Chương 1 Tín hiệu và hệ thống điện tử

Tín hiệu và các hệ thống điện tử của bộ môn kỹ thuật điện tử, tài liệu được biên soạn nhằm giúp bạn đọc tiếp cận những kiến thức cơ bản của tín hiệu và hệ thống điện tử. Giúp các bạn sinh viên nắm chắc kiến thức phục vụ cho các kĩ thi

Kỹ thuật điện tử

 Giảng viên: TS Phạm Minh Nghĩa

 Mục đích môn học:

 Yêu cầu môn học:

 Tài liệu tham khảo:

1 Kỹ thuật điện tử, Nguyễn Văn Thước, HVKTQS

2 Kỹ thuật điện tử, Đỗ Xuân Thụ, KHKT

3 Lý thuyết mạch - tín hiệu, Đỗ Huy Giác, KHKT

4 Kỹ thuật mạch điện tử, Phạm Minh Hà, KHKT

Chương 1 Tín hiệu và các hệ thống điện tử

1.1 Khái quát chung về tín hiệu

1.2 Các tham số của tín hiệu

1.3 Phân tích phổ của tín hiệu

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

1.6 Các dạng mạch lọc tín hiệu

1.1 Khái quát chung về tín hiệu

* Định nghĩa tín hiệu (signal):

Tín hiệu là một dạng biểu diễn vật lý của tin tức.

VD: Tín hiệu điện sau Micro, luồng số trong cáp máy tính …

Trong lĩnh vực điện, điện tử thì tín hiệu thường là các dao

động điện từ chứa tin tức.

* Cách biểu diễn tín hiệu:

Tín hiệu thường được biểu diễn dưới dạng hàm theo biến

thời gian (time) hoặc biến tần số (frequency) Trong ngành điện

tử ta còn dùng số phức để mô tả các dạng tín hiệu điều hòa.

VD: i(t), u(t),…

1.1 Khái quát chung về tín hiệu

* Phân loại tín hiệu:

1 Theo tính chất của hàm số mô tả tín hiệu:

Tín hiệu liên tục:

Dạng phổ biến là tín hiệu tương tự (analog)

Tín hiệu rời rạc:

Dạng phổ biến là tín hiệu số (digital)

2 Theo tính chất tuần hoàn:

Tín hiệu tuần hoàn là tín hiệu thỏa mãn đẳng thức sau:

s(t) = s(t + kT), trong đó T thuộc tập thực dương, k thuộc tập Z

1.1 Khái quát chung về tín hiệu

VD một số dạng tín hiệu tuần hoàn:

1.1 Khái quát chung về tín hiệu

3 Theo tính chất xác suất thống kê:

Tín hiệu ngẫu nhiên: Là dạng tín hiệu mà ta không

biết trước các tham số cũng như quy luật biến đổi các tham

số của tín hiệu.

Tín hiệu xác định:

1.2 Các tham số của tín hiệu

1 Giá trị trung bình:

2 Năng lượng của tín hiệu:

2

1

1

t t



 

2

1

2

w= ( )

t

t

s t dt



1.2 Các tham số của tín hiệu

2

1

2

1

( )

t tb

t

W

1.2 Các tham số của tín hiệu

5 Dải động của tín hiệu: đặc trưng cho mức của cường độ

tín hiệu tác động lên thiết bị

 

2 ax

2 min

( )max ( )max

10 lg 10 lg 20 lg

( ) min ( ) min

m

1.3 Phân tích phổ của tín hiệu

* Định nghĩa về phổ của tín hiệu:

Phổ của tín hiệu được hiểu là sự mô tả của tín hiệu theo tần

số.

Có 2 dạng là: Phổ biên độ và phổ pha

Phổ biên độ cho thấy sự phân bố năng lượng của tín hiệu theo

tần số

Phổ pha là sự phân bố pha của tín hiệu theo tần số

* Ý nghĩa của việc phân tích phổ tín hiệu:

1.3 Phân tích phổ của tín hiệu

* Phân tích phổ của tín hiệu tuần hoàn:

Nếu một tín hiệu tuần hoàn s(t) thỏa mãn điều kiện:

Thì ta có thể phân tích s(t) thành chuỗi Fourier như sau:

s(t) dt





 



0

1

1

1 1

o

k

k

jk t

k

k

 

 





















1

2 2 1

0

.

