Ứng dụng kỹ thuật ASK để truyền dữ liệu thoại

Ứng dụng kỹ thuật ASK để truyền dữ liệu thoại

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội thông tin và truyền thông hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ khác và sự bùng nổ về kinh tế đó là sự phát triển không ngừng của công nghệ viễn thông.Kỹ thuật viễn thông hiện nay ứng dụng hầu hết các kết quả nghiên cứu tích cực trước đó trong lĩnh vực viễn thông

và ngày càng hoàn thiện hơn, nó gần như ứng dụng hầu hết các cơ sở lý thuyết về thông tin số Số hóa và truyền dẫn tín hiệu dạng số là một phương pháp tăng hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu sai sót thông tin do tác động của nhiễu so với thông tin tương tự, đồng thời phù hợp với các hệ thống xử lý ngày nay lấy cơ sở tốc độ

và hiệu suất làm nền tảng nên các dữ liệu dạng số được sử dụng

Trong các phương pháp điều chế số chúng ta phải nhắc đến phương pháp điều chế “khóa dịch biên“(ASK: Amplitude shift keying), nó là một phương pháp

cơ bản nhất và đơn giản nhất để tiến hành điều chế một tín hiệu Nó là nền tảng trước tiên cần nghiên cứu để có thể nghiên cứu thêm các hệ thống khác cao hơn

Đề tài là một vấn đề cũ trong viễn thông được nhóm ứng dụng vào việc truyền dữ liệu thoại Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng kỹ thuật ASK để truyền dữ liệu thoại”

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

Hiện nay công nghệ viễn thông thế giới đã đạt đến một trình độ cao với việc không những truyền nhận tín hiệu thoại mà người ta có thể truyền các tín hiệu hình ảnh, phim ảnh cũng như bất kỳ một dữ liệu nào mà người ta có thể số hóa vớitốc độ cực cao lên tới hàng Mhz với công nghệ di động và lên tới hàng Ghz như các hệ thống truyền dẫn chính như viba số

Việc điều chế tín hiệu để truyền đi trong không gian không chỉ đơn thuần là điều chế biên độ cổ xưa mà là các hệ thống phức tạp kết hợp cả điều chế tần số, pha và biên độ để đạt được hiệu quả cao nhất

Tuy nhiên đó đều là thành quả nghiên cứu của các nước phát triển, còn với Việt Nam công nghệ di động vẫn chỉ dừng ở mức ứng dụng chứ chưa đạt tới trình độ cóthể nghiên cứu tạo ra một cách thức, một lý thuyết mới hay xây dựng một hệ thốngthông tin

Do vậy, việc nghiên cứu các cách thức điều chế cơ bản cũng nhằm làm tiền

đề cho việc nghiên cứu tìm hiểu các hệ thống phức tạp hơn, đồng thời đó cũng là cách để người nghiên cứu có thể nảy sinh từ đó những ý tưởng mới

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện đề tài xin gửi đến toàn thể quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM nói chung và quý thầy cô khoa Điện - Điện tử nói riêng lời cảm ơn chân thành nhất Quý thầy cô đã truyền đạt cho nhóm những kiến thức chuyên ngành cũng như nhiều kinh nghiệm quý báu đó là những hành trang rất cần thiết cho nhóm để bước ra trường và công tác sau này sau gần 5 năm gắn bó với trường.

Đặc biệt nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Võ Minh Huân đã hướngdẫn cho nhóm rất tận tình trong suốt thời gian qua cùng những lời động viên, khích lệ giúp nhóm vượt qua thời điểm khó khăn Những tài liệu bổ ích cùng những lời góp ý quý báu giúp nhóm hoàn thành đồ án này

Cảm ơn tất cả bạn bè, những người đã đóng góp ý kiến và luôn động viên giúp đỡ nhóm hoàn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LIỆT KÊ HÌNH

LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT

TÓM TẮT Nội dung nghiên cứu:

Để nghiên cứu cách thức truyền tín hiệu vô tuyến, nhóm tiến hành nghiên cứu sự truyền nhận tín hiệu thoại với hình thức điều chế đơn giản nhất là điều chế biên độ ASK Nghiên cứu cách thức một tín hiệu tiếng nói được điều chế và truyền đi trong không gian, từ đó giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu tiếng nói

