Thiết kế và thi công mạch điều khiển một số thiết bị gia đình thông qua sóng vô tuyến

Thiết kế và thi công mạch điều khiển một số thiết bị gia đình thông qua sóng vô tuyến

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân em tìm tòi, đúckết, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Ths Phạm Thị Thu Hà

Nếu sai em xin chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định

Người thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Người thực hiện đề tài xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy côtrong khoa Điện – Điện Tử Trường đại học kinh tế kỹ thuật công nghiêp vànhất là quý Thầy, Cô thuộc bộ môn Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy vàtruyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em để thực hiện đồ án trong thời gianvừa qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Th.s Phạm Thị Thu Hà vì sự tậntình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho em để cothể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này

Đồng thời em cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, gop ý

để người thực hiện hoàn thành đề tài này một cách tốt đẹp và đúng thời gian Mặc dù đã co nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũngnhư khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tàikhông thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sot…Rất mong nhận được sự gop

ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên

Người thực hiện đề tài

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến Thếgiới đã và đang dần thay đổi văn minh, hiện đại hơn Sự phát triển của kỹthuật điện tử tạo ra hàng loạt thiết bị với những đặc điểm nổi bật như độ chínhxác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, nhiều tính năng giúp ích nhiều cho người sửdụng

Điện tử đang trở thành một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ Điện tử

đã đáp ứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông ngư nghiệpcho đến các thiết bị phục vụ đời sống hàng ngày của mỗi con người

Một trong những ứng dụng quan trọng đo là kỹ thuật điều khiển từ xa

No gop phần rất lớn trong việc điều khiển thiết bị mà con người không thểchạm trực tiếp vào để vận hành

Xuất phát từ ứng dụng đo em đã chọn đề tài :

”Thiết kế và thi công mạch điều khiển một số thiết bị gia đình thông qua sóng vô tuyến” làm đề tài tốt nghiệp.

MỤC LỤC

Hình 2.1: Sự lan truyền của sóng điện từ

Hình 2.2: Phương lan truyền của sóng điện từ

Hình 2.8: Nguyên lý điều chế ASK

Hình 2.9: Dạng sóng ASK khi điều chế bằng phương pháp OOK

Hình 2.10: Giải điều chế ASK

Hình 2.21: Nhiễu xuyên âm

Hình 2.22: Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau

Hình 2.23: Nhiễu đồng kênh

Hình 2.24: Sơ đồ máy phát sóng vô tuyến

Hình 2.25: Sơ đồ máy thu sóng vô tuyến

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển thiết bị điện bằng sóng vô tuyến

Hình 3.2: Sơ đồ chân IC PT2262

Hình 3.8: Điện trở dao động của cặp IC PT2262 –PT2272

Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán của PT2262

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch mã hóa và phát sóng vô tuyến Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý module phát RF 315MHz

Hình 3.12: Module phát RF 315MHz thực tế

Hình 3.13: IC PT2272 loại M4 và L4

Hình 3.14: Cấu tạo IC PT2272

Hình 3.15: Hoạt động của PT2272

Hình 3.16: Hoạt động của PT2272 loại MX và LX

Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán PT2272

Hình 3.18: Khối thu RF

Hình 3.19: Module thu RF thực tế

Hình 3.20: Khối thu RF kết nối với vi điều khiển

Hình 3.21: Sơ đồ khối AT89S52

Hình 3.22: Sơ đồ các chân AT89S52

Hình 3.23: Mạch Reset vi điều khiển

Hình 3.24: Mạch kết nối thạch anh cho vi điều khiển

Hình 4.4: Mạch phát thực tế

Hình 4.5: Mạch in khối thu, giải mã, hiển thị, chấp hành và khối nguồn Hình 4.6: Mô phỏng 3D khối thu, giải mã, hiển thị, chấp hành và khối nguồn Hình 4.7: Khối thu, giải mã, chấp hành và nguồn thực tế

Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán khối xử lý

LIỆT KÊ BẢNG :

Bảng 2.1: Phân loại tần số

Bảng 3.1: Giá trị điện trở dao động tương ứng

Bảng 3.2 : Chức năng các chân của Port 3

BẢNG TRA CỨU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

VCO Voltage-controlled oscillator Bộ điều khiển dao động theo điện áp.

