Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 3: Điều chế

Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 3: Điều chế cung cấp cho người đọc các kiến thức: Khái niệm, điều biên, điều chế đơn biên, điều tần - Điều pha. Hy vọng đây sẽ là một tài liệu hữu ích dành cho các bạn sinh viên các ngành Kỹ thuật viễn thông dùng làm tài liệu học tập và nghiên cứu

Tr ườ ng Đ i H c Công Ngh   ạ ọ ệ

CH ƯƠ NG 3: ĐI U CH Ề Ế

2. Đi u biên ề

3. Đi u ch  đ n biên ề ế ơ

4. Đi u t n ­ Đi u pha ề ầ ề

1. Khái ni m ệ

Điều chế là quá trình thực hiện chuyển phổ của tín

hiệu tin tức lên vùng có tần số cao hơn đ  b c x  truy n  ể ứ ạ ề

đi xa (nhờ biến đổi một thông số nào đó như biên độ, tần số, góc pha, - Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế. đ  r ng xung…) ộ ộ .

- Dao động cao tần được gọi là tải tin hay tải tần.

- Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã

Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức.

2. Đi u biên ề

         Gi  thi t, dao đ ng là đi u hoà và t n s  tin t c bi n thiên  ả ế ộ ề ầ ố ứ ế

t   Smin÷  Smax:  ừ ω ω

us(t) = Us.cos( s.t)  ω – tín hi u tin t c  ệ ứ

ut (t)= Ut.cos( t .t)  ω –  tín hi u t i tin  ệ ả

v i  ớ ωt >>  Sω

Tín hiệu điều biên: uđb (t)= [Ut + Us. cos( s.t)]. cos t.t ω ω

        = Ut [1 +m cos( s.t)]. cos t.t ω ω

V i m= Us / Ut  : H  s  đi u ch  ph i tho  mãn đi u ki n ớ ệ ố ề ế ả ả ề ệ m ≤ 1. 

Khi m > 1 thì m ch có hi n t ạ ệ ượ ng quá đi u ch  làm cho tín hi u b   ề ế ệ ị

méo tr m tr ng ầ ọ

uđb (t)= Utcos( t t)+ m/2.Utcos( t + s)t+ m/2.Utcos( t ­ s)t ω ω ω ω ω

Nh  v y, ngoài thành ph n t i tin, tín hi u đi u khi n  ư ậ ầ ả ệ ề ể còn có hai biên t n.  ầ

Biên t n trên có t n s  t  ( 1 +  Smin) đ n ( 1 +  ầ ầ ố ừ ω ω ế ω

Smax) và biên t n d i t  ( 1 ­  Smin) đ n (  1 ­ 

Phổ của tin tức

Phổ của tín hiệu điều biên

Đồ thị thời gian của tin tức và tín hiệu

điều biên khi m <1 và m >1

Trên thực tế khi điều chế thường chọn m= 0.9

0.95

Quan hệ năng lượng trong điều biên

Trong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin

không mang tin tức Năng lượng được phân bố trong tín hiệu điều biên:

Công su t c a t i tin là công su t trung bình trong m t chu k  t i tin:ấ ủ ả ấ ộ ỳ ảCông su t biên t n:ấ ầ

Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế:

Hệ số điều chế m càng lớn thì công suất tín hiệu đã điều biên

càng lớn

Khi m =1:

Cỏc chỉ tiờu cơ bản của tớn hiệu điều biờn

a Hệ số mộo phi tuyến:

: là biờn độ dũng điện ứng với hài bậc cao của tớn hiệu điều chế : là biờn độ của cỏc thành phần biờn tần (thành phần súng cơ bản).

Để giảm mộo phi tuyến (K) buộc phải giảm độ sõu điều chế (m).

b Hệ số mộo tần số:

Để đỏnh giỏ ta dựa vào đặc tuyến biờn độ - tần số:

Hệ số mộo tần số xỏc định theo biểu thức:

m0 : hệ số điều chế lớn nhất

m : hệ số điều chế tại tần số đang

xột

Đặc tuyến biên độư tần số

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

- Dùng các phần tử phi tuyến: cộng tải tin với tín hiệu

điều chế trên đặc tuyến của phần tử phi tuyến đó.

tranzito.

i. M ch đi u biên cân b ng ạ ề ằ : có ưu điểm giảm được méo phi tuyến

u1 = Utcos tt + Uscos stω ωu2 = Utcos tt ­ Uscos stω ωi1 =a0 + a1. u1+ a2. u12+ a3. u13+

i2=a0 + a1. u2+ a2. u22+ a3. u23+

Dòng đi n ra t i i = i1 ­ i2ệ ả

A= Us[2a1 + 3a3Ut2 + (a3/2)  Us2]

B= (a3/2) Us3 C= 2 a2UsUt D= 3/2 a3UsUt

i= Acos st + Bcos3 st + C[cos( t + s)t + cos( t ­  s)t] ω ω ω ω ω ω + 

    + D[cos(2 t + s)t +cos(2 t ­  s)t] ω ω ω ω

V i:ớ

ii. M ch đi u biên vòng ạ ề : thực chất là hai mạch điều chế cân bằng chung

tải.

