Tài liệu Thiết kế bộ bảo mật điện thoại, chương 5 doc

Việc điều biến nhằm hai mục đích: - Cho sóng đã điều biến thõa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc.. Kỹ thuật điều biến là kỹ

CHƯƠNG 5 : ĐIỀU BIẾN – GIẢI ĐIỀU BIẾN

Điều biến tín hiệu gốc là biến đổi tín hiệu này ra một sóng có mang nội dung thông tin của tín hiệu gốc Sóng có mang thông tin gọi là sóng đã điều biến

Việc điều biến nhằm hai mục đích:

- Cho sóng đã điều biến thõa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc Sóng truyền được tin gọi là sóng mang hay tải tin

- Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường

Có nhiều kỹ thuật điều biến tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi trường truyền

H III.1

1 Điều biên (AM : Amplitude Modulation )

.1.1 Định nghiã:

CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật điều biến là kỹ thuật thay đổi biên độ của một sóng có tần số cao, có khả năng phát xạ sóng điện từ theo biên độ của tín hiệu gốc có nội dung tin tức cần truyền đi trong không gian

Tín hiệu gốc

em Emcosmt

em : điện áp tức thời tín hiệu điều biến

Em : biên độ cực đại tín hiệu điều biến

m 2fm : tần số gốc tín hiệu điều biến

fm : tần số tín hiệu điều biến

Sóng cao tần có thể truyền được trong gian gọi là sóng mang hay tải tin

ec Ecsinct

ec : điện áp tức thời của sóng mang

Ec : biên độ cực đại của sóng mang

c2fc : tần số gốc của sóng mang

fc : tần số của sóng mang

Khi sóng đã điều biến biên độ thì :

eEc(1+mcosmt)sinct

mEm/Ec : hệ số điều chế

1.2 Phổ tần – bề rộng phổ tần:

Ta có:

eEc(1+mcosmt)sinct

eEcsinct+mEc/2sin(c+m)t+mEc/2sin(c-m)t

mEc/2sin(c+m)t : sóng biên trên

mEc/2sin(c-m)t : sóng biên dưới

Ecsinct : sóng mang

Phổ sóng điều biên:

 c - m  c  c + m

mE c /2 mE c /2

E c

BW

BW : bề rộng dãi tần (băng thông)

BW  (c+m ) – (c-m)

= 2m

H.III.2

BW = (fc+fm) – (fc-fm)

= 2fm

1.3 Sự phân bố công suất trong sóng đã điều biến:

Hình vẽ phổ sóng đã điều biến bởi tín hiệu emEmcosmt cho thấy sự phân bố điện áp trong sóng Điều này cho thấy công suất được phân bố theo tỷ lệ bình phương của các giá trị điện áp là

mEc/2,Ec,mEc/2

Công suất sóng mang:

Công suất mỗi sóng biên:

Công suất của sóng đã điều biến:

f c -f m f c f c +f m

mE c /2 mEc/2

Ec

BW

R

E

2



c c

c

R

E m R

mE















4 8

2

2























2

1 4

4

2 2

P P

m P

P m

Công suất được phân bố thành các thành phần:

H.III.3

lsf: tần số biên dưới

usf: tần số biên trên

Ta thấy công suất được phân bố cho các tần số biên lệ thuộc

vào hệ số điều chế m

2 Đơn biên SSB (Single sideband):

2.1 Định nghĩa:

Ta biết tin tức chỉ chứa trong biên tần,nên chỉ cần truyền đi

một biên tần là đủ thông tin về tin tức Qúa trình điều chế nhằm tạo ra

một dải biên tần gọi là điều chế đơn biên Tải tần chỉ cần dùng để tách

sóng, do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi

e AM

f c

f

e SSB

f

f

P

f c -f m f c f c +f m

P c =E c2 /2R

P lsf =m 2 /4P c Pusf =m 2 /4Pc

H.III.2 Phổ tần của AM và SSB

Một số ưu điểm của điều chế đơn biên (SSB) so với điều biên: -Độ rộng dải tần giảm đi một nữa

Bởi vậy trong cùng một dải tần số thì số đài có thể bố trí tăng gấp đôi

-Hiệu suất rất cao Đối với điều chế AM:

Khi m =1

Đối với điều chế đơn biên : Phữu ích = Pbt = PSSB

Xét hệ số lợi dụng công suất :

KAM=1/3 và KSSB=1 khi m =1

KAM=1/9 và KSSB=1 khi m =0,5

Vậy khi m càng nhỏ thì máy phát đơn biên càng có công suất hữu ích lớn hơn nhiều lần so với Phữu ích của máy phát điều biên