đã truyền đi và đưa ra loa

Đồng thời với việc nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền nhận trên, mục đích của việc nghiên cứu cũng nhằm kiểm chứng các cơ sở lý thuyết về điều chế,

mã hóa, thu phát, khuếch đại tín hiệu để từ đó phát triển các hệ thống tốt hơn về sau nếu có cơ hội

Cùng với các mục đích nghiên cứu tìm hiểu kiến thức đó là việc nhóm thực hiện công trình nghiên cứu để rèn luyện kỹ năng nghiên cứu khoa học, tích góp kinh nghiệm cho bản thân

Phương pháp nghiên cứu:

Để nghiên cứu một vấn đề khoa học luôn có những con đường khác nhau

để tiếp cận vấn đề Có thể tiến hành nghiên cứu từ chi tiết đến tổng thể như các công trình nghiên cứu tạo ra sản phẩm thi công, hoặc cũng có thể tiến hành nghiêncứu đi từ cái tổng quan đến từng chủ điểm riêng như với các công trình nghiên cứu

lý thuyết

Ở đây, để xây dựng mạch hoàn chỉnh, nhóm tiến hành nghiên cứu hoạt động từng khối một, kiểm tra với từng khối riêng lẻ để thấy được hoạt động của mỗi khối, từ đó kết hợp các khối và điều chỉnh phù hợp để xây dựng nên mạch sảnphẩm, tức là đã đi từ cái chi tiết đến cái tổng thể Làm như vậy để chúng ta có thể

dễ dàng kiểm hoạt động của mỗi khối và dễ dàng khắc phục nếu xuất hiện lỗi

Cụ thể quá trình nghiên cứu:

được biết trong quá trình thực tâp có tính chất đơn giản dễ thực hiện

chế ASK với tín hiệu mẫu lấy từ bộ tạo xung vuông

cứu việc mã hóa và giải mã PCM sử dụng IC TP3057

hiệu điều chế qua Anten

ABSTRACT

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Như đã giới thiệu ở trên, công nghệ nghiên cứu khoa học của nhóm đi vào nghiên cứu xây dựng một hệ thống truyền nhận tín hiệu dựa vào phương pháp điều chế biên độ ASK Trước hết là thực hiện điều chế, truyền và giải điều chế một tín hiệu tự tạo, tiếp theo đó sẽ đi tiến hành điều chế tín hiệu thoại (tín hiệu giọng nói) để truyền đi, cuối cùng

là sẽ thực hiện truyền và vô tuyến (không dây)

Sau đây chúng ta sẽ tiến hành đi tìm hiểu sơ lược về điều chế ASK và việc truyền tín hiệu thông qua điều chế ASK và quá trình thi công mạch

1.1. Sơ lược điều chế ASK:

ASK (Ampitude Shift Keying) điều chế khoá dịch biên độ : sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu tin tức

1.1.1.Nguyên lý điều chế:

Dùng các bit 0 và 1 để thay đổi biên độ của sóng mang

Sử dụng một tần số sóng mang duy nhất

Hình 1.1: Nguyên lý điều chế

+Kết hợp: mạch phức tạp nhưng có khả năng chống nhiễu tốt.

+Không kết hợp: mạch đơn giản thường sử dụng trong mạch tách sóng hìnhbao

Hình 1.3: Sơ đồ và dạng song giải điều chế ASK

1.3. Ưu điểm và nhược điểm:

+ Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu

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

1.4. Sơ đồ khối truyền nhận tín hiệu sử dụng điều chế ASK:

Hình 1.4: Sơ đồ khốiNguyên lý:

+Điều chế:

Tín hiệu tin tức trước khi điều chế được đưa qua bộ lọc thông thấp để loại

bỏ các nhiễu tần số cao.Sau đó tín hiệu được điều chế biên độ với một sóng mang nhờ một bộ nhân.Tín hiệu sau khi điều chế được cho qua một bộ lọc thông dải để lấy dài thông của của tín hiệu cần truyền đi, tiết kiệm băng thông