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian.FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số.CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã.

DS CDMA Direct Sequence Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp

MAI Multiple Access Interference Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập.

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing Ghép kênh phânchia theo tần số trực giao

CMOS Complementary Metal-Oxide- Semiconductor

Công nghệ dùng để

chế tạo vi mạch tích hợp

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Từ cơ sở lý thuyết cơ bản về song vô tuyến, quá trình thu phát song vô

tuyến Từ đo ứng dụng để thiết kế, lắp ráp mạch điện “ điều khiển một số thiết bị gia đình thông qua sóng vô tuyến” Đưa sản phẩm vào dùng thí

nghiệm vào thực tiễn cuộc sống Từ đo đưa ra các kết luận cho đề tài, đưa rahướng phát triển cho đề tài và rút kinh nghiệm cho bản thân

1.2 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu cơ cở lý thuyết

- Xây dựng thiết kế mô hình mạch điện và đưa ra các thuật toán

- Thi công, lắp ráp mạch

- Thu thập các thông số kỹ thuật

1.3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC CHƯƠNG

Nội dung đề tài được chia thành 5 chương và được sắp xếp như sau:

Chương 1 Giới thiệu

Trình bày tổng quan nội dung chính trong đề tài, những vấn đề sẽ được đềcập đến trong toàn bộ bài viết

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này sẽ đi sâu về lý thuyết thu, phát song vô tuyến, cơ chế mã hoa

và giải mã của cặp IC PT2262/PT2272, lý thuyết LCD 16x2, đồng thời trìnhbày sơ lược về vi điều khiển AT89S52

Chương 3 Thiết kế

Đưa ra phương án thiết kế, đề cập đến những tính toán cụ thể để thiết kếphần cứng cho hệ thống bao gồm các thông tin về sơ đồ khối, chức năng, hoạtđộng các khối

Chương 4 Thi công Thi công mạch thực tế, viết code cho vi điều khiển Chương 5 Kết quả, hạn chế và hướng phát triển

Bao gồm kết quả thi công hệ thống, những điều đạt được, hạn chế và hướngphát triển đề tài

2.1.1 Khái niệm sóng vô tuyến (RF)

Sóng vô tuyến ( Radio Frequency ) là một kiểu bức xạ điện từ với bước

song trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại Song vô tuyến co tần số

từ 3 KHz tới 300 GHz, tương ứng bước song từ 100 km tới 1 mm

Các tần số khác nhau của song vô tuyến co đặc tính truyền lan khác nhautrong khí quyển trái đất Song dài truyền theo đường cong của trái đất, songngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên co thể truyền rất xa, các bước song ngắnhơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên đường nhìn thẳng

2.1.2 Phân loại sóng vô tuyến

Bảng 2.1: Phân loại sóng vô tuyến

100Km - 1Km1000m - 100 m100m - 10 m10m - 0,01 m

2.1.3 Đặc điểm của sóng vô tuyến

Song vô tuyến là song điện từ nên co các đặc điểm sau:

- Song điện từ lan truyền được trong chân không với tốc độ lớn nhất (bằngvận tốc ánh sáng ) c = 3.108m/s

Hình 2.1: Sự lan truyền của song điện từ

- Trong song điện từ thì dao động của điện trường và từ trường tại một điểmluôn luôn đồng pha với nhau.

