Bài giảng Vô tuyến điện đại cương - Chương 1 trình bày tổng quan về vô tuyến điện. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Định luật Kirchhoff, tần số, điều biến, khuếch đại, decibel, bộ trộn, bộ lọc, máy thu biến đổi trực tiếp, máy thu biến tần.
Trang 1VÔ TUYẾN ĐIỆN
ĐẠI CƯƠNG
TS Ngô Văn Thanh
Viện Vật Lý
Hà Nội - 2016
Trang 2Tài liệu tham khảo
[1] David B Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999)
[2] Dennis L Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge
University Press 2011)
[3] Jon B Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge
University Press 2009)
[4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT
[5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT
[6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT
Website : http://iop.vast.ac.vn/~nvthanh/cours/votuyendien/
Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn
Trang 3CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN ĐIỆN
1 Định luật Kirchhoff
2 Tần số
3 Điều biến
4 Khuếch đại
5 Decibel
6 Bộ trộn
7 Bộ lọc
8 Máy thu biến đổi trực tiếp
9 Máy thu biến tần
Trang 41 Định luật Kirchhoff
Định luật Kirchhoff
Định luật Kirchhoff điện áp : được áp dụng cho các mạch
Định luật Kirchhoff dòng điện : áp dụng cho các nút
Điện áp
Đơn vị đo
Dòng điện (ampere – A)
Định luật bảo toàn điện tích
Công suất (watts – W)
V1
V2
+
+
+
+
V1
V4
-I1 I2
I2
I1
I3
I4
Trang 52 Tần số
Điện áp và dòng điện
Các hàm cosine biến thiên theo thời gian
• f : tần số, đơn vị đo : hertz (Hz)
Công suất
• Công suất trung bình
• Đối với mạch cộng hưởng (có cuộn cảm và tụ điện lệch pha nhau)
Tần số của sóng radio :
• c : tốc độ ánh sáng
• Bước sóng : đơn vị (m)
Trang 62 Tần số
Các dải tần số thường dùng
Sóng dài Sóng trung
3-30 kHz, hoặc bước sóng 100-10 km 30-300 kHz, hoặc 10-1 km
300 kHz-3 MHz, hoặc 1 km-100
HF Tần số cao hay sóng ngắn 3 MHz-30 MHz, hoặc 100-10
VHF Tần số rất cao
TV kênh 2-6
TV kênh 7-13
FM radio
30 MHz-300 MHz, hoặc 10-1 m 54-88 MHz
174-216 MHz 88-108 MHz
TV kênh 14-69 Sóng điện thoại di động
300 MHz-1 GHz, hoặc 1 m-30 cm 470-806 MHz
824-894 MHz
GPS Truyền hình vệ tinh C-band Truyền hình vệ tinh Kuband
1-30 GHz, hoặc 30-1 cm 1.575 GHz
3.7-4.2 GHz 10.7-12.75 GHz
Trang 73 Điều biến
Các loại điều biến
Điều biên (độ) : Thường ứng dụng cho sóng radio AM
• Biên độ sóng a(t) phụ thuộc vào thời gian được điều biến bởi sóng âm thanh
• Trên thực tế: có thêm thành phần sóng mang
Điều tần (số) : Thường ứng dụng cho sóng FM
Trang 83 Điều biến
Tín hiệu số (digital)
Dựa trên nguyên lý của tín hiệu Morse (xung dài và xung ngắn)
Sử dụng mã nhị phân 1 và 0
FSK (frequency-shift keying) khoá đảo tần số
• Mã 1 :
• Mã 0 :
PSK (phase-shift keying) khoá đảo pha
• Mã 1 :
• Mã 0 :
Trang 94 Khuếch đại
Công suất sóng thu được từ antenna : cỡ picowatt
Thiết bị thu sóng cần phải khuếch đại tín hiệu lên hàng triệu lần
Thiết bị cổ điển : sử dụng bóng điện tử chân không
Thiết bị hiện nay : sử dụng linh kiện bán dẫn, vi mạch…
Hệ số khuếch đại (gain)
Trang 105 Decibel
Hệ thống vô tuyến
Công suất đài phát quốc tế : cỡ megawatt = 106 watt
Tín hiệu thu được tại thiết bị thu sóng : cỡ femtowatt = 10−15 watt