-Do DSSB 2DAM nên đối với các loại nhiễu nói chung (S/N)SSB>(S/N)AM và riêng đối với nhiễu trắng (nhiễu có cường độ như nhau) thì (S/N)SSB (S/N)AM.Như vậy để máy phát AM và SSB có cùng S/N ta phải tăng PAM lên hai lần

-Do hiện tượng pha đỉnh trong truyền sóng mà tần số sóng mang fo có thể bị suy giảm Đối với mát thu AM khi thu có lúc m >1 sẽ gây ra hiện tượng méo do quá điều chế Nếu pha đỉnh rất lớn làm mất hẳn tần số sóng mang thì máy thu AM sẽ không thu được gì Còn đối với máy thu SSB pha đỉnh làm suy giảm hay triệt tiêu tần số sóng mang không gây ra ảnh hưởng gì

-Đối với tín hiệu AM trong dải sóng ngắn, do sự phân tán của đặc tuyến pha mà xảy ra sự chia pha các dao động trong dải biên Điều đó làm méo tín hiệu truyền và làm giảm biên độ điện áp ở đầu vào bộ

AM

D

2

1



AM bt

P

3

1





tách sóng của máy thu AM Tổn hao công suất ở đầu ra, do đó được đánh giá là 50% Còn đối với tín hiệu SSB thì mọi tin tức đều được phát trong một dải biên nên không có hiện tượng chia pha

-Dùng tín hiệu SSB sẽ thực hiện được sự bảo mật tốt, do nếu không biết tần số sóng mang thì sẽ không thu được tin tức Do vậy máy phát và máy thu SSB được sự dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng do yêu cầu kỹ thuật khá cao như mạch lọc dải phải rất hẹp và có dốc đứng, việc tạo ra tần số sóng mang fc

trong máy thu phải rất chính xác mới không gây ra méo tín hiệu… nên máy phát và máy thu SSB có cấu tạo phức tạp hơn so với máy phát và máy thu AM Bởi vậy nó chỉ dùng trong các máy phát thông tin chuyên dụng

2.2 Các phương pháp điều chế đơn biên:

Phương pháp đầu tiên để tạo ra tín hiệu đơn biên SSB là từ tín hiệu điều biên AM người ta dùng bộ lọc dải để tách một biên tần cần thiết ra Nhưng do yêu cầu chất lượng cao nên bộ lọc dải rất phức tạp Bởi vậy người ta sử dụng hai phương pháp tạo tín hiệu SSB khác: phương

pháp quay pha và phương pháp lọc pha.

Nhưng hai phương pháp này lại tạo ra một số sản phẩm không cần thiết như thành phần tần số sóng mang fc,dải biên thứ hai… Mặt khác hai phương này không thể tạo ra bộ điều chế có chỉ tiêu kỷ thuật cao và ổn định, bởi vậy nó cũng ít được dùng Ngày nay phương pháp tạo tín hiệu SSB được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp tổng hợp: tạo tín hiệu SSB bằng các tần số sóng mang khác nhau Đặc biệt là khi bộ lọc thạch anh ra đời thì phương này được sử dụng rộng rãi nhất Ta sẽ lần lược xét các phương pháp tạo tín hiệu SSB khác nhau

a.Phương pháp lọc :

2

Điều chế cân bằng

Bộ lọc dải hẹp

e c

H.III.3 Sơ đồ khối và phổ tín hiệu của phương pháp lọc

Tín hiệu điều chế em và tải tin ec được đưa vào bộ điều chế cân bằng(ĐCCB).Sau khi qua bộ ĐCCB ta thu được hai dải biên(DSB) Sau đó dùng bộ lọc dải ta sẽ thu được biên trên hoặc biên dưới Nhưng do

m<<c nên cm rất gần c vì vậy việc lọc lấy rất khó khăn Ta xét tỉ số lọc:

 : một nữa khoảng cách giữa cần lọc và tần số cho qua

Ta thấy X càng lớn, càng dể lọc có nghĩa là tần số sóng mang càng gần đến tần số điều chế càng dễ lọc Trong thực tế,ta chọn tần số trung gian nằm trong khoảng (100 – 500Khz) vì ở dải tần số này ta có bộ lọc thạch anh và bộ lọc cơ điện rất tốt Sau đó để chuyển tần số trung lên tần số tải tin ta dùng thêm một vài bộ ĐCCB và bộ lọc ở dải tần

 mmin  mmax  c

2

 c - mmax  c - mmin  c + mmin  c + mmax

 c - mmin  c - mmax

c

m c

m c

m c

X

















số khác nhau Mỗi lần lọc thì tỉ số X lớn hơn nên dể lọc hơn Phương pháp đó gọi là phương pháp tổng hợp tần số

b Phương pháp tổng hợp:

ĐCCB

1 LỌC 1 ĐCCB 2 LỌC 2 ĐCCB n LỌC n

DAO

ĐỘNG 1 ĐỘNG 2DAO ĐỘNG nDAO

7

V 1

 mmin  mmax  1

V 3

 1 + mmin  1 + mmax

V 2

 1 - mmax  1 - mmin  1 + mmin  1 + mmax

2 mmin

V 4

 2 - 1 - mmax  2 - 1 - mmin  2  2 + 1 + mmin  2 + 1 + mmax

2 =2 1 +2 mmin

V 5

 2 + 1 + mmin  2 + 1 + mmax

.4 Sơ đồ khối và phổ tín hiệu theo phương pháp tổng hợp

Bộ lọc 1 thường rất là bộ lọc thạch anh hay bộ lọc cơ điện chất lượng cao vì  rất nhỏ Tần số sóng mang thứ 2 có f1>>fc và  = 1+mmin khá lớn nên dể lọc hơn Vì vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản Nếu f2 chưa ở trong dải tần số làm việc thì ta lại dùng đổi tần lần thứ 2, dùng bộ ĐCCB 3 Bộ lọc 3 cũng đơn giản như bộ lọc 2 vì  lớn:  = 1+2+mmin Cứ thế cho đến khi nào ta được tần số làm việc fc c.Phương pháp quay pha:

.5 Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp quay pha

Tín hiệu âm tần Vm và tải tin Vc trước khi đưa vào bộ ĐCCB II được di pha một góc 900 Còn tín hiệu âm tần Vm và tải tin Vc

ĐCCB I Dao Động

Di Pha

90 o

Mạch Tổng

ĐCCB II

Di Pha

90 0

V SSB

VII

V I

được đưa thẳng vào bộ ĐCCB I tín hiệu ở đầu ra của 2 bộ ĐCCB sẽ qua bộ tổng (hoặc hiệu) và ở đầu ra của bộ tổng (hoặc hiệu) là tín hiệu đơn biên SSB

Phương pháp quay pha được thực hiện ở ngay dải tần số làm việc

Ơû đầu ra ở bộ ĐCCBI ta nhận được:

Ở đầu ra bộ ĐCCBII ta nhận được :

Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được :

VSSB  Vc.Vmcos(c-m)t

Đây chính là biên tần dưới của SSB.Nếu ta thay mạch tổng bằng mạch hiệu ta sẽ được biên tần trên

Phương phàp này có thể mở rộng cho trường hợp hệ thống điều chế có số lượng bộ điều chế n3, lúc đó có thể có n mạch quay pha Biểu thức trên chỉ đúng khi hai bộ ĐCCB hoàn toàn giống nhau để VI,VII có biên độ như nhau và hai bộ di pha phải tạo ra di pha chính xác (đúng 900) Nếu không ở đầu ra ta sẽ thu được hai biên tần Đây là một khó khăn lớn vì thực hiện quay pha chính xác đối với một tín hiệu có dải tần rộng không phải đơn giản.Vì vậy phương này ngày nay ít được sử dụng

d.phương pháp lọc và quay pha kết hợp:

V V

2

V V

V

t t

V

V

V

m c

m c

m II

m c

m c

m c

II









































cos cos

2

0 cos

180 cos

2

0

0 0

H.III.6 Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương

pháp lọc và quay pha kết hợp

Ta chọn tải tin thứ nhất có tần số dao động

Để dể dàng lọc lấy thông dưới2

max min





1

0 1

1

1 1

1

90 cos

90 cos

2

cos cos

2





















t t

V V

V

t t

V V

V

m m

m II

m m

m I





















ĐCCB I Lọc Thông

dưới 1 ĐCCB III

Di Pha

90 0 Dao Động

 2

Di Pha

90 0

ĐCCB II Lọc Thông Dưới 2 ĐCCB IV

Mạch Tổng

Dao Động

 1

V II

V ’ III

V ’ II

V ’

V SSB

Đây chính là biên tần trên của tín hiệu SSB Nếu ta thay bộ tổng bằng bộ hiệu ta sẽ thu được biên tần dưới Phương pháp này không

cần dùng mạch quay pha đối với tín hiệu điều chế nên dễ thực hiện hơn

1 ''

1 1

'

90 cos

2

cos 2







t V

V V

t V

V V

m

m II

m m

I













V V

V

V

t t

V V

V

V

t t

V V

V

V

m m

m IV

m m

m IV

m m

III

m

1 2

1 2

0 0 1

2 0

0 1

2 2

1 2

1 2

cos cos

4

90 90 cos

90 90 cos

4

cos cos

4

2

1

1

2

1































































































V V V

VSSB m cos 2 m 1

2

2

