Đồ Án Tốt Nghiệp - Kỹ Thuật Truyền Dẫn Âm Thanh AM Và FM

Đồ án báo cáo,đồ án môn học Đề tài : kỹ thuật truyền dẫn âm thanh AM và FM Đây là đồ án báo cáo chi tiết trong quá trình học ĐH,được đánh giá chất lượng rất cao,được biên soạn nghiên cứu từ các tài liệu chuyên ngành,thực tế thực tập,… .được chắt lọc từ các tài liệu công nghệ kỹ thuật mới nhất.Đây là tài liệu thực sự bổ ích cho các bạn trẻ giúp các bạn sinh viên đạt kết quả cao khi bảo vệ đồ án,báo cáo,luận văn của mình,trinh phục tương lai của mình .Chúc các bạn thành công

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG -

I Nguyên lý phát thanh trên sóng AM

a) Khái niệm về tín hiệu âm tần ( Audio ) :

Tín hiệu âm tần là tín hiệu của sóng âm thanh sau khi được đổi thành tín hiệu điện thông qua Micro

Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong không gian, khi sóng âm thanh va chạm vào màng Micro làm cho màng Micro rung lên, làm cho cuộn dây gắn với màng Micro được đặt trong từ trường của nam châm dao động, hai đầu cuộn dây ta thu được một điện áp cảm ứng => đó chính là tín hiệu âm tần

Micro đổi sóng âm thanh thành tín hiệu âm tần (Audio)

Tín hiệu âm tần có giải tần từ 20Hz đến 20KHz và không có khả năng

bức xạ thành sóng điện từ để truyền trong không gian, do đó để truyền tín hiệu âm tần đi xa hàng trăm, hàng ngàn Km Người ta phải giử tín hiệu âm tần cần truyền vào sóng cao tần gọi là sóng mang, sau đó cho sóng mang bức xạ thành sóng điện từ truyền đi xa với vận tốc ánh sáng.

b) Khái niệm về tín hiệu cao tần và sóng điện từ

Tín hiệu cao tần là các tín hiệu điện có tần số trên 30KHz, tín hiệu cao tần có tính chất bức xạ thành sóng điện từ Thí dụ trên một dây dẫn có tín hiệu cao tần chạy qua , thì dây dẫn có một sóng gây can nhiễu ra xung quanh, đó chính là sóng điện từ do dòng điện cao tần bức xạ ra không gian

Sóng điện từ : Là sóng truyền dẫn trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng, có tần số từ 30KHz đến hàng ngàn

MHz, cong người đã sử dụng sóng điện từ trong các lĩnh vực thông tin , vô tuyến điện , truyền thanh, truyền hình, trong đó Radio là lĩnh vực truyền thanh chiếm giải tần từ 30KHz đến khoảng 16MHz với các sóng điều chế AM, và từ 76MHz đến 130MHz với các sóng điều chế FM

c) Quá trình điều chế AM(Amplitude Moducation: Điều chế biên độ)

Điều chế AM là quá trình điều chế tín hiệu tần số thấp( như tín hiệu âm tần, tín hiệu video ) vào tần số cao tần theo phương thức => Biến đổi biên độ tín hiệu cao tần theo hình dạng của tín hiệu âm tần => Tín hiệu cao tần thu được gọi là sóng mang

Tín hiệu vào và ra của mạch điều chế AM

Tín hiệu âm tần có thể lấy từ Micro sau đó khuếch đại qua mạch khuếch đại âm tần, hoặc có thể lấy từ các thiết bị khác như đài Cassette, Đầu đĩa CD

Tín hiệu cao tần được tạo bởi mạch tạo dao động, tần số cao tần là tần số theo quy định của đài phát

Tín hiệu đầu ra là sóng mang có tần số bằng tần số cao tần, có biên độ

thay đổi theo tín hiệu âm tần.

d) Quá trình phát tín hiệu ở đài phát

e) Đường truyền từ đài phát đến máy thu cách nửa vòng trái đất.

Với các đài phát ở xa cách chúng ta nửa vòng trái đất như đài BBC phát từ Anh Quốc, sóng điện từ truyền theo đường thẳng gặp tầng điện ly chúng phản xạ xuống trái đất rồi lại phản xạ ngược lên nhiều lần mới đến được máy thu, vì vậy tín hiệu đi tới máy thu rất yếu và sóng không ổn định

Để có thể truyền tín hiệu đi xa, các đài phát thường phát ở băng sóng ngắn có tần số sóng mang từ 4 MHz đến khoảng 23 MHz

Đường truyền sóng của các Đài phát

ở xa máy thu

Đây là mạch phát AM đơn giản dùng Transitor.

+ Mạch dao động LC tạo dao động từ 500Khz đến 1600Khz Và tụ điện biến đổi có thể lấy từ các đài hỏng Bộ dao động được tạo bởi Q1 và C1,L1 Tín hiệu từ Mic là tín hiệu nhỏ năng lượng thấp và được khuếch đại tín hiệu thông qua Q2 Q2 khuếch đại tín hiệu lên vào đưa vào Q1 để tạo dao động cùng với C1 và L1 phát tín hiệu AM TÍn hiệu mà mạch này không phát được đi xa mà chỉ phát được trong khoảng bán kính ngắn khoảng 30m.Vì tín hiệu này vẫn có năng lượng thấp muốn vậy ta phải cho khuếch đại công suất tín hiệu trước khi cho lên Anten phát đi.

Ta cũng có thể thay Mic bằng các tín hiệu âm thanh khác như cho tín hiệu âm thanh của 1 bài hát vào và lấy đài có AM xem nào có thu được tín hiệu phát ra không.

f) Ưu và nhược điểm của phát thanh trên sóng AM

Ưu điểm : của sóng AM là có thể truyền đi xa tới hàng nghìn Km

Nhược điểm : của sóng AM là dễ bị can nhiễu, dải tần âm thanh bị cắt sén do đặc điểm của mạch tách sóng điều biên, do

đó chất lượng âm thanh bị hạn chế

a) Sơ đồ khối của Radio băng AM :

Sơ đồ khối mạch Radio băng AM

Xung quanh máy thu thanh có vô số các sóng điện từ từ các đài phát khác nhau gửi tới, nhiệm vụ của máy thu là chọn lấy một tần số rồi khuyếch đại , sau đó tách sóng để lấy ra tín hiệu âm tần Mạch thu sóng Radio AM có các mạch như sau :

* Mạch cộng hưởng và khuếch đại cao tần (RF Amply) thu tín hiệu từ một đài phát bằng nguyên lý cộng hưởng, sau đó khuếch đại tín hiệu cho đủ mạnh cung cấp cho mạch đổi tần

* Mạch dao động nội ( OSC ) tạo dao động cung cấp cho mạch đổi tần

* Mạch đổi tần ( Mixer ) trộn hai tín hiệu RF và tín hiệu OSC để tạo ra tín hiệu trung tần IF, IF là tín hiệu có tần số cố định bằng 455KHz

* Mạch khuếch đại trung tần ( IF Amply ) : Khuếch đại tín hiệu IF lên biên độ đủ lớn cung cấp cho mạch tách sóng

* Mạch tách sóng ( Detect ) Tách tín hiệu âm tần ra khỏi sóng mang cao tần

b) Mạch cộng hưởng cao tần, dao động nội và đổi tần.

Mạch cộng hưởng RF, dao động OSC & đổi tần Mixer

Chú thích :

* Mạch cộng hưởng cao tàn (RF Amply) bao gồm : Tụ xoay C1 đấu song song với cuộn dây L1 quấn trên thanh ferit tạo thành mạnh mạch dao động LC, mạch thu sóng theo nguyên lý cộng hưởng, có rất nhiều sóng mang có tần số khác nhau từ các đài phát cùng đi tới máy thu, khi tần số dao động của mạch trùng với sóng mang của một đài phát thì tín hiệu sóng mang của đài phát đó được cộng hưởng và biên độ tăng lên gấp nhiều lần, tín hiệu này được thu vào thông qua cuộn thứ cấp của cuộn dây và được khuếch đại qua đèn Q1, sau đó đưa sang mạch đổi tần, C1 là tụ xoay có thể thay đổi giá trị, khi

ta chỉnh núm Tuning chính là chỉnh tụ xoay C1 làm trị số C1 biến đổi => tần số cộng hưởng của mạch thay đổi

* Mạch OSC gồm tụ xoay C2 đấu song song với cuộn L2 tạo thành mạch dao động, tụ xoay C2 được gắn chung với tụ C1

và hai tụ này đựơc chỉnh để thay đổi giá trị đồng thời, dao động nội có tần số luôn luôn thấp hơn tần số cộng hưởng RF một lượng không đổi

* Mạch đổi tần : đèn Q2 làm nhiệm vụ đổi tần, tín hiệu cao tần RF

được đưa vào cực B, tín hiệu dao động nội được đưa vào cực E , tín hiệu lấy ra trên cực C gọi là IF ( tín hiệu trung tần) có giá trị không đổi bằng 455KHz

IF = RF - OSC

c) Mạch chuyển băng

Băng sóng AM thường được chia ra làm hai hoặc ba băng là

- Băng sóng trung MW có dải tần từ 526,5KHz đến 1606,5KHz

- Băng sóng ngắn 1 : SW1 có dải tần từ 2,3MHz đến 7,3MHz

- Băng sóng ngắn 2 : SW2 có dải tần từ 7,3MHz đến 22MHz

Dưới đây là sơ đồ mạch chuyển băng, khi ta chuyển giữa các băng sóng, tụ xoay sẽ tiếp vào các điểm được đấu với cuộn dây có số vòng dây khác nhau => làm cho tần số cộng hưởng thay đổi

d) Mạch khuếch đại trung tần ( IF Amply)

Chuyển băng giữa các băng sóng Radio AM

Sau khi đổi tần, tín hiệu IF được khuếch đại qua hai tầng khuếch đại có cộng hưởng, các biến áp trung tần T1, T2, T3 cộng hưởng ở tần số 455KHz đồng thời làm nhiệm vụ nối tầng và phối hợp trở kháng các biến áp này có vít điều chỉnh nhằm điều chỉnh cho biến áp cộng hưởng đúng tần số

e) Mach tách sóng AM

Mạch tách sóng AM

Sau khi tín hiệu IF được khuếch đại qua hai tầng khuếch đại trung tần, tín hiệu IF được đưa sang mạch tách sóng

Mạch tách sóng bao gồm Diode D1 tách lấy bán kỳ dương của tín hiệu sau đó được mạch lọc RC ( R1, C1, C2) lọc bỏ thành phần cao tần , ở đầu ra ta thu được tín hiệu âm tần là đường bao của tín hiệu cao tần.

Chính mạch lọc RC của mạch tách sóng AM đã loại bỏ mất các thành phần tần số cao của tín hiệu âm tần, do đó chất

lượng âm thanh bị giảm

Đây là mạch thu AM khá là đơn giản và được sử dụng 3 con transitor BC109 TỤ điện 500p và cuộn cảm 200uH điều chỉnh dao động của mạch từ 500kHz đến 1600kHz Đây cũng chính là dải tần số quy địn

của sóng AM.

Điện trở 120K là điện trở phản hồi tín hiệu của đầu ra quay trở lại đầu vào Hai transitor Q1 và Q2 được mắc theo kiểu

Dalington tác dụng khuếch đại dòng tín hiệu Điện trở 560K cũng phản hổi của tín hiệu ra quay trở lại đầu vào của Q3 Các tụ điện 100n và 0.1u là ngăn giữa thành phần 1 chiều và xoay chiều từ tầng này sang tầng nọ

Đê bắt được đài FM thì chúng ta phải điều chỉnh tụ điện sao cho tần số dao động của mạch bằng tần số mà đài phát ra

II Điều chế tần số.

1 Nguyên lý phát thanh trên sóng FM

FM là viết tắt của ( Fryquency Moducation : Điều chế tần số ) là điều chế theo phương thức làm thay đổi tần số của tín hiệu cao tần theo biên độ của tín hiệu âm tần, khoảng tần số biến đổi là 150KHz

Sóng FM là sóng cực ngắn đối với tín hiệu Radio, sóng FM thường phát ở dải tần từ 76MHz đến 108MHz

a) Mạch điều chế FM

Điều chế FM ( Fryquency Moducation : Điều chế tần số )

Với mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay đổi theo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số cao tần tăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm Như vậy sóng mang FM

có tần số tăng giảm theo tín hiệu âm tần và giới hạn tăng giảm này là +150KHz và -150KHz , như vậy tần số sóng mang điều tần có dải thông là 300KHZ

Thí dụ nếu đài tiếng nói việt nam phát trên sóng FM 100MHz thì nó truyền đi một dải tần từ 99,85 MHz đến 100,15 MHz

b) Quá trình phát sóng FM

Quá trình phát sóng FM tương tự như phát sóng AM, sóng mang sau khi điều chế cũng được khuếch đại rồi đưa ra An ten để phát xạ truyền đi xa

2 Khái quát: Sóng cực ngắn điều tần

Được áp dụng trong kỹ thuật vô tuyến điện và kỹ thuật xử lý tín hiệu Người ta truyền thông tin trên một sóng mang cao tần

bằng hai cách Thay đổi tần số sóng mang theo tín hiệu cần truyền, trong khi biên độ của sóng mang cao tần không thay đổi,

đó là kỹ thuật điều chế tần số Và điều chế biên độ của sóng mang theo tín hiệu cần truyền mà tần số sóng mang vẫn giữ

nguyên Ngoài ra còn nhiều phương pháp điều chế khác, như điều chế pha, điều chế mạch xung, điều chế biên mã, điều chế đơn biên

Về phạm vi băng sóng điều tần có những tiêu chuẩn khác nhau: Tiêu chuẩn OIRT (tổ chức quốc tế về truyền thanh và truyền hình) có dải sóng từ 65,8 MHz đến 73 MHz Tiêu chuẩn CCIR (hội đồng tư vấn quốc tế về vô tuyến điện) có giải tần

87,5 MHz đến 104 MHz Mỹ và Nhật lại dùng dải rộng hơn là từ 87,5 MHz đến 108 MHz

Người ta đã biết phương pháp điều tần từ lâu, nhưng ít chú ý, vì cho rằng không có ưu điểm gì nổi bật so với điều biên

Khoảng năm 1940 thì mới

dùng rộng rãi kỹ thuật điều tần, vì phát hiện thấy ưu điểm chống can nhiễu của nó Hiện nay kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong phát thanh, hệ thống vô tuyến hai chiều (hữu tuyến), hệ thống ghi băng từ và hệ thống truyền dẫn video Trong hệ thống vô tuyến, điều tần với băng thông đủ cung cấp một lợi thế trong việc triệt tạp âm tự nhiên Ma-níp dịch tần (FM số) được sử dụng rộng rãi trong các modem dữ liệu và fax.

Giả sử tín hiệu dữ liệu băng gốc (bản tin) cần được truyền là và sóng mang cao tần hình sin , ở đây fc là tần số sóng mang cao tần và Ac là biên độ sóng mang cao tần Bộ điều chế kết hợp sóng mang với tín hiệu băng gốc để có được tín hiệu truyền

nó bỏ qua sự khác biệt giữa tần số tức thời và phổ tần số Phổ tần số của một tín hiệu FM thực tế có phần mở rộng ra đến vô

cùng, chúng trở nên rất nhỏ khi vượt qua một điểm

3 Tín hiệu băng gốc hình sin

Một tín hiệu điều chế băng gốc có thể xấp xỉ bằng một tín hiệu hình sin liên tục với tần số fm Tích phân của tín hiệu này là

Vì vậy, trong trưởng hợp cụ thể này, phương trình (1) ở trên có thể đơn giản hóa thành:

ở đây biên độ của tín hiệu hình sin điều chế được biểu diễn bằng độ lệch đỉnh

Sự phân bố hài hòa của sóng mang hình sin được điều chế bởi một tín hiệu dạng sin có thể được biểu diễn bằng các hàm Bessel - hàm này cung cấp một cơ sở hiểu biết toán học của điều chế tần số trong miền tần số

3 Chỉ số điều chế

Như với các chỉ số điều chế, con số này chỉ ra biến điều chế thay đổi

như thế nào xung quanh mức không điều chế của nó Nó liên quan tới các biến tần số của tín hiệu sóng mang:

ở đây là thành phần tần số cao nhất có mặt trong tín hiệu điều chế xm(t), là độ lệch tần số đỉnh, tức là độc lệch tối đa của tần số tức thời so với tần số sóng mang Nếu ,điều chế tần số được gọi là FM băng hẹp, băng thông của nó xấp xỉ

Nếu ,thì điều chế tần số được gọi là FM băng rộng và băng thông của nó xấp xỉ Do FM băng rộng sử dụng thêm

băng thông, nó có thể cải thiện tỉ số tín trên tạp một cách đáng kể Ví dụ, tăng gấp đôi giá trị của trong khi vẫn giữ nguyên giá trị , kết quả là tỉ số tín trên tạp được cải thiện gấp 8 lần So sánh với trải phổ chirp sử dụng độ lệch tần số rất lớn để đạt được độ lợi xử lý tương đương với các chế độ trải phổ truyền thống hơn đã biết

Với một sóng FM điều chế âm tần, nếu tần số điều chế được giữ cố định và chỉ số điều chế tăng lên, băng thông (không đáng kể) của tín hiệu FM sẽ tăng lên, nhưng khoảng cách giữa các thành phần phổ vẫn như cũ;

một số thành phần phổ giảm trong khi thành phần khác tăng Nếu độ lệch tần số được giữ không đổi và tần số điều chế tăng, thì khoảng cách giữa các thành phần phổ sẽ tăng.

Điều chế tần số có thể được phân loại như băng hẹp nếu sự thay đổi trong tần số sóng mang giống như tần số tín hiệu, hoặc phân loại như băng rộng nếu sự thay đổi trong tần số sóng mang cao hơn nhiều (chỉ số điều chế >1) so với tần số tín hiệu Ví

dụ, FM băng hẹp được sử dụng cho các hệ thống vô tuyến hai chiều như Dịch vụ vô tuyến gia đình, ở đây sóng mang cho phép độ lệch chỉ là 2,5 kHz ở trên và dưới tần số trung tâm, mang các tín hiệu thoại không lớn hơn băng thông 3,5 kHz FM băng rộng được sử dụng cho phát thanh FM, trong loại hình phát thanh này, tín hiệu âm nhạc và thoại được truyền với độ lệch tần số lên tới 75 kHz so với tần số trung tâm, mang âm thanh trên băng thông lên tới 20 kHz

5 Điều chế và giải điều chế

Một tín hiệu đổi tần của một sóng mang trong FM

5.1 Điều chế

Các tín hiệu FM có thể được tao ra bằng cách sử dụng điều chế tần số trực tiếp hoặc gián tiếp

•Điều chế FM trực tiếp có thể thực hiện bằng cách đưa trực tiếp bản tin vào một VCO

•Điều chế FM gián tiếp, tín hiệu bản tin được kết hợp để tạo ra một tín hiệu điều chế pha Nó được sử dụng để đưa vào một

bộ dao động thạch anh và ở đầu ra của bộ tạo dao động đi qua bộ nhân tần sẽ tạo ra được một tín hiệu FM

5.2 Giải điều chế

Hiện này có nhiều mạch tách sóng FM Một phương pháp phổ biến để khôi

phục tín hiệu bản tin là dùng một bộ tách sóng Foster-Seeley Một vòng khóa

pha có thể được sử dụng như một bộ giải điều chế FM

Tách sóng dốc giải điều chế một tín hiệu FM bằng cách sử dụng một mạch

cộng hưởng, mạch này có tần số cộng hưởng của nó bù đắp một phần nhỏ với

tần số sóng mang Vì tần số tăng và giảm, mạch cộng hưởng tạo một biên độ

thay đổi của phản ứng, chuyển đổi FM thành AM Máy thu AM có thể tách

một số tín hiệu FM bằng cách này, dù nó không phải là một phương pháp hiệu

quả nhất cho giải điều chế phát thanh FM

6 Ứng dụng

6.1 Băng từ

FM cũng được sử dụng ở trung tần trong các hệ thống VCR tương tự, bao gồm cả VHS, để ghi lại cả độ chói (đen và trắng) của tín hiệu video Thông thường, các thành phần chrome được ghi lại như một tín hiệu AM thông thường, bằng cách sử dụng tín hiệu FM tần số cao hơn như thiên áp FM là phương pháp chỉ khả thi cho việc ghi lại thành phần độ chói (đen và trắng) của video vào băng từ và truy xuất video từ băng từ mà không bị méo cực, như các tín hiệu video có các thành phần dải tần rất lớn - từ vài Hz tới vài MHz, quá rộng cho các bộ cân bằng làm việc do tạp âm dưới −60 dB FM cũng giữ băng ở mức bão hòa, và do đó đóng vai trò như một hình thức giảm tạp âm, và một bộ giới hạn đơn giản có thể ẩn các biến trong phát lại đầu

ra, và tác dụng của bắt FM loại bỏ sự sao chuyển và pre-echo Một tone hoa tiêu liên tục nếu thêm vào tín hiệu – như được thực hiện trên V2000 và rất nhiều định dạng băng cao khác – có thể điều khiển được jitter cơ khí và hỗ trợ hiệu chỉnh gốc thời gian Các hệ thống FM khá đặc biệt do chúng có tỉ số tần số sóng mang trên tần số điều chế cực đại nhỏ hơn 2; ngược lại với điều này, phát thanh audio FM có tỉ số khoảng 10.000 Hãy xem xét ví dụ một sóng mang 6 MHz điều chế với 3,5 MHz; bằng cách phân tích Bessel thì các dải