Hệ số chênh lệch công suất rất lớn : sử dụng thang đo logarit (cơ số 10)
Độ khuếch đại : đo bằng đơn vị decibel (dB)
• Ví dụ:
Chú ý: G là đại lượng không thứ nguyên
Công suất tuyệt đối : dBs
Ký hiệu hệ số khuếch đại theo đơn vị đo của công suất tín hiệu vào Pi
Watt = dBw; milliwatt = dBm …
P/P i 1 1.3 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 6.3 8 10
Trang 116 Bộ trộn (mixer)
Tần số
Tần số có thể nghe được : cỡ vài kilohertz (kHz)
Tần số sóng cao hơn rất nhiều, ví dụ sóng dài có tần số = 30-300 kHz
Tại máy thu : biến đổi tín hiệu ở tần số radio sang tần số âm thanh
Bộ trộn
Tại máy phát: sử dụng bộ trộn để dịch chuyển tần số = tích của 2 tần số
Tạo phách : tạo ra tín hiệu bao gồm tổng và hiệu của 2 tần số
Xét trường hợp tín hiệu tương ứng với 2 tần số khác nhau, ta có điện áp
Tại máy thu, 2 tần số tương ứng là :
• Tần số của tín hiệu từ antena (f1)
• Tần số tạo ra bởi mạch dao động (f2)
f+ dùng để nâng cao tần số
f- dùng để giảm tần số
Trang 127 Bộ lọc (filter)
Filter
Loại bỏ tần số được thêm vào bởi bộ trộn
Bộ lọc âm tần : giữ lại tần số thấp
Tín hiệu bị chặn lại khi
P m : công suất cực đại
là tần số ngưỡng (cut-off) = 3 dB
Hệ số suy hao
Hệ số khử tại 1 tần số trong vùng trượt:
Bộ lọc băng tần
Tín hiệu bị chặn ở cả vùng tần số thấp
và tần số cao
Độ rộng băng tần
Dải tần bị chặn
Dải tần cho qua
Band-pass filter
Dải tần bị chặn Vùng trượt
Dải tần cho qua
Low-pass filter
Trang 138 Máy thu biến đổi trực tiếp
Direct-conversion receiver
Biến đổi tần số sóng Radio sang tần số âm thanh (nghe được)
Chỉ có một bộ trộn
Tín hiệu vào với tần số Radio (RF)
Bộ tạo dao động (LO – local oscillator)
Tín hiệu ra từ bộ trộn có tần số
bằng tổng và hiệu của 2 tần số
Tần số của LO được chọn sao cho hiệu
của 2 tần số tương ứng với
tần số âm thanh nghe được (600 Hz)
Các hệ thức
f i là tần số ảo (image) và cần phải loại bỏ nhờ bộ lọc
f A là tần số âm thanh (Audio)
Sử dụng bộ lọc băng tần để loại bỏ tần số ảo
Khuếch đại
antenna
Bộ trộn
Bộ dao động
Loa
RF
Bộ lọc
RF
Trang 149 Máy thu biến tần
Superheterodyne : Thường được ứng dụng trong TV và radio FM
Các thuật ngữ
• RF (Radio frequency) : tần số radio
• VFO (Variable-frequency oscillator) : bộ biến tần
• Image : ảo (sẽ bị chặn lại ở các bộ lọc)
• IF (Intermediate frequency) : tần số trung gian
• BFO (beat-frequency oscillator) : bộ dao động phách
• Audio : âm thanh nghe được
• Sum : tổng (tổng của 2 tần số)
• Product detector : tách sóng
antenna
Bộ trộn RF
Bộ dao động phách
Loa
RF
BFO
Audio
Bộ trộn Khuếch đại
Bộ dao động biến tần VFO
IF
RF
BFO Ảo
Trang 159 Máy thu biến tần
Tần số Radio :
Tần số ảo VFO :
Tần số IF :
Tần số ảo BFO :
antenna
Bộ trộn RF
Bộ dao động phách
Loa
RF
BFO
Audio
Bộ trộn Khuếch đại
Bộ dao động biến tần VFO
IF
RF
BFO Ảo
Tín hiệu
thu
được từ
antenna
Chỉ giữ lại tần số Radio
Trộn tín hiệu
Giữ lại tín hiệu trung tần
Trộn tín hiệu để
có Audio
Khuếch đại âm thanh
Trang 169 Máy thu biến tần
Sơ đồ dải tần số
Tần số USB (upper sideband): là tần số để tạo ra tín hiệu có tần số ảo BFO
• Sử dụng công thức
• Suy ra
Tần số LSB (lower sideband): Giống như tần số RF