0

( ) ; ( ) cos 2

( ) sin ;

1

; ( )

k

T

T jkw t k

k

T b





  





1.3 Phân tích phổ của tín hiệu

* Phân tích phổ của tín hiệu không tuần hoàn:

Sử dụng phép biến đổi Fourier để phân tích phổ của tín hiệu

không tuần hoàn

.

1

2

j t







1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng:

Dùng để truyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực hiện tính toán, đo

đạc, điều khiển tự động vv

Hai dạng :

- Hệ thống hở, trong đó thông tin chỉ truyền đi theo một chiều

nhất định

- Hệ thống kín thì ngược lại, thông tin truyền theo cả hai chiều

và chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt ở đây là thông tin truyền

theo chiều ngược có vai trò quyết định đưa hệ thống kín đến một trạng

thái làm việc tối ưu.

Theo chức năng xử lý tín hiệu ta có thể chia các hệ thống điện

tử thành ba loại như sau :

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng:

* Hệ thống thông tin quảng bá: trao đổi tin tức, số liệu, hình ảnh

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng:

•Hệ thống thông tin quảng bá: có những đặc điểm sau:

-Đặc điểm thứ nhất : hệ thống hở,tín hiệu từ nơi nhận tin không thể tác động

trở lại nơi phát tin Chất lượng truyền tin có trung thực, chính xác hay

không thì nơi phát không thể nhận biết được Để nâng cao chất lượng truyền

tin cần nâng cao chất lượng của thiết bị thu và thiết bị phát độc lập nhau

- Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn ra ở máy phát còn quá trình tách

sóng ở máy thu là hai quá trình ngược nhau nhằm tạo ra tín hiệu vô tuyến

và tách tin tức từ tín hiệu vô tuyến

-Đặc điểm thứ ba là: trong môi trường truyền tin có nhiều loại nhiễu tác động

(nhiễu công nghiệp, nhiễu thiên nhiên, nhiễu do các đài phát khác tạo nên )

nên việc khắc phục nhiễu bằng các giải pháp kỹ thuật khác nhau để tăng

chất lượng thông tin là vấn đề rất quan trọng

-Đặc điểm thứ tư là: phải giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với từng

loại kênh thông tin Đó là các vấn đề cần được lựa chọn tối ưu: vấn đề dạng

điều chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách và môi trường truyền tin,

chất lượng máy thu ,giá thành sản phẩm

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng

•Hệ thống tự động điều chỉnh và tự động ổn định:

hệ thống kín được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ tự động điều chỉnh một

hoặc vài thông số trong một quá trình làm việc Ở đây có đường tín hiệu ngược

phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh:

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng

* Hệ thống đo lường:

* Hệ thống thông tin di động:

* Hệ thống Ra đa – Tên lửa phòng không:

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

Xét sơ lược về các dạng tín hiệu điều chế

Dùng tín hiệu sơ cấp (ký hiệu là u(t) để điều chế sóng mang u0(t) =U0m

cos(0t+0) là dao động điều hoà tần số cao

Sóng mang có ba tham số là biên độ U0m,tần số 0=2f0và góc pha đầu 0,

nên có ba cách điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha, cho tương

ứng ba tín hiệu là tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần và tín hiệu điều pha

1.5.1 Tín hiệu điều biên AM (Amplitude Modulation)

a.Điều biên đơn âm.

Xét tín hiệu sơ cấp u(t) là một dao động hình sin đơn âm

u(t)=Umcos (t+)= Umcos (2Ft+)

Dao động sóng mang

u0(t) = U0mcos (ot + 0) = Uomcos(2f0 + 0)

Tín hiệu điều biên sẽ có biểu thức:

hU

1.5Kỹ thuật điều chế tín hiệu

0

0

2

2

m

m

mU

mU

t





Đồ thị mô tả kỹ thuật điều biên:

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

Trong tín hiệu điều biên có ba thành phần:thành phần thứ nhất là sóng mang

tần số góc 0, biên độ U0m,thành phần thứ hai có tần số góc (0 + ) biên độ

gọi là thành phần biên trên,thành phần thứ ba -biên dưới có tần số góc

(0- ) và biên độ cũng là

2

0m

mU

2 0m mU

Hai biên trên và dưới có mang tin (chứa tần số  ) nhưng có biên độ nhỏ hơn một nửa tải tin

U0m

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

b.Điều biên đa âm

Trường hợp tín hiệu sơ cấp không phải chỉ là một tần số =2F , mà là một

giải tần số từ minđến max(hay= FminFmax):

Biểu thức của tín hiệu điều biên:

milà chỉ số điều biên thành phần

chỉ số điều biên toàn phần:

0  m  1 Bề rộng của phổ tín hiệu điều biên

 i

i i

im cos( t ) U

) u

1

2 1

2

i

i





m

im i U

hU m 0









i i

m

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

1.5.2 Tín hiệu điều tần FM (Frequency Modulation) và điều pha PM (Phase

Modulation).

Quan hệ giữa tần số biến thiên (t) và pha tức thời là:

Tín hiệu điều tần có tần số biến thiên theo quy luật của tín hiệu sơ cấp, nếu olà

tần số của sóng mang thì tần số của tín hiệu điều tần sẽ là:  = o+ h.u(t)

Biểu thức của tín hiệu điều tần sẽ có dạng:

udt(t) = U0mcos(t) = U0mcos[0t + h +0]

- độ sâu hoặc chỉ số điều tần,thường mđt>>1

0















 ; (t)  (t)dt dt

) t ( ) t (

( )

u t dt

 0 cos 0 dtsin 0

m

U t m t 

m

dt

hU

m  



1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

* Kỹ thuật điều chế tần số và điều chế pha:

Biểu thức của tín hiệu điều pha có dạng:

uđf= U0mcos[0t + h.u(t) + o]

Nếu u(t) là đơn âm thì

uđf(t) = U0mcos [0t + h u(t) + 0]

= U0mcos [0t + m đfcost + 0]

Trong đó mđf = hUmgọi là độ sâu hoặc chỉ số điều

pha

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

* Kỹ thuật điều chế tần số và điều chế pha:

Nhận xét:

Ở tín hiệu điều biên công suất của nó phụ thuộc vào độ sâu điều chế, còn ở tín hiệu điều tần thì độ sâu điều chế không quyết định công suất Nghĩa là ở tín hiệu

điều tần khi có điều chế cực đại hoặc không có điều chế công suất vẫn như nhau.Tuy nhiên có sự phân bố lại năng lượng giữa các thành phần tần số

1.6 Các dạng mạch lọc tín hiệu

•Khái niệm: Mạch lọc là một mạch điện chỉ cho qua các tín hiệu có phổ tần

nằm trong một dải tần nào đó, còn chặn (không cho đi qua) các tín hiệu có phổ

tần nằm ngoài dải tần đã cho

Dải tần số mà mạch lọc cho qua gọi là dải thông của mạch lọc, dải tần số mà

mạch lọc chặn các tín hiệu gọi là dải chặn

Tần số phân cách giữa dải thông và dải chặn được gọi là tần số cắt của mạch

lọc

•Phân loại mạch lọc tín hiệu:

-Theo dải thông: Mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dải

thông, mạch lọc dải chắn

-Theo phần tử tạo thành mạch lọc: Mạch lọc LC, mạch lọc RC, mạch lọc thạch

anh, …

-Theo kết cấu: mạch lọc hình Γ, mạch lọc hình Π, mạch lọc hình Τ, mạch lọc

cầu, …

Mạch lọc LC thông thấp, thông cao hình Γ, Τ, Π