Bài giảng CƠ SỞ VIỄN THÔNG - Chương 2 pps

2 Thông số sóng mang cao tần biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế Bandbase mà không phụ thuộc vào tần số của nó.. 3 Biên độ sóng mang cao tần V V mbiên độ tín hiệu điều chế băn

Chương 2 ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ

- Sơ đồ khối hệ thống tuyến tính:

Hình 2.1: sơ đồ khối hệ thống tuyến tính

- Quan hệ ngõ ra - vào:

) (

Giá trị góc pha: argY() ()  argX()

2.2 Điều chế và giải điều chế tương tự:

2.2.1 Định nghĩa:

Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ, hay tần

số, hay pha) tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc BB (BaseBand)

2.2.2 Điều kiện điều chế:

1) Tần số sóng mang cao tần fc (frequency carry), fc ( 8  10 )Fmax

trong đó Fmax: tần số cực đại tín hiệu điều chế băng gốc

2) Thông số sóng mang cao tần biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế Bandbase mà không phụ thuộc vào tần số của nó

3) Biên độ sóng mang cao tần V V m(biên độ tín hiệu điều chế băng gốc)

y(t)

) (

Y

x(t) )(

) (



K t k

4) Trong điều chế xung – số thì tần số lấy mẫu fmẫu 2Fmax

Phân loại điều chế:

+ Điều chế tương tự: AM, FM, PM, SSB, DSB

+ Điều chế số: ASK, FSK, PSK, QPSK,…

+ Điều chế xung: PAM (Pulse Amplitude Modulation)

PWM (Pulse Width Modulation) PPM (Pulse Position Modulation)

PCM (Pulse Code Modulation)

2.2.3 Điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation)

2.2.3.1 Điều chế AM:

- Định nghĩa: biên độ sóng mang cao tần tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc gọi là điều chế

AM

- Sơ đồ khối điều chế AM mức thấp:

Hình 2.2: Sơ đồ khối điều chế AM mức thấp

Ứng dụng: trong truyền hình, truyền thanh

anten

Sóng mang

carrier

t V

t

x c( ) ccosc

Tín hiệu băng gốc

t V

t

m( )  mcosm

Điều chế AM mức thấp

KĐCS cao tần

- Sơ đồ khối mạch điều chế AM mức cao:

Hình 2.3: sơ đồ khối điều chế AM mức cao

- Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế

- Cách đánh giá điều chế AM thơng qua đường bao:

Hình 2.4: điều chế AM đơn âm

anten

Sĩng mang

t V

t

x c( ) ccosc

Tín hiệu băng gốc

t V

t

m( )  mcosm

Điều chế

AM mức cao KĐCS cao tần

Tín hiệu băng gốc

Tín hiệu điều chế AM

Đường bao

Tín hiệu sóng mang: x c(t)V ccosc t; trogn đó Vc là giá trị biên độ sóng mang và clà tần

số gốc sóng mang

Tín hiệu băng gốc: m(t) V mcosm t; trong đó Vm là giá trị biên độ tín hiệu băng gốc, m là tần số gốc tín hiệu băng gốc

Tín hiệu sóng mang: x c(t)V ccosc t; trogn đó Vc là giá trị biên độ sóng mang và c là tần

số sóng mang Lưu ý: crất lớn hơn nhiều m

- Khi chưa có tín hiệu băng gốc đưa vào (Vm=0), nghĩa là máy phát hoạt động ở chế độ sóng mang, khi đó ngõ ra có dạng: V AM(t) V ccosc t

- Khi có tín hiệu băng gốc đưa vào (V m  0) máy phát, khi đó ngõ ra có dạng:

min max

V V

V V

V

V m

Để tín hiệu điều chế AM không bị méo thì điều kiện: m A 1

Biến đổi công thức (2.1), dùng công thức biến đổi lượng giác ta được:

m

V t V

t

VAM c c c A cos( c m) cos( c m)

2 cos

)

t m

V t m

V t V

t

2 ) cos(

2 cos

)

Nhận xét công thức (2.3): tín hiệu AM điều chế đơn âm gồm thành phần sóng mang và hai biên

Vẽ phổ AM điều chế đơn âm:

Hình 2.5: Phoå tín hieäu ñieàu cheá AM

LSB: Lower Side Band

USB: Upper Side Band

- Công suất ra ở chế độ sóng mang:

eq

c c R

V P

2

2

Trong đó: Vc là giá trị biên độ sóng mang

Req là tải tương đương

- Công suất ngõ ra AM lớn nhất: )

2 1 (

2

A c

AM

m P

Nhận xét: công suất trung bình điều chế AM là tổng công suất sóng mang, công suất biên dưới và công suất biên trên

- Băng thông của điều chế AM: BWAM=2fm (2.6)

Ví dụ 3: cho tín hiệu AM có Vmax= 100V, Vmin = 20V Tính hệ số điều chế và cho biết điều chế này có bị méo hay không? Và tính công suất sóng mang và công suất ngõ ra AM, biết

Giải:

Hệ số điều chế, áp dụng công thức (2.2):

667 0 20 100

20 100

min max

V V

m A

Biên độ sóng mang: V c V V 60V

2

20 100 2

602

2 2

2 2

m P

R Tín hiệu điều chế m(t)V1cos2F1tV2cos2F2t và mA1=0.2, mA2=0.3 lần lượt

là các hệ số của tín hiệu tần số F1=5KHz và F2=15KHz Tính công suất sóng mang và công suất ngõ ra AM, vẽ phổ AM

Bài tập về nhà 2: cho tín hiệu điều chế AM như hình 2.6 Tính hệ số điều chế, vẽ phổ biên

độ biết tần số sóng mang là 100KHz và tần số tín hiệu băng gốc là 15KHz

Hình 2.6: tín hieäu ñieàu cheá AM

2.2.3.2: Nhận xét điều chế AM:

- Công suất mang không tải tin thì chiếm nhiều

- Công suất cao tần tải tin nhỏ ở hai biên như nhau và phụ thuộc vào hệ số điều chế mA

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

- Xét về tính hiệu quả sử dụng công suất cao tần kém

- Dễ thực hiện tín hiệu AM và máy thu giải điều chế đơn giản, rẽ

- Điều chế AM dùng trong phát thanh quảng bá MW-SW

2.2.3.3 Mạch điều chế AM

- Mạch điều chế AM đơn giản dùng diode:

Hình 2.7: mạch điều chế AM đơn giản dùng diode

- Mạch điều chế AM dùng FET:

Hình 2.8: mạch điều chế AM dùng FET

FET có điện trở ngõ ra tuyến tính, vì vậy độ lợi mạch cũng tuyến tính

Rf C1

)

(t

m

RG -VG

xc(t)

Cout

t V

t

m( )  mcosm

R2 R1

t V

2.2.4: Giải điều chế AM:

-Định nghĩa: là quá trình khôi phục lại tín hiệu nguyên thuỷ hay tín hiệu băng gốc

Sự phân tích mạch tách sĩng đỉnh dựa vào 2 quan sát: (1) input khơng thể lớn hơn output ( với một diode lý tưởng ) Và (2) output khơng bao giờ giảm với t Quan sát thứ nhất đúng, vì nếu input vượt quá output thì diode cĩ thêm một điện thế dương phân cực thuận Quan sát thứ 2 do sự kiện là tụ khơng cĩ đường xã điện Nên output luơn luơn bằng với trị đỉnh của input trước thời điểm đĩ

* Bây giờ nếu ta đấu thêm một điện trở xã điện cho tụ Mạch ở hình 4.36 là mạch tách sĩng bao hình Output sẽ cĩ dạng expo giữa các đỉnh Nếu chọn lựa thời hằng RC thích hợp, thì output sẽ xấp xĩ với bao hình Và mạch tác động như một mạch tách sĩng Output cĩ chứa sĩng dư ( tần số f

C) nhưng điều đĩ khơng hề gì, vì ta chỉ quan tâm đến những tần số dưới tần số f

m

Thời hằng RC phải ngắn sao cho bao hình cĩ thể vạch những thay đổi trị đỉnh của sĩng

AM Các đỉnh cách nhau tại những khoảng bằng với tần số sĩng mang, trong lúc chiều cao thì theo biến đổi của biên độ của s(t)

- Sơ đồ khối giải điều chế AM:

Hình 2.9: sơ đồ khối mạch giải điều chế AM

- Mạch giải điều chế AM dùng diode:

Hình 2.10: Mạch giải điều chế AM dùng Diode + Ở bán chu kỳ dương, D1 dẫn, C1 nạp đến giá trị biên độ tín hiệu cao tần

+ Ở bán chu kỳ âm, D1 tắt, tụ C1 xả qua R1

Diode D1 tách sĩng nửa bán kỳ biên độ tín hiệu cao tần IF Với sự lựa chọn R1C1 thích hợp, điện áp trên tụ C1 cĩ dạng đường bao cao tần là tín hiệu giải điều chế AM:

1 max

2

1

2

1 1

R f

anten

Loại bỏ sóng mang

Tín hiệu

Bộ

lọc

2.3 Điều chế đơn biên SSB (Single Side Band):

- Định nghĩa: điều chế đơn biên SSB là quá trình điều chế tạo một biên tần (biên trên hay biên dưới) của tín hiệu AM

+ So với AM thì điều chế SSB thực hiện phức tạp hơn

+ Băng thông SSB giảm phân nữa so với AM Tiết kiệm băng tần, giảm nhiễu

+ Vì chỉ phát phần công suất một biên nên công suất phát SSB thấp hơn nhiều so hơn công suất phát AM xét cùng một khoảng cách thông tin

+ S/N của điều chế SSB tốt hơn S/N của điều chế AM

2.4 Điều chế cân bằng (Balanced Modulation):

- Điều chế cân bằng: tạo tín hiệu DSB

- Sơ đồ mạch điều chế cân bằng:

Hình 2.12: sơ đồ mạch điều chế cân bằng

Hình 2.13: qui trình hoạt động điều chế cân bằng

- Ứng dụng: trong phát thanh FM, đổi tần, điều chế số BPSK

Giả sử sóng mang vuông có dạng:

t nf n

t f t

f t

3

1 2

sin )

Khi đó tín hiệu ngõ ra cân bằng:

) ( ).

( )

t n

n t

t t

3

1 ) 10 45 ( 2

t n

t t

t t

t x t

m

t

) 10 45 ( 2 sin ) 10 5 ( 2 sin 1

) 10 45 3 ( 2 sin ) 10 5 ( 2 sin 3

2 ) 10 45 ( 2 sin ) 10 5 ( 2 sin 2 ) ( ).

(

)

(

3 3

3 3

3 3

Hình 2.14: Phổ của tín hiệu điều chế DSB

FM quảng bá stereo:

Hình 2.15: sơ đồ khối âm thanh Stereo

KHz

19 38

L-R L-R

FM

Tín hieäu truyeàn hình:

Hình 2.16: Phổ của tín hiệu truyền hình

2.5 Điều chế và giải điều chế góc FM-PM:

2.5.1 Định nghĩa điều chế FM-PM:

 Tín hiệu băng gốc: m ( t )  Vm cos mt

 Tín hiệu sóng mang cao tần: xc( t )  Vc cos( ct  0)chưa điều chế

 t  ct  pha tức thời của dao động cao tần

 Nếu tín hiệu điều chế tần thấp làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc Trong điều chế góc biên độ sóng mang không đổi

+ Nếu như tín hiệu băng gốc làm thay đổi tần số 0 ta có điều chế tần số FM

+ Nếu như tín hiệu băng gốc làm thay đổi pha ban đầu 0 ta có điều chế pha PM

 Mối quan hệ giữa pha và tần số:

dt

t d t

c

) ( )

2.5.2 Phổ FM (Frequency Modulation):

- Phổ tín hiệu điều chế (FM, PM) khi điều chế đơn âm giống nhay và được xác định:

 t m t 

V t

Ap dụng công thức lượng giác cos(a+b)=cosa.cosb – sina.sinb vào công thức (2.10), ta

được (2.11):

V t

vFM( )  cos f sin m cos c  sin f sin m sin c (2.11)

Lưu ý: cos   1, sin    với  rất nhỏ (2.12)

* FM dải hẹp (NBFM: Narrow Band FM): m f <0.25

Vì mf<0.25 nên m f sin 0.25

1 ) sin

cos( mf   và sin( mf sin  )  mf sin 

Cơng thức (2.11) được viết lại dưới dạng sau:

t t

Vm t

V t

Nhận xét: cơng thức (2.13) gồm hai thành phần:

+ Vcosc t: dạng sĩng mang trung tâm

+ Vmf sin mt sin ct : dạng sĩng biên tần được phân tích thành hai thành phần

biên như sau:

Vm t

t

2 )

cos(

2 sin

2

f Vm

m

c 

  c c m

Sóng mang

* Xét FM dải rộng (WBFM: Wide Band FM): m f >0.25

- Gồm thành phần tần số sĩng mang và các thành phần biên: c nm với n=1, 2, 3, …

- Biên độ tỷ lệ với hệ số hàm Bessel loại 1 bậc n:

(

)(

n

m c n

m c m

n c

2

)3cos(

)3cos(

06.0

*

2

)2cos(

)2cos(

23.0

*2

)cos(

)cos(

56.0

*2)cos51

c

m c m

c

m c m

c

m c m

c c

TV là  75KHz

* Nhận xét:

- Công suất AM thay đổi theo điều chế Công suất FM không đổi (sai số không đáng kể)

- Băng thông: xét về mặt lý thuyết thì băng thông FM-PM là vô cùng lớn nhưng trên thực tế đôi khi băng thông FM được coi là không đổi với công thức:

)1

- Tính chống nhiễu: thông tin FM có tính chống nhiễu cao hơn AM, chính vì vậy điều chế

FM thường được chọn ở hệ thống thông tin điều chế tương tự



1.02

0.460.46

0.120.12

FM sẽ được tạo ra

Trong hình Bên phải D là mạch giao động mà tần số được làm thay đổi Bên trái D là mạch phân cực và ghép tín hiệu s(t) vào doide D Tụ C

2 có trị rất lớn so với trị của điện dung Varicap, nên chỉ có tác dụng cách ly DC RFC, cuộn chặn cao tần, ngừa tín hiệu dao động ghép ngược lại nguồn phân cực C

1: tụ phân dòng

Xem mạch điện hình 5.19 Nửa trên của máy biến thế L

1 và C

1 điều hợp tại f

a Nửa dưới máy biến thế và C

2 điều hợp tại f

b Mạch điện trên đây gọi là tách sóng độ dốc ( Slope Detector ) vì nó dùng đoạn dốc của đặc tuyến mạch lọc để tách sóng

Trong trường hợp s(t) hình sin trong trường hợp tổng quát độ dời tần tối đa tương tự

ký hiệu là Δf Công thức tổng quát cho là:

C-Δf đến f

C+Δf Như vậy sóng FM xấp xỉ với một Sinusoide thuần trong một thời gian dài Ta có thể nghĩ là nó là tổng của nhiều Sinusoide với các tần số nằm giữa 2 giới hạn Nên biến đổi F thì gần bằng với sự chồng ( Superposition ) các biến đổi F của những sinusoide ấy tất cả nằm trong giới hạn tần số Vậy thực hợp lý để giả sử rằng khổ băng thì

xấp xỉ với bề rộng của khoảng tần số này, hoặc 2Δf

• Nếu Δf rất nhỏ, ta có một sóng mang thay đổi trong một khoảng rất nhỏ của tần số, Với Δf nhỏ, BW = 2f

m

2.5.3 Phổ và điều chế PM (Phase Modulation)

PM là một dạng điều chế quan trọng dùng trong thơng tin FM gián tiếp dải hẹp, thơng tin vệ tinh, thơng tin vũ trụ bởi vì tính chống nhiễu của PM và FM tốt hơn AM

Mạch PM dễ thực hiện từ VCXO (mạch dao động bằng thạch anh) cĩ độ ổn định tần

số cao

Ngồi ra trong mạch FM cĩ độ di tần cao, chỉ số điều chế lớn, nhưng tần số sĩng mang bị trơi Trong khi đĩ điều chế PM thì độ ổn định tần số sĩng mang là một tiêu chuẩn rất quan trọng mà dễ dàng thực hiện

- Định nghĩa: điều chế PM là dạng điều chế pha trong đĩ tần số sĩng mang cao tần khơng đổi, chỉ cĩ pha sĩng mang cao tần biến đổi tỉ lệ với điều chế

- Cơng thức: vPM ( t )  V cos  ct  kpm ( t )   V cos  ct   ( t ) 

Với m ( t )  Vm cos 2  fmt, ta được (t):

t f V

k

Trong đó: kp là hằng số [rad/s] gọi là độ nhạy điều chế (modulation sensitivity)

Vậy m p  k p V m độ di pha PM hay chỉ số điều chế PM

Dạng sóng điều chế PM:

) 2 cos 2

cos(

)

* Xét trường hợp m p <0.25: điều chế PM dải hẹp (Narrow –PM)

Aùp dụng công thức biến đổi lượng giác và gần đúng, công thức (2.19) được viết lại:

t t

m V t V

t

vNPM ( )  cos c  ( p cos m ) sin c (2.20)

Nhận xét cơng thức (2.20):

+ Thành phần (1) trong cơng thức là thành phần sĩng mang

+ Thành phần (2) trong cơng thức là thành phần biên

Sơ đồ khối điều chế:

Hình 2.19: sơ đồ khối điều chế PM dải hẹp

* Xét trường hợp m p >0.25: điều chế PM dải rộng (Wide –PM)

- PM dải rộng dựa vào ngõ ra PM dải hẹp đưa qua bộ nhân Ý nghĩa bộ nhân làm tăng độ dịch pha tạo PM dải rộng:

- Với chỉ số mp cho trước thì biên độ, cơng suất của điều chế PM và FM hồn tồn giống nhau

- Sự khác biệt giữa điều chế PM và FM cĩ thể phân biệt khi tăng hoặc giảm tần số tín hiệu điều chế Fm, vì:

+ Đối với PM: mPM     const  Fm

OSC

output

2.5.4: Giải điều chế PM:

Sơ đồ mạch:

Hình 2.20: sơ đồ mạch giải điều chế PM

Nhận xét:

 giống mạch dạng điều chế cân bằng

 fc = fi

 tín hiệu cĩ tần số fc thì D1, D2 dẫn

 Nếu fc≠ fi mạch hoạt động như bộ đổi tần

 Mạch lọc RC chọn lọc lấy thành phần điện áp Vd của phách hiệu (fi - fc)

 Khi khố pha (đồng bộ) fi=fc chỉ cịn sự sai pha giữa hai tín hiệu fi và fc Điện áp ra Vd tỉ

lệ với sai pha

 Mạch đổi tần thực hiện hàm nhân 2 tín hiệu điện áp Điện áp ra:

) cos(

2 ).

)]

( )

~ )