ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG SÓNG RF

Dữ liệu sau khi mã hóa sẽ được truyền đi bằng modul phát RF 433Mhz , tín hiệu sẽ được thu bởi khối thu RF, dữ liệu sẽ được giải mã bằng 16F716 và đưa về điều khiển khối Relay để bật nhữn

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM SỸ TÀI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG SÓNG RF

HẢI PHÒNG - 2015

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM SỸ TÀI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG SÓNG RF

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đình Thạch

Lời cam đoan

Em xin cam đoan đây là đồ án của riêng em và được sự hướng dẫn của Ths Nguyễn Đình Thạch Các nội dung trình bày trong đề tài này là trung thực

và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu và các hình ảnh phục vụ cho đồ án được lấy từ các nguôn rõ ràng và

có trích dẫn

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung đồ án của mình, đến những vi phạm bản quyền trong quá trình thực hiện

Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2

1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển từ xa 2

1.1.1 Khái niệm về điều khiển từ xa 2

1.1.2 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa 4

1.1.3 Các phương pháp mã hóa trong hệ thống điều khiển từ xa 4

1.1.4 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa 5

1.2 Các phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống điều khiển từ xa 6

1.2.1 Điều chế tương tự 6

1.2.2 Điều chế số 6

1.2.3 Điều chế xung 7

1.3 Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến 8

1.3.1 Tìm hiểu về sóng vô tuyến 8

1.3.2 Điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến 17

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 22

2.1 Điều chế ASK 22

2.1.1 Nguyên lý điều chế 23

2.1.2 Biểu thức toán học 23

2.1.3 Giải điều chế 24

2.1.4 Sơ đồ khối truyền nhận tín hiệu sử dụng điều chế ASK 25

2.2 Điều chế khóa dịch tần (FSK) 26

2.2.2 Biểu thức toán học của FSK 27

2.2.3 Giải điều chế 28

2.3 Điều chế khóa dịch pha (PSK) 29

2.3.1 Biểu thức tổng quát của tín hiệu điều chế PSK 29

2.3.2 Điều chế 2-PSK 30

2.3.3 Giải điều chế PSK 32

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG33 3.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch 33

3.1.1 Giới thiệu về module thu phát RF 33

3.1.2 PIC 16F716 34

3.1.3 Các thành phần khác 49

3.2 Thiết kế mạch điện 50

3.2.1 Mạch phát 51

3.2.2 Mạch thu 53

3.3 Xây dựng phần mềm 58

3.3.1 Thuật toán thu và giải mã 58

KẾT LUẬN 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống 11

Hình 1.2: Sơ đồ máy phát 6

Hình 1.3: Sơ đồ máy thu 6

Hình 1.4: Sơ đồ điều chế tương tự 6

Hình 1.5: Sơ đồ điều chế số 7

Hình 1.6: Sơ đồ điều chế xung 8

Hình 1.7: Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích 13

Hình 1.8: Sơ đồ khối máy phát 17

Hình 1.9: Sơ đồ khối máy thu 18

Hình 1.10: Sơ đồ máy phát nhiều kênh 20

Hình 1.11: Sơ đồ máy thu nhiều kênh 20

Hình 2.1: Nguyên lý điều chế 23

Hình 2.2: Dạng sóng 23

Hình 2.3: Sơ đồ giải điều chế ASK 24

Hình 2.4: Sơ đồ khối 25

Hình 2.5: Dạng sóng của phương pháp điều chế FSK 26

Hình 2.6: Phổ tần của phương pháp điều chế FSK 28

Hình 2.7: Sơ đồ khối bộ giải điều chế FSk 28

Hình 2.8: Sơ đồ giải điều chế FSK Coherente 29

Hình 2.9: Mô hình điều chế 30

Hình 2.10: Sơ đồ dạng sóng tín hiệu 31

Hình 2.11: Sơ đồ dạng sóng 4PSK 31

Hình 2.12: Sơ đồ bộ giải điều chế PSK 32

Hình 3.1: Module thu RF 33

Hình 3.2: Module phát RF 34

Hình 3.3: Sơ đồ khối PIC 35

Hình 3.4: Hình dáng bên ngoài PIC16F716 36

Hình 3.5: Mạch tạo xung dùng thạch anh 37

Hình 3.6: Thanh ghi trạng thái 38

Hình 3.7: Cấu trúc PORTB và TRISB 39

Hình 3.8: Cấu trúc PORTA và TRISA 40

Hình 3.9: Tổ chức bộ nhớ PIC16F716 42

Hình 3.10: Cấu trúc ngắt 43

Hình 3.11: Thanh ghi điều khiển ngắt 44

Hình 3.12: Thanh ghi Option 46

Hình 3.13: Thanh ghi EECON1 48

Hình 3.14: Sơ đồ chân ULN2803 50

Hình 3.15: Sơ đồi khối mạch thu phát 50

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch phát 51

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch phát 51

Hình 3.18: Sơ đồ mạch in bên phát 52

Hình 3.29: Mạch phát sau khi hoàn thiện 52

Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý mạch thu 53

Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch thu 54

Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển mạch thu 54

Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại rơle 55

Hình 3.24: Sơ đồ điều khiển rơle kết hợp dùng công tắc 57

Hình 3.25: Sơ đồ mạch in bên thu 57

Hình 3.26: Mạch thu sau khi hoàn thiện 58

Hình 3.27: Sơ đồ mã hóa số/số 58

Hình 3.28: Mã hóa đơn cực 59

Hình 3.29: Mã hóa Biphase 59

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và điện tử nói riêng đã tạo ra nhiều ứng dụng hữu ích phục vụ cuộc sống con người Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của kỹ thuật vi điện tử là điều khiển

từ xa ứng dụng trong nghành viễn thông, ra đa, vệ tinh…và trong cả cuộc sống hàng ngày