+Giải điều chế:

Tín hiệu điều chế ASK được đưa qua bộ nhân đề tách lấy tín hiệu cần thu

và loại bỏ tín hiệu sóng mang Sau đó tín hiệu được cho qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ toàn bộ thành phần nhiễu ở tần số cao

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

V ASK (t)

V d (t) (tin tức)

BP F

V c (t)

V c (t) (sóng mang)

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

2.1. Sơ đồ khối của hệ thống :

2.1.1. Sơ đồ khối phát:

Hình 2.1: Sơ đồ khối phát

2.1.2. Sơ đồ khối thu:

Hình 2.2: Sơ đồ khối thu

2.2. Thiết kế và xây dựng mạch điện:

anten Khối tạo

dao động

Khối nhận tín hiệu từ MIC

Khối điều chế PCM

Khối điều chế ASK

Khối khuếch đại cao tần Khối tạo dữ

liệu số

anten

Khối giải điều chế ASK

Khối khuếch đại trung tần Khối thu

Khối khuếch đại

âm tần

Khối giải

mã PCM loa

Để đảm bảo việc test mạch được dễ dàng nhóm đã làm từng khối riêng lẻ

và sau khi hoàn thành nhóm sẽ ghép chúng trên cùng một board mạch

2.2.1. Khối tạo dữ liệu số:

Khối này có chức năng tạo dữ liệu tín hiệu điều chế ở dạng số để dễdàng cho việc kiểm tra các khối phía sau trước khi thực hiện điều chế tínhiệu thoại để truyền đi

Khối sẽ sử dụng nguồn dao động từ bộ dao động bên bộ phát để đưavào làm nguồn xung tín hiệu, sau đó tín hiệu sẽ đưa qua các thanh ghi dịch(IC 7495), để tiến hành dịch dữ liệu nhờ các Switch để đưa ra dạng dữ liệu

số mong muốn.Dữ liệu ở đây là dạng số 8 bit với các bit có thể thay đổi giátrị là “0” hoặc “1” tùy thuộc vào Switch

Khối này được thiết kế gồm có 8 led đơn để mô tả giá trị bit tươngứng với mỗi Switch, led sáng tương ứng với bit có mức logic là “1” vàngược lại

Mạch dữ liệu 8 bit sử dụng 2 IC dịch 7495 mắc nối tiếp để tạo ra dữliệu 8 bit, với dữ liệu ngõ vào song song, dữ liệu ngõ ra nối tiếp Dữ liệungõ vào được xác định bằng cách thay đổi các switch từ SW1 đến SW8 IC

7414 cùng với R, C tạo ra mạch dao động cung cấp xung clock cho IC 7493(IC đếm nhị phân) đếm, 4 ngõ ra của IC này được nối đến IC 7421 (IC cổngAND), khi IC 7493 đếm đủ 16 xung, ngõ ra của cổng AND lên 1, tác độnglên chân số 6 (chân mode) của IC 7495, chân này ở mức 1 sẽ load dữ liệu ở

đến chân 8 và 9 (2 xung clock để dịch dữ liệu của IC 7495), khi chân số 6 ởmức 0 thì 2 xung clock này tác động để dịch dữ liệu ra và dữ liệu số này là

dữ liệu NRZ đơn cực, nó sẽ được lấy tại NRZ data

IC 7421: là IC gồm 2 cổng And 4 ngõ vào cấu tạo như hình

dưới:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Hình 2.3: Sơ đồ chân của IC 7421

IC 7493: chức năng đếm thập, nhị phân

Cấu tạo đơn giản gồm các Flip Flop JK bêntrong mặc định JK được nối mức cao do đó FFchỉ có thể hoạt động ở trạng thái lật Trongmodul NRZ này để IC có thể đếm được thì chân

