Q2,Q3 và

Hình 2.9 : dạng sóng vào ra của ngõ vào phía trên mức cao và ngõ vào mức thấp

Dạng chuỗi Fuorier của chuỗi xung vuông đối xứng trên hình 2.9 là:

n

n A

2.2.5 sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế cân bằng dùng IC MC1496

Hình 2.10 : sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế cân bằng 2.3 Khối cộng

Đầu tiên ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý để cộng tín hiệu, giả sử ta có mạch cộng

với sơ đồ nguyên lý như hình 2.11

Vì ngõ vào đều là dao động ở tần số cao nên ta phải sử dụng IC LF356 để cộng tín hiệu, mạch cộng tín hiệu có sơ đồ nguyên lý như hình 2.12

Hình 2.12 : sơ đồ nguyên lý của mạch cộng 2 tín hiệu

Ta tính toán thiết kế mạch như sau:

Cũng giống như ví dụ trên nhưng chỉ có 2 ngõ vào

GIẢI ĐIỀU CHẾ SONG BIÊN CÓ SÓNG MANG

Nếu như ở bên phát chúng ta lấy biên độ của tín hiệu tin tức làm thay đổi sóng mang để phát tín hiệu đã điều chế đi, thì ở phía máy thu chúng ta làm công việc ngược lại, đó là thu tín hiệu đã điều chế và phục hồi để lấy lại tin tức ban đầu, công việc này được gọi là giải điều chế

Trong AM DSB FC, công việc giải điều chế này hết sức đơn giản, đó là sử dụng mạch tách sóng đường bao (hay tách sóng diode)

tụ điện sẽ nạp xả theo thời hằng  RC, và để tách được đường bao thì  phải thỏa mãn hai điều kiện sau:

- Hằng số  phải đủ nhỏ để điện áp trên tụ biến thiên theo kịp đường bao, nghĩa là m 1

m

T f

 =  , trong đó fm là tần số lặp lại của đường bao, nó cũng chính là tần số của tín hiệu mang tin tức tần số thấp

- Tuy nhiên  phải đủ lớn để điện áp trên tụ không bắt kịp sự biến thiên của sóng mang cao tần, tần số fc Vậy:

RC

f =   = f

Hai điều kiện trên có thể thực hiện được vì fc lớn gấp hàng trăm lần so với fm

Sơ đồ nguyên lý thực tế của mạch tách sóng hình bao:

Hình 3.2 : sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng hình bao

Trong sơ đồ này ta sử dụng thêm một tụ điện ở ngõ ra, tụ này dùng để lọc thành phần DC Trong lúc điều chế ta điều chế với tần số sóng mang là f c100kHz và tin tức