Xuất phát từ những ứng dụng đó, em đã tìm hiểu thiết kế và lắp ráp : “ Bộ điều khiển từ xa bằng RF ” Mạch sử dụng IC phát 16F716 để mã hóa tín hiệu điều khiển Dữ liệu sau khi mã hóa sẽ được truyền đi bằng modul phát RF 433Mhz , tín hiệu sẽ được thu bởi khối thu RF, dữ liệu sẽ được giải mã bằng 16F716 và đưa về điều khiển khối Relay để bật những thiết bị được yêu cầu của bên phát Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu về các hệ thống điều khiển từ xa

Chương 2: Các phương pháp điều chế số

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện

Đề tài này giúp em hiểu rõ hơn về nguyên lý thu phát và ứng dụng những

lý thuyết vào thực tế.Đồng thời hiểu thêm những điều chưa được học và nâng cao kỹ năng về mạch trong thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển từ xa

1.1.1 Khái niệm về điều khiển từ xa

Hệ thống điều khiển từ xa là hệ thống cho phép chúng ta điều khiển các thiết bị khác từ một khoảng cách xa

Sơ đồ của hệ thống điều khiển từ xa bao gồm:

bị thu

tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thực thi

Hình 1.1:Sơ đồ khối hệ thống

- Nhiệm vụ cơ bản của các hệ thống điều khiển từ xa:

mã nhận được thành các lệnh điều khiển, đồng thời kiểm tra sự chính xác của

mã mới nhận

Dựa vào các ứng dụng thực tế của điều khiển từ xa có thể chia làm hai dạng: Điều khiển từ xa bằng vô tuyến và điều khiển từ xa bằng hữu tuyến

1.1.1.1 Điều khiển từ xa bằng vô tuyến

Hệ thống vô tuyến là một hệ thống truyền tín hiệu từ nơi này tới nơi khác bằng sóng điện từ Thông tin được truyền đi từ nơi phát được chuyển thành tín hiệu điện Sau đó được mã hóa để truyền đi qua kênh truyền; tại nơi thu tín hiệu điện được giải mã, tái tạo lại thông tin ban đầu

Điều chế tín hiệu điện trong hệ thống vô tuyến là quá trình gắn thông tin vào sóng mang có tần số cao hơn để truyền đi, tại máy thu tín hiệu sẽ loại bỏ thành phần sóng mang, chỉ nhận xử lý và tái tạo lại thông tin, đây là quá trình giải mã điều chế

Ta có thể điều khiển từ xa bằng ánh sáng hồng ngoại, hay sóng siêu âm, sóng vô tuyến Môi trường truyền là không gian tự do Với tia hồng ngoại, ta chỉ

có thể điều khiển ở khoảng cách gần Vì vậy, nó được ứng dụng nhiều trong các

thiết bị dân dụng

1.1.1.2 Điều khiển từ xa bằng hữu tuyến

Với điều khiển dạng này ta tận dụng vào đường truyền của điện thoại để điều khiển các thiết bị Có thể dùng dây song hành, cáp đồng trục, cáp quang để truyền tín hiệu

- Dây song hành

Loại dây này chống được nhiễu điện từ, chống ẩm tốt Tuy nhiên khi sử dụng ở tần số cao sẽ bị suy hao Sự suy hao phụ thuộc nhiều vào chiều dài và đường kính dây dẫn Với đặc tính điện trở là:

- Cáp đồng trục

Cáp đồng trục có khả năng chống nhiễu cao Tuy nhiên cáp đồng trục kết nối phức tạp, khi khoảng cách thu phát quá xa sẽ gây mất cân bằng về mass, sản sinh ra dòng điện trên lưới ngoài, sẽ tác động làm nhiễu Với điện trở đặc tính là:

- Cáp quang

Băng thông cáp quang rất rộng (Từ vài chục MHz đến vài GHz) Cáp quang cho phép truyền thông tin với tốc độ cao, độ suy hao thấp, không bị ảnh hưởng từ nhiễu trường điện từ, ít thay đổi đặc tính tuyền theo nhiệt độ, cách điện hoàn toàn giữa phần phát và phần thu

1.1.2 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa

Do hệ thống điều khiển từ xa truyền dẫn tín hiệu ở khoảng cách xa nên ta cần phải thiết kế về kết cấu hệ thống để tín hiệu truyền đi đảm bảo chính xác và nhanh chóng theo những yêu cầu sau