12 nối chân 1 đếm nhị phân 16 trạng thái Hìnhdưới sẽ rõ hơn

Bảng 2.1: Sơ đồ chân và chức năng của IC 7493

Hình 2.4: Sơ đồ mạch điện bên trong IC 7493

Bảng 2.2: Bảng trạng thái IC 7493

IC7495: Đây là thanh ghi 4 bit, IC có 3 chế độ hoạt động:

thời chân 6 (Mode Control) mức thấp

thời chân 6 ở mức cao

Pin 1: SER là chân dữ liệu ngõ vào nối tiếp Pin 2,3,4,5: là 4 đường data vào D1÷D4 tương ứng với các Pin 13,12,11,10: là dữ liệu ngõ ra song song QA÷QD Pin 6: Mode chọn chế độ

Pin 8, 9: 2 chân cấp xung clock Pin 7: GND nối mass

Pin 14: VCC nối nguồn

Bảng 2.3: Sơ đồ chân 7495

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Bảng 2.4: Bảng trạng thái của IC 7495

Hình

2.5: Sơ đồ mạch điện bên trong IC 7495

Sơ đồ nguyên lý của mạch:

R 2 R

R 3 R

B K

R 4 R

R 5 R

R 6 R

R 7 R

R 8 R

R 0 2 3

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối tạo dữ liệu số

+5V, để đảm báo cho led sáng tốt và không bị cháy

2.2.2. Khối nhận tín hiệu từ MIC:

Sử dụng Transistor BJT, kết hợp với 1 Opamp để khuếch đại biên độ

và điều chỉnh biên độ tín hiệu nếu cần

Mạch khuếch đại BJT được mắc dạng cầu phân áp với cực E chung,ngõ ra tín hiệu sẽ được khuếch đại về dòng và áp

Opamp khuếch đại không đảo,hệ số khuếch đại có thể được điềuchỉnh nhờ biến trở 10K,có giá trị biến đổi từ 1 đến 10 lần tùy thuộc vào giátrị của biến trở

Sơ đồ nguyên lý cùa mạch:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

R 6 P O T

1 0 K

+

Có nhiều giải pháp để thực hiện việc mã hóa PCM như là:

- Thực hiện mã hóa dựa trên các IC số thông dụng với các chức năngđược chia nhỏ như là lấy mẫu, lượng tử và mã hóa, từ đó gom lại thành một

hệ thống điều chế PCM Phương pháp này dễ hiểu và dễ thực hiện, dễ dàngcho việc phân tích mạch.Tuy nhiên mạch khó thi công, phức tạp tốn nhiều

IC, dễ bị lỗi và hoạt động không chính xác nếu thi công không đúng

- Phương pháp thứ 2 là sử dụng VĐK dễ thực hiện công việc mãhóa Phương pháp này sẽ đơn giản nếu việc lập trình tốt, việc đồng bộ tínhiệu cũng tốt hơn do chỉ lấy từ một nguồn xung Thạch anh duy nhất Tuynhiên yếu điểm của phương pháp này là VDK chỉ xử lý được tín hiệu sốdạng nhị phân mà tín hiệu thoại là tín hiệu tương tự nên ta không thể trực

tiếp xử lý trên tín hiệu thoại mà phải qua khâu chuyển đổi tín hiệu từ analogsang digital trước khi mã hóa và thực hiện quá trình ngược lại khi giải mã.

Từ đó nó cũng sẽ tạo ra sai số trong quá trình chuyển đổi dữ liệu dẫn đếnlàm sai khác tín hiệu gốc

- Phương pháp thứ 3 là sử dụng IC TP3057/ TP3054 với chức năngđặc thù là thực hiện mã hóa PCM Với tín hiệu đầu vào là tín hiệu cần mãhóa ở dạng analog và dữ liệu đầu ra là tín hiệu đã được mã hóa PCM ởdạng số IC này đặc thù cho việc điều chế dữ liệu sử dụng trong truyền tínhiệu thoại, rất tiện dụng IC TP3057 được sản xuất theo chuẩn của Bắc Mỹ,

sử dụng xung clock luồng 2,048Mhz để mã hóa Còn IC TP3054 thì sảnxuất theo chuẩn của Tây Âu, sử dụng xung clock luồng 1,544Mhz để mãhóa

Nhóm nghiên cứu chọn giải pháp sử dụng IC đặc thù TP3057 để thực hiện

D R 6

- V C C 1

+ V C C 4

B C L K R / C L K S E L 7

M C L K R / P D N 8

J 2

I N A N A L O G 1

J 3

H E A D E R 3

1 2 3

J 4

V C C 5 V

1 2 3 + 5 V

- 5 V

KHOI PCM SU DUNG TP3057

J 5

M A S S 1

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý khối PCMCHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Các tụ C1 và C2 làm nhiệm vụ lọc nguồn cho IC

- Các trở R1 và R2 là trở tạo hệ số khuếch đại cho bộ khuếch đại đầuvào của IC TP3057

- Tín hiệu analog cần điều chế đưa vào chân 16

- Tín hiệu số PCM ra ở chân 11

- Chân số 9 là chân cấp xung clock master cho IC hoạt động

- Các chân FSX và FSR là chân nhận xung đồng bộ khung cho việc

- Chân số 7 BCLKR/CLKSEL có chức năng như bảng sau:

TABLE Selection of Master Clock Frequencies

1,536Mhzor1,544Mhz0

1,536Mhzor1,544Mhz

2,048Mhz

1,536Mhzor1,544MhzBảng 2.5: Lựa chọn tần số

- Chân số 8 là chân nhận xung master clock cho việc giải điều chế khi tín hiệu vào chân này là xung, nếu có được kết nối lên mức "1" liên tục thì power down thiết bị, khi kết nối liên tục lên mức xuống mức "0" thì nó sẽ lấy xung master clock bên phát để làm master clock cho bên nhận.

Một IC TP3057 có thể đồng thời thực hiện công việc mã hóa và giải

mã PCM bởi vì hai khối này được thiết kế riêng lẽ trong cùng một

IC, không ảnh hưởng gì đến nhau

2.2.4. Khối tạo dao động:

Để tạo ra nguồn dao động ổn định cung cấp cho các khối trong hệ thống, nhóm thực hiện chọn phương án dùng mạch dao động Thạch anh Tinh thể thạch anh tạo ra dao động với độ ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài

Mạch dao động gồm một tinh thể thạch anh 4Mhz kết hợp với các cổng đảo và các tụ, điện trở tạo ra xung clock cố định có tần số 4Mhz Nguồn xung clock này sẽ được cho qua IC chia tần CD4040 đếm lấy các tần số ngõ ra mong muốn

Ngõ ra chân số 9 là xung clock tần số 2,048Mhz để làm xung masterclock cho PCM, các ngõ ra chân số 2 (64Khz) là xung bit clock và chân số

12 (8Khz) là xung FSX cung cấp cho PCM

Ngõ ra chân số 6 là xung tần số 512Khz sẽ được đưa đến mạch lọc

PI để tạo ra dạng sóng sin làm sóng mang điều chế cho mạch điều chế ASK

Mạch lọc PI gồm 2 loại linh kiện thụ động là tụ và cuộn cảm nhằm hiệu chỉnh xung vuông thành dạng sóng sin để dễ dàng cho việc điều chế ASK

Sơ đồ nguyên lý mạch:

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý khối tạo dao động

2.2.5. Khối điều chế ASK:

Điều chế ASK là nhằm biến đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theodạng của tín hiệu tin tức Điều mà ta mong muốn chính là truyền tín hiệu tintức đi xa (có dây hoặc không dây) Tuy nhiên với các tín hiệu nằm ở dãy tần số âm thanh (tín hiệu thoại) thì có tần số thấp (300Hz - 3,4Khz) cho nênkhông thể thực hiện việc truyền đi xa vì tín hiệu sẽ bị ảnh hưởng bởi vô số các loại nhiễu cùng tạp âm Do vậy chúng ta cần phải nhờ đến một sóng có tần số cao vượt ra khỏi dải tần số âm thanh để mang tin tức đi Việc ghép tín hiệu sóng mang và tin tức được gọi là điều chế Có nhiều loại điều chế khác nhau như điều chế biên độ, điều chế tần số, điều pha, … Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét phương pháp điều chế đơn giản và dễ thực hiện nhất là điều biên

Có nhiều cách điều chế biên độ khác nhau như sử dụng transistor, sửdụng IC chuyên dụng Ở đây, để dễ dàng thực hiện và đảm bảo độ ổn định,