G i : ọ iI là dòng đi n ra c a m ch đi u ch  cân b ng Đệ ủ ạ ề ế ằ 1, Đ2 

         iII là dòng đi n ra c a m ch đi u ch   ệ ủ ạ ề ế cân b ng Đằ 3, Đ4

iđb = iI + iII   = 2.C.[cos(ωt+ωS)t+ cos(ωt− ωS)t]

Điều chế vòng cho méo phi tuyến nhỏ nhất vì nó khử được các hài bậc lẻ của ωS và các biên tần 2ωt

3. Đi u biên đ n ề ơ

- Khái ni m: ệ là quá trình đi u ch  nh m t o ra ề ế ằ ạ m tộ  d i biên t n.ả ầ

 Ta bi t, ph  c a tín hi u đi u biên g m t i t n và hai biên t n, trong ế ổ ủ ệ ề ồ ả ầ ầ

đó biên t n mang tin t c. Vì hai d i biên t n mang tin t c nh  nhau ầ ứ ả ầ ứ ưnên ch  c n truy n đi m t biên t n là đ  thông tin v  tin t c; còn t i ỉ ầ ề ộ ầ ủ ề ứ ả

t n ch  dùng đ  tách sóng, có th  nén toàn b  ho c m t ph n trầ ỉ ể ể ộ ặ ộ ầ ước khi truy n đi. ề

Điều biên đ nơ tuy tốn kém nhưng có các ưu điểm sau:

Các ph ươ ng pháp đi u ch  đ n biên: ề ế ơ

Phổ của tín hiệu vào

Phổ của tín hiệu điều chế

Sơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha

Sơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp kết hợp lọc và quay pha

Phổ tín hiệu ra theo phương

pháp

kết hợp lọc và quay pha

4. Đi u t n  ề ầ và  đi u pha ề

Điều tần và điều pha là ghi tin tức vào tải tin làm cho tần

số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế.

Quan hệ gi a ữ tần số và góc pha của một dao động:

Tín hi u đi u hòa có d ng: ut(t) = Utcos( tt +  0) = Utcos (t)  ệ ề ạ ω ϕ ψ

Giả thiết tín hiệu điều chế là đơn âm: us(t) =Uscos st ω

Khi đi u ch  t n s  ho c đi u ch  pha thì t n s  ho c góc pha  ề ế ầ ố ặ ề ế ầ ố ặ

c a dao đ ng cao t n bi n thiên t  l  v i tín hi u đi u ch ủ ộ ầ ế ỷ ệ ớ ệ ề ế

(t)=  t + Kđt. Uscos st = t + Δ m. Uscos st

φ (t)= φ0 + Kđp.Uscos st= ω φ 0 + Δφm. Uscos st ω

Δ m: ω l ượ ng di t n c c đ i;  ầ ự ạ Δ m: φ l ượ ng di pha c c đ i ự ạ

Khi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên ϕ(t) = ϕ0

uđt(t) = Utcos( tt +Δ m/ s.sin st + 0) ω ω ω ω ϕ uđp(t) = Utcos( tt +Δ m.cos st + 0) ω ω ω ϕ

Lượng di pha đạt được khi điều pha Δφ = Δφm cos ttω

L ượ ng di t n t ầ ươ ng  ng  ứ Δ  = Δω φm  s. sin stω ω

M ch đi u t n  ạ ề ầ

Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động là làm biến đổi trị số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào Phương pháp phổ biến nhất là dùng điốt biến dung (varicap) và tranzito điện kháng.

a) Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung:

k là hệ số tỷ lệ.

φk là hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic φk ≈ 0,7 V

γ là hệ số phụ thuộc vật liệu

Tần số dao động của mạch

Điện áp đặt lên điốt: uD=utưuSưE0=Ut.cosωttưUS.cosωStưE0

Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện:

uD= uDmin=| ­Ut ­ Us ­ E0 | ≤ ungcphep

Nguyên lý hoạt động: khi có điện áp tin tức us tác động vào nó

sẽ tác động một điện áp ngược lên điốt biến dung D và từ đó giá trị điện dung của điốt sẽ thay đổi làm cho tần số cộng hưởng của mạch thay đổi.

Đặc điểm:- Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng của

RD đến phẩm chất của hệ tạo dao động nghĩa là đến độ ổn định

tần số của mạch

- Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính

của đặc tuyến CD = f(uD) của điốt biến dung để giảm méo phi

tuyến Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng điốt biến dung

đạt được khoảng 1%

- Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích

thước nhỏ Có thể dùng điốt bán dẫn để điều tần ở tần số siêu

cao, khoảng vài trăm MHz Tuy nhiên độ tạp tán của tham số bán dẫn lớn, nên kém ổn định

b. M chạ  đi u t n dùng tranzito đi n kháng: ề ầ ệ

Phần tử điện kháng là phân áp RC Trong đó T1 là tranzito điện kháng, T2 là tranzito dao động Tranzito điện kháng được mắc

một phần (trên L1) với hệ dao động Cũng có thể mắc hai tranzito điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần.

M ch đi u pha ạ ề theo Amstrong

s)t]

ω

Điện áp uđp = uđb1 + uđb2 là một dao động điều chế về pha và biên độ Điều biên ở đây là điều biên ký sinh Mạch có nhược

điểm là lượng di pha nhỏ Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn

Δϕ nhỏ Để có điều biên ký sinh nhỏ hơn 1% thì Δϕ < 0,35