1.1.2.1 Kết cấu tin tức

Độ tin cậy truyền dẫn tin tức trong hệ thống điều khiển từ xa có quan hệ rất nhiều đến kết cấu tin tức Nội dung về kết cấu tin tức chia làm hai phần: về chất và về lượng Về lượng: có nhiều cách để biến đổi lượng điều khiển lượng đi

và điều khiển thành loại xung cho phù hợp và những xung đó cần sử dụng những phương pháp nào để tái tạo lại tin tức, để đạt được dung lượng lớn và tốc

- Hệ thống điều khiển từ xa đạt hiệu quả cao là hệ thống có tốc độ điều khiển cực đại đồng thời phải đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép

1.1.3 Các phương pháp mã hóa trong hệ thống điều khiển từ xa

Trong các hệ thống truyền tin rời rạc hoặc truyền tin liên tục nhưng tín hiệu đã được rời rạc hóa thì tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành tín hiệu số (thường là số nhị phân) và được mã hóa phát đi

từ mạch phát Ở máy thu tín hiệu được tái tạo thông qua các phép biến đổi

- Mã hóa tín hiệu điều khiển nhằm tăng tính hiệu quả và độ tin cậy của

hệ thống điều khiển từ xa, nghĩa làcải thiện tốc độ truyền và tăng khả năng chống nhiễu

- Trong điều khiển từ xa ta thường sử dụng mã nhị phân tương ứng với

hệ gồm hai phần tử bit [0] và bit [1]

- Để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác cao trong tín hiệu điều khiển được truyền đi để chống nhiễu ta dùng loại mã phát hiện và sửa sai

- Mã phát hiện và sửa sai thuộc lại mã đồng đều bao gồm các loại mã:

mã phát hiện và sửa sai, mã phát hiện sai, mã sửa sai

- Sự sai khác của các mã được truyền đi tùy thuộc tính chất của kênh truyền, có thể phân thành hai loại:

nhiều ký tự trong tổ hợp mã có thể bị sai, nhưng những lỗi sai đó không liên quan nhau

ra trong từng cụm ký tự kế cận nhau trong khung tin được truyền

- Lựa chọn của cấu trúc mã chống nhiễu, sửa sai phải dựa trên tính chất phân bố xác suất sai khác trong kênh truyền

- Hiện nay, nhiều loại mã phát hiện và sửa sai được nghiên cứu như: mã hamming, mã chu kỳ, mã nhiều cấp

1.1.4 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa

- Sơ đồ máy phát:

Hình 1.2:Sơ đồ máy phát

- Sơ đồ máy thu:

Hình 1.3: Sơ đồ máy thu

1.2 Các phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống điều khiển từ xa

1.2.1 Điều chế tương tự

- Điều chế AM (Amplitude modulation) - Điều chế biên độ

- Điều chế FM (Frequency modulation) - Điều chế tần số

Hình 1.4:Tín hiệu điều chế tương tự

1.2.2 Điều chế số

- ASK (Amplitude-shift keying) - Điều chế khóa dịch biên độ

- FSK (Frequence-shift keying) - Điều chế khóa dịch tần

- PSK (Phase-shift keying) - Điều chế khóa dịch pha

Hình 1.5:Tín hiệu điều chế số

1.2.3 Điều chế xung

- PAM (Pulse-amplitude modulation) -Điều chế biên độ xung

- PWM (Pulse-width modulation) -Điều chế độ rộng xung

- PPM (Pulse-position modulation) -Điều chế vị trí xung

- PCM (Pulse-code modulation) -Điều chế xung mã

Hình 1.6:Tín hiệu điều chế xung

1.3 Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến

1.3.1 Tìm hiểu về sóng vô tuyến

1.3.1.1 Khái niệm về sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến RF là một loại bức xạ điện từ có bước sóng trong quang phổ điện từ cao hơn ánh sáng hồng ngoại Sóng vô tuyến có tần số từ khoảng 30

Hz đến 300GHz và được chia thành các băng tần LF, HF, VHF, UHF và băng tần cao dùng trong thông tin vệ tinh Theo phương thức truyền lan có hai loại sóng vô tuyến là sóng dọc và sóng ngang Sóng dọc là loại sóng lan truyền theo

phương chuyển động của nó, còn sóng ngang là sóng có vector cường độ điện trường và từ trường vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng

Nếu gọi c là vận tốc truyền sóng, f là tần số (Hz) và λ là bước sóng của bức xạ, ta có:

1.3.1.2 Phân dải sóng vô tuyến

Theo phân loại trước đây, những sóng điện từ nằm trong dải tần số có giới

- Dải sóng cực dài và dải sóng dài: Là dải sóng truyền lan chủ yếu là sóng

bề mặt – sóng đất Có bước sóng λ lớn nên có khả năng nhiễu xạ qua các chướng ngại vật kích thước lớn vì vậy thường được sử dụng trong thông tin hàng không

và hàng hải (ngày nay ít sử dụng)

- Dải sóng trung: truyền lan được cả trên bề mặt và cả tầng điện li (sóng trời) Sóng tầng điện li chỉ truyền lan được vào ban đêm, ban ngày tầng điện li bị hấp thụ Dải sóng trung hiện nay chỉ khai thác ở phát thong tin AM quảng bá