- Song điện từ là song ngang, nghĩa là no là sự lan truyền của các dao độngliên quan đến tính chất co hướng (cụ thể là cường độ điện trường và cường độ

từ trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông goc với hướng lantruyền song

Hình 2.2: Phương lan truyền của song điện từ

- Khi song điện từ gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì no bị phản xạ vàkhúc xạ như ánh sáng Nếu song vô tuyến đập vào vật thể dẫn điện co kích thước bất kỳ, no sẽ đi chậm lại phụ thuộc vào độ từ thẩm và hằng số điện môi

- Song điện từ mang năng lượng

Năng lượng của một hạt photon co bước song λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.

2.1.4 Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển

 Các vùng sóng ngắn ít bị hấp thụ

Không khí hấp thụ rất mạnh các song dài, song trung và song cực ngắn.Không khí cũng hấp thụ mạnh các song ngắn Tuy nhiên trong một vùng tương đối hẹp, các song co bước song ngắn hầu như không bị hấp thụ Các vùng song này gọi là các dải song vô tuyến

E

E E

 Vai trò của tần điện li trong việc thu và phát sóng vô tuyến

- Tần điện li: là tầng khí quyển ở độ cao từ 80-800km co chứa nhiều hạt mang

điện tích là các electron, ion dương và ion âm

- Sóng dài: co năng lượng nhỏ nên không truyền đi xa được Ít bị nước hấp

thụ nên được dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất và trong nước

- Sóng trung: Ban ngày song trung bị tần điện li hấp thụ mạnh nên không

truyền đi xa được Ban đêm bị tần điện li phản xạ mạnh nên truyền đi xa được Được dùng trong thông tin liên lạc vào ban đêm

- Sóng ngắn: Co năng lượng lớn, bị tần điện li và mặt đất phản xạ mạnh Vì

vậy từ một đài phát trên mặt đất thì song ngắn co thể truyền tới mọi nơi trên mặt đất Dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất

- Sóng cực ngắn: Co năng lượng rất lớn và không bị tần điện li phản xạ hay

hấp thụ Được dùng trong thôn tin vũ trụ

2.1.5 Cách tạo ra sóng vô tuyến

Để co song vô tuyến dùng trong điều khiển, khởi đầu người ta dùng mạchdao động cộng hưởng LC được kết nối bởi một cuộn dây và một tụ điện Khimạch LC bị kích thích, trong cuộn dây sẽ xuất hiện từ trường và trong tụ điệnsẽ xuất hiện điện trường Khi vào trạng thái cộng hưởng, từ trường trong cuộndây L và điện trường trong tụ C sẽ kết hợp tạo ra dạng song điện từ Dùngdây anten phù hợp cho phát song trong mạch LC vào không gian, đến đâysong RF dùng cho công việc điều khiển vô tuyến đã được tạo ra

Hình 2.3: Cách tạo ra song RF

C2

Hình 2.4: Thu và phát song RF Dùng mạch cộng hưởng LC tạo song mang co tần số lớn, sau đo tạo ra các

mã lệnh điều khiển, gắn các mã lệnh điều khiển này vào song mang bằng cácphương pháp điều chế rồi phát chúng vào không gian

2.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG VÔ TUYẾN

2.2.1 Kỹ thuật điều chế tương tự

2.2.1.1 Điều chế AM

Biên độ của song mang được thay đổi bởi biên độ của tín hiệu được truyền

đi Tín hiệu cần được truyền đi là ‘nguồn’ để điều chế và được gọi là song

điều chế (Modulating Wave) Thông tin cần truyền sẽ được ‘gửi’ vào trong

một song co tần số lớn hơn để co thể truyền đi xa này được gọi là Song

mang (Carrier)

Hình 2.5: Điều chế AM

 Sóng mang

Xc = Acos(ω + t)

Trong đo:

Xc: Giá trị (cường độ) tức thời của Song mang;

A: Biên độ (cường độ cực đại) của Song mang;

t: Thời gian biểu kiến (thời gian được xem xét hiện tại kể từ thời điểm gốc

ban đầu được xác định trước) của song mang.

ω: Tần số goc của song mang và được xác định bởi hệ thức dưới đây:

ω = 2πf Với f là Tần số của Song mang

 Tín hiệu đã được điều chế (AM Signal)

S = Acos(ω + t) + m(t) = A[1 + m(t)]cos(ωt)

m(t): Hàm phụ thuộc thời gian t của tín hiệu điều chế

 Ưu điểm

- Dễ hiện thực (điều chế và giải điều chế)

- Dễ biến đổi tín hiệu sang các giải băng tần khác nhau

 Nhược điểm

- Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu

- Không sử dụng hiệu quả năng lượng

2.2.1.2 Điều chế tần số FM

Điều Tần – Frequency Modulation(FM) là một phương thức điều chế làm

thay đổi tần số song mang theo tín hiệu cần truyền, trong khi biên độ của songmang cao tần không thay đổi

Hình 2.6: Điều chế tần số

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

Trong phương trình này, là tần số tức thời của bộ tạo dao động và là độlệch tần số đặc trưng cho độ lệch cực đại so với fc trên một hướng, giả sử xm(t)

co giới hạn trong khoảng (-1, +1)

 Ưu điểm

- Kho bị ảnh hưởng của nhiễu

- Sử dụng hiệu quả năng lượng

Tuy nhiên, co hai lý do phương pháp điều pha được dễ chấp nhận hơn

- Đối với bên nhận: tần số của tín hiệu nhận được là cố định, chỉ co pha thayđổi nên chỉ cần thiết kế bộ lọc tần số chỉ cho một tần số duy nhất thay vì

nhiều tần số như trong phương pháp điều tần giảm chi phí thiết kế và hiệnthực mạch

- Trong trường hợp tín hiệu điều chế chỉ nhận một số giá trị (như tín hiệu số),mạch điều chế và giải điều chế hiện thực theo phương pháp điều pha đượcđơn giản rất nhiều

Hình 2.7: Điều chế phase Dạng tín hiệu PM:

Trong đo:

x(t) tín hiệu tức thời

kp là hằng số tỉ lệ

 Ưu điểm:

- Khả năng chống nhiễu cao

- Băng thông tín hiệu rộng

- Chi phí thấp

2.2.2 Kỹ thuật điều chế số

2.2.2.1 Điều chế ASK

2.2.2.1.1 Khái niệm

ASK (Amplitude Shift Keying) là kỹ thuật điều chế số theo biên độ tín

hiệu Tín hiệu ASK co dạng song dao động co tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi

biên độ khác nhau của tín hiệu

Ví dụ: Tín hiệu ASK co tần số 100 KHz, biên độ tín hiệu = 1 cho bit 0

và biên độ tín hiệu = -1 cho bit 1

2.2.2.1.2 Nguyên lý điều chế

Dùng hai mức biên độ khác nhau của song mang để biểu diễn cho mức 0 và

1, sử dụng 1 tần số song mang duy nhất

Hình 2.8: Nguyên lý điều chế ASK

Ngoài ra co thể điều chế ASK theo phương pháp OOK (on-off-keying)

Hình 2.9: Dạng song ASK khi điều chế bằng phương pháp OOK

2.2.2.1.4 Giải điều chế

Giải điều chế ASK co thể là kết hợp hoặc không kết hợp trong trường hợpthứ nhất thì mạch phức tạp nhưng chống nhiễu tốt Trong trường hợp thứ haithì mạch đơn giản và thường sử dụng mạch tách song hình bao

Hình 2.10: Giải điều chế ASK

2.2.2.1.5 Ưu và nhược điểm :

 Ưu điểm :

- Đơn giản :

Dùng 2 biên độ khác nhau của song mang để biểu diễn 0 và 1

Sử dụng một tần số song mang duy nhất

- Phương pháp này phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp(~1200bps trên kênh truyền thoại)

 Nhược điểm :

- Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu

- Không phù hợp đối với các tín hiệu được truyền trong các kênh truyềnyêu cầu tốc độ cao

2.2.2.2 Điều chế FSK

2.2.2.2.1 Khái niệm

FSK (Frequency Shift Keying) là kỹ thuật điều chế số theo tần số tín hiệu.Tín hiệu FSK co dạng song dao động với tần số khác nhau, mỗi bit được đặctrưng bởi tần số khác nhau của tín hiệu.

2.2.2.2.2 Nguyên lý điều chế FSK

Là phương pháp điều chế dùng 2 tần số khác nhau của song mang để biểudiễn bit 1 và 0 Tần số cao ứng với mức 1 và tần số thấp ứng với mức 0

2.2.2.2.3 Biểu thức toán học

Giả sử co song mang :

Giữ nguyên biên độ, pha chỉ thay đổi tần số:

Trong trường hợp điều chế số FSK thì s(t) =

Khi đo

Tần số ứng với một bit nào đo :

- Đối với bit “0” tần số song mang là , ta co

- Đối với bit “1” tần số song mang là , ta co

Phương pháp điều chế FSK cho phép tạo ra tín hiệu FSK dạng sin với 2 tầnsố:

- Khi bit data = 1, điều khiển khoa K ở vị trí nối song mang tần số vớilối ra FSK

- Khi bit data = 0, điều khiển khoa K ở vị trí nối song mang tần số vớilối ra FSK

Hình 2.11: Phương pháp điều chế FSK

2.2.2.2.4 Giải điều chế

Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế tín hiệu FSK là vòng khoa pha(PLL) Tín hiệu FSK ở lối vào vòng khoa pha lấy ra 2 giá trị tần số Điện thế

lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những dịch chuyển tần số này

và cho ta 2 mức thấp và cao của tín hiệu lối vào FSK

Bộ PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm 3 bộ phận chính: Mạch so pha, mạchlọc hạ thông và một bộ điều khiển dao động VCO PLL là một vòng kín, tínhiệu ra từ VCO tự động khoa bởi tín hiệu vào Bằng cách so sánh pha của tínhiệu ra từ VCO và tín hiệu vào, sự sai pha sẽ được biến đổi thành điện thế 1chiều, điện thế này sẽ điều khiển VCO để tạo ra một tín hiệu ra luôn luôn cocùng pha và tần số với tín hiệu vào

Bộ PLL kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi những thành phần còn

dư của song mang mà một mạch tạo lại dạng xung để khôi phục dạng xungchính xác nhất cho tín hiệu điều chế

Hình 2.12: Quá trình giải điều chế FSK

2.2.2.2.5 Ưu và nhược điểm :

 Ưu điểm:

- Dùng nhiều hơn hai tần số

- Dùng để truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điệnthoại

- Băng thông được dùng hiệu quả hơn

- Ít lỗi hơn so với ASK

- Co thể dùng tần số cao (3-30Mhz) để truyền song radio hoặc cáp đồngtrục

 Nhược điểm:

- Truyền số liệu tốc độ thấp

- Hiệu quả phổ thấp

- Khả năng đáp ứng tần số của môi trường còn hạn chế

- Tần số tín hiệu cao gây nhiễu ngoài và hạn chế khả năng tăng tốc độtruyền

- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn ASK

2.2.2.3.2 Nguyên lý điều chế

Tín hiệu PSK co dạng song dao động co tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi goc

pha khác nhau của tín hiệu

Ví dụ: pha= 90° cho bit 0 và pha = -90° cho bit 1

2.2.2.3.3 Biểu thức toán học

Giả sử tín hiệu song mang được biểu diễn :

Tín hiệu băng gốc : s(t) là tín hiệu nhị phân (0,1) hay là 1 dãy NRZ

Khi đo tín hiệu pha PSK co dạng

Trong đo

là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu

Biểu diễn tín hiệu :

Đặt

Vậy tín hiệu điều pha là tổng của hai tín hiệu điều biên vuông goc

2.2.2.3.4 Điều chế pha 2 trạng thái 2-PSK (BPSK)

 Điều chế

Từ biểu thức :

Trong đo:

là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu

Nếu n=2, thì ta co kiểu điều chế 2-PSK hay gọi là điều chế nhị phân BPSK Tín hiệu BPSK co dạng:

Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực

Với bit 1

Với bit -1

Như vậy biên độ của tín hiệu không đổi trong quá trình truyền dẫn, nhưng

bị chuyển đổi trạng thái

Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các điện thế biểu diễn mức logic -1,1thì các tín hiệu ra là song mang hình sin co pha lệch nhau 180 độ

Hình 2.13: Dạng song điều chế BPSK

 Giải điều chế BPSK

Tín hiệu BPSK được tổng hợp với song mang chuẩn thông qua bộ lọc thôngthấp (LPF – Low-Pass Filter) để loại bỏ các thành phần hài bậc cao cho thuđược tín hiệu ban đầu

Hình 2.14: Giải điều chế BPSK Pha tín hiệu song mang chuẩn bằng pha của tín hiệu nhận được.

2.2.2.3.5 Điều chế pha 4 trạng thái 4-PSK (QPSK)

 Điều chế

Từ biểu thức :

Trong đo:

là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu

Nếu n=4, thì ta co kiểu điều chế 4-PSK hay gọi là điều chế BPSK Tín hiệu QPSK co dạng:

Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực 4 giá trị

Hình 2.15: Điều chế QPSK Tín hiệu băng gốc đưa qua bộ biến đổi nối tiếp thành song song (SPC), đầu

ra chia làm 2 luồng số liệu co tốc độ bit giảm đi một nửa, đồng thời biến đổitín hiệu đơn cực thành tín hiệu Hai song mang đưa tới bộ trộn làm lệch phanhau 90 độ, tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn được tín hiệu QPSK

Tín hiệu ra QPSK :

Bit Combiner S(t)

Hình 2.16: Dạng song điều chế QPSK

 Giải điều chế QPSK

Hình 2.17: Giải điều chế QPSK Tín hiệu giải điều chế được đưa chia làm 2 ngã và được làm lệch pha 90 độ,tín hiệu sau các mạch nhân đưa vào mạch lọc thông thấp loại bỏ các thànhphần tần số cao, sau đo đưa qua bộ so và mạch logic tạo ra 2 tín hiệu nhịphân bằng cách xử lý logic thích hợp 2 tín hiệu này qua bộ tổng hợp ta đượctín hiệu ban đầu

2.2.2.3.6 Điều chế pha 8 trạng thái 8-PSK

 Điều chế

Từ biểu thức :

Trong đo:

là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu

Nếu n=8, thì ta co kiểu điều chế 8-PSK Tín hiệu 8-PSK co dạng:

Tín hiệu băng gốc s(t) nhận 8 giá trị

Bộ điều chế 8-PSK là sự kết hợp tín hiệu của 2 bộ 4-PSK Song mang của 2

bộ điều chế co sự sai pha 45 độ Một bộ mã hoa biến đổi tín hiệu được tạo ra

từ tín hiệu băng gốc s(t) sau khi đi qua bộ SPC( bộ biến đổi nối tiếp thànhsong song) thành tín hiệu điều chế

Hình 2.18: Nguyên lý điều chế tín hiệu 8-PSK

 Giải điều chế:

Bit Combiner S(t)

Hình 2.19: Giải điều chế 8-PSK Tín hiệu giải điều chế được đưa qua bộ nhân và được làm lệch pha 135 độ,

90 độ, 45 độ, sau đo được đưa qua bộ lọc thông thấp loại bỏ thành phần tần sốcao, tín hiệu ra cho qua mạch so sánh và mạch logic lấy ra 3 tín hiệu nhị phân.Cuối cùng 3 tín hiệu này qua mạch tổng hợp ta được tín hiệu ban đầu

2.3 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH THU PHÁTSÓNG VÔ TUYẾN

2.3.1 Suy hao

Suy hao là một tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín hiệu.Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảmtheo khoảng cách

Suy hao co thể do:

- Sự phân tán năng lượng bức xạ khi lan truyền (suy hao khoảng cách)

- Sự hấp thụ của môi trường (tốn hao nhiệt)

- Sự nhiễu xạ song (tán xạ )

- Sự tán sắc

Tín hiệu suy giảm sẽ tác động đến các yếu tố sau :

• Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu co thể phát hiện và khôiphục tín hiệu

• Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu co thể pháthiện và khôi phục không bị sai lỗi

• Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số

Để phát tín hiệu đi xa thì người ta sẽ sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp

2.3.2 Nhiễu

2.3.2.1 Khái niệm nhiễu thông tin vô tuyến

Nhiễu thông tin vô tuyến là ảnh hưởng của năng lượng không cần thiết bởimột hoặc nhiều nguồn phát xạ, bức xạ hoặc những cảm ứng trên máy thutrong hệ thống thông tin vô tuyến, dẫn đến làm giảm chất lượng, gián đoạnhoặc bị mất hẳn thông tin mà co thể khôi phục được nếu không co nhữngnăng lượng không cần thiết đo

2.3.2.2 Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến

 Nhiễu trắng (White Gaussian Noise)

Nhiễu trắng là quá trình xác xuất co mật độ phổ công suất phẳng ( khôngđổi ) trên toàn bộ dải tần

Hình 2.20: Một tín hiện nhiễu trắng2

Qui luật phân bố xác xuất của nhiễu trắng tuân theo hàmphân bố Gaussian:

Nguồn nhiễu trắng:

- Nhiễu sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các điện tử trong các linh kiệnbán dẫn

- Những âm thanh như tiếng gio, tiếng nước cũng là những nguồn nhiễu trắng

 Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Inteference)

Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tínhiệu phản xạ co thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đếnthu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toànmẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu

Hình 2.21: Nhiễu xuyên âm Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc cos nâng

và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I)

 Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference)

Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễuliên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gâycan nhiễu sang các kênh kề no Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải cokhoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần

Hình 2.22: Nhiễu xuyên kênh giữa hai song mang kề nhau

Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải co khoảng bảo vệ (guard band )giữa các dải tần

 Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference)

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trêncùng một kênh Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu vớicường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát

Hình 2.23: Nhiễu đồng kênhKhắc phục :

Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này Chỉ co thể tối thiểu hoanhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp Tức là thiết kế saocho các cell trong mạng co sử dụng cùng nhom tần số không ảnh hưởng tớinhau, khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn

 Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference).

Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau,

là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống

Trong các hệ thống đa truy nhập:

- TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khethời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra Người ta phải cokhoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưngcũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ

- FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số

Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến co sự giao thoa giữa các dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau làmgiảm hiệu suất sử dụng phổ

- CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã

Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không conhiễu giữa các user

- DS - CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp.

Theo những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo

mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division MultiplexingAccess) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trảiphổ được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian.Khả năng giảmthiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tínhtương quan chéo của mã trải phổ Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏirất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thànhphần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởitính tự tương quan của mã trải phổ Máy thu RAKE co chứa nhiều bộ tươngquan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn co khả năng phân giảỉkhác nhau Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào

số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánhđược dùng trong máy thu RAKE Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệthống sẽ bị hạn chế do nhiễu nội (self-interference) và MAI mà nguyên nhân

là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéocủa mã trải phổ Điều này gây ra kho khăn cho hệ thống DS-CDMA trongviệc sử dụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian

2.3.3 Fading trong thông tin vô tuyến

2.3.3.1 Tổng quát về Fading

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối vớicác hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây

ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống song ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù…sựhấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao(>10Ghz)

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

- Sự phản xạ song từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp co bề mătnước và sự phản xạ song từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng làmôt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lansong điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa song tại điểm thu do tínhiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiệntượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động

2.3.3.2 Phân loại fading

- Fading phẳng

Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như làhằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu

Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến co dung lượng nhỏ

và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường

và do mưa gần như là xem không co chọn lọc theo tần số

- Fading lựa chọn tần số (selective fading)

Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Do đo

hệ thống tốc độ vừa và lớn co độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộngkênh) sẽ chịu nhiều tác động của selective fading

Noi chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì no ảnh hưởng khôngđều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu Loại nàychủ yếu do fading đa đường gây ra

Mạch biến điệu Mạch Khuếch đại

Tín hiệu vào

Anten phát

- Fading nhanh (fast fading): hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân

là co sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thuđược sẽ bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng

- Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường

truyền VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy

giảm, do đo còn gọi là hiệu ứng bong râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng

này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Hay sựkhông ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy

hao chậm Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading)

2.3.3.3 Khắc phục Fading

- Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian

(truyền tại nhiều thời điểm khác nhau)

- Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time

Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép

không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error).

- Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn co thể lớn do selective fading gâynên)

- Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa

đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với

máy thu RAKE, co khả năng tách các tia song và tổng hợp chúng lại, loại bỏảnh hưởng của multipath propagation)

- Sử dụng điều chế đa song mang mà tiêu biểu là OFDM (cái này ngày nayđược ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trongtruyền hình số mặt đất DVB-T )

2.4 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG VÔTUYẾN

2.4.1 Máy phát

Giải mã tín hiệu

Xử lý và chấp hành

Hình 2.24: Sơ đồ máy phát song vô tuyến

- Tín hiệu vào : tín hiệu âm tần cần truyền đi

- Mạch tạo song điện từ cao tần: Phát dao động điện từ tần số cao (cỡ MHz)

- Mạch biến điệu : Trộn dao động điện từ cao tần với dao động điện từ âm tần

- Mạch khuyếch đại : Khuyếch đại dao động điện từ cao tần đã được biến điệu

- Anten phát : Tạo ra song điện từ cao tần lan truyền trong không gian

2.4.2 Máy thu

Hình 2.25: Sơ đồ máy thu song vô tuyến

- Anten thu: thu song điện từ cao tần biến điệu

- Mạch khuếch đại cao tần: Khuyếch đại dao động điện từ cao tần từ an ten

- Giải mã tín hiệu : Giải mã các tín hiệu được mã hoa từ bên phát

- Xử lý và chấp hành : tín hiệu được giải mã sẽ được xử lý để điều khiển thiết bị

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ

3.1 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

3.1.1 Phân tích bài toán

- Thiết kế mạch điều khiển ( trong phạm vi đề tài này điều khiển 4 thiết bịđiện 220v ) thông qua song vô tuyến

- 4 thiết bị phải được điều khiển độc lập với nhau

- Hệ thống sẽ bao gồm một mạch phát và một mạch thu kết hợp với giải mã

và xử lý

3.1.2 Phương án thiết kế

Phương án 1: Thiết kế mạch điều khiển thiết bị thông qua sóng GSM bằng module sim 300cz (hoặc module sim900)

Sử dụng module sim 300cz (hoặc module sim900) giao tiếp với vi điềukhiển (8051, Pic…) Điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn SMS

KHỐI MÃ HÓA VÀ PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN KHỐI THU SÓNG VÀ GIẢI MÃ VÔ TUYẾN

KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM KHỐI NGUỒN

- Chỉ điều khiển trong khoảng cách gần < 50m

- Không biết được trạng thái các thiết bị khi ở xa

Do điều kiện thời gian, kinh tế và thi công nên người thực hiện quyết định

chọn phương án 2 : Mạch điều khiển thiết bị thông qua sóng vô tuyến sử dụng module thu phát PT2262-PT2272 để thực hiện.

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT