Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 11 pdf

Cần xét xem năng lượng được phân bố như thế nào đối với các thành phần phổ của tín hiệu 2 Ta thay rang, cong suất của tín hiệu đã điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m.. Méo tần số xu

CHƯƠNG 11 ĐIỀU CHẾ

11.1 Định nghĩa

Thông qua quá trình điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển sang miền tần

số cao để truyền đi xa Diều chế là quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó (ví dụ : biên độ, tần số, góc pha, độ rộng xung, ) của dao động cao tần theo tin tức

Trong trường hợp này tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được gọi

là tải tin, còn dao động cao tan mang tin tức được gọi là dao động cao tần đã điền chế Đối với tải tin điều hòa, người ta phân biệt hai loại điều chế : điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm điều tần và điều pha

11.2 Điều biên

11.2.1 Phổ của tín hiệu điều biên

Diều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức

Dé đơn giản, giả thiết tin tức ø, và tải tin , đều là dao động điều hòa và tần số tin

tức biến thiên từ @ mịn Ð ®@ smax ? ta CỐ :

Hệ số điều chế m phải thỏa mãn điều kiện :7m < 1 Khim > 1 thì mạch có hiện tượng

quá điều chế và tín hiệu bị méo trầm trọng (hình 11.1e) J

9 Hinh 111 Tin hiệu điều biên :

a) đồ thị thời gian và phồ tin tức, b) đồ thị thời gian va phỒ tín hiệu điều biên;

c) đồ thị thời gian của tín hiệu điều biên, khi m > L

Ap dụng biến đổi lượng giác đối với biểu thức (11.1) sẽ nhận được :

11.2.2 Quan hệ năng lượng trong điều biên

Trong tín hiệu đã điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức Cần xét xem năng lượng được phân bố như thế nào đối với các thành phần phổ của tín hiệu

2

Ta thay rang, cong suất của tín hiệu đã điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m Hệ

số điều chế zm càng lớn thì công suất tín hiệu đã điều biên càng lớn Khi m = 1 thi ta cd quan hệ giữa công suất hai biên tần và tải tần như sau :

Ngoài ra, còn cần phải quan tâm đến công suất ở chế độ cực đại ứng với biên độ điện

áp điều biên cực đại, để chọn được phẩn tử tích cực hợp lý

11.2.3 Các chí tiêu cơ bản của dao động đã điều biên

1 Hệ số méo phi tuyến

Dể đặc trưng cho méo phi tuyến

trong mạch điều biên, người ta dùng đặc -

tuyến điều chế tính (hình 11.2) Dac tuyến

điều chế tính cho biết quan hệ giữa biên độ

tín hiệu ra và giá trị tức thời của tín hiệu

điều chế ở đầu vào

Dạng tổng quát của đặc tuyến điều

chế tính được biểu diễn trên hình 11.2

Đường đặc tuyến điều chế tỉnh lý

tưởng là một đường thẳng từ C đến A Dac

tuyến điều chế tính không thẳng sẽ làm

cho lượng biến đổi của biên độ dao động

cao tần đầu ra so với giá trị ban đầu (điểm

B) không tỷ lệ đường thẳng với trị tức thời

Hình 112 Dặc tuyến điều chế tĩnh :

A — giá trị cực đại — tải tin chưa điều chế

của điện áp điều chế Do đớ trên đầu ra thiết bị điều biên, ngoài các thành phần hữu Ích (các biên tần), còn có các thành phần bậc cao không mong muốn khác Trong đó đáng lưu

ý nhất là thành phần với tần số w, + 2œ, có thể lọt vào các biên tần mà không thể lọc được

Méo tần số xuất hiện chủ yếu trong các tầng khuếch đại âm tần (khuếch đại tin hiệu điều chế), nhưng cũng có thể xuất hiện trong các tầng điều chế và sau điều chế, khi mạch lọc đầu ra của các tầng này không đảm bảo dải thông cho phổ của tín hiệu đã điều biên (2F smax)

11.2.4 Phương pháp tính toán mạch điều biên

Các mạch điều biên được xây dựng dựa vào hai nguyên tắc sau đây :

— Dùng phần tử phi tuyến : cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của phần

tử phi tuyến đó

— Dùng phần tử tuyến tính có tham số điều khiển được : nhân tải tỉn và tín hiệu điều chế nhờ phần tử tuyến tính do

1 Điều biên dùng phần tử phi tuyến Các phần tử phi tuyến được dùng để điều biên

có thể là đèn điện tử, bán dẫn, các đèn có khí, cuộn cảm có lõi sất hoặc điện trở có trị số biến đổi theo điện áp đặt vào

Tùy thuộc vào điểm làm việc được chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số đặc trưng

cho phần tử phi tuyến có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor khi chế độ làm việc của mạch là chế độ A (Ø0 = 180°) hoặc phân tích theo chuỗi Purier khi mạch làm việc ở chế độ

mà góc cắt 9 < 180” (chế độ AB, B, C) Phương pháp tính toán cho hai trường hợp đó như Sau :

Ham s6 dac trung cho phan tu phi tuy6n (diot) xung quanh điểm làm việc được biểu

với Up = Ep, U, cosw,t + U, cosw.t

Thay p vào biểu thức (11.4), nhận được :

=a, (E, + U, cosw,t + U, Cosœ f) + a, Œẹ + U, cosw,t + U, cosw,t)* +

+a, (E, + Ucoswt + 0, cosw,t)? + (L8)

tp

Khai triển (11.4) và bỏ qua các số hạng bậc cao n > 4 sẽ có kết quả mà phổ của nó

261

được biểu diễn trên hình 11.5 Phổ tín hiệu ra trong trường hợp này gồm thành phần phổ mong muốn (œ, + œ,) và các thành phần phụ không mong muốn Các thành phần phụ bằng không khi

a, =Q,=, = =a5,,, =0 (n = 1, 2, 3., ), nghĩa là néu dudng dac tinh cua phần tử phi tuyến là một đường cong bậc hai thì tín hiệu

đã điều biên không có méo phi tuyến Phần tử phi tuyến có đặc tính gần với dạng lý tưởng

Hình 115 Phồ của tín hiệu điều biên khi mạch làm việc ở chế độ A

Để thỏa mãn điều kiện (11.3), tải tin và tín hiệu điều chế phải có biên độ bé, nghĩa

là phải hạn chế độ sâu điều chế m và hạn chế công suất ra Vi ly do đó, rất ít khi dùng điều biện chế độ A

Trường hợp 2 : 0 < 180°

Khi 6 < 180”, nếu biên độ điện áp đặt vào điot đủ lớn thì có thể coi đặc tuyến của nó

262

là một đường gấp khúc (hỉnh 11.6) Phương trình biểu diễn đặc tuyến của điot trong trường

hợp này như sau :

Sup khiupy > 0

S : hỗ dẫn của đặc tuyến điot

Chọn điểm làm việc ban đầu trong khu tắt của diot (ứng với chế độ C)

Vi dong qua điot là một day xung hinh sin (hinh 11.66), nén cd thé biéu dién i, theo chuỗi Purier như sau :

‡b =lo + +2 + + + = 1Q + ljcos¿£ + [,cos2u,t + + J,cosna,t (11.7)

trong đó,

I o_ — thành phần dòng điện một chiều;

AA I, — bién d6 thanh phan doéng điện cơ bản đối với tải tin;

I,, 73 1, — biên độ thành phần dòng điện bậc cao (hài bậc cao) đối với tải tin

I,, 1, T 2 ° Hà được tính toán theo các biểu thức xác định hệ số của chuỗi Furier :

ip = Sup = S(E, + U,cosw,t + U,cosw,t) (11.9)

Khi w,t = 6 thi i, = 0 (xem hinh 11 8), do đó có thể viết lại (11.9) như sau

Do đó trị tức thời của thành phần cơ bản :

Hình 116 Diều biên ở chế độ C (tín hiệu vào lớn}:

a) đặc tuyến của điot, đồ thị thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra; b) mạch điện

Căn cứ vào tính chất của mạch nhân, ta viết được biểu thức của điện áp ra sau đây : 26T

= a 7 “ae, ®Š ă Ugy = (E, + U,cosw!) U,cosw,t hoac

UY tes

#) Hình 117 Diều biền dùng mạch nhân tương tự :

a) mạch điện ; b) đặc tuyến truyền đạt

mạch điều biên, dòng điện ra tải ngoài các thành phần hữu Ích (các biên tần) còn có đủ mọi

thành phần không mong muốn khác (tải tần và các hài bậc cao) Dd là đặc điểm cơ bản của các mạch điều biên đơn Trong trường hợp tranzistor lưỡng cực, #e¿, đèn điện tử để điều biên, người ta phân biệt các loại mạch điều biên sau đây: điều biên bazo, điều biên colecto,

điều biên cửa, điều biên máng, điều biên anốt, điều biên lưới, Các loại mạch điều biên có

tên gọi tương ứng với cực mà điện áp điều chế được đặt vào Cụ thể và chỉ tiết hơn về các mạch điều biên đó (mạch điện; chế độ, trạng thái công tác, ưu khuyết điểm , 3 có thể tham

Dể giảm méo phi tuyến, dùng mạch điều biên cân bằng Trên hình 11.8 là các mạch điều biên cân bằng dùng diot và tranzistor lưỡng cực

Theo hình (11.82), điện áp đặt lên các diot D, và D; lần lượt :

ưi = Ủycoso £ + cosot£

¿ = — U, cosw,t + U, cosw,t Dòng điện qua các điot được biểu diễn theo chuối Taylor :

265

ty =a, + au, + au? + aw, +

i = Acosw,t + Bcos3w t + C[cos(œ, + w,)t + cos (w, — o,)E] +

+ D{cos(2w, + @,) + cos (2œ, — we], (11.19)

Phổ tín hiệu ra của mạch điều biên cân bằng được biểu diễn trên hình 11.8c

Một dạng khác của mạch điều chế cân bằng là mạch điều chế vòng, thực chất đây là hai

mạch-điều chế cân bằng có chung tải Sơ đồ mạch điều biên vòng được biểu diễn trên hình 11.9

Hinh 119 Mach diéu biên vòng :

- a) mạch điện; b) phô tín hiệu ra

ing “đc + au, + au, + ay, +

Với u; và u„ là điện áp đặt lên D; va D,, được xác định như sau :

u, = — U,cosw,t 3 XS t — , cosœ £ ~S s (11.23) Uuạ=— U,cosw t + U.cosw.t

Thay (11°22) va (11.23) vào (11.216) va lấy bốn vế đầu của (11.22), ta có :

i= - Acosw,¢ _ Bcos3œ./ + C[cos (œ, + œ )‡ + cos(w, ~ œ 3£ ]- _ Dcos(2ø, + œ.)£ + cos(26, ~ w,)t] (11.24)

267

A, B, C, D trong các biểu thức (11.21a) và (11.24) được xác định theo biểu thức (11.20) Từ (11.21a) và (11.24) xác định được dòng điện ra :

lay = ty + lịi = 2C[cos(œ, + œ 3£ + cos(œ, — œ,)/] (11.25)

Vậy dùng mạnh điều chế

vòng còn có thể khử được các hai

bậc lẻ cla w, và các biên tần của

2ø,, do đó méo phi tuyến rất nhỏ

Phổ tín hiệu ra của mạch điều chế

vòng được biểu diễn trên hỉnh

11.9%

Mạch điều chế vòng cũng có

thể coi là một mạch nhân

Nguyên tắc nhân được minh hoa

trên hình 11.10 Giả thiết tải tin

la day xung chữ nhật Tùy thuộc

vào sự thay đổi cực tính của tải

tin, lic thi D, va D, m6, lic thi D,

va D, mé, cap diot còn lại ngất

lam cho tín hiệu vao u, thay déi

cực tính theo nhịp của u, Túc

Hinh 1110 Minh họa tác dụng của mạch

điều chế vòng như một mạch nhân

Như đã biết, phổ của dao động đã điều biên gồm tải tần và hai dai biên tần, trong đó chỉ có các biên tần mang tin tức Vì hai dải biên tần mang tỉn tức như nhau (về biên độ và tần số), nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức Tải tần chỉ cần dùng

để tách sóng, do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi Quá - trình điều chế nhằm tạo ra một đải biên tần gọi là điều chế đơn biên

Điều chế đơn biên (với một phần dư của tải tần) mang ý nghĩa thực tế lớn Điều chế _ đơn biên tuy tốn kém, nhưng lại có nhiều | ưu điểm quan trọng khác so với điều biên thông: - thường như :

— Độ rộng dải tần giảm một nửa;

— Công suất phát xa yêu cầu thấp hơn với cùng một cự ly thong tin, vi có thể tập trung phần công suất của tải tần và của một biên tần cho biên tần còn lại;

268

— Tạp âm đầu thu giảm do dải tần của tín hiệu hẹp hơn

Do những ưu điểm đớ, nên điều chế đơn biên ngày càng được dùng nhiều trone thông tin ndi chung (ở dải sóng ngắn và dải sóng trung) và thông tỉn quân sự nói riêng

Từ biểu thức (11.2) rút ra biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên sau đây :

có thể nhận các giá trị từ 0 đến œ

Đồ thị véc tơ của tín hiệu đơn biên được biểu diễn trên hình 11.11 Th thấy, véc tơ đặc trưng cho dao động điều chế đơn biên thay đổi cả về biên độ lẫn góc pha, nghĩa là điều

chế đơn biên bao giờ cũng kèm theo điều chế pha Tải tìn hoặc bị nén một phần hoặc bị nén

hoàn toàn, do đó véc tơ tải tin Ủ, có thể nhỏ hơn véctơ biên tần uy Trong kỹ thuật truyền

hình, tín hiệu điều chế video một phần là tín hiệu điều biên (khi ƒ < 0,75 MHz), phần còn

lai (0,75 MHz < ƒ, < 5MH2z) là tín hiệu điều chế đơn biên (hỉnh 11.12) Bằng cách đó cớ thể giảm được dải tần của tín hiệu điều chế video Nếu cát bỏ hoàn toàn một biên tần thi vấn đề lọc dải sẽ khó khăn, hơn nữa sẽ xuất hiện sai pha [5]

Hinh 1111 D6 thi véc to’ cia dao Hinh 1112 Đặc tính biến độ của tín hiệu hình

động điều chế đơn biên (có - Ú\p : tải tần hình f, :tải tần tiếng), một phần dư của tải tin)

11.3.2 Các phương pháp điều chế đơn biên

Người ta phân biệt ba phương pháp điều chế đơn biên: phương pháp lọc, phương pháp quay pha và phương pháp lọc và quay pha kết hợp

1 Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc Từ sự phân tích phổ của tín hiệu điều biên, rõ ràng muốn co tin hiệu đơn biên ta chỉ cần lọc bớt một đải biên tần Nhưng thirc té,

269

không làm được như vậy Khi tải tần cao tần thì vấn đề lọc để tách ra một dải biên tần gặp khó khăn Thật vậy, giả thiết tần số thấp nhất của tỉn tức ƒ mịn = 200Hz, lic dé khoảng

cách giữa hai bién tin Af = 2f,,,,, = 400 Hz (xem hinh 11.15) Néu tai tan f, = 10MHz th)

hệ số lọc của bộ lọc X -7 = 4.1073, khá nhỏ Sự phân bố của hai biên tần gần nhau đến :

I nỗi, ngay cả dùng một mạch lọc thach anh cing rat kho loc được dái biên tần mong muốn

Do đó trong phương pháp lọc, người ta dùng một bộ biến đổi tần số trung gian để có thể hạ

thấp yêu cầu đối với bộ lọc Sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên như vậy được biểu diễn

_ trên hình 11.13 và phổ của tín hiệu trên đầu ra từng khối được biểu diễn trên hình 11.14

Hinh 11.13 So đồ khối mạch tạo tín hiệu đơn biên bằng phương pháp lọc

s Hình 1114 Phồ tín hiệu ra của các khối trên hình 111 : Đa 1m 7

a) phồ tín hiệu vào, b) phồ tín hiệu trên đầu ra bộ ĐCC1, c) phồ tín hiệu trên đầu ra bộ C7; _ d) phồ tín hiệu trên đầu ra bộ LỌC 2

270