- Dải sóng ngắn: Do mặt đất là môi trường bán dẫn nên có hệ số suy hao

(sóng trời) Nhờ có phương thức truyền lan sóng tầng điện li nên có khả năng truyền lan được khoảng cách xa khi công suất máy phát nhỏ Trong lĩnh vực viễn thông hiện nay, sóng ngắn được sử dụng trong hệ thống thông tin dự phòng của quốc gia (cáp quang – viba – sóng ngắn)

- Dải sóng cực ngắn: truyền lan theo đường thẳng (anten phát và thu nhìn thấy nhau) Tín hiệu thu ổn định, có độ tin cậy cao, cự li thông tin gần, muốn truyền cần bố trí nhiều trạm thu phát Ngày nay, hầu hết các lĩnh vực thông tin đều nằm ở dải sóng cực ngắn (như phát thanh FM, truyền hình, hệ thống rađa vi

ba, di động….)

Ngày ngay chúng ta còn sử dụng những sóng ngắn nằm ngoài dải tần số phân theo băng sóng , các dải sóng đó được gọi trực tiếp tên theo bước sóng hay tần số của nó

) Dải cực ngắn có tên gọi khác là dải siêu cao (viba)

Với sự phát triển mạnh của khoa học, công nghệ, đặc biệt là trong một số lĩnh vực công nghệ mới đã sử dụng những dải sóng điện từ có tần số vượt quá giới hạn của dải tần đã nêu ở trên.Vì vậy giới hạn của dải tần vô tuyến điện cũng cần được mở rộng hơn

Ngày nay, sóng vô tuyến điện là những sóng điện từ có giới hạn dưới của

Mỗi băng sóng đều có đặc điểm truyền lan riêng Nhưng giữa hai băng sóng kề cận nhau thì đặc tính truyền lan của chúng thường không rõ rệt Trong môi trường đồng nhất, sóng truyền lan với vận tốc không đổi

Bảng 1.1: Bảng phân băng tần số vô tuyến

sóng FM

Truyền hình , thông tin di động, các loại thông tin cố định

Thông tin vệ tinh, ra đa, viễn thông công cộng, vô tuyến thiên văn

Tần số vô cùng

Vô tuyến thiên văn, ra đa sóng milimet, thông tin vệ tinh nghiên cứu và thí nghiệm

Sự phân loại theo tần số là thích hợp cho việc nghiên cứu về sóng Để thuận tiện cho việc phân định băng sóng sử dụng cho các lĩnh vực hoạt động khác nhau, người ta chia 5 băng sóng trên thành 11 tần số khác nhau, lấy khoảng

từ 30 ÷ 300 GHz, tên các băng tần, phạm vi tần số và lĩnh vực cụ thể được thể hiện ở bảng (1.1) trên

1.3.1.3 Nguyên lý truyền sóng

Để tìm hiểu nguyên lý truyền sóng chúng ta phải khảo sát về sự lan truyền của sóng điện từ ở dải tần số vô tuyến điện trong không gian tự do Chúng ta có thể thiết lập các nên các kênh thông tin vô tuyến với các cự ly thông tin rất lớn, không chỉ trên mặt đất mà còn trong khoảng không vũ trụ Mỗi hệ thống thông tin gồm có các thiết bị thu phát đặt ở các trạm đầu cuối, tin tức truyền đi nhờ sóng mang tần số cao trong một kênh truyền hay nói cách khác việc thực hiện truyền thông tin phải có môi trường truyền sóng Do đó, môi trường truyền sóng chính là một bộ phận của kênh thông tin

Chất lượng một kênh thông tin vô tuyến phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền sóng và khả năng đáp ứng của thiết bị đầu cuối.Vì vậy chúng ta phải lựa chọn thiết bị sao cho phù hợp về công suất phát, tần số làm việc cũng phải phù hợp phương thức truyền sóng để việc truyền tin mới có hiệu quả

Sóng vô tuyến được lan truyên trong các môi trường tự do như lớp khí quyển, mặt đất… sẽ bị những tác động của môi trường lên đặc tính truyền Thứ nhất là làm giảm biên độ của sóng, Thứ hai là làm méo dạng tín hiệu (nếu là tín hiệu tương tự) và gây lỗi bit , lỗi symbol đối với tín hiệu dạng số Do đó, khi nghiên cứu về sóng vô tuyến ta sẽ tập trung vào hai nhiệm vụ cụ thể như sau:

 Xác định cường độ trường ở đểm thu khi có các thông số của máy phát và xác định điều kiện để có thể thu được cường độ trường là lớn nhất

 Xác định các tác động gây méo tín hiệu hoặc gây lỗi trong quá trình truyền sóng, tìm giải pháp để sửa lỗi và làm giảm thiểu các lỗi đó

Trong quá trình truyền lan sóng vô tuyến bị giảm năng lượng là do sự giảm yếu cường độ trường do bị sự phân tán khi bức xạ và truyền lan, do sự hấp thụ của môi trường, giảm yếu do sóng bị nhiễu xạ bởi các vật thể gặp phải trên đường truyền lan, sự khuếch tán các vật thể trong môi trường truyền…

Sự suy giảm cường độ trường trong quá trình truyền lan của sóng vô tuyến là điều tất yếu, không thể tránh khỏi Để giải quyết , chúng ta phải tìm ra phương thức truyền sóng tốt nhất (tín hiệu ít bị ảnh hưởng, đảm bảo sự trung thực và biên độ của tín hiệu ở phía thu)

1.3.1.4 Công thức truyền sóng lý tưởng

Giả sử, có một không gian tự do đồng nhất rộng vô hạn, trong khoảng không gian đó đặt một nguồn bức xạ đẳng hướng ( là một anten chuẩn có thể bức xạ năng lượng sóng điện từ về mọi phía là như nhau )

Gọi P là công suất của nguồn phát (đơn vị W)

Bài toán đặt ra là phải tìm được giá trị cường độ trường ở một điểm thu M cách nguồn một khoảng là r (đơn vị m)

Từ M chúng ta vẽ một mặt cầu, tâm là nguồn phát (anten), với bán kính r

Hình 1.7:Mật độ công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích

Nếu biểu diễn cường độ bằng vol/met (V/m), từ trường bằng ampe/met (A/m) thì ta có:

S = Eh Hh (W/m)

Eh và Hh là hai giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường Các đại lượng này quan hệ nhau thông qua hệ thức :

H = E/ Zo (A/m)

Trong đó Zo là trở kháng sóng của môi trường

Với môi trường là không khí thì :

Với P : công suất máy phát (Kw)

D : hệ số định hướng của anten (lần)

r : khoảng cách từ anten đến điểm xác định E (Km)

do trái đất có dạng hình cầu, sóng truyền lan trên đó sẽ bị nhiễu xạ

Nhưng hiện tượng nhiễu xạ chỉ xảy ra một cách rõ rệt khi kích thước của vật cản có thể so sánh tương ứng với bước sóng Vì vậy, ở dải sóng cực dài hoặc sóng dài có bước sóng lớn( hàng trăm hoặc hàng nghìn mét) thì mới phát sinh hiện tượng này

Tuy vậy, cần chú ý sự nhiễu xạ của sóng chỉ có thể xảy ra trên một phần

bề mặt cong của trái đất và cần có những điều kiện thuận lợi nhất thì sóng nhiễu

xạ cũng không thể truyền vượt quá cự ly 300 - 400 km

Phương thức truyền sóng được chia làm các loại sau :

 Sóng đất

Khi sóng truyền lan sát mặt đất, sóng thường bị nhiễu xạ do cấu trúc bán

biến dạng cấu trúc của sóng, mặt khác bề mặt trái đất có cấu trúc địa lý gồ ghề, nhiều chướng, ngại vật cản cho sự truyền lan của sóng

Sóng đất thường bị hiện tượng nhiễu xạ, do vậy sóng truyền theo đường thẳng hoặc bị phản xạ từ mặt đất, hoặc bị uốn cong đi theo độ cong mặt

 Sóng tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp,độ cao khoảng 10 đến 15km được tính từ bề mặt trái đất Là một môi trường không đồng nhất, tính không đồng nhất của tầng đối lưu có nhiều dạng Một dạng lại gây ra sự thay đổi quĩ đạo của tia sóng khi truyền Một dạng khác là gây ra sự khuếch tán sóng và những sóng khuếch tán đó có thể lan truyền ra không gian 1000km kể từ mặt đất

Hiện tượng khuếch tán chỉ biểu hiện rõ ở những sóng ngắn hơn 10m

Sự uốn cong quĩ đạo sóng do tầng đối lưu biểu hiện ở những sóng có bước sóng dài hơn

Trong một số trường hợp, khi có điều kiện khí tượng thích hợp thì tầng đối lưu lại truyền sóng theo dạng “ ống sóng” khi đó nó cho phép những sóng có bước sóng ngắn hơn (λ = 3m)có thể truyền lan xa tới những cự ly từ 800 đến 1000km

 Sóng tầng điện ly

Tầng điện ly có độ cao từ 60 đến 600km bao quanh trái đất Do là lớp khí quyển ngoài cùng nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ mặt trời, của các hạt

vũ trụ và từ các tác động khác làm cho khí quyển tầng điện li bị ion hóa, tạo nên

thể xem là môi trường bán dẫn và sóng vô tuyến có thể phản xạ trên đó

Từ các nghiên cứu và đo đạc cho thấy tầng điện ly chỉ có thể phản xạ được những bước sóng dài hơn 10m, với những bước sóng ngắn hơn thì tầng điện ly được xem như một môi trường “trong suốt” Sóng được phản xạ một hay nhiều vì vậy có thể truyền lan với cự ly rất xa Ngoài ra, tầng điện ly có khả năng khuếch tán các sóng khi truyền tới Vì vậy, những sóng có tần số rất cao

mặc dù không phản xạ được trên tầng điện ly, nhưng do được khuếch tán ở các lớp ion hóa sóng vẫn có thể truyền lan tới những cự ly rất xa

 Sóng vũ trụ

Là những sóng vô tuyến truyền lan giữa các trạm mặt đất và các vệ tinh bay quanh trái đất, hoặc các con tàu du hành trong khoảng không vũ trụ, là những sóng không bị tầng điện ly cản trở Trong quá trình truyền, sóng vũ trụ chỉ bị hấp thụ bởi các vật cản như các đám mây, mưa Tần số sóng càng cao sự suy hao càng lớn, hay kích thước các đám mưa càng lớn dẫn tới sự suy hao càng nhiều

1.3.1.6 Các nhân tố ảnh hướng đến sự truyền lan sóng vô tuyến

 Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do

Khoảng không mà các sóng truyền lan trong đó bị suy hao được gọi là khoảng không tự do Độ suy hao của sóng vô tuyến phát đi từ anten phát đến anten thu tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỷ lệ nghịch với độ dài bước sóng được tính theo công thức sau:

Trong đó d(m), (m) là khoảng cách truyền sóng và độ dài bước sóng

 Ảnh hưởng của pha đinh và mưa

Pha đinh là sự thăng giáng cường độ tín hiệu sóng mang cao tần thu được

do sự thay đổi của khí quyển và sự phản xạ từ mặt đất, bề mặt nước hoặc các vật thể có kích thước lớn trong đường truyền sóng

Thực tế những ảnh hưởng do pha đinh nhiều tia và mưa ảnh hưởng chủ yếu đối với các sóng vô tuyến tầm nhìn thẳng trên mặt đất, làm việc trong giải tần GHz

 Sự can nhiễu của sóng vô tuyến

Thông thường nhiễu xảy ra không chỉ do các yếu tố tự nhiên bên ngoài môi trường truyền, bên cạnh đó nhiễu còn được gây ra bởi các sóng điện từ

Sóng can nhiễu sẽ thâm nhập vào trong sóng thông tin gây ra méo dạng tín hiệu đối với dạng song analog, gây ra mất bit, lỗi bit, lỗi symbol đối với dạng tín hiệu

số Vì thế, để tránh can nhiễu giữa hai hay nhiều dải sóng khác nhau thì giữa các băng tần cần phải có những khoảng ngăn cách giữa cá băng tần khác nhau

1.3.2 Điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến

1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động của điều khiên từ xa dùng sóng vô tuyến

 Một hệ thống điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến bao gồm máy phát, máy thu và kênh truyền dẫn là không gian tự do Máy phát có nhiệm vụ phát tín hiệu điều khiển dưới dạng sóng điện từ mang theo tin tức điều khiển Máy thu có nhiệm vụ thu tin tức từ môi trường dưới dạng sóng điện từ mang theo tin tức điều khiển Sau đó máy thu xử lý tin tức và đưa ra lệnh điều khiển đến mạch chấp hành thực hiện yêu cầu Hệ thống này dùng anten để bức xạ tín hiệu ở phần máy phát, dùng anten thu tín hiệu đối với máy thu

- Máy phát: Máy phát có nhiêm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và

phát tín hiệu đến máy thu, lệnh điều khiển truyền đi đã được điều chế

Hình 1.8:Sơ đồ khối máy phát

+ Khối phát lệnh điều khiển: dùng các phím bấm để phát lệnh điều khiển theo phương thức ma trận phím hay từng phím ấn riêng lẻ, ngoài ra có thể sử

+Khối mã hóa: biến đổi các tín hiệu điện được tạo ra từ bàn phím , cảm biến lệnh thành sóng điện từ có tần số đặc trưng cho lệnh điều khiển tương ứng

+ Khối dao động cao tần: tạo dao động bên trong máy phát, có nhiệm vụ tạo sóng mang cao tần để chuyên chở tín hiệu điều khiển trong không gian

+ Khối điều chế: phối hợptín hiệu điều khiển đã được mã hóa và sóng mang với nhau theo các phương pháp phù hợp, tùy theo đặc điểm của hệ thống thu – phát như điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha (PM)

+ Khối khuếch đại cao tần: khuếch đại biên độ tín hiệu để làm gia tăng cường độ công suất bức xạ sóng điện từ

- Máy thu

Hình 1.9:Sơ đồ khối máy thu

+Khối khuếch đại cao tần: có nhiệm vụ khuếch đại biên độ tín hiệu cao tần thu được từ anten để bù lại năng lượng bị suy hao của sóng điện từ trong quá trình lan truyền trong môi trường

+ Khối dao động nội: là dao động cao tần hình sin biến đổi năng lượng dao động một chiều thành xoay chiều có tần số yêu cầu

+ Khối trộn tần: Biến đổi tín hiệu cao tần thành tín hiệu trung tần, với tần

số này việc thiết kế mạch trở nên dễ dàng hơn và mạch làm việc ổn định Khối

+Khối tách sóng: có nhiệm vụ tách tín hiệu từ sóng cao tần, phục hồi lại tín hiệu điều khiển

+ Khối giải mã: nhận biết tín hiệu vừa phát đi để phát ra lệnh tác động đúng thiết bị cần điều khiển

+ Khối lệnh điều khiển: Gồm các mạch động lực đóng ngắt nguồn cho thiết bị hay điều khiển chức năng thiết bị đã đặt trước

 Nguyên lý hoạt động của điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến

- Ở phía máy phát việc truyền đi các lệnh điều khiển tương ứng với các lệnh nhị phân Tại máy thu thiết bị được điều khiển là do nhận được tín hiệu và giải mã các bit nhị phận đó So với những loại điều khiển khác như là điều khiển hồng ngoại thì điều khiển bằng sóng vô tuyến có phạm vi truyền tải rộng, có thể

sử dụng điều khiển các thiết bị hơn 30 mét, đồng thời có thể điều khiển xuyên tường hoặc kính Tần số làm việc dải rộng, nhưng thường sử dụng nhiều nhất là

36 KHz

- Thực tế cho thấy, để sóng điện từ có thể bức xạ và lan truyền trong môi trường thì tần số dao động phải lớn hơn 100 kHz Bên cạnh đó, vấn đề phối hợp trở kháng giữa các tầng trong máy phát, giữa anten và tầng công suất là rất quan trọng trong việc gia tăng khoảng cách phát sóng

- Anten thu có đặc tính cộng hưởng với tần số phát nên kích thước anten

có quan hệ chặt chẽ với bước sóng phát Để bức xa tốt nhất thì chiều dài của antena xấp xỉ với ¼ λ, ½ λ, ¾ λ, 3/2 λ, với λ là bức sóng máy phát

- Khoảng cách thu, phát của hệ thống còn phụ thuộc vào địa hình, độ cao của anten, độ nhạy của thiết bị…

1.3.2.2 Phân kênh – điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến nhiều chức

năng

 Để điều khiển nhiều một thiết bị điều khiển từ xa, máy phát phải sử dụng ma trận phím, mỗi phím được mã hóa riêng biệt (với tín các tín hiệu điều chế khác nhau) để máy thu tái tạo lại và thực hiện lệnh điều khiển đúng với chức năng của phím vừa phát đi Quá trình đó gọi là quá trình phân kênh

 Trong điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến có thể sử dụng nhiều kỹ thuật phân kênh như: phân kênh theo biên độ, theo tần số và theo thời gian…Nhưng thường dùng nhất là phân kênh theo tần số

 Điều khiển từ xa bằng vô tuyến nhiều chức năng:

Hình 1.10:Sơ đồ máy phát nhiều kênh

Hình 1.11:Sơ đồ máy thu nhiều kênh

1.3.2.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm và cách khắc phục

 Ƣu điểm

- Truyền tín hiệu điều khiển với khoảng cách xa

- Ít bị ảnh hưởng bởi vật cản

- Tầm phát rộng, đa hướng nên có thể điều khiển nhiều thiết bị một lúc

- Có thể tích hợp thêm màn hình hiển thị giúp giao tiếp dễ dàng

- Hệ thống phức tạp vì có thêm anten

- Hay bị ảnh hưởng của nhiễu

- Việc mã hóa phức tạp hơn

- Chi phí cao do linh kiện và thiết bị đắt

Khắc phục bằng cách là phát trên những tần số riêmg biệt

1.3.2.4 Ứng dụng của điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến

Điều khiển RF có nhiều ứng dụng trong thực tế, từ đơn giản đến phức tạp Ngày nay, chúng ta có thể thấy điều khiển RF được dùng để điều khiển nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị điện dân dụng trong gia đình như quạt , điều hòa thiết bị mở của gara xe, hệ thống điều khiển cho các loại đồ chơi điện tử từ xa,các thiết bị bay cỡ nhỏ… thậm chí trong các hệ thống phức tạp như điều khiển các hệ thống máy tính và điện thoại thông minh, kiểm soát vệ tinh … Không chỉ sử dụng trong các lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày, mà hệ thống điều khiển RF còn ứng dụng trong các lĩnh lực cho khoa học quân sự…

Hệ thống điều khiển RF ngày càng được hoàn thiện và mở rộng, ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau góp phần làm cuộc sống hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ

Điều chế là quá trình ghi tin tức cần phát vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một hay vài thông số như biên độ, tần số, góc pha… của dao động cao tần theo quy luật của tin tức

Trong phạm vi đồ án này, sử dụng các bít nhị phân để điều khiển Điều này có nghĩa là một đường truyền Analog có sẵn sẽ không truyền đi các bit “0” hay các bit “1” xuất phát trực tiếp từ thiết bị đầu cuối Chính vì lý do đó, chúng

ta cẩn phải chuyển dữ liệu nhị phân sang một dạng tín hiệu khác tương thích với đường truyền và sẽ chuyển đổi lại về dạng nhị phân tại đầu thu

Mạch điện thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu ban đầu gọi là bộ điều chế (modulator) và mạch thực hiện việc chuyển đổi ngược lại tại đầu thu gọi là bộ giải điều chế (demodulator) Các thiết bị điều khiển đều có mạch điều chế và giải điều chế Vì mỗi đầu liên kết đều cần có cả hai mạch, chúng kết hợp lại thành một thiết bị chung gọi là Modem

- Có ba phương pháp cơ bản để biến đổi tín hiệu nhị phân sang dạng tín hiệu cho phù hợp với kênh truyền đó là phương pháp điều chế biên độ (ASK- Amplitude Shift Keying), phương pháp khóa dịch tần (FSK- Frequency Shift Keying) và phương pháp khóa dịch pha (PSK- Phase-shift keying) Trong đồ án

sử dụng phương pháp điều biên ASK

Tín hiệu điều chế:

Sau khi qua bộ điều chế ASK :

2.1.3 Giải điều chế

Việc giải điều chế ASK có thể điều pha hoặc không điều pha Trường hợp điều pha ở phần đầu thì mạch phức tạp hơn nhưng lại hiệu quả chống nhiễu, bộ tách sóng nhận được tín hiệu ASK nhờ sóng mang được khôi phục ngay lúc đó

Ở trường hợp thứ hai, tín hiệu ASK được tách sóng đường bao bằng diode (hay được sử dụng) Bộ lọc đặt ngay sau bộ tách sóng để lọc bỏ những thành phấn sóng mang còn sót lại, một mạch định dạng xung nhằm thu đúng những tín hiệu

dữ liệu Quá trình giải điều chế ASK có thể mô tả theo sơ đồ sau:

2.1.4 Sơ đồ khối truyền nhận tín hiệu sử dụng điều chế ASK

Hình 2.4:Sơ đồ khối truyền nhận tín hiệu sử dụng điều chế ASK

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

và loại bỏ tín hiệu sóng mang cao tần, bên cạch đó ta có thể cho qua một bộ tách sóng để tách lấy biên độ sóng để hồi phục dạng tín hiệu tin tức Sau đó, tín hiệu được cho qua bộ lọc thông thấp để loại bỏ tạp nhiễu tần số cao

Ƣu điểm và nhƣợc điểm

 Ưu điểm :

thấp (~1200bps trên kênh truyền thoại)

 Nhược điểm :

2.2 Điều chế khóa dịch tần (FSK)

Trong điều chế FSK tin tức số được truyền đi bằng cách dịch tần số sóng mang một lượng nhất định tương ứng với bit 0 và 1 FSK có thể xem như tín hiệu trực giao, chủ yếu sử dụng cho các đường truyền tốc độ thấp

2.2.1 Sơ đồ điều chế

Để tránh vấn đề thay đổi về biên độ, FSK sử dụng hai tín hiệu sóng mang

có cùng biên tần và cố định, một cho bit 1 và một cho bit 0 Sự khác biệt giữa hai sóng mang là tần số Điều chế FSK tương đương với sự tổng hợp các ngõ ra của hai bộ điều chế ASK riêng biệt

Hình 2.5: Dạng sóng của phương pháp điều chế FSK

điều chế (logic 1)

- Sóng mang còn lại căn cứ cho mức thấp của tín hiệu dữ liệu cần điều chế (logic 0)

Pha của tín hiệu FSK có thể liên tục hoặc không liên tục FSK pha liên tục

có thể đạt được bằng cách bắt trạng thái của góc pha phải có một tương quan nhất định với tín hiệu điều chế

2.2.2 Biểu thức toán học của FSK

Trong đó:

Giả sử dữ liệu tuần hoàn với tần số cơ bản

Suy ra:

Vì các bit nhị phân điều chế lên các sóng mang riêng rẽ nên băng thông tối thiểu cho mỗi sóng mang bằng nửa tốc độ bit, nghĩa là thành phần tần số cơ bản lớn nhất cho mỗi sóng mang bằng một nửa so với ASK Do tính chất không đổi của biên độ sóng mang nên không gây lãng phí công suất và khả năng chống nhiễu rất cao

Hình 2.6: Phổ tần của phương pháp điều chế FSK

Sơ đồ bộ giải điều chế tần số đơn giản:

Ngoài ra còn có kỹ thuật giải điều chế FSK theo phương thức nhất quán (Coherent)

Hình 2.8: Sơ đồ giải điều chế FSK Coherent

Tín hiệu FSK được đưa vào bộ trộn, ở hai bộ trộn này kết hợp với sóng

xác với pha của tín hiệu thu Sau bộ trộn tần, tín hiệu được đưa qua bộ lọc thông thấp, ở đầu ra ta thu được tín hiệu tin tức ban đầu

2.3 Điều chế khóa dịch pha (PSK)

Trong phương pháp điều chế PSK, tần số và biên độ sóng mang được giữ không đổi trong khi đó pha của nó dịch theo mỗi dòng bit dữ liệu vào.Có hai loại PSK thường dùng, một là PSK phối hợp(phase-coherent PSK), trong đó dùng hai sóng mang khác pha nhau 180º đại diện cho hai bit 0 và 1.Nhược điểm của loại này là máy thu cần có sóng mang tham chiếu để so pha với tín hiệu thu , cần thực hiện đồng bộ giữa máy thu và máy phát, dẫn tới mạch giải điều chế phức tạp hơn Loại thứ hai, là PSK vi phân (differential PSK) Với loại này sự dịch chuyển pha xảy ra tại mỗi bit hay mỗi symbol, không cần quan tâm đến chuỗi bit 0 và 1 đang được truyền Giả sử trong điều chế 2-PSK vi phân thì thì

độ dịch pha 90º tương ứng bit 0 kế tiếp, còn dịch pha 270º là bit 1 kế tiếp Điều chế PSK hiện nay được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quân sự, thương mại, các hệ thống vi ba số Bên cạnh phương thức PSK thì điều chế vuông góc QAM là phương thức được sử dụng phổ biến

2.3.1 Biểu thức tổng quát của tín hiệu điều chế PSK

Tín hiệu PSK có thể được biểu diễn bằng